U25 型可縮式矩形支架在沖擊地壓巷道中的應用

仇振泉 駱振奎 張經龍

（1.濟寧能源發展集團有限公司，山東 濟寧 272000；2.汶上義橋煤礦有限責任公司，山東 汶上 272500）

基于中等沖擊地壓危險的掘進巷道采用強抗變形和護表能力的主動支護方式以外，還應當采用受沖擊后仍有安全空間的加強支護方式的要求，汶上義橋煤礦有限責任公司通過在中等沖擊地壓危險的掘進巷道內架設U25 型鋼棚，經過實踐觀測，相較于未架設鋼棚加強支護的巷道，架棚區段頂板離層量顯著減小，頂部圍巖得到了有效控制。

1 概況

3301 工作面膠帶順槽設計沿煤層底板托頂煤掘進，煤層傾角8°～18°，平均13°。開采煤層為3 煤層，煤層厚度3.7～4.6 m，平均4.2 m。經鑒定3煤層具有弱沖擊傾向性，3 煤層頂板具有強沖擊傾向性，3 煤層底板無沖擊傾向性。3301 工作面膠帶順槽掘進期間受斷層、巷道拐角等影響的區域為中等沖擊危險區域，其他區域為弱沖擊危險區域。

1.1 巷道斷面

巷道規格為矩形，凈寬度4300 mm，凈高度3500 mm，凈斷面15.05 m2；荒寬4500 mm，荒高3600 mm，荒斷面16.2 m2。煤層厚度不大于4 m 時，沿煤層頂、底板掘進；煤層厚度大于4 m 時，沿煤層底板托頂煤掘進。

1.2 支設設計

3301 工作面膠帶順槽支護設計采用中等以上安全系數，錨桿選用Φ22 mm、長2400 mm、屈服強度500 MPa 的MSGLW-500/Φ22 mm×2400 mm 型無縱肋螺紋鋼。每根錨桿按順序分別安設托盤、平墊、讓壓控件、平墊、減摩墊圈和螺母，加長錨固，錨固力100 kN，預緊力矩200 N·m，錨桿間、排距1000 mm×1000 mm。錨桿配合W 鋼護板增加護表強度，頂幫W 形鋼護板短邊均平行于巷道中心線，W 形鋼護板規格為5 mm×280 mm×450 mm。

頂部采用錨索+T 形鋼帶加強支護，T 形鋼帶 規 格140 mm×20 mm×3800 mm， 錨 索 規 格Φ21.8×6500 mm，型號SKP21.8-1×19/1860 MPa，延展率大于5%，錨索間排距1700 mm×2000 mm，緊跟迎頭橫向布置。錨桿、錨索支護如圖1。

圖1 錨桿、錨索支護示意圖（單位：mm）

1.3 圍巖監測

采用“十字布點”圍巖變形觀測和頂板離層觀測兩種形式對圍巖進行監測。

頂板離層儀距工作面100 m 范圍內的（斷層、圍巖破碎帶150 m）每天測讀一次；距迎頭大于100 m 后（斷層、圍巖破碎帶150 m），每七天測讀一次；頂板離層儀總下沉量大于30 mm 時，每三天觀測一次；總下沉量大于50 mm 時，每天觀測一次，經分析后采取措施。

2 架設U25 型鋼棚施工方案

中等沖擊地壓危險的厚煤層沿底托頂煤掘進區段，棚距5000 mm（誤差±200 mm），沿頂底板掘進區段，棚距10 m（誤差±200 mm）。棚梁、棚腿均采用25U 型鋼加工，棚梁長度為4500 mm，上部棚腿長為2500 mm，下部棚腿長2700 mm。上棚腿上部焊接鋼制U 型卡座，下棚腿底部焊制鋼板作為底座，上下棚腿搭接不小于600 mm（即可縮空間）。當巷道應力達到一定強度，棚梁沿棚腿產生相對滑移，棚梁下縮從而緩和頂部壓力，且能保證巷道留有一定安全空間。

2.1 架棚施工工藝

2.1.1 架棚流程

施工棚梁→架設棚腿→用手拉葫蘆將上部棚腿吊起，使上部棚腿卡緊棚梁→人工豎起下部棚腿，使上下棚腿重合→用限位卡纜將上下棚腿緊實→調整棚腿位置，并結實棚梁→墊木托盤緊實棚腿→施工固定錨桿。

2.1.2 架棚施工工藝

（1）架棚前對頂板原支護錨桿、錨索、金屬網等重新檢查，對于銹蝕的金屬網重新敷設一層金屬網，與原網子連接好，聯網間距不大于200 mm。不合格的錨桿、錨索重新補打。

（2）施工棚梁：根據中線、棚距先上棚梁，并在U 型鋼棚梁孔內施工錨索。

（3）棚腿施工：上下棚腿根據巷道高度使用U 型鋼限位卡纜連在一起。人工豎起棚腿，上部棚腿頂部U 型鋼托盤卡住棚梁，棚腿固定位置在棚梁U 型鋼托盤外側。禁止人員在下方逗留或通過。

（4）調整棚腿的角度及尺寸必須達到設計要求后施工幫部錨桿，固定棚腿，使棚腿與棚梁牙口接口嚴密，棚腿固定錨桿里外均備幫帽。

2.2 架棚技術要求

（1）棚腿與棚梁之間夾角為90°。

（2）用木托盤、方木等將棚梁與巷道頂部結合密實。

（3）每架棚必須垂直于巷道中心線，無外扭、無邁步現象，棚梁左右兩頭距離≤50 mm。

（4）中線至任何一幫距離，誤差≤100 mm。（5）棚梁與棚腿接口要嚴密合縫。

（6）兩側棚腿載到實底，并在下方墊木托盤緩壓。

（7）棚梁接口錯位＜5 mm，離合＜5 mm。

（8）每個棚腿搭接位置用2 個U 型鋼限位卡纜固定，U 型鋼限位卡纜間距為100 mm，每個限位卡纜螺母預緊力矩不小于200 N·m，限位卡纜中心距為300 mm。卡纜兩側各使用一道雙股14#鐵絲進行防崩固定，鐵絲兩端必須拉緊固定在錨網的十字花上，兩端不低于3 扣。螺母絲頭纏繞不低于2圈14#鐵絲并擰緊進行防崩固定。

（9）棚腿采用Φ22 mm×2400 mm 的等強螺紋鋼錨桿固定，兩幫固定棚腿的錨桿分別打設在距底板1000 mm 和距頂板1300 mm 位置處，沿棚腿兩邊配合鋼板固定，允許偏差±150 mm。棚梁中心預留錨索孔，采用Φ21.8 mm×5000 mm 的錨索固定，每排3 根，間距1800 mm。`

（10）鋼棚所有固定螺栓全部上油防護。U25鋼棚設計示意圖如圖2。

圖2 U25 鋼棚設計示意圖

2.3 施工安全技術措施

（1）在施工區域前后20 m 外拉線警戒，警戒牌距底板1～1.5 m，嚴禁無關人員進入施工區域。經安全負責人同意，且確認安全后方可通行。架設棚梁時，在未固定牢固前，嚴禁任何人員從棚梁下方通行或逗留。

（2）架棚施工前對棚腿處風筒采取可靠的防護措施，嚴禁拆除風筒，確保迎頭正常通風。

（3）架棚前，將帶式輸送機停電閉鎖掛牌，嚴禁皮帶運行期間在皮帶里側架棚施工。跨越皮帶處設置過橋。

（4）嚴禁棚腿架設在浮煤矸上，棚腿立于巷道實底上。

（5）人工豎棚腿時，不少于2 人共同操作，扶好棚腿，穩抬穩放。

（6）梁腿接口處不吻合時，應調整梁腿傾斜度和方向，嚴禁在縫口處打入木楔。

（7）架棚時，必須由班長或副班長協調指揮，抬棚、扶棚人員相互配合，防止棚子傾倒砸人。

（8）拆除棚腿時，要安排專人觀察棚腿歪斜情況，人員要選擇合理站位，防止棚腿歪倒傷人。放倒棚腿時，要觀察棚腿歪倒方向，保證歪倒方向上無人員、無其他設備等。

（9）頂梁不能直接接頂時，必須使用方木、木板、木楔等對鋼棚進行接頂。接頂道木、木板等要均勻布置，確保鋼梁整體受力均勻。接頂后必須使用不小于雙股14#鐵絲將其進行連接固定。

（10）在有淋水的地點架棚時，要在金屬網上方鋪設舊風筒布等，將淋水引導至幫部，減少對鋼棚的影響。

（11）所有固定棚腿和棚梁的錨桿、錨索必須使用14#鐵絲進行防崩固定，鐵絲在錨桿絲頭或錨桿帽、錨索頭上纏繞不低于2 圈并擰緊，鐵絲兩端必須拉緊固定在錨網的十字花上，兩端不低于3 扣。

3 應用效果分析

通過中等沖擊危險區域沿底托頂煤架棚區段和弱沖擊危險區域沿底托頂煤未架棚區段，選取兩段地質條件相近、標高相近的兩條巷道，對掘后10 d范圍內的頂板離層和頂部變形觀察對比分析，架棚區段圍巖變形得到了較好的控制。

（1）通過現場觀察，相較于未架棚區段，架棚區段頂部W 形鋼護板變形較輕，網兜及托盤內陷數量大約是未架棚區段的35%。架棚對分散頂部應力、抵抗圍巖變形、提高頂部整體性有重要作用。

（2）經過現場4 組頂板離層儀數值分析，相較于未架棚區段，架棚區段頂板下沉速度平緩。未架棚段在第7 d 下沉量變化趨緩，而架棚區段在第4 d 下沉量變化趨緩，掘后10 d 內架棚段頂板下沉量是未架棚段下沉量的42.5%。掘后10 d 內平均頂板離層分析圖如圖3。

圖3 掘后10 d 內平均頂板離層分析圖

（3）經過現場4 組“十字布點”圍巖變形觀測分析，未架棚段頂板最大移近量為45 mm，架棚段頂板最大移近量為23 mm。經分析棚梁與錨桿+W 型鋼帶、錨索+T 型鋼帶相互作用增加護表能力，有效抑制了頂板淺表圍巖變形。

（4）在該區段頂部每間隔15 m 施工鉆孔，探測頂板深部圍巖離層情況，鉆孔深6500 mm。經鉆孔探查分析，掘后10 d 范圍內，頂部深部圍巖均未發生離層，頂部變形和下沉均是淺表圍巖離層。

（5）錨索+棚梁形成主動護表承載，棚梁+棚腿形成被動護表承壓，主動支護和被動支護相結合，淺表圍巖離層、滑動得到有效抑制，避免圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞，使圍巖處于受壓狀態，頂板的完整性和整體強度得到保持，淺表圍巖成為承載的主體，充分調動深部圍巖的承載能力，改善圍巖深部的應力狀態分布，使更深層和更大范圍的巖體共同承載，從而避免深部圍巖離層。

4 結論

汶上義橋煤礦有限責任公司通過在沖擊地壓危險區域巷道架設U25 型鋼棚，鋼棚具備的主被動支護能力，給圍巖提供反向壓應力，與錨桿+W 形鋼護板、錨索+T 形鋼帶形成的壓應力區組合成骨架網狀結構，主動支護頂部圍巖，被動承載頂部圍巖下沉，由抑制淺表圍巖變形反作用加固深部圍巖，保持頂板的完整性，提高了安全系數，該方案得到了廣泛應用和推廣。