王 科

（淮北礦業(yè)集團 蘆嶺煤礦 掘進三區(qū)，安徽 淮北 235000）

U29型鋼棚支護在蘆嶺煤礦的應(yīng)用分析

王 科

（淮北礦業(yè)集團 蘆嶺煤礦 掘進三區(qū)，安徽 淮北 235000）

煤炭開采中遇到的最重要的問題之一就是巷道支護，它影響著煤礦開采向縱深發(fā)展以及安全生產(chǎn)。本文首先分析了U型棚支護的工作原理，緊接著對U型棚的破壞特征做出了分析介紹，最后介紹了U29型鋼拱形支架及其在蘆嶺煤礦的應(yīng)用。

支護；U29型鋼拱形支架；安全

0 引言

隨著煤炭開采越來越向深部發(fā)展,深部巷道支護問題越來越突出,各個礦務(wù)局在巷道支護中也越來越多的使用U型鋼支架,但就其在使用過程中存在的問題也越來越突出。據(jù)統(tǒng)計,我國目前煤炭開采每年開巷掘進大約以6000千米的速度推進,由于深部巷道支護存難度較大,大約有100千米/年的巷道需要返修、維護,其中大多巷道使用的U型鋼遭到了不同程度的破壞,給礦山的經(jīng)濟效益帶了巨大的損失,所以能否解決好深部巷道的支護等問題,是我國煤炭開采向縱深發(fā)展和安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問題之一。

兩淮礦區(qū)U型鋼支架的用量隨著開采深度和巷道圍巖壓力的增加也逐年增長,U型鋼支架是通過構(gòu)件間可縮和彈性變形來調(diào)節(jié)載荷,同時在支架讓壓和變形過程中,保持著對圍巖較大的阻力,能適應(yīng)較大的圍巖變形和壓力變化。u型鋼可縮性支架以其具有較高的初撐力,增阻速度快,支護強度大和具有一定可縮性等優(yōu)點,也被廣泛應(yīng)用于煤礦的主要巷道支護和一些公路隧道軟弱破碎圍巖段的初次襯砌。但是在實際工程中,由于壁后空洞的存在和圍巖破碎等因素,造成支架與圍巖之間接觸狀態(tài)差,支架受力不均勻,出現(xiàn)偏載,經(jīng)常在集中荷載的作用下使U型鋼支架受到不同程度的破壞,甚至失去作用,導(dǎo)致整體支護效果不佳,給工程造成很大的損失。因此,研究U型鋼可縮性支架支護性能,提高U型鋼支架的支護技術(shù)水平是解決這些問題的有效途徑,對推廣其進一步發(fā)展利用有著很重要的意義。

1 U型棚支護工作原理

U型鋼可縮性支架的工作特點是：u型鋼支架通過連接件鎖緊后,支架節(jié)間連接段的型鋼受到壓緊,產(chǎn)生預(yù)緊力。當(dāng)圍巖作用于支架上的壓力若要推動支架連接部分滑動,就要克服搭接部位型鋼與型鋼之間、型鋼與連接件之間的摩擦阻力,這個壓力就要達到某一限度,但是也必須要小于支架的承載能力。當(dāng)巷道圍巖變形促使支架承受載荷達到極限時,支架內(nèi)力也隨之增大當(dāng)軸力推動型鋼搭接部位滑移時,過大的內(nèi)力使得連接件發(fā)生歪斜,并出現(xiàn)變形,此時彎矩就造成支架的撓曲。

當(dāng)型鋼滑移后,支架曲率半徑減小,連接件與型鋼之間的壓力增大,這就產(chǎn)生了附力11壓緊力。隨著巷道圍巖持續(xù)變形,支架荷載和其內(nèi)力也不斷增加,當(dāng)支架節(jié)間搭接處的軸力大于卡纜預(yù)緊力引起的型鋼之間或型鋼與連接件之間的摩擦力時,型鋼之間產(chǎn)生相對滑動,支架縮短。支架收縮后,支架承受的外載就減少了。當(dāng)軸力小于摩擦力時,支架不收縮,與荷載處于相對平衡狀態(tài)。如果巷道圍巖繼續(xù)變形,支架荷載與內(nèi)力又進一步增加,型鋼連接處又產(chǎn)生滑動,如此往復(fù)進行。隨著支架的收縮,附加壓緊力一次比一次加大,這樣也就導(dǎo)致支架工作阻力隨之增加。

U型鋼支架通過構(gòu)件間的可縮和彈性變形來調(diào)節(jié)支架承受載荷,同時在支架變形和可縮過程中保持對圍巖的支護阻力,同時支架仍然保持較高的承載能力,促使圍巖應(yīng)力狀態(tài)趨于平衡,具各適應(yīng)巷道圍巖較大變形和壓力變化的能力,是軟巖巷道中一種較為常用的支護形式,但是在深部大斷面巷道中普遍存在支架承載能力尚未得到充分發(fā)揮便遭到屈服和破壞。

2 U型棚的破壞特征

蘆嶺礦三水平軌道上山使用的U型鋼在不均勻載荷的作用下,支架常出現(xiàn)以下幾種破壞形式：(1)拱頂壓平,而兩側(cè)(或一側(cè))向外凸出當(dāng)支架頂部承載而肩部存在空隙時,拱頂向下位移,而兩側(cè)肩部凸向圍巖；(2)尖桃型破壞，這種破壞形式在煤布、井下較為常見,主要原因是拱頂存在較大空隙時,在側(cè)向壓力作用下,拱頂向上突起,形成尖桃型破壞；(3)扭曲和傾倒型破壞，支架一側(cè)與巷道圍巖接觸、側(cè)壓較大,而另一側(cè)壓力較小,在接觸一側(cè)外載荷的作用下,支架不接觸側(cè)向上拱起,發(fā)生扭曲變形。

3 U29型鋼拱形支架及其在蘆嶺煤礦的應(yīng)用

U型鋼可縮性支架搭接部分一般由上型鋼、下型鋼和卡纜組成,而卡纜形式有多種多樣,蘆嶺礦使用卡纜是典型的雙槽夾板卡纜是由上槽形板、下槽形板和螺栓組成。U型鋼可縮性支架搭接部分各構(gòu)件之間的傳力支架縮動的關(guān)鍵技術(shù),因此,研究其傳力特點是非常有意義的。搭接部分各構(gòu)件之間的傳力是空間問題,但如果將U型鋼可縮性支架作為平面問題研究,則搭接部分各構(gòu)件間的傳力可分為平面外傳力和平面內(nèi)傳力兩部分。

目前國內(nèi)生產(chǎn)的U型鋼有U25、U29和U36三種規(guī)格。其中,U25為腰定位式的,即兩節(jié)U25型鋼搭接在一起時,其接觸部位是在U25型鋼橫截而上的腰部,而U29和U36為耳定位式的。蘆嶺礦使用的U29型鋼支架是耳定位式。

1）從蘆嶺礦三水平軌道上山使用的U29型鋼拱形支架數(shù)值模擬結(jié)果來看,在均勻載荷作用下,①無論是環(huán)形支架還是直墻半圓拱形支架,應(yīng)力集中均出現(xiàn)在搭接處,但是環(huán)形支架搭接處的應(yīng)力集中要小于拱形支架,因為環(huán)形直接三個方向的應(yīng)力最大值和最小多集中在搭接處,部分相互抵消,使搭接處總應(yīng)力降低,表明環(huán)形支架的結(jié)構(gòu)受力情況比直墻半圓拱形支架要好；②環(huán)形支架的最大位移和最大應(yīng)變都遠(yuǎn)小于拱形支架,表明環(huán)形支架有更好的抗變形能力,這就說明環(huán)形支架的支護性能要優(yōu)于直墻半圓拱形支架。

2）在不均勻載荷作用下,模擬了直墻半拱形支架的幫部、肩部和拱部分別受大小不一的力作用時和情況,模擬的結(jié)果和支架力學(xué)分析基本吻合,支架的幫部較為脆弱,在不均勻載荷作用下,幫部出現(xiàn)破壞的概率最大,加強幫部的支護是非常重要的。拱部發(fā)揮承載能力在整個支架的三個部分是最大。肩部還是要提高卡纜的質(zhì)量來應(yīng)對應(yīng)力集中,這和均勻載荷時一致的。

3）蘆嶺礦從經(jīng)濟角度來出發(fā),比較了拱形支架和環(huán)形支架的價格和支護面積,拱形支架優(yōu)于環(huán)形支架,在面積大小幾乎相等的情況下,開挖巖體的范圍,拱形支架3.6×3.49m,環(huán)形支架3.75×3.75m,支架長度拱形支架位8.98m,環(huán)形支架為11.62m,。拱形支架的斷面利用率和支架成本,以及安設(shè)支架的方便程度和對圍巖破壞程度優(yōu)于環(huán)形支架。

4）蘆嶺礦通過一段時間施工安裝,總結(jié)了實際施工過程中呈現(xiàn)的一些問題,工作人員一致認(rèn)為直墻半拱形支架較好,拱形支架雖然受力性能不如環(huán)形支架,但是它允許支架巷道斷面有較大的變形,有很好的控制頂部和側(cè)幫變形的能力。在圍巖變形量較大的巷道中使用拱形支架有很大的優(yōu)越性,但是使用時要注意支架的的接觸情況,可以采取壁厚充填措施來改善支架的受力條件,直墻半圓拱形支架良好的結(jié)構(gòu)性能為其提供了很好的應(yīng)用潛能,在巷道支護中是很有支護前景的支護形式之一。

4 結(jié)語

長期以來,巷道支護是蘆嶺煤礦生產(chǎn)中的難題,該礦是地壓大、高深度開采的礦井,而且在進行三水平開采時,深部大斷面巷道支護問題尤為突出,U型鋼支架破壞嚴(yán)重,因此,三水平深部大斷面巷道支護形式選擇的正確與否直接影響深部三水平巷道支護的成敗。解決好蘆嶺煤礦深部大斷面巷道的支護問題是該礦開采向縱深發(fā)展和安全生產(chǎn)的關(guān)鍵,同時對國內(nèi)外其他深部大斷面巷道支護技術(shù)研究也能提供借鑒作用。

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