复杂地质条件下曲腿三心拱U型钢在掘进巷道中的推广应用

王建常　路希伟　贾东晓

红岭矿15101采煤工作面上巷沿与15081采煤工作面下巷平行的5～8m的小煤柱布置，留设小煤柱布置工作面上巷，主要是为了隔离15081采煤工作面的采空区涌水。同时导致巷道应力集中，造成巷道压力增大。为保证巷道断面满足采煤工作面回采期间的生产需要，在掘进过程中采用直腿半圆拱U型钢可缩性支架、叉腿棚半圆拱U型钢可缩性支架，采用以上支架架型支护巷道一直没有解决巷道侧压大、巷道宽度收缩变形量大的难题。巷道维修量大，掘进速度减慢，巷道断面保持安全宽度的时间较短，给安全生产带来隐患。针对15101采煤工作面上巷掘进支护中存在的问题。红岭公司生产技术部门采用改变支架架型以适应孤岛工作面回采巷道侧压大的技术路线，最后选用曲腿三心拱U型钢可缩性支架在15101采煤工作面下巷掘进支护使用，15101采煤工作面下巷沿F502断层煤柱布置，断层煤柱宽度5～8m。通过实践证明曲腿三心拱U型钢可缩性支架抗侧压性能好，有效地解决了孤岛工作面回采巷道侧压大，巷道侧向变形破坏严重的难题，取得了显著的安全效益和经济效益。

半圆拱形可缩性支架的使用情况

直腿半圆拱形可缩性支架的使用情况。红岭矿15101采煤工作面煤层为单斜构造，煤层倾角20白笥摇C翰愫穸？.34～6.46m，平均厚度6.4m，煤层容重1.32t/m3。煤层直接顶有数层岩层组成，伪顶为0.66m厚度的黑色泥岩，块状破碎；下位直接顶为浅黑色砂质泥岩，厚度为1.3～2.0m，岩石成分以粘土为主，含少量砂质，含大量较完整的植物化石，层理明顯；其上为裂隙发育的砂岩，厚度1.2～1.5m。上位直接顶为厚度6.65m的细粒砂岩与泥质砂岩互层，成分以石英为主，其次为长石，层面含炭质及少量白云母片，局部含砂质较少，有少量泥质交错，层理明显。基本顶为3.96m厚度的灰白色细粒砂岩，成份以石英为主，泥质胶结，层面含炭质及白云母片。煤层直接顶和基本顶岩石强度较高，整体属于坚硬岩石，其中直接顶单向抗压强度为110.18～142.7MPa，内聚力为27.68～44.89MPa，内摩擦角为28.6～38.0埃换径サハ蚩寡骨慷任？53.82～150.32MPa，内聚力为37.4MPa，内摩擦角为36.1啊？

红岭矿15101采煤工作面上巷采用三节U29型直腿半圆拱形可缩性支架，半圆拱半径2.1m，巷道净宽4.2m，巷道净高3.0m，巷道净断面积10.5m2，巷道掘进断面积12m2，棚距700mm。顶梁与柱腿搭接长度400mm，顶梁与柱腿搭接部分用两道卡箍连接，卡箍螺栓扭矩200～250N·M，顶帮用背板配合金属网背帮护顶。支架间用三道连接板将支架连接为一个整体。巷道在掘进过程中收缩变形严重，掘进15天以后，巷道净宽收缩为3.6～3.8m，巷道净高收缩为2.7～2.8m。随着时间的推移，巷道进一步收缩变形。

叉腿半圆拱形可缩性支架的使用情况。叉腿半圆拱形可缩性支架，半圆拱半径1.8m，巷道拱基线净宽3.6m，巷道底板处净宽4.2m。巷道净断面11.5m2，巷道掘进断面13.5m2。同时将棚距缩小为600mm直至500mm。巷道掘进3～5天后，巷道底板处净宽收缩为3.6～3.7m，巷道净高收缩为2.7～2.8m。随着时间的推移，巷道进一步收缩变形。15101上巷掘进完成，巷道最窄处巷道净宽为2.3m，净高为3.4m。巷道变形较严重地段，巷道净宽为2.7～2.8m，巷道净高为2.6～2.7m。

矿山压力显现及巷道破坏原因

通过对红岭矿孤岛工作面回采巷道掘进工作面U型钢可缩性支架变形破坏的观察，支架破坏主要表现为柱腿向巷道里侧弯曲变形，且柱腿有蹬腿现象，巷道明显变窄，两帮最大移近量为1.8m，支架顶梁向上凸起，变形严重，个别顶梁从顶部折断，巷道高度变化不大，巷道断面明显缩小，不能满足正常的生产需要，巷道内所有支架都遭到不同程度的破坏。通过对支架破坏现象分析，判断巷道以两侧的水平应力为主，垂直应力为辅，支架承载的主应力是巷道两帮的侧向压力。

孤岛工作面回采巷道围岩压力较大时，巷道两侧压力先作用在支架柱腿上，支架柱腿受到挤压逐渐向巷道中间发生位移变形，并向巷道空间内弯曲，巷道两帮位移量逐渐增大

曲腿三心拱形可缩性支架设计

为了从根本上解决问题，通过对支架破坏的分析，我们总结直腿棚和叉腿棚应用失败的主要原因有：没有正确的预测到巷道压力，因是孤岛工作面，起初预测巷道顶板压力可能较大，因而设计用可缩性直腿棚支架。在得知巷道水平应力大时，采用叉腿棚支护，但叉腿棚对付水平应力是种硬支护，不可以让压以达到缓解压力的作用。叉腿棚柱腿呈直线，与圆弧相比，抵抗压力能力较差，易被压弯。

对于以上巷道压力变形分析，必须采取抵抗侧应力较好的支护，因此，我们设计了曲腿三心拱可缩性支架，该支架有四节组成，顶梁由两节构成，柱腿呈向巷道两侧拱起的圆弧形。基本参数如下：柱腿半径为2500mm，长为2680mm，顶梁半径为2100mm，长为2580mm，各节间搭接长度为400mm，卡缆间距为200mm。支架净宽4000mm。净高为3000mm，具体情况如图所示：

该种支架使用于围岩压力较大的情况，承载能力大，抗测压能力较大。

支护理论与支护效果

曲腿三心拱可缩性支护理论：因支架有一定的可缩性，在受到围岩应力作用时，支架本身有一定的收缩变形，起到让压作用。由刚性支架支护变为柔性支架支护，同时巷道轮廓围岩结构本身具有承载一定压力的能力。曲腿的设计可是支架在抵抗侧应力时产生一个预应力，支架变形首先要克服这个预应力，从而增大支架的抗侧压能力，减小支架变形。支架顶梁与柱腿采用切线连接，平滑过度，减少压力集中点，防止支架有局部破坏引起整体破坏，进一步提高支架抗压能力。支架柱窝深度200mm，可有效防止柱腿受侧压影响插入巷道内的现象，提高抗侧压能力。

自从应用该支架支护巷道以后，巷道变形得到了有力的控制，巷道顶底板移近量均小于300mm，而两帮移近量也均小于500mm，支架变形后巷道断面足可以满足生产的需要，不用再扩修巷道。

15101孤岛工作面回采巷道掘进留设窄小煤柱，煤柱宽度5～8m，巷道处于侧向支撑压力的高应力区，巷道围岩松动范围大于4m，造成巷道围岩长期处于流变状态，受巷道掘进的影响，巷道围岩收敛速度增大，且两帮移近量明显大于顶底板移近量。整体来说，巷道围岩压力较大，在这特定的条件下，采用三心拱曲腿可缩性支架有以下优点：支架承载能力加大，特别是抗侧压能力较大。支架分四节制作，三处搭接，增加了支架的可缩性，从而增大了该种支架的支护适应性。