U型鋼棚支護效果優化

馬海濤　李　崗　丁國峰

(1.陜西彬長礦業集團有限公司小莊礦業公司；2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司)

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U型鋼棚支護效果優化

馬海濤1李崗1丁國峰2

(1.陜西彬長礦業集團有限公司小莊礦業公司；2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司)

摘要通過分析U型鋼棚搭接部位的變形特征，發現其受壓后產生“旋轉”現象是引起卡纜預緊效果無法充分發揮和下部卡纜破壞的主要原因。經過分析煤礦U型鋼棚支護巷道常見的失穩破壞形式，認為棚腿結構不穩定、出現危險截面是引起U型鋼棚失穩的主要原因。在此基礎上，提出了增加卡纜數量，提高卡纜扭矩、增大下部卡纜強度、充填搭接部位空間、間隔焊接防滑塊、重點部位錨索結構補強等措施。工程實踐表明：上述措施保證了U型鋼棚支護承載結構的穩定性，從而使U型鋼棚的支護效果得到了充分發揮。

關鍵詞U型鋼棚支護效果失穩破壞承載結構

在煤礦巷道支護中，由于地質條件限制，并非所有巷道硐室都適合使用錨網索支護技術，如在斷層帶附近和軟弱破碎巖層巷道，由于圍巖可錨性差，若使用錨桿支護則易導致錨空失效，使用U型鋼支護效果則較理想[1]。然而實際支護中，U型鋼棚經常發生低阻滑移失穩的現象[2-3]。為提高U型鋼棚的支護效果，有必要探討U型鋼棚低阻滑移失穩的原因，并采取相應的處理措施。

1U型鋼棚破壞原因及改進方法

1.1搭接處低阻滑移原因

在變形早期，U型鋼可縮性支架在其強度范圍內工作時，其工作阻力不取決于U型鋼的強度，而是與支架搭接處的摩擦阻力有關[2]。摩擦阻力由卡纜與U型鋼之間的摩擦阻力以及搭接的頂梁和柱腿之間的摩擦阻力兩部分構成，該2部分的摩擦阻力均依靠卡纜預緊力轉化。另外，搭接部位在支架受壓后的變形特征也易引起低阻滑移。以某礦U型鋼棚支護為例，架棚時卡纜螺母扭矩都達到300 N·m，頂梁和柱腿貼緊均勻，經過一段時間后檢測發現上副卡纜扭矩全部無法達到300 N·m，而下副卡纜扭矩全部大于300 N·m。通過對現場支護情況的跟蹤檢測，發現支架受力后頂梁在法向分力的作用下，搭接部位出現小角度的“旋轉”現象[4-5]，將對搭接部位產生3個方面的影響：①柱腿上端受頂梁擠壓，U型鋼腹部產生單向拉伸易產生破裂(圖1)，破裂發生后頂梁失去柱腿上端U型鋼的支托將以第1副卡纜為支點進一步發生“旋轉”；②發生“旋轉”后，由于上副卡纜預緊作用的減小使搭接部位整體摩擦阻力減小，從而產生低阻滑移現象；③“旋轉”現象的發生使下副卡纜受力顯著大于其余卡纜，當超過卡纜螺紋承載極限時即發生滑絲現象，導致卡纜失效，整體摩擦阻力驟降，如此形成惡性循環。

圖1　U型鋼受擠破裂

1.2U型鋼棚失穩破壞形式

由于巷道圍巖應力、圍巖巖性、初始支護狀況等條件不同，常見的U型鋼失穩破壞形式主要有：①尖頂型破壞，巷道肩窩處局部軟弱圍巖在圍巖應力作用下產生水平剪切移動，頂梁兩端受圍巖擠壓，易產生彎矩集中，當彎矩超過U型鋼的抗彎極限時產生彎折；②平頂型破壞，由于頂板軟弱或幫部無法為頂板提供足夠的支撐力，導致頂板整體下沉，肩窩處易產生最大的彎矩和內力，當超過U型鋼極限即產生彎折；③側向傾壓型破壞，是應力場的作用結果，主要由于支架一側受力明顯大于另一側，導致肩窩處彎矩及內力超過U型鋼極限而產生變形；④跪腿型破壞及棚腿內扎型破壞，兩者均由于幫腳內移導致棚腿內力或彎矩達到極限而產生變形，區別在于前者棚腿底部得到固定，其支護模型可簡化為固定鉸支座二鉸拱模型，而后者為可動鉸支座二鉸拱模型，其抗側壓能力遠小于固定鉸支座二鉸拱模型[2]。

1.3措施

為防止U型鋼棚出現低阻滑移現象，實現高阻可縮，須提高搭接部位的整體強度。

(1)增加卡纜數量，增大預緊扭矩，在螺母與卡纜間使用減摩墊片，如此，可直接增大總預緊力，從而增大總摩擦力。

(2)在搭接部位上半段使用橡膠條充填U型鋼梁之間及U型鋼與卡纜夾板之間的空隙，橡膠條截面形狀為月牙型，與前述空隙形狀吻合，以降低“旋轉”程度，使柱腿上端U型鋼長期處于三向受壓狀態，顯著增大抗破壞能力。另外，在棚腿和頂梁的適當位置焊接防滑塊，防止上副卡纜下滑并使U型鋼棚具備梯次滑動特性，可有效控制圍巖變形，如圖2所示。

圖2　橡膠條充填、防滑塊焊接位置示意

若使U型鋼的整體承載能力得到充分發揮，除使其具有良好的支護模型外，最重要的是防止梁內危險截面的產生，單純提高支護體的強度和剛度無法防止局部失穩的產生。對此，可使用具備強初錨、急增阻、主動支護特性的小孔徑預應力錨索對U型鋼幫腳、幫中及頂中等重點部位進行結構補強，將局部圍巖施加于U型鋼的力轉移至錨索，從而大大降低危險截面的內力和彎矩[2,5]。

2工程實例

某礦Ⅱ66回風下山沿煤層頂板掘進，巷道斷面尺寸4.4 m×2.8 m，使用工字鋼棚支護，巷道底鼓嚴重，錨噴段漿皮開裂，水溝受擠變形嚴重甚至局部填實，局部發生冒頂。增加錨索加固并噴漿后，頂板下沉、兩幫內移依然明顯，工字鋼棚梁壓彎，棚腿變形嚴重。為此，采用U型鋼棚支護，并距幫腳300，1 300 mm 處各打2排錨索，在頂中及頂中兩側1 000 mm 處分別打3排錨索，錨索規格φ17.8 mm×6 200 mm，錨索托梁使用廢舊U型鋼制作，長750 mm，中間開φ20 mm孔，棚距600 mm。頂梁與棚腿搭接長500 mm，使用3副螺桿卡纜固定，最下副卡纜比其余2副卡纜直徑增大2 mm，卡纜間距200 mm，棚與棚之間使用拉桿連接。U型鋼之間使用鋼筋網護表，主副筋分別用10#及6#圓鋼，在距頂梁端頭500，600 mm處分別焊接2個防滑塊，在距棚腿上端頭100 mm處焊接1個防滑塊，用橡膠條充填搭接部位上半段U型鋼與U型鋼間的空隙和第1副卡纜與U型鋼間的空隙。卡纜初始扭矩不小于300 N·m，架棚時挖腿窩深150 mm，具體支護布置如圖3所示。支護完成2個月后，巷道變形基本得到控制，其中，兩幫位移量87 mm，頂板下沉53 mm，底鼓106 mm。由于焊接了防滑塊及使用橡膠條充填，U型鋼棚搭接部位基本無滑動，“旋轉”現象減小且棚腿上端無破裂現象。

圖3　支護布置示意(單位：mm)

3結論

(1)U型鋼棚搭接部位在頂梁法向壓力作用下發生“旋轉”，是導致棚腿上端壓緊破裂、整體摩擦力減小、下副卡纜破壞的主要原因。通過增加卡纜數量、增大下副卡纜直徑、使用橡膠條充填搭接部位空隙，有效增大搭接部位的摩擦阻力，防止棚腿上端破裂并有效減少“旋轉”。

(2)通過在U型鋼棚關鍵部位施加結構補償錨索既可固定棚腿，又可有效降低危險截面彎矩和內力，充分發揮U型鋼棚的整體承載能力。

參考文獻

[1]臧潤成.U型鋼支架在大冒落區域的應用[J].現代礦業，2015(11)：262-263.

[2]荊升國.高應力破碎軟巖巷道棚-索協同支護圍巖控制機理研究[D].徐州：中國礦業大學，2009.

[3]陳炎光，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，1994.

[4]尤春安.U型鋼可縮性支架的縮動分析[J].煤炭學報，1994(6)：270-277.

[5]尤春安.U型鋼可縮性支架的穩定性分析[J].巖石力學與工程學報，2002，21(11)：1672-1675.

(收稿日期2016-01-10)

馬海濤(1986—)，男，助理工程師，713500 陜西省彬縣。