煤巷交叉点钢架支护技术在同家梁矿的研究与应用

刘建军，乔元栋

（1.同煤集团同家梁矿，山西 大同 037003；2.山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003）

煤巷交叉点钢架支护技术在同家梁矿的研究与应用

刘建军1，乔元栋2

（1.同煤集团同家梁矿，山西 大同 037003；2.山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003）

通过在同家梁矿14＃层311盘区51013巷与311-1巷交汇处架设20＃工字钢钢架做交叉点对顶板进行加强支护，保证了上覆煤柱下巷道支护的稳定性，促进了矿井的安全生产，对类似顶板条件的巷道支护技术具有一定的借鉴意义。

煤巷交叉点；煤柱应力集中区域；钢架支护技术

同煤集团同家梁矿是一座有着60多年开采历史的老矿。随着煤炭资源的逐年衰竭，采掘现场逐渐向西部转移，现主要可采盘区仅剩14＃层410，412盘区东北部；12＃层412盘区（81202，81204两个综采面）和12＃层408盘区碾子沟村保护煤柱。14＃层410，412盘区主采煤层为14-3＃煤层。由于14＃层410，412盘区绝大部分顶板属复合层顶板，顶板内含2～3层煤线，自下而上分别为14-2＃层，14-1＃层，12-2＃层。14-2＃层煤层厚度为0.4～1.05m，平均为0.68m；14-1＃煤层仅局部赋存厚度0.2～0.5m的煤，平均0.3m；12-2＃煤层厚度为0.26～0.77 m，平均0.5m。顶板岩性分别为：伪顶为粉砂岩，厚度0.2～0.4m，岩性特征为灰黑色、含植物化石，有水平层理；直接顶为粉细砂岩与煤，厚度1.5～3.5m，以粉细砂岩互层为主，层理发育、中夹煤线；老顶厚度大于2.5m，岩性特征以灰色粉砂岩、细砂岩为主、胶结致密较坚硬。14＃层410盘区巷道与12＃煤层层间距3.5～6.8m属近距离煤层掘进，顶板属复合层顶板，尤其在巷道交叉点处巷道跨度大，最大跨度达7.44m。由于受到临近工作面采动影响应力重新分布，以及有上覆煤柱所对应的巷道受到11＃，12＃煤层煤柱叠加应力作用，致使该区域巷道承受到普通巷道3～5倍的支撑压力，造成巷道顶板裂开、钢梁压弯，下沉严重处顶板下沉量达25～40 cm。严重影响着巷道的正常使用以及物料的运输、通风，给矿井的安全生产造成了隐患。

1 应力集中区域煤巷交叉点存在的问题

煤巷交叉点常见于盘区准备巷与回采顺槽巷或联络横峒的交叉口。其特点是巷道沿煤层顶板开掘，断面为矩形，交叉口跨度较大。对这种交叉点的支护往常都是根据围岩状况选用锚索钢梁加护帮，或砌片石墙架工字钢梁的支护方式。在交叉点围岩稳定，矿压小的情况下采用此支护方式能够满足安全生产的需要。但是井下的生产环境条件是随时变化的，原巷道及交叉点在受到采动影响后会破坏原有的受力平衡状态，造成巷道围岩变形、断面缩小，顶板断裂下沉，支护受损，导致巷道不能正常使用，直接威胁到安全生产。

2 使用钢架支护对煤巷交叉点的维护应用

所谓钢架支护就是将砌片石墙架工字钢梁支护方式进行改进形成的一种衍生支护方式。其特点是用钢腿结构替代墙体部分，交叉点不砌筑墙体，顶梁与柱腿以榫接方式连接成整体，形成交叉点的钢架支护，属棚式刚性支护，可按交叉点的设计规格要求予制钢架支护结构件，在施工现场对号入座积木式的组装快速施工，能保证施工质量和支护强度，可以用在交叉点的强支护施工中，相比其他支护方式效果要好，消除了原片石砌墙体受压易损坏失效的缺点。

下面以14＃层51013巷与311-1巷交叉点钢架支护为例进行研究：

2.1 确定交叉点的规格尺寸

巷道交角为80°，311-1巷宽3.4m，51013巷宽4.0m，巷高均为2.5m，铺设DK624－4－12（左）型道岔，轨距600mm，运输最大设备为综采液压支架。

交叉点平面线路连接计算结果见14＃层51013巷与311－1巷交叉点设计平面图，见图1。

图1 14＃层51013巷交叉点设计平面图

2.2 确定交叉点钢架支护的范围尺寸

交叉点需要钢架支护的范围是喇叭口处的正巷6.44 m范围及岔巷向里3 m段的范围，见14＃层51013巷与311－1巷交叉点钢架支护平面图，见图2。

2.3 钢架支护结构设计及装配

图2 14 #1层4#层5511001133巷巷与3与11-311巷1交-叉1点巷钢交架叉支点护平钢面架布支置图护平面布置图

使用20＃工字钢在相应原墙体位置设计出钢架柱腿及顶梁，需架设三处钢架墙体和一处喇叭口钢架柱梁。钢架墙体及喇叭口钢架柱梁间的顶板空间用11＃工字钢梁排列并用刹顶木与顶板背牢支护顶板。由这些钢架构件组合连接就形成了交叉点的钢架支护整体结构，柱腿采用两根20＃工字钢对称焊接成一根对柱，并将底座，顶帽，柱腿箍与柱腿焊接成一体，柱腿间设置两道撑拉杆。每根柱腿用两根护腿锚杆与巷帮进行固定，顶架采用20＃工字钢按架设位置及作用的不同分别制作，钢架墙体的顶梁为单梁结构，喇叭口处的钢架顶梁为双梁结构，该双大梁对称焊接成一根对梁，两端连接柱腿，梁中部加打两组吊挂角锚索与顶板进行固定，对梁跨度较大，预先对梁跨中央进行加固悬吊。钢架柱腿顶梁采用榫接连接方式，在柱腿顶帽开榫眼槽和固定连接顶梁的螺孔，在顶梁上焊接定位榫头，柱腿顶梁榫接在一起后再加箍螺杆使之连接成整体，形成了交叉点的钢架支护，见图3。

2.4 支护强度的计算

图3 钢 架钢架柱柱腿腿双双顶顶梁梁结构结及构装装配图配图

顶板载荷：

由于14＃层和12＃层之间多以砂岩为主，因此我们取其平均容重为2.2 t／m3。其层间距约为6.0 m左右，把交叉点顶板部分理想化成完全跨落体。将其平均分成两个部分，其中51013巷为一部分，311-1巷为一部分。且有两部分支撑。由于311-1部分跨度较大，把计算重点放在该部分。

311-1 巷顶板载荷：

体积：V=7.5×3.4×6=153m3

重量：M顶板=153×2.2=336.6 t

跨中集中荷载计算：

选用Ⅰ20 a，材料Q235B的工字钢。

Ⅰ20a截面特征：W（x）=287 cm3，A=35.5 cm2，设许用值σ=240 MPa（保留安全系数1.7）。

横梁为2根Ⅰ20a，工字钢并排铺设，则：

抵抗弯矩：M=W（x）×σ=287×240×2=137.6 KN.m

检验：

1）确定工字钢跨度、承重点位置、重量，计算最大弯矩M（max）；

2）取Ⅰ20a工字钢材料为Q235B，σ（s）=2 400 kg／cm2，确定安全系数取1.7，σ=2 400／1.7=1 412 kg／cm2；

3）M（max）／［σ］＜=W（x），强度满足。W（x）查阅机械设计手册工字钢的抗弯模量。

100×13 7.6 KN.m／1 412 kg／cm2=9.7＜W（x）则可行。

抵抗集中荷载：F=4M／L=4×137.6／7=78.6 KN= 7.8 t。

则7 m梁中点附近最多可以承受7.8 t荷载，留有安全系数1.7（工程应用中必须的）以此为准，则7 m 20＃工字钢双梁受力理想成平均分布，最多可承载约MⅠ=109 t。

由于20＃工字钢双梁不支撑全部的重量，约支撑其重量的一半左右，则明显MⅠ=109＞M顶板=84 t，况且本次计算是在理想化的模型下计算的，顶板不可能完全跨落，顶板大体呈现出弧形，由于张力的作用，20＃工字钢双梁受到的力要小于84 t，因此采用20＃工字钢梁是可行的。

2.5 实施效果

通过以上的设计构想，针对14＃层51013巷与311-1巷的交叉点维护的实际情况，为了提高交叉点支护强度，加快施工速度，在此尝试应用该支护技术，一举获得成功，很好地配合了U29棚支护，按期完成了巷道及交叉点维护的任务，使矿井生产

能够安全正常的进行，彻底解决了交叉点难维护的问题。之后又将该技术推广应用到了其他三个交叉点：（1）14＃层21015巷交叉点；（2）14＃层51011里横峒交叉点；（3）12＃层2901碾巷交叉点，都取得了良好的效果。实践证明，该支护技术是合理可行的，是能够有效的管理顶板的。这一技术极大地改善了生产作业环境，保证了安全生产，在今后的巷道施工中有推广应用的价值。

2.6 经济效益

应用该支护技术顺利的解决了交叉点维护施工难的问题，很好地配合了周边巷道的U29棚子补强支护，使盘区轨道巷受损段全部得到了有效的维护，达到了安全使用的要求，给开采81017面，81015面，81013面创造了良好的运输环境，且为81122及81019停采面撤运支架及81017面，81015面开采结束撤运支架等设备提供了畅通安全可靠的运输保障，取得了良好效果，现已服务采出了三个面：81122，81017，81015面，见图4。

图4 钢架支护交叉点位置及服务区域平面图图4 钢架支护交叉点位置及服务区域平面图

采出煤量：

81122 面：140m×555m×2.5m×1.3t／m3＝252525 t；

81017 面：170m×667m×2.5m×1.3t／m3＝368517 t；

81015 面：160m×785m×2.5m×1.3t／m3＝408200 t。创经济效益：20元／t×102.9万t＝2058万元

3 创新点

交叉点钢架支护技术是对以往所用的砌墙架梁支护的改进。为了提高支护强度，便于施工，从原砌墙架梁支护方式暴露出的一些缺点入手，针对性地做了补强技术改进，其创新点有：

（1）采用20＃工字钢梁且在跨度最大的喇叭口处采用双大梁结构，使支护强度大大提高，能承载较大的矿压。

（2）用钢架柱腿顶梁结构替代原片石砌筑的墙体部分，从根本上消除了原片石砌筑的墙体受压变形开裂坍塌损坏的弊端。

（3）钢架梁腿间的榫接结构保证了钢架结构的稳定性和架设质量，其结构件可分别予制，易加工，积木式的装配易于施工，满足了快速施工的要求，还可在条件允许的情况下对钢架支护进行回收复用。

4 结语

交叉点钢架支护技术优点突出，是交叉点支护方式的一大进步。从根本上改善了施工作业方式，提高了交叉点的支护强度，能适应围岩矿压较大的煤巷交叉点补强支护的要求，可最大限度地减少因压力传递对巷道造成的破坏，免去了因巷道受损进行的重复维护，为安全生产、运输畅通提供了可靠的保障，为今后推广应用开了个好头。它确实解决了煤矿所遇到的棘手问题，为安全、质量标准化及高效、低耗、快速施工带来了很大的安全效益和经济效益。

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〔责任编辑 石白云〕

Research and App lication of Coal Roadway Crossing p oint of Steel Supporting Technology in Tongjialiang Mine

L IU J ian－jun1，Q IAO Y uan－dong2
（1.Tongjialiang C oal Mine of Shanxi Datong CoalMine Group Company，Datong Shanxi，037003
2.School of Coal Engineering，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037003）

In this article,we erected on the 20th I-beam steel frame at the intersection point of 14 coal seam,311distri c t,51013 roadway and 311-1 roadway in Tongjialiang mine.Through thismethod,we reinforced the roof support at this point and adopted a safe,efficient,reasonable support pattern，s o that it ensured the integrity and stability of roadway support under the overlying coal pillar.Besides,it also promoted the safe production ofmine.It has certain referential significance to the roadway supporting technology at similar roof conditions.

roadway junction;the coal pillar stress concentration area;steel frame supporting technology

R587.2

A

2012-12-06

刘建军（1971-），男，山西 大同 人，硕士，研究方向：采矿工程与安全管理。

1674－0874（2013）01－0070－04