深層礦井U型鋼支架的優(yōu)化分析

呂海波

摘要：近幾年來，礦井面臨開采深度不斷加大，巷道埋深日益增加，巷道地壓顯現(xiàn)明顯，對所屬巷道支護(hù)設(shè)計(jì)要求也不斷提高，一部分處于下分層的巷道使用的U36拱形支護(hù)（可縮型支架）在大型地質(zhì)構(gòu)造及“孤島式”煤柱區(qū)域，受地壓影響對巷道兩幫及頂?shù)装迨諗苛坑^察，往往無法滿足巷道設(shè)計(jì)服務(wù)年限，為解決地壓大對支護(hù)材料產(chǎn)生的反作用力，必須對原有支護(hù)材料進(jìn)行改進(jìn)，故優(yōu)化加強(qiáng)U型鋼拱形支護(hù)強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：地壓；改進(jìn)；優(yōu)化

本文在經(jīng)過理論計(jì)算后，繪制圖紙并加工出產(chǎn)品，然后結(jié)合井下使用單位，為使用此產(chǎn)品前和使用此產(chǎn)品后的測量數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和對比，認(rèn)為達(dá)到了預(yù)期的效果，結(jié)果比較滿意。

一、深井開采現(xiàn)狀及面對的問題

（一） U型支架使用現(xiàn)狀

U型鋼支架是一種良好的并且被廣泛應(yīng)用于礦山井下的有效且合理的支護(hù)工具，雖然初期投資費(fèi)用較為高昂，但因其具有良好的韌性性能，在深層復(fù)雜的巷道以及松軟煤層巷道中應(yīng)用的尤為廣泛，其特點(diǎn)是支撐力高，支護(hù)強(qiáng)度大，在淺層礦井地壓不大的情況下，有輕微的變形可較為容易的進(jìn)行回收修復(fù)，修復(fù)后可以重新投入使用，節(jié)約支護(hù)成本，為企業(yè)節(jié)約開支。

（二）U型鋼支架改進(jìn)的必要性

近幾年來，隨著礦井開采深度的不斷增加，開采條件日趨惡化，巷道維護(hù)難度增加，維護(hù)成本增高，礦壓也隨著深度的增加而越來越大，在深部高應(yīng)力地壓的作用下，圍巖移動(dòng)較淺煤層更為劇烈，巷道由于壓力過大導(dǎo)致變形破壞的事情越來越嚴(yán)重。在超過700米的深層礦井中，巷道礦壓問題普遍存在，且巷道變形比較嚴(yán)重，礦井深度超過1000米時(shí)，其失修率約為同等條件下500米到600米深度巷道失修率的2-14倍，巷道維護(hù)的費(fèi)用約為同等條件下200米到300米深度巷道維護(hù)費(fèi)用的10-20倍。

所以，為了在深度礦井中實(shí)現(xiàn)更大的支護(hù)強(qiáng)度和更高的支撐力，保證深層礦井開采時(shí)的安全生產(chǎn)，對現(xiàn)有U型鋼支架進(jìn)行優(yōu)化改良，在降低巷道失修率的同時(shí)，也可以降低巷道維護(hù)的費(fèi)用，增強(qiáng)巷道的安全性，降低噸煤成本，提高煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

二、煤炭企業(yè)深層礦井開采的問題

深層礦井一般指開采深度超過800米的礦井，而我單位所屬平煤股份一礦采深也超過了700米，其具有以下特點(diǎn)：

深度礦井地壓加劇，巷道維護(hù)困難

礦井采深不斷增加所帶來的問題，就是地壓的加劇，深度越深，井下開采條件越差，不確定因素也越多，導(dǎo)致的結(jié)果就是巷道維護(hù)的難度成倍增長，生產(chǎn)成本增加。隨著地壓的增大，深部的高應(yīng)力作用導(dǎo)致圍巖移動(dòng)更加劇烈，超過700米的巷道中，底鼔現(xiàn)象普遍存在，而且傳統(tǒng)U型鋼支架由于地壓過大而導(dǎo)致變形的數(shù)量增多，大多數(shù)支架變形較大且無法修復(fù)，巷道維護(hù)壓力大。

三、生產(chǎn)費(fèi)用升高，影響經(jīng)濟(jì)效益

隨著采深的增加，由于地質(zhì)條件、勘探強(qiáng)度、地壓、地溫等各種因素的影響，都要采取一定的應(yīng)對措施，需要增加設(shè)備，對現(xiàn)有的支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)其支護(hù)能力，或者采用更加先進(jìn)的支護(hù)方式來應(yīng)對越來越強(qiáng)的地壓及巷道變形帶來的巷道維護(hù)壓力。開采一個(gè)工作面需要一段時(shí)間，如果不加強(qiáng)支護(hù)能力，巷道維護(hù)成本務(wù)必會(huì)成倍增長，而這些情況到最后都會(huì)使得噸煤成本升高，直接導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益的減少。、

圖b中支護(hù)體的承受能力隨著兩側(cè)肩部偏載的加大而迅速下降，如果兩側(cè)和頂幫的承載力相等，支護(hù)承載能力不到均布受力的1倍，當(dāng)兩側(cè)肩部承受的壓力相等時(shí)，隨著載荷的增加，支架可承載能力也逐漸增大；這表明了U型鋼支架拱形部分在受力均勻時(shí)才能更好的發(fā)揮其承載能力，由此說明需要對有間隙、不均勻的地方進(jìn)行填充操作。

由于拱形支架的承載能力主要針對拱形部分，兩幫受力無論是均勻還是偏載，隨著兩側(cè)巷道變形量的加劇，支架的支撐力都會(huì)隨著兩幫支撐的變形急劇下降。兩幫承載力較小，拱形部分承擔(dān)較多壓力的時(shí)候，支架能更大的發(fā)揮其整體的支護(hù)作用。按照設(shè)定的情況來計(jì)算，最壞的情況下支架的承載力約為支護(hù)均勻時(shí)候承載力的0.1倍左右；而兩幫壓力較小，拱形部分均勻受力時(shí)，整個(gè)支架的承載力可以達(dá)到壓力均勻分布時(shí)承載力的4倍以上。

四、U型鋼支架優(yōu)化后效果分析

對U型鋼支架最容易變形部分的優(yōu)化和對卡攬強(qiáng)度工藝的改進(jìn)，通過在測試風(fēng)巷工作面進(jìn)行U36加強(qiáng)卡攬的應(yīng)用有效抑制巷道位移及地壓對支架破壞的影響。U36加強(qiáng)卡攬?jiān)O(shè)計(jì)改進(jìn)并得到實(shí)施后，經(jīng)現(xiàn)場跟蹤調(diào)查，監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)資料看，支護(hù)效果非常顯著，達(dá)到了預(yù)期目的，并節(jié)約了大量的材料消耗，降低了維修費(fèi)用。

U36支架改進(jìn)前，井下施工現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)用后，并通過后期巷道維修中，現(xiàn)使用的U36支架在可縮型支架的摩擦強(qiáng)度以及抗拉伸強(qiáng)度上往往不能滿足支護(hù)要求，尤其在礦井特定地段如地質(zhì)構(gòu)造帶附近的U36拱形支護(hù)，多出現(xiàn)拱頂變形及搭接處卡攬張緊螺絲的開裂，對煤礦井下安全生產(chǎn)埋下不良隱患。

U36支架改進(jìn)后，經(jīng)井下施工現(xiàn)場綜合分析以及巷道圍巖變形數(shù)據(jù)觀測，巷道頂板及兩幫測壓控制較好，且加大了U36棚梁與棚腿的閉合摩擦阻力。

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