淺埋深薄基巖平頂拱形棚支護(hù)應(yīng)用

郭 杲

(霍州煤電集團(tuán) 河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 霍州 031400)

淺埋深薄基巖煤層具有埋深淺、基巖頂板較薄的特點(diǎn)，頂板巖性較為破碎，支護(hù)困難，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。張杰等[1]建立窄煤柱-實(shí)體煤-基本頂-覆巖共同作用的圍巖結(jié)構(gòu)受力模型，分析淺埋深薄基巖沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)形成及失穩(wěn)機(jī)理。李召鑫[2]研究表明， 在“三軟”條件下回采巷道應(yīng)選擇直墻半圓拱形巷道或者平頂U(kuò)形巷道；鄒莊礦3204工作面采用平頂U(kuò)形斷面巷道的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，巷道圍巖變形量不大，能夠滿足回采時(shí)巷道穩(wěn)定要求，提高了回棚效率。

薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司開采2#煤層為淺埋深薄基巖煤層，巖性較為破碎，使用錨索、桿支護(hù)效果較差，掘進(jìn)工作面選用傳統(tǒng)直壁三心拱29U型鋼棚支護(hù)，能夠保證掘進(jìn)期間的頂板安全管理，但是在回采期間，兩巷超前支護(hù)無(wú)法合理搭設(shè)，橫向搭設(shè)π梁后，π梁無(wú)法直接接頂，π梁受力不均勻，頂部壓力集中在π梁兩端，無(wú)法保證超前支護(hù)的安全可靠。為確保支護(hù)安全合理，經(jīng)過(guò)圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，從U型鋼支架塑性區(qū)分布與位移分布角度分析得出，決定在掘進(jìn)工作面采用平頂拱形棚支護(hù)。

1 平頂拱形棚與直壁三心拱棚斷面參數(shù)對(duì)比

1.1 平頂拱形棚

在原直壁三心拱29U型鋼棚基礎(chǔ)上，降低拱棚高度10 cm，棚梁頂部變?yōu)槠巾?，棚梁弧度發(fā)生變化，棚腿不變，棚梁與棚腿搭接處保持原弧度。使用平頂拱形棚巷道參數(shù)：凈寬4.2 m，凈高2.9 m，凈斷面11.0 m2，毛寬4.7 m，毛高3.15 m，毛斷面13.2 m2.

1.2 直壁三心拱棚

使用直壁三心拱棚巷道成型后參數(shù)如下：凈寬4.2 m，凈高2.9 m，凈斷面11.3 m2；毛寬4.7 m，毛高3.25 m，毛斷面13.35 m2.

1.3 參數(shù)對(duì)比

使用平頂拱形棚后巷道寬度不變，高度比原先低10 cm，凈斷面比原先小0.3 m2，通過(guò)驗(yàn)算，巷道參數(shù)能滿足機(jī)電設(shè)備安裝、運(yùn)輸、行人、通風(fēng)等要求。

棚架斷面對(duì)比圖見圖1. 從圖1可以看出，順槽巷道為直壁三心拱棚時(shí)，在回采期間選用2.4 mπ梁、3.2 m單體柱作為超前支護(hù)，π梁頂部距巷道頂部310 mm，可用不同長(zhǎng)度木板梁充填接頂，但受力不穩(wěn)定，使用短π梁后，上述問(wèn)題依然存在。順槽巷道為平頂拱形棚時(shí)，在回采期間選用2.4 mπ梁、3.2 m單體柱作為超前支護(hù)，在平頂拱形棚巷道π梁頂部與巷道頂部間距為150 mm，可用木板梁充填接頂或根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采用短π梁直接接頂。也可采取另一種超前支護(hù)方式，即在平頂拱形棚梁兩端直接支設(shè)單體柱，不再支設(shè)π梁,可降低超前支護(hù)難度，提高支護(hù)效果。

圖1 棚架斷面對(duì)比圖

2 平頂拱形棚支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

平頂拱形棚采用29U型鋼棚制作，棚距0.8 m. 柱窩深度0.2 m，棚梁腿搭接0.5 m，每架棚二牛背處每邊用一副拉桿聯(lián)接，卡纜內(nèi)間距為0.26 m，卡纜螺母扭矩為200 N·m；棚梁上部鋪設(shè)木背板，背板間距400 mm，背板上部鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)上部鋪設(shè)阻燃膠布，再上部鋪設(shè)背板、構(gòu)木接頂，并用木楔打緊打牢；棚腿直腿部分緊貼棚腿均勻布置3根背板，背板后部鋪設(shè)菱形網(wǎng)與阻燃膠布緊貼煤壁，并用木楔打緊打牢，網(wǎng)與網(wǎng)搭接100 mm，每20 cm聯(lián)網(wǎng)一道。平頂拱形棚支護(hù)斷面見圖2. 斷面尺寸見表1.

圖2 平頂拱形棚支護(hù)斷面圖

表1 平頂拱形棚斷面尺寸表

2.2 材料規(guī)格

每掘進(jìn)1 m消耗29U型鋼10.3 m，背板19根，木楔19塊，構(gòu)木19根，鋼筋網(wǎng)6.76 m2，菱形網(wǎng)4 m2，阻燃布10.76 m2. 背板規(guī)格1 000 mm×150 mm×80 mm，構(gòu)木規(guī)格1 000 mm×80 mm×80 mm，鋼筋網(wǎng)規(guī)格1 200 mm×900 mm，鋼筋直徑為6.5 mm，網(wǎng)格100 mm×100 mm，菱形網(wǎng)規(guī)格3 000 mm×1 000 mm，網(wǎng)格為40 mm×40 mm，10#鐵絲，阻燃布規(guī)格10 000 mm×900 mm×0.5 mm，聯(lián)網(wǎng)絲為14#鉛絲。

2.3 臨時(shí)支護(hù)

采用前穿板梁臨時(shí)支護(hù)，在緊靠工作面迎頭第一架棚梁上方穿插4根板梁，在兩幫二牛背處各穿插2根板梁進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，板梁穿入棚梁200 mm，板梁伸出長(zhǎng)度800 mm，用木楔打緊打牢，板梁規(guī)格：長(zhǎng)1 000 mm×寬150 mm×高80 mm.

3 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)

3.1 掘進(jìn)期間

在巷道順槽兩巷采用平頂拱形棚支護(hù)試驗(yàn)100 m，施工完成后，對(duì)平頂拱形棚支護(hù)段按照20 m一組布置巷道位移量觀測(cè)站，監(jiān)測(cè)主要參數(shù)為平頂拱形棚拱部及直墻部變形情況，一周以內(nèi)每日進(jìn)行觀測(cè)，一個(gè)月后無(wú)變化每周觀測(cè)一次，定期觀測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行匯總分析。

巷道位移量觀測(cè)站采用“十字”布點(diǎn)的方式，在棚架梁中部用噴漆噴“十字”標(biāo)記，在棚架兩側(cè)棚腿直墻與拱部交接處(距底板1.6 m)用噴漆噴“十字”標(biāo)記。測(cè)量時(shí)，在兩側(cè)標(biāo)記處拉線繩，調(diào)整線繩保持左右水平，測(cè)量頂部標(biāo)記點(diǎn)距線繩垂直距離，作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)1，測(cè)量棚架兩側(cè)標(biāo)記點(diǎn)距離，作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)2. 每架棚架好后，測(cè)量上述指標(biāo)并記錄，作為原始數(shù)據(jù)，后期測(cè)量數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)對(duì)比、分析。測(cè)點(diǎn)布置方式見圖3.

圖3 測(cè)點(diǎn)布置方式圖

3.2 回采期間

初采開始后，每日對(duì)正副兩巷距切巷口50 m棚架范圍進(jìn)行巷道位移量觀測(cè)，50 m以外的每周觀測(cè)一次，觀測(cè)方法同掘進(jìn)期間一致。對(duì)超前支護(hù)段進(jìn)行加強(qiáng)觀測(cè)，對(duì)比巷道位移量變化數(shù)據(jù)。

在回采期間正副兩巷超前支護(hù)方式一共兩種：一種是選用2.4 mπ梁、3.2 m單體柱作為超前支護(hù)；另一種是在平頂拱形棚梁兩端直接支設(shè)單體柱。對(duì)于兩種超前支護(hù)方式，每種設(shè)定區(qū)域分別進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)頂板情況及巷道位移量觀測(cè)數(shù)據(jù)變化，進(jìn)一步確定超前支護(hù)方式。

3.3 效果分析

棚梁腿搭接方式：棚梁腿交叉搭接，搭接面為圓弧，且用兩副卡纜固定；棚架與棚架之間聯(lián)接方式：兩種架型均可用圓鋼制作的拉桿聯(lián)接，拉桿的數(shù)量可根據(jù)實(shí)際情況增加或減少；受力情況分析：平頂拱形棚頂梁水平段為1.6 m，跨度為2.8 m，頂梁垂直受力段為1.6 m，其余受力在頂梁兩側(cè)圓弧段，頂部壓力通過(guò)兩側(cè)圓弧傳遞于兩側(cè)棚腿，壓力增大時(shí)，棚梁腿搭接處可回縮，釋放部分壓力，頂梁不易變形。經(jīng)過(guò)巷道位移量監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)1在巷道最大回縮量情況下觀測(cè)值為1 290 mm,監(jiān)測(cè)指標(biāo)2在巷道最大回縮量情況下觀測(cè)值為4 193 mm,變化量均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

在滿足通風(fēng)系統(tǒng)及頂板支護(hù)的要求下，支護(hù)斷面平頂拱形棚較三心拱棚掘進(jìn)斷面減小0.3 m2，掘進(jìn)過(guò)程中減少了人力支出及出渣時(shí)長(zhǎng)，降低了運(yùn)輸設(shè)備的電力損耗；回采過(guò)程中超前施工較原三心拱斷面減少了施工背板構(gòu)頂工藝，降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度，避免構(gòu)頂期間人員登高作業(yè)，節(jié)省了木材支護(hù)費(fèi)用，提高了超前支護(hù)效果，確保了巷道施工頂板安全。

4 結(jié) 論

薛虎溝煤業(yè)2#煤層在淺埋深薄基巖地質(zhì)條件下，采用平頂拱形棚支護(hù)后，巷道位移量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)要求，支護(hù)效果良好，為回采期間超前支護(hù)施工創(chuàng)造了良好條件，降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也可確保超前支護(hù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

Application of Support of Shallow-buried and Deep-thin Bedrock Flat-top Arched Shed

GUO Gao

AbstractThe No.2 coal seam of Xuehugou Coal Industry is a shallow buried deep and thin bedrock coal seam. In order to ensure the safety and reliability of the advance support of the two roadways during mining, the flat-top arched shed is designed for support. On the basis of the shed, the top of the shed beam becomes a flat roof, and the overlap between the shed beam and the shed legs maintains the original arc. The results show that the support effect of the flat-top arched shed is better under the condition of shallow buried deep and thin bedrock roof.

KeywordsShallow buried deep and thin bedrock coal seam; Straight wall three-core arch shed; Flat-top arched shed; Roadway displacement