U25 型可縮式矩形支架在沖擊地壓巷道中的應(yīng)用

仇振泉 駱振奎 張經(jīng)龍

（1.濟(jì)寧能源發(fā)展集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司，山東 汶上 272500）

基于中等沖擊地壓危險(xiǎn)的掘進(jìn)巷道采用強(qiáng)抗變形和護(hù)表能力的主動(dòng)支護(hù)方式以外，還應(yīng)當(dāng)采用受沖擊后仍有安全空間的加強(qiáng)支護(hù)方式的要求，汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司通過(guò)在中等沖擊地壓危險(xiǎn)的掘進(jìn)巷道內(nèi)架設(shè)U25 型鋼棚，經(jīng)過(guò)實(shí)踐觀測(cè)，相較于未架設(shè)鋼棚加強(qiáng)支護(hù)的巷道，架棚區(qū)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(shè)計(jì)沿煤層底板托頂煤掘進(jìn)，煤層傾角8°～18°，平均13°。開(kāi)采煤層為3 煤層，煤層厚度3.7～4.6 m，平均4.2 m。經(jīng)鑒定3煤層具有弱沖擊傾向性，3 煤層頂板具有強(qiáng)沖擊傾向性，3 煤層底板無(wú)沖擊傾向性。3301 工作面膠帶順槽掘進(jìn)期間受斷層、巷道拐角等影響的區(qū)域?yàn)橹械葲_擊危險(xiǎn)區(qū)域，其他區(qū)域?yàn)槿鯖_擊危險(xiǎn)區(qū)域。

1.1 巷道斷面

巷道規(guī)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(shí)，沿煤層頂、底板掘進(jìn)；煤層厚度大于4 m 時(shí)，沿煤層底板托頂煤掘進(jìn)。

1.2 支設(shè)設(shè)計(jì)

3301 工作面膠帶順槽支護(hù)設(shè)計(jì)采用中等以上安全系數(shù)，錨桿選用Φ22 mm、長(zhǎng)2400 mm、屈服強(qiáng)度500 MPa 的MSGLW-500/Φ22 mm×2400 mm 型無(wú)縱肋螺紋鋼。每根錨桿按順序分別安設(shè)托盤、平墊、讓壓控件、平墊、減摩墊圈和螺母，加長(zhǎng)錨固，錨固力100 kN，預(yù)緊力矩200 N·m，錨桿間、排距1000 mm×1000 mm。錨桿配合W 鋼護(hù)板增加護(hù)表強(qiáng)度，頂幫W 形鋼護(hù)板短邊均平行于巷道中心線，W 形鋼護(hù)板規(guī)格為5 mm×280 mm×450 mm。

頂部采用錨索+T 形鋼帶加強(qiáng)支護(hù)，T 形鋼帶 規(guī) 格140 mm×20 mm×3800 mm， 錨 索 規(guī) 格Φ21.8×6500 mm，型號(hào)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(hù)如圖1。

圖1 錨桿、錨索支護(hù)示意圖（單位：mm）

1.3 圍巖監(jiān)測(cè)

采用“十字布點(diǎn)”圍巖變形觀測(cè)和頂板離層觀測(cè)兩種形式對(duì)圍巖進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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

2 架設(shè)U25 型鋼棚施工方案

中等沖擊地壓危險(xiǎn)的厚煤層沿底托頂煤掘進(jìn)區(qū)段，棚距5000 mm（誤差±200 mm），沿頂?shù)装寰蜻M(jìn)區(qū)段，棚距10 m（誤差±200 mm）。棚梁、棚腿均采用25U 型鋼加工，棚梁長(zhǎng)度為4500 mm，上部棚腿長(zhǎng)為2500 mm，下部棚腿長(zhǎng)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(dāng)巷道應(yīng)力達(dá)到一定強(qiáng)度，棚梁沿棚腿產(chǎn)生相對(duì)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(shè)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(shí)→調(diào)整棚腿位置，并結(jié)實(shí)棚梁→墊木托盤緊實(shí)棚腿→施工固定錨桿。

2.1.2 架棚施工工藝

（1）架棚前對(duì)頂板原支護(hù)錨桿、錨索、金屬網(wǎng)等重新檢查，對(duì)于銹蝕的金屬網(wǎng)重新敷設(shè)一層金屬網(wǎng)，與原網(wǎng)子連接好，聯(lián)網(wǎng)間距不大于200 mm。不合格的錨桿、錨索重新補(bǔ)打。

（2）施工棚梁：根據(jù)中線、棚距先上棚梁，并在U 型鋼棚梁孔內(nèi)施工錨索。

（3）棚腿施工：上下棚腿根據(jù)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(cè)。禁止人員在下方逗留或通過(guò)。

（4）調(diào)整棚腿的角度及尺寸必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求后施工幫部錨桿，固定棚腿，使棚腿與棚梁牙口接口嚴(yán)密，棚腿固定錨桿里外均備幫帽。

2.2 架棚技術(shù)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(jié)合密實(shí)。

（3）每架棚必須垂直于巷道中心線，無(wú)外扭、無(wú)邁步現(xiàn)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(yán)密合縫。

（6）兩側(cè)棚腿載到實(shí)底，并在下方墊木托盤緩壓。

（7）棚梁接口錯(cuò)位＜5 mm，離合＜5 mm。

（8）每個(gè)棚腿搭接位置用2 個(gè)U 型鋼限位卡纜固定，U 型鋼限位卡纜間距為100 mm，每個(gè)限位卡纜螺母預(yù)緊力矩不小于200 N·m，限位卡纜中心距為300 mm?？ɡ|兩側(cè)各使用一道雙股14#鐵絲進(jìn)行防崩固定，鐵絲兩端必須拉緊固定在錨網(wǎng)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(jìn)行防崩固定。

（9）棚腿采用Φ22 mm×2400 mm 的等強(qiáng)螺紋鋼錨桿固定，兩幫固定棚腿的錨桿分別打設(shè)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(yù)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(hù)。U25鋼棚設(shè)計(jì)示意圖如圖2。

圖2 U25 鋼棚設(shè)計(jì)示意圖

2.3 施工安全技術(shù)措施

（1）在施工區(qū)域前后20 m 外拉線警戒，警戒牌距底板1～1.5 m，嚴(yán)禁無(wú)關(guān)人員進(jìn)入施工區(qū)域。經(jīng)安全負(fù)責(zé)人同意，且確認(rèn)安全后方可通行。架設(shè)棚梁時(shí)，在未固定牢固前，嚴(yán)禁任何人員從棚梁下方通行或逗留。

（2）架棚施工前對(duì)棚腿處風(fēng)筒采取可靠的防護(hù)措施，嚴(yán)禁拆除風(fēng)筒，確保迎頭正常通風(fēng)。

（3）架棚前，將帶式輸送機(jī)停電閉鎖掛牌，嚴(yán)禁皮帶運(yùn)行期間在皮帶里側(cè)架棚施工?？缭狡幵O(shè)置過(guò)橋。

（4）嚴(yán)禁棚腿架設(shè)在浮煤矸上，棚腿立于巷道實(shí)底上。

（5）人工豎棚腿時(shí)，不少于2 人共同操作，扶好棚腿，穩(wěn)抬穩(wěn)放。

（6）梁腿接口處不吻合時(shí)，應(yīng)調(diào)整梁腿傾斜度和方向，嚴(yán)禁在縫口處打入木楔。

（7）架棚時(shí)，必須由班長(zhǎng)或副班長(zhǎng)協(xié)調(diào)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(shí)，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(shí)，要觀察棚腿歪倒方向，保證歪倒方向上無(wú)人員、無(wú)其他設(shè)備等。

（9）頂梁不能直接接頂時(shí)，必須使用方木、木板、木楔等對(duì)鋼棚進(jìn)行接頂。接頂?shù)滥?、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(jìn)行連接固定。

（10）在有淋水的地點(diǎn)架棚時(shí)，要在金屬網(wǎng)上方鋪設(shè)舊風(fēng)筒布等，將淋水引導(dǎo)至幫部，減少對(duì)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(jìn)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(wǎng)的十字花上，兩端不低于3 扣。

3 應(yīng)用效果分析

通過(guò)中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域沿底托頂煤架棚區(qū)段和弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域沿底托頂煤未架棚區(qū)段，選取兩段地質(zhì)條件相近、標(biāo)高相近的兩條巷道，對(duì)掘后10 d范圍內(nèi)的頂板離層和頂部變形觀察對(duì)比分析，架棚區(qū)段圍巖變形得到了較好的控制。

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，相較于未架棚區(qū)段，架棚區(qū)段頂部W 形鋼護(hù)板變形較輕，網(wǎng)兜及托盤內(nèi)陷數(shù)量大約是未架棚區(qū)段的35%。架棚對(duì)分散頂部應(yīng)力、抵抗圍巖變形、提高頂部整體性有重要作用。

（2）經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)4 組頂板離層儀數(shù)值分析，相較于未架棚區(qū)段，架棚區(qū)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(qū)段在第4 d 下沉量變化趨緩，掘后10 d 內(nèi)架棚段頂板下沉量是未架棚段下沉量的42.5%。掘后10 d 內(nèi)平均頂板離層分析圖如圖3。

圖3 掘后10 d 內(nèi)平均頂板離層分析圖

（3）經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)4 組“十字布點(diǎn)”圍巖變形觀測(cè)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(jīng)分析棚梁與錨桿+W 型鋼帶、錨索+T 型鋼帶相互作用增加護(hù)表能力，有效抑制了頂板淺表圍巖變形。

（4）在該區(qū)段頂部每間隔15 m 施工鉆孔，探測(cè)頂板深部圍巖離層情況，鉆孔深6500 mm。經(jīng)鉆孔探查分析，掘后10 d 范圍內(nèi)，頂部深部圍巖均未發(fā)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(dòng)護(hù)表承載，棚梁+棚腿形成被動(dòng)護(hù)表承壓，主動(dòng)支護(hù)和被動(dòng)支護(hù)相結(jié)合，淺表圍巖離層、滑動(dòng)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(tài)，頂板的完整性和整體強(qiáng)度得到保持，淺表圍巖成為承載的主體，充分調(diào)動(dòng)深部圍巖的承載能力，改善圍巖深部的應(yīng)力狀態(tài)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(jié)論

汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司通過(guò)在沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域巷道架設(shè)U25 型鋼棚，鋼棚具備的主被動(dòng)支護(hù)能力，給圍巖提供反向壓應(yīng)力，與錨桿+W 形鋼護(hù)板、錨索+T 形鋼帶形成的壓應(yīng)力區(qū)組合成骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，主動(dòng)支護(hù)頂部圍巖，被動(dòng)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(shù)，該方案得到了廣泛應(yīng)用和推廣。