復雜地質條件下曲腿三心拱U型鋼在掘進巷道中的推廣應用

王建常　路希偉　賈東曉

紅嶺礦15101采煤工作面上巷沿與15081采煤工作面下巷平行的5～8m的小煤柱布置，留設小煤柱布置工作面上巷，主要是為了隔離15081采煤工作面的采空區涌水。同時導致巷道應力集中，造成巷道壓力增大。為保證巷道斷面滿足采煤工作面回采期間的生產需要，在掘進過程中采用直腿半圓拱U型鋼可縮性支架、叉腿棚半圓拱U型鋼可縮性支架，采用以上支架架型支護巷道一直沒有解決巷道側壓大、巷道寬度收縮變形量大的難題。巷道維修量大，掘進速度減慢，巷道斷面保持安全寬度的時間較短，給安全生產帶來隱患。針對15101采煤工作面上巷掘進支護中存在的問題。紅嶺公司生產技術部門采用改變支架架型以適應孤島工作面回采巷道側壓大的技術路線，最后選用曲腿三心拱U型鋼可縮性支架在15101采煤工作面下巷掘進支護使用，15101采煤工作面下巷沿F502斷層煤柱布置，斷層煤柱寬度5～8m。通過實踐證明曲腿三心拱U型鋼可縮性支架抗側壓性能好，有效地解決了孤島工作面回采巷道側壓大，巷道側向變形破壞嚴重的難題，取得了顯著的安全效益和經濟效益。

半圓拱形可縮性支架的使用情況

直腿半圓拱形可縮性支架的使用情況。紅嶺礦15101采煤工作面煤層為單斜構造，煤層傾角20白笥搖C翰愫穸？.34～6.46m，平均厚度6.4m，煤層容重1.32t/m3。煤層直接頂有數層巖層組成，偽頂為0.66m厚度的黑色泥巖，塊狀破碎；下位直接頂為淺黑色砂質泥巖，厚度為1.3～2.0m，巖石成分以粘土為主，含少量砂質，含大量較完整的植物化石，層理明顯；其上為裂隙發育的砂巖，厚度1.2～1.5m。上位直接頂為厚度6.65m的細粒砂巖與泥質砂巖互層，成分以石英為主，其次為長石，層面含炭質及少量白云母片，局部含砂質較少，有少量泥質交錯，層理明顯。基本頂為3.96m厚度的灰白色細粒砂巖，成份以石英為主，泥質膠結，層面含炭質及白云母片。煤層直接頂和基本頂巖石強度較高，整體屬于堅硬巖石，其中直接頂單向抗壓強度為110.18～142.7MPa，內聚力為27.68～44.89MPa，內摩擦角為28.6～38.0埃換徑サハ蚩寡骨慷任？53.82～150.32MPa，內聚力為37.4MPa，內摩擦角為36.1啊？

紅嶺礦15101采煤工作面上巷采用三節U29型直腿半圓拱形可縮性支架，半圓拱半徑2.1m，巷道凈寬4.2m，巷道凈高3.0m，巷道凈斷面積10.5m2，巷道掘進斷面積12m2，棚距700mm。頂梁與柱腿搭接長度400mm，頂梁與柱腿搭接部分用兩道卡箍連接，卡箍螺栓扭矩200～250N·M，頂幫用背板配合金屬網背幫護頂。支架間用三道連接板將支架連接為一個整體。巷道在掘進過程中收縮變形嚴重，掘進15天以后，巷道凈寬收縮為3.6～3.8m，巷道凈高收縮為2.7～2.8m。隨著時間的推移，巷道進一步收縮變形。

叉腿半圓拱形可縮性支架的使用情況。叉腿半圓拱形可縮性支架，半圓拱半徑1.8m，巷道拱基線凈寬3.6m，巷道底板處凈寬4.2m。巷道凈斷面11.5m2，巷道掘進斷面13.5m2。同時將棚距縮小為600mm直至500mm。巷道掘進3～5天后，巷道底板處凈寬收縮為3.6～3.7m，巷道凈高收縮為2.7～2.8m。隨著時間的推移，巷道進一步收縮變形。15101上巷掘進完成，巷道最窄處巷道凈寬為2.3m，凈高為3.4m。巷道變形較嚴重地段，巷道凈寬為2.7～2.8m，巷道凈高為2.6～2.7m。

礦山壓力顯現及巷道破壞原因

通過對紅嶺礦孤島工作面回采巷道掘進工作面U型鋼可縮性支架變形破壞的觀察，支架破壞主要表現為柱腿向巷道里側彎曲變形，且柱腿有蹬腿現象，巷道明顯變窄，兩幫最大移近量為1.8m，支架頂梁向上凸起，變形嚴重，個別頂梁從頂部折斷，巷道高度變化不大，巷道斷面明顯縮小，不能滿足正常的生產需要，巷道內所有支架都遭到不同程度的破壞。通過對支架破壞現象分析，判斷巷道以兩側的水平應力為主，垂直應力為輔，支架承載的主應力是巷道兩幫的側向壓力。

孤島工作面回采巷道圍巖壓力較大時，巷道兩側壓力先作用在支架柱腿上，支架柱腿受到擠壓逐漸向巷道中間發生位移變形，并向巷道空間內彎曲，巷道兩幫位移量逐漸增大

曲腿三心拱形可縮性支架設計

為了從根本上解決問題，通過對支架破壞的分析，我們總結直腿棚和叉腿棚應用失敗的主要原因有：沒有正確的預測到巷道壓力，因是孤島工作面，起初預測巷道頂板壓力可能較大，因而設計用可縮性直腿棚支架。在得知巷道水平應力大時，采用叉腿棚支護，但叉腿棚對付水平應力是種硬支護，不可以讓壓以達到緩解壓力的作用。叉腿棚柱腿呈直線，與圓弧相比，抵抗壓力能力較差，易被壓彎。

對于以上巷道壓力變形分析，必須采取抵抗側應力較好的支護，因此，我們設計了曲腿三心拱可縮性支架，該支架有四節組成，頂梁由兩節構成，柱腿呈向巷道兩側拱起的圓弧形。基本參數如下：柱腿半徑為2500mm，長為2680mm，頂梁半徑為2100mm，長為2580mm，各節間搭接長度為400mm，卡纜間距為200mm。支架凈寬4000mm。凈高為3000mm，具體情況如圖所示：

該種支架使用于圍巖壓力較大的情況，承載能力大，抗測壓能力較大。

支護理論與支護效果

曲腿三心拱可縮性支護理論：因支架有一定的可縮性，在受到圍巖應力作用時，支架本身有一定的收縮變形，起到讓壓作用。由剛性支架支護變為柔性支架支護，同時巷道輪廓圍巖結構本身具有承載一定壓力的能力。曲腿的設計可是支架在抵抗側應力時產生一個預應力，支架變形首先要克服這個預應力，從而增大支架的抗側壓能力，減小支架變形。支架頂梁與柱腿采用切線連接，平滑過度，減少壓力集中點，防止支架有局部破壞引起整體破壞，進一步提高支架抗壓能力。支架柱窩深度200mm，可有效防止柱腿受側壓影響插入巷道內的現象，提高抗側壓能力。

自從應用該支架支護巷道以后，巷道變形得到了有力的控制，巷道頂底板移近量均小于300mm，而兩幫移近量也均小于500mm，支架變形后巷道斷面足可以滿足生產的需要，不用再擴修巷道。

15101孤島工作面回采巷道掘進留設窄小煤柱，煤柱寬度5～8m，巷道處于側向支撐壓力的高應力區，巷道圍巖松動范圍大于4m，造成巷道圍巖長期處于流變狀態，受巷道掘進的影響，巷道圍巖收斂速度增大，且兩幫移近量明顯大于頂底板移近量。整體來說，巷道圍巖壓力較大，在這特定的條件下，采用三心拱曲腿可縮性支架有以下優點：支架承載能力加大，特別是抗側壓能力較大。支架分四節制作，三處搭接，增加了支架的可縮性，從而增大了該種支架的支護適應性。