煤巷交叉點(diǎn)鋼架支護(hù)技術(shù)在同家梁礦的研究與應(yīng)用

劉建軍，喬元棟

（1.同煤集團(tuán)同家梁礦，山西 大同 037003；2.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003）

煤巷交叉點(diǎn)鋼架支護(hù)技術(shù)在同家梁礦的研究與應(yīng)用

劉建軍1，喬元棟2

（1.同煤集團(tuán)同家梁礦，山西 大同 037003；2.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003）

通過(guò)在同家梁礦14＃層311盤區(qū)51013巷與311-1巷交匯處架設(shè)20＃工字鋼鋼架做交叉點(diǎn)對(duì)頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，保證了上覆煤柱下巷道支護(hù)的穩(wěn)定性，促進(jìn)了礦井的安全生產(chǎn)，對(duì)類似頂板條件的巷道支護(hù)技術(shù)具有一定的借鑒意義。

煤巷交叉點(diǎn)；煤柱應(yīng)力集中區(qū)域；鋼架支護(hù)技術(shù)

同煤集團(tuán)同家梁礦是一座有著60多年開(kāi)采歷史的老礦。隨著煤炭資源的逐年衰竭，采掘現(xiàn)場(chǎng)逐漸向西部轉(zhuǎn)移，現(xiàn)主要可采盤區(qū)僅剩14＃層410，412盤區(qū)東北部；12＃層412盤區(qū)（81202，81204兩個(gè)綜采面）和12＃層408盤區(qū)碾子溝村保護(hù)煤柱。14＃層410，412盤區(qū)主采煤層為14-3＃煤層。由于14＃層410，412盤區(qū)絕大部分頂板屬?gòu)?fù)合層頂板，頂板內(nèi)含2～3層煤線，自下而上分別為14-2＃層，14-1＃層，12-2＃層。14-2＃層煤層厚度為0.4～1.05m，平均為0.68m；14-1＃煤層僅局部賦存厚度0.2～0.5m的煤，平均0.3m；12-2＃煤層厚度為0.26～0.77 m，平均0.5m。頂板巖性分別為：偽頂為粉砂巖，厚度0.2～0.4m，巖性特征為灰黑色、含植物化石，有水平層理；直接頂為粉細(xì)砂巖與煤，厚度1.5～3.5m，以粉細(xì)砂巖互層為主，層理發(fā)育、中夾煤線；老頂厚度大于2.5m，巖性特征以灰色粉砂巖、細(xì)砂巖為主、膠結(jié)致密較堅(jiān)硬。14＃層410盤區(qū)巷道與12＃煤層層間距3.5～6.8m屬近距離煤層掘進(jìn)，頂板屬?gòu)?fù)合層頂板，尤其在巷道交叉點(diǎn)處巷道跨度大，最大跨度達(dá)7.44m。由于受到臨近工作面采動(dòng)影響應(yīng)力重新分布，以及有上覆煤柱所對(duì)應(yīng)的巷道受到11＃，12＃煤層煤柱疊加應(yīng)力作用，致使該區(qū)域巷道承受到普通巷道3～5倍的支撐壓力，造成巷道頂板裂開(kāi)、鋼梁壓彎，下沉嚴(yán)重處頂板下沉量達(dá)25～40 cm。嚴(yán)重影響著巷道的正常使用以及物料的運(yùn)輸、通風(fēng)，給礦井的安全生產(chǎn)造成了隱患。

1 應(yīng)力集中區(qū)域煤巷交叉點(diǎn)存在的問(wèn)題

煤巷交叉點(diǎn)常見(jiàn)于盤區(qū)準(zhǔn)備巷與回采順槽巷或聯(lián)絡(luò)橫峒的交叉口。其特點(diǎn)是巷道沿煤層頂板開(kāi)掘，斷面為矩形，交叉口跨度較大。對(duì)這種交叉點(diǎn)的支護(hù)往常都是根據(jù)圍巖狀況選用錨索鋼梁加護(hù)幫，或砌片石墻架工字鋼梁的支護(hù)方式。在交叉點(diǎn)圍巖穩(wěn)定，礦壓小的情況下采用此支護(hù)方式能夠滿足安全生產(chǎn)的需要。但是井下的生產(chǎn)環(huán)境條件是隨時(shí)變化的，原巷道及交叉點(diǎn)在受到采動(dòng)影響后會(huì)破壞原有的受力平衡狀態(tài)，造成巷道圍巖變形、斷面縮小，頂板斷裂下沉，支護(hù)受損，導(dǎo)致巷道不能正常使用，直接威脅到安全生產(chǎn)。

2 使用鋼架支護(hù)對(duì)煤巷交叉點(diǎn)的維護(hù)應(yīng)用

所謂鋼架支護(hù)就是將砌片石墻架工字鋼梁支護(hù)方式進(jìn)行改進(jìn)形成的一種衍生支護(hù)方式。其特點(diǎn)是用鋼腿結(jié)構(gòu)替代墻體部分，交叉點(diǎn)不砌筑墻體，頂梁與柱腿以榫接方式連接成整體，形成交叉點(diǎn)的鋼架支護(hù)，屬棚式剛性支護(hù)，可按交叉點(diǎn)的設(shè)計(jì)規(guī)格要求予制鋼架支護(hù)結(jié)構(gòu)件，在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)號(hào)入座積木式的組裝快速施工，能保證施工質(zhì)量和支護(hù)強(qiáng)度，可以用在交叉點(diǎn)的強(qiáng)支護(hù)施工中，相比其他支護(hù)方式效果要好，消除了原片石砌墻體受壓易損壞失效的缺點(diǎn)。

下面以14＃層51013巷與311-1巷交叉點(diǎn)鋼架支護(hù)為例進(jìn)行研究：

2.1 確定交叉點(diǎn)的規(guī)格尺寸

巷道交角為80°，311-1巷寬3.4m，51013巷寬4.0m，巷高均為2.5m，鋪設(shè)DK624－4－12（左）型道岔，軌距600mm，運(yùn)輸最大設(shè)備為綜采液壓支架。

交叉點(diǎn)平面線路連接計(jì)算結(jié)果見(jiàn)14＃層51013巷與311－1巷交叉點(diǎn)設(shè)計(jì)平面圖，見(jiàn)圖1。

圖1 14＃層51013巷交叉點(diǎn)設(shè)計(jì)平面圖

2.2 確定交叉點(diǎn)鋼架支護(hù)的范圍尺寸

交叉點(diǎn)需要鋼架支護(hù)的范圍是喇叭口處的正巷6.44 m范圍及岔巷向里3 m段的范圍，見(jiàn)14＃層51013巷與311－1巷交叉點(diǎn)鋼架支護(hù)平面圖，見(jiàn)圖2。

2.3 鋼架支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝配

圖2 14 #1層4#層5511001133巷巷與3與11-311巷1交-叉1點(diǎn)巷鋼交架叉支點(diǎn)護(hù)平鋼面架布支置圖護(hù)平面布置圖

使用20＃工字鋼在相應(yīng)原墻體位置設(shè)計(jì)出鋼架柱腿及頂梁，需架設(shè)三處鋼架墻體和一處喇叭口鋼架柱梁。鋼架墻體及喇叭口鋼架柱梁間的頂板空間用11＃工字鋼梁排列并用剎頂木與頂板背牢支護(hù)頂板。由這些鋼架構(gòu)件組合連接就形成了交叉點(diǎn)的鋼架支護(hù)整體結(jié)構(gòu)，柱腿采用兩根20＃工字鋼對(duì)稱焊接成一根對(duì)柱，并將底座，頂帽，柱腿箍與柱腿焊接成一體，柱腿間設(shè)置兩道撐拉桿。每根柱腿用兩根護(hù)腿錨桿與巷幫進(jìn)行固定，頂架采用20＃工字鋼按架設(shè)位置及作用的不同分別制作，鋼架墻體的頂梁為單梁結(jié)構(gòu)，喇叭口處的鋼架頂梁為雙梁結(jié)構(gòu)，該雙大梁對(duì)稱焊接成一根對(duì)梁，兩端連接柱腿，梁中部加打兩組吊掛角錨索與頂板進(jìn)行固定，對(duì)梁跨度較大，預(yù)先對(duì)梁跨中央進(jìn)行加固懸吊。鋼架柱腿頂梁采用榫接連接方式，在柱腿頂帽開(kāi)榫眼槽和固定連接頂梁的螺孔，在頂梁上焊接定位榫頭，柱腿頂梁榫接在一起后再加箍螺桿使之連接成整體，形成了交叉點(diǎn)的鋼架支護(hù)，見(jiàn)圖3。

2.4 支護(hù)強(qiáng)度的計(jì)算

圖3 鋼 架鋼架柱柱腿腿雙雙頂頂梁梁結(jié)構(gòu)結(jié)及構(gòu)裝裝配圖配圖

頂板載荷：

由于14＃層和12＃層之間多以砂巖為主，因此我們?nèi)∑淦骄葜貫?.2 t／m3。其層間距約為6.0 m左右，把交叉點(diǎn)頂板部分理想化成完全跨落體。將其平均分成兩個(gè)部分，其中51013巷為一部分，311-1巷為一部分。且有兩部分支撐。由于311-1部分跨度較大，把計(jì)算重點(diǎn)放在該部分。

311-1 巷頂板載荷：

體積：V=7.5×3.4×6=153m3

重量：M頂板=153×2.2=336.6 t

跨中集中荷載計(jì)算：

選用Ⅰ20 a，材料Q235B的工字鋼。

Ⅰ20a截面特征：W（x）=287 cm3，A=35.5 cm2，設(shè)許用值σ=240 MPa（保留安全系數(shù)1.7）。

橫梁為2根Ⅰ20a，工字鋼并排鋪設(shè)，則：

抵抗彎矩：M=W（x）×σ=287×240×2=137.6 KN.m

檢驗(yàn)：

1）確定工字鋼跨度、承重點(diǎn)位置、重量，計(jì)算最大彎矩M（max）；

2）?、?0a工字鋼材料為Q235B，σ（s）=2 400 kg／cm2，確定安全系數(shù)取1.7，σ=2 400／1.7=1 412 kg／cm2；

3）M（max）／［σ］＜=W（x），強(qiáng)度滿足。W（x）查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)工字鋼的抗彎模量。

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

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

則7 m梁中點(diǎn)附近最多可以承受7.8 t荷載，留有安全系數(shù)1.7（工程應(yīng)用中必須的）以此為準(zhǔn)，則7 m 20＃工字鋼雙梁受力理想成平均分布，最多可承載約MⅠ=109 t。

由于20＃工字鋼雙梁不支撐全部的重量，約支撐其重量的一半左右，則明顯MⅠ=109＞M頂板=84 t，況且本次計(jì)算是在理想化的模型下計(jì)算的，頂板不可能完全跨落，頂板大體呈現(xiàn)出弧形，由于張力的作用，20＃工字鋼雙梁受到的力要小于84 t，因此采用20＃工字鋼梁是可行的。

2.5 實(shí)施效果

通過(guò)以上的設(shè)計(jì)構(gòu)想，針對(duì)14＃層51013巷與311-1巷的交叉點(diǎn)維護(hù)的實(shí)際情況，為了提高交叉點(diǎn)支護(hù)強(qiáng)度，加快施工速度，在此嘗試應(yīng)用該支護(hù)技術(shù)，一舉獲得成功，很好地配合了U29棚支護(hù)，按期完成了巷道及交叉點(diǎn)維護(hù)的任務(wù)，使礦井生產(chǎn)

能夠安全正常的進(jìn)行，徹底解決了交叉點(diǎn)難維護(hù)的問(wèn)題。之后又將該技術(shù)推廣應(yīng)用到了其他三個(gè)交叉點(diǎn)：（1）14＃層21015巷交叉點(diǎn)；（2）14＃層51011里橫峒交叉點(diǎn)；（3）12＃層2901碾巷交叉點(diǎn)，都取得了良好的效果。實(shí)踐證明，該支護(hù)技術(shù)是合理可行的，是能夠有效的管理頂板的。這一技術(shù)極大地改善了生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，保證了安全生產(chǎn)，在今后的巷道施工中有推廣應(yīng)用的價(jià)值。

2.6 經(jīng)濟(jì)效益

應(yīng)用該支護(hù)技術(shù)順利的解決了交叉點(diǎn)維護(hù)施工難的問(wèn)題，很好地配合了周邊巷道的U29棚子補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，使盤區(qū)軌道巷受損段全部得到了有效的維護(hù)，達(dá)到了安全使用的要求，給開(kāi)采81017面，81015面，81013面創(chuàng)造了良好的運(yùn)輸環(huán)境，且為81122及81019停采面撤運(yùn)支架及81017面，81015面開(kāi)采結(jié)束撤運(yùn)支架等設(shè)備提供了暢通安全可靠的運(yùn)輸保障，取得了良好效果，現(xiàn)已服務(wù)采出了三個(gè)面：81122，81017，81015面，見(jiàn)圖4。

圖4 鋼架支護(hù)交叉點(diǎn)位置及服務(wù)區(qū)域平面圖圖4 鋼架支護(hù)交叉點(diǎn)位置及服務(wù)區(qū)域平面圖

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。創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益：20元／t×102.9萬(wàn)t＝2058萬(wàn)元

3 創(chuàng)新點(diǎn)

交叉點(diǎn)鋼架支護(hù)技術(shù)是對(duì)以往所用的砌墻架梁支護(hù)的改進(jìn)。為了提高支護(hù)強(qiáng)度，便于施工，從原砌墻架梁支護(hù)方式暴露出的一些缺點(diǎn)入手，針對(duì)性地做了補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)改進(jìn)，其創(chuàng)新點(diǎn)有：

（1）采用20＃工字鋼梁且在跨度最大的喇叭口處采用雙大梁結(jié)構(gòu)，使支護(hù)強(qiáng)度大大提高，能承載較大的礦壓。

（2）用鋼架柱腿頂梁結(jié)構(gòu)替代原片石砌筑的墻體部分，從根本上消除了原片石砌筑的墻體受壓變形開(kāi)裂坍塌損壞的弊端。

（3）鋼架梁腿間的榫接結(jié)構(gòu)保證了鋼架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和架設(shè)質(zhì)量，其結(jié)構(gòu)件可分別予制，易加工，積木式的裝配易于施工，滿足了快速施工的要求，還可在條件允許的情況下對(duì)鋼架支護(hù)進(jìn)行回收復(fù)用。

4 結(jié)語(yǔ)

交叉點(diǎn)鋼架支護(hù)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)突出，是交叉點(diǎn)支護(hù)方式的一大進(jìn)步。從根本上改善了施工作業(yè)方式，提高了交叉點(diǎn)的支護(hù)強(qiáng)度，能適應(yīng)圍巖礦壓較大的煤巷交叉點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的要求，可最大限度地減少因壓力傳遞對(duì)巷道造成的破壞，免去了因巷道受損進(jìn)行的重復(fù)維護(hù)，為安全生產(chǎn)、運(yùn)輸暢通提供了可靠的保障，為今后推廣應(yīng)用開(kāi)了個(gè)好頭。它確實(shí)解決了煤礦所遇到的棘手問(wèn)題，為安全、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化及高效、低耗、快速施工帶來(lái)了很大的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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〔責(zé)任編輯 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

劉建軍（1971-），男，山西 大同 人，碩士，研究方向：采礦工程與安全管理。

1674－0874（2013）01－0070－04