梁 林,趙 群
(黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦,陜西 延安727307)
目前,隨著掘進機械化程度的不斷提高,施工機頭硐室和專用通風通道等跨越大巷頂板的巷道,不在采用炮掘施工,逐漸推廣采用綜掘機施工,極大的減少了對開拓大巷圍巖的擾動和破壞,與此同時風橋支護已不再需要采用強度較高的鋼筋混凝土結構,為此經過理論分析和工程實踐,探索采用U型鋼封閉結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土結構風橋。
黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦1006輔運巷位于十盤區(qū),為十盤區(qū)西翼第6個回采工作面的高位抽采巷,北為1007進風順槽,南為1006回風順槽,西為六盤區(qū),東為北一進風巷。1006通風通道自1006輔運巷開口位置向里30 m處起坡,穿越北一進風巷頂板與北一回風巷貫通。1006輔運通風通道設計長度68.2 m。通風道對應上覆地表為低山林區(qū)為主,無建筑、河流及其它設施,上覆巖層厚度為266~440 m左右。1006通風通道自2號煤層底板上山掘進。2號煤層為黑色塊狀,屬半光亮型煤。弱瀝青光澤,階梯狀斷口,內生裂隙發(fā)育,被方解石、黃鐵礦薄膜填充。結構單一,傾角1°~5°,掘進范圍內煤層厚度1.8~2.2 m,平均厚度2.1 m,結構簡單,屬于穩(wěn)定煤層。2號煤局部夾矸為黑色泥巖,屬于Ⅱ類自燃煤層。老頂為細粒砂巖和中砂巖,平均厚度2 m?;野咨㈤L石為主,鈣質膠結,夾泥巖薄層及條帶、植物化石碎片及云母星點。接頂為粉砂巖和泥巖,平均厚度為8.2m。砂巖:灰黑色,成分以石英為主,鈣質膠結,中夾薄層砂質泥巖。砂質泥巖:黑色,含黃鐵礦結核,植物化石碎片,夾薄層粉砂巖,水平層理發(fā)育。底板為炭質泥巖,平均厚度為1.1 m,灰黑色,塊狀,含砂質,較硬。
北一進風巷與1006輔助運輸通風通道交岔點澆筑C30鋼筋混凝土風橋,風橋施工前先對施工風橋處大巷兩幫進行刷幫、挑頂,刷幫后采用錨網(wǎng)支護,錨桿間排距800 mm×800 mm。澆筑C30鋼筋混凝土墻前,綁扎雙層鋼筋,鋼筋之間用結構筋相連;主副筋均采用?14螺紋鋼加工,間排距300 mm×300 mm,結構筋采用?8圓鋼加工,間距300 mm,墻厚500 mm,鋼筋混凝土墻與風橋交匯處架設11號工字鋼,間距300 mm。風橋橋面鋪11號工字鋼后澆筑C30地坪,工字鋼間距300 mm,橋面地坪厚度500 mm,架設的工字鋼上下須鋪設?6金屬網(wǎng),金屬網(wǎng)與工字鋼用14號鐵絲綁扎連接。風橋模板拆除后,對兩側墻及風橋底面、以及與大巷接茬部位噴C20砼,厚度100 mm。
北一進風巷與1006輔助運輸通風通道交岔點及前后1 m范圍采用U29鋼棚混凝土加強支護。架棚前,先采用人工刷幫、挑頂、錨網(wǎng)支護的方式擴充斷面,擴刷厚度200 mm,錨桿間排距800 mm×800 mm,菱形布置,全斷面掛?6金屬網(wǎng),網(wǎng)孔100 mm×100 mm;U29鋼棚架設排距500 mm,須采用半圓木將幫頂背實,噴C20砼,厚度200 mm。
由于采用綜掘機在錨桿+U29鋼棚混凝土加強支護上部1.5 m處施工,為確保施工安全,建立力學模型分析。
2.3.1 圍巖應力分析1)按照掘進留底高度計算頂部圍巖壓力。計算公式如下:
式中:p為圍巖壓力;r為圍巖容重,砂巖取2.5 k N/m3;h為留底圍巖高度,1.5 m。
代入數(shù)值計算得出:p=0.003 75 MPa
2)按照公路隧道設計細則計算頂部圍巖壓力.
計算公式如下:
式中:p為圍巖壓力;h為留底圍巖高度;r為圍巖重度,按4級圍巖取值,取2.5 k N/m3;s為圍巖級別,取4;w為寬度影響系數(shù);B為巷道寬度,根據(jù)尺寸選取5.4 m。
i_B>5時取0.1,B<5時取0.2
代入數(shù)值計算得出:p=0.009 36 MPa
3)水平均布松動壓力。
4級圍巖,水平均布松動壓力按(0.1~0.3)p計算:
取巖石最大壓力0.009 36 MPa。
2.3.2 U型鋼棚支護參數(shù)校核
U鋼棚采用3節(jié)式,受力計算簡圖如圖4所示;依據(jù)結構的對稱性,取鋼棚的一半進行校核。計算荷載單位荷載集度q1=1 N/m時,取q2=0.3 N/m,利用結構力學計算對稱結構受力情況。
基本結構在外載荷作用下,截面i處產生的彎矩、軸力計算公式如下:
式中:M0ip、N0ip為分別為基本結構在外載荷作用下,截面i處產生的彎矩、軸力;α為截面i與豎直線的夾角。
由此可以確定鋼棚內的最大彎矩Mmax和最大彎矩截面上的軸力N。
單位載荷集度下,鋼棚內的最大應力計算公式如下:
式中:F為支架型鋼橫截面積,U29型鋼取36.92 cm2;W x為截面抵抗矩,U29型鋼,取92.3 cm3。
由此可以確定鋼棚內的最大應力σmax。
圖2 U鋼棚受力計算簡圖
U型鋼棚危險截面的表面應力達到屈服極限時載荷集度計算公式:
式中:α為載荷集度增大系數(shù);σs為屈服極限,U29型鋼,400 MPa;
U29型鋼棚總的承載能力計算公式如下:
由以上公式,可以求得U29鋼棚的承載能力為p=85.7 k N,查采礦工程設計手冊,可知U29鋼棚步距選擇500 mm。
2.3.3 錨網(wǎng)噴支護參數(shù)校核
錨桿提供的支護強度:
錨桿采用?20左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,間排距800 mm×800 mm,桿體彈性模量210 000 MPa,錨桿支護強度為0.24 MPa。
錨桿鋼棚混凝土支護承載能力325.7 k N,遠大于圍巖壓力9.36 k N,即采用U29鋼棚混凝土支護可滿足支護需要,但考慮到綜掘機在風橋上方1.5 m處掘進,風橋底部還需采用工字鋼木垛結構進行臨時支護確保施工安全。
優(yōu)化前后的風橋施工工藝圖見圖3、圖4。
圖3 優(yōu)化前風橋施工工藝圖
圖4 優(yōu)化后風橋施工工藝圖
1)施工前采用人工刷幫、挑頂?shù)姆绞綌U充風橋下北一進風巷斷面。
2)采用錨網(wǎng)支護風橋。
3)采用U29工字鋼支護風橋。
4)采用噴砼支護風橋。
5)采用工字鋼配合木垛對風橋進行臨時支護。
6)綜掘機留底1.5 m通過風橋上方掘進。
7)掘進完成退出綜掘機,拆除臨時支護。
1)根據(jù)理論驗算,得出了U型鋼承載力和步距,為U型鋼封閉結構風橋支護研究供了技術參數(shù)依據(jù)。
2)風橋支護采用U型鋼封閉結構后,不再需要澆筑鋼筋混凝土側墻和11號工字鋼混凝土橋面;工序簡單方便施工、施工工期短,每座風橋施工費用僅10萬元,每座風橋節(jié)約施工工期2天,有效地降低了職工的勞動強度。
3)風橋支護采用U型鋼封閉結構后,該支護結構能夠適應機掘機頭硐室和專用通風通道的施工,符合黃陵礦業(yè)公司快速掘進的要求。
4)該結構在使用過程中未出現(xiàn)任何頂板隱患,可以推廣使用。