U29型钢棚支护在芦岭煤矿的应用分析

王 科

（淮北矿业集团 芦岭煤矿 掘进三区，安徽 淮北 235000）

U29型钢棚支护在芦岭煤矿的应用分析

王 科

（淮北矿业集团 芦岭煤矿 掘进三区，安徽 淮北 235000）

煤炭开采中遇到的最重要的问题之一就是巷道支护，它影响着煤矿开采向纵深发展以及安全生产。本文首先分析了U型棚支护的工作原理，紧接着对U型棚的破坏特征做出了分析介绍，最后介绍了U29型钢拱形支架及其在芦岭煤矿的应用。

支护；U29型钢拱形支架；安全

0 引言

随着煤炭开采越来越向深部发展,深部巷道支护问题越来越突出,各个矿务局在巷道支护中也越来越多的使用U型钢支架,但就其在使用过程中存在的问题也越来越突出。据统计,我国目前煤炭开采每年开巷掘进大约以6000千米的速度推进,由于深部巷道支护存难度较大,大约有100千米/年的巷道需要返修、维护,其中大多巷道使用的U型钢遭到了不同程度的破坏,给矿山的经济效益带了巨大的损失,所以能否解决好深部巷道的支护等问题,是我国煤炭开采向纵深发展和安全生产的关键问题之一。

两淮矿区U型钢支架的用量随着开采深度和巷道围岩压力的增加也逐年增长,U型钢支架是通过构件间可缩和弹性变形来调节载荷,同时在支架让压和变形过程中,保持着对围岩较大的阻力,能适应较大的围岩变形和压力变化。u型钢可缩性支架以其具有较高的初撑力,增阻速度快,支护强度大和具有一定可缩性等优点,也被广泛应用于煤矿的主要巷道支护和一些公路隧道软弱破碎围岩段的初次衬砌。但是在实际工程中,由于壁后空洞的存在和围岩破碎等因素,造成支架与围岩之间接触状态差,支架受力不均匀,出现偏载,经常在集中荷载的作用下使U型钢支架受到不同程度的破坏,甚至失去作用,导致整体支护效果不佳,给工程造成很大的损失。因此,研究U型钢可缩性支架支护性能,提高U型钢支架的支护技术水平是解决这些问题的有效途径,对推广其进一步发展利用有着很重要的意义。

1 U型棚支护工作原理

U型钢可缩性支架的工作特点是：u型钢支架通过连接件锁紧后,支架节间连接段的型钢受到压紧,产生预紧力。当围岩作用于支架上的压力若要推动支架连接部分滑动,就要克服搭接部位型钢与型钢之间、型钢与连接件之间的摩擦阻力,这个压力就要达到某一限度,但是也必须要小于支架的承载能力。当巷道围岩变形促使支架承受载荷达到极限时,支架内力也随之增大当轴力推动型钢搭接部位滑移时,过大的内力使得连接件发生歪斜,并出现变形,此时弯矩就造成支架的挠曲。

当型钢滑移后,支架曲率半径减小,连接件与型钢之间的压力增大,这就产生了附力11压紧力。随着巷道围岩持续变形,支架荷载和其内力也不断增加,当支架节间搭接处的轴力大于卡缆预紧力引起的型钢之间或型钢与连接件之间的摩擦力时,型钢之间产生相对滑动,支架缩短。支架收缩后,支架承受的外载就减少了。当轴力小于摩擦力时,支架不收缩,与荷载处于相对平衡状态。如果巷道围岩继续变形,支架荷载与内力又进一步增加,型钢连接处又产生滑动,如此往复进行。随着支架的收缩,附加压紧力一次比一次加大,这样也就导致支架工作阻力随之增加。

U型钢支架通过构件间的可缩和弹性变形来调节支架承受载荷,同时在支架变形和可缩过程中保持对围岩的支护阻力,同时支架仍然保持较高的承载能力,促使围岩应力状态趋于平衡,具各适应巷道围岩较大变形和压力变化的能力,是软岩巷道中一种较为常用的支护形式,但是在深部大断面巷道中普遍存在支架承载能力尚未得到充分发挥便遭到屈服和破坏。

2 U型棚的破坏特征

芦岭矿三水平轨道上山使用的U型钢在不均匀载荷的作用下,支架常出现以下几种破坏形式：(1)拱顶压平,而两侧(或一侧)向外凸出当支架顶部承载而肩部存在空隙时,拱顶向下位移,而两侧肩部凸向围岩；(2)尖桃型破坏，这种破坏形式在煤布、井下较为常见,主要原因是拱顶存在较大空隙时,在侧向压力作用下,拱顶向上突起,形成尖桃型破坏；(3)扭曲和倾倒型破坏，支架一侧与巷道围岩接触、侧压较大,而另一侧压力较小,在接触一侧外载荷的作用下,支架不接触侧向上拱起,发生扭曲变形。

3 U29型钢拱形支架及其在芦岭煤矿的应用

U型钢可缩性支架搭接部分一般由上型钢、下型钢和卡缆组成,而卡缆形式有多种多样,芦岭矿使用卡缆是典型的双槽夹板卡缆是由上槽形板、下槽形板和螺栓组成。U型钢可缩性支架搭接部分各构件之间的传力支架缩动的关键技术,因此,研究其传力特点是非常有意义的。搭接部分各构件之间的传力是空间问题,但如果将U型钢可缩性支架作为平面问题研究,则搭接部分各构件间的传力可分为平面外传力和平面内传力两部分。

目前国内生产的U型钢有U25、U29和U36三种规格。其中,U25为腰定位式的,即两节U25型钢搭接在一起时,其接触部位是在U25型钢横截而上的腰部,而U29和U36为耳定位式的。芦岭矿使用的U29型钢支架是耳定位式。

1）从芦岭矿三水平轨道上山使用的U29型钢拱形支架数值模拟结果来看,在均匀载荷作用下,①无论是环形支架还是直墙半圆拱形支架,应力集中均出现在搭接处,但是环形支架搭接处的应力集中要小于拱形支架,因为环形直接三个方向的应力最大值和最小多集中在搭接处,部分相互抵消,使搭接处总应力降低,表明环形支架的结构受力情况比直墙半圆拱形支架要好；②环形支架的最大位移和最大应变都远小于拱形支架,表明环形支架有更好的抗变形能力,这就说明环形支架的支护性能要优于直墙半圆拱形支架。

2）在不均匀载荷作用下,模拟了直墙半拱形支架的帮部、肩部和拱部分别受大小不一的力作用时和情况,模拟的结果和支架力学分析基本吻合,支架的帮部较为脆弱,在不均匀载荷作用下,帮部出现破坏的概率最大,加强帮部的支护是非常重要的。拱部发挥承载能力在整个支架的三个部分是最大。肩部还是要提高卡缆的质量来应对应力集中,这和均匀载荷时一致的。

3）芦岭矿从经济角度来出发,比较了拱形支架和环形支架的价格和支护面积,拱形支架优于环形支架,在面积大小几乎相等的情况下,开挖岩体的范围,拱形支架3.6×3.49m,环形支架3.75×3.75m,支架长度拱形支架位8.98m,环形支架为11.62m,。拱形支架的断面利用率和支架成本,以及安设支架的方便程度和对围岩破坏程度优于环形支架。

4）芦岭矿通过一段时间施工安装,总结了实际施工过程中呈现的一些问题,工作人员一致认为直墙半拱形支架较好,拱形支架虽然受力性能不如环形支架,但是它允许支架巷道断面有较大的变形,有很好的控制顶部和侧帮变形的能力。在围岩变形量较大的巷道中使用拱形支架有很大的优越性,但是使用时要注意支架的的接触情况,可以采取壁厚充填措施来改善支架的受力条件,直墙半圆拱形支架良好的结构性能为其提供了很好的应用潜能,在巷道支护中是很有支护前景的支护形式之一。

4 结语

长期以来,巷道支护是芦岭煤矿生产中的难题,该矿是地压大、高深度开采的矿井,而且在进行三水平开采时,深部大断面巷道支护问题尤为突出,U型钢支架破坏严重,因此,三水平深部大断面巷道支护形式选择的正确与否直接影响深部三水平巷道支护的成败。解决好芦岭煤矿深部大断面巷道的支护问题是该矿开采向纵深发展和安全生产的关键,同时对国内外其他深部大断面巷道支护技术研究也能提供借鉴作用。

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[2]袁亮,孙茂远等.煤矿瓦斯治理与利用总体方案[Z].北京：2005

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