U型钢棚支护效果优化

马海涛　李　岗　丁国峰

(1.陕西彬长矿业集团有限公司小庄矿业公司；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司)



U型钢棚支护效果优化

马海涛1李岗1丁国峰2

(1.陕西彬长矿业集团有限公司小庄矿业公司；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司)

摘要通过分析U型钢棚搭接部位的变形特征，发现其受压后产生“旋转”现象是引起卡缆预紧效果无法充分发挥和下部卡缆破坏的主要原因。经过分析煤矿U型钢棚支护巷道常见的失稳破坏形式，认为棚腿结构不稳定、出现危险截面是引起U型钢棚失稳的主要原因。在此基础上，提出了增加卡缆数量，提高卡缆扭矩、增大下部卡缆强度、充填搭接部位空间、间隔焊接防滑块、重点部位锚索结构补强等措施。工程实践表明：上述措施保证了U型钢棚支护承载结构的稳定性，从而使U型钢棚的支护效果得到了充分发挥。

关键词U型钢棚支护效果失稳破坏承载结构

在煤矿巷道支护中，由于地质条件限制，并非所有巷道硐室都适合使用锚网索支护技术，如在断层带附近和软弱破碎岩层巷道，由于围岩可锚性差，若使用锚杆支护则易导致锚空失效，使用U型钢支护效果则较理想[1]。然而实际支护中，U型钢棚经常发生低阻滑移失稳的现象[2-3]。为提高U型钢棚的支护效果，有必要探讨U型钢棚低阻滑移失稳的原因，并采取相应的处理措施。

1U型钢棚破坏原因及改进方法

1.1搭接处低阻滑移原因

在变形早期，U型钢可缩性支架在其强度范围内工作时，其工作阻力不取决于U型钢的强度，而是与支架搭接处的摩擦阻力有关[2]。摩擦阻力由卡缆与U型钢之间的摩擦阻力以及搭接的顶梁和柱腿之间的摩擦阻力两部分构成，该2部分的摩擦阻力均依靠卡缆预紧力转化。另外，搭接部位在支架受压后的变形特征也易引起低阻滑移。以某矿U型钢棚支护为例，架棚时卡缆螺母扭矩都达到300 N·m，顶梁和柱腿贴紧均匀，经过一段时间后检测发现上副卡缆扭矩全部无法达到300 N·m，而下副卡缆扭矩全部大于300 N·m。通过对现场支护情况的跟踪检测，发现支架受力后顶梁在法向分力的作用下，搭接部位出现小角度的“旋转”现象[4-5]，将对搭接部位产生3个方面的影响：①柱腿上端受顶梁挤压，U型钢腹部产生单向拉伸易产生破裂(图1)，破裂发生后顶梁失去柱腿上端U型钢的支托将以第1副卡缆为支点进一步发生“旋转”；②发生“旋转”后，由于上副卡缆预紧作用的减小使搭接部位整体摩擦阻力减小，从而产生低阻滑移现象；③“旋转”现象的发生使下副卡缆受力显著大于其余卡缆，当超过卡缆螺纹承载极限时即发生滑丝现象，导致卡缆失效，整体摩擦阻力骤降，如此形成恶性循环。

图1　U型钢受挤破裂

1.2U型钢棚失稳破坏形式

由于巷道围岩应力、围岩岩性、初始支护状况等条件不同，常见的U型钢失稳破坏形式主要有：①尖顶型破坏，巷道肩窝处局部软弱围岩在围岩应力作用下产生水平剪切移动，顶梁两端受围岩挤压，易产生弯矩集中，当弯矩超过U型钢的抗弯极限时产生弯折；②平顶型破坏，由于顶板软弱或帮部无法为顶板提供足够的支撑力，导致顶板整体下沉，肩窝处易产生最大的弯矩和内力，当超过U型钢极限即产生弯折；③侧向倾压型破坏，是应力场的作用结果，主要由于支架一侧受力明显大于另一侧，导致肩窝处弯矩及内力超过U型钢极限而产生变形；④跪腿型破坏及棚腿内扎型破坏，两者均由于帮脚内移导致棚腿内力或弯矩达到极限而产生变形，区别在于前者棚腿底部得到固定，其支护模型可简化为固定铰支座二铰拱模型，而后者为可动铰支座二铰拱模型，其抗侧压能力远小于固定铰支座二铰拱模型[2]。

1.3措施

为防止U型钢棚出现低阻滑移现象，实现高阻可缩，须提高搭接部位的整体强度。

(1)增加卡缆数量，增大预紧扭矩，在螺母与卡缆间使用减摩垫片，如此，可直接增大总预紧力，从而增大总摩擦力。

(2)在搭接部位上半段使用橡胶条充填U型钢梁之间及U型钢与卡缆夹板之间的空隙，橡胶条截面形状为月牙型，与前述空隙形状吻合，以降低“旋转”程度，使柱腿上端U型钢长期处于三向受压状态，显著增大抗破坏能力。另外，在棚腿和顶梁的适当位置焊接防滑块，防止上副卡缆下滑并使U型钢棚具备梯次滑动特性，可有效控制围岩变形，如图2所示。

图2　橡胶条充填、防滑块焊接位置示意

若使U型钢的整体承载能力得到充分发挥，除使其具有良好的支护模型外，最重要的是防止梁内危险截面的产生，单纯提高支护体的强度和刚度无法防止局部失稳的产生。对此，可使用具备强初锚、急增阻、主动支护特性的小孔径预应力锚索对U型钢帮脚、帮中及顶中等重点部位进行结构补强，将局部围岩施加于U型钢的力转移至锚索，从而大大降低危险截面的内力和弯矩[2,5]。

2工程实例

某矿Ⅱ66回风下山沿煤层顶板掘进，巷道断面尺寸4.4 m×2.8 m，使用工字钢棚支护，巷道底鼓严重，锚喷段浆皮开裂，水沟受挤变形严重甚至局部填实，局部发生冒顶。增加锚索加固并喷浆后，顶板下沉、两帮内移依然明显，工字钢棚梁压弯，棚腿变形严重。为此，采用U型钢棚支护，并距帮脚300，1 300 mm 处各打2排锚索，在顶中及顶中两侧1 000 mm 处分别打3排锚索，锚索规格φ17.8 mm×6 200 mm，锚索托梁使用废旧U型钢制作，长750 mm，中间开φ20 mm孔，棚距600 mm。顶梁与棚腿搭接长500 mm，使用3副螺杆卡缆固定，最下副卡缆比其余2副卡缆直径增大2 mm，卡缆间距200 mm，棚与棚之间使用拉杆连接。U型钢之间使用钢筋网护表，主副筋分别用10#及6#圆钢，在距顶梁端头500，600 mm处分别焊接2个防滑块，在距棚腿上端头100 mm处焊接1个防滑块，用橡胶条充填搭接部位上半段U型钢与U型钢间的空隙和第1副卡缆与U型钢间的空隙。卡缆初始扭矩不小于300 N·m，架棚时挖腿窝深150 mm，具体支护布置如图3所示。支护完成2个月后，巷道变形基本得到控制，其中，两帮位移量87 mm，顶板下沉53 mm，底鼓106 mm。由于焊接了防滑块及使用橡胶条充填，U型钢棚搭接部位基本无滑动，“旋转”现象减小且棚腿上端无破裂现象。

图3　支护布置示意(单位：mm)

3结论

(1)U型钢棚搭接部位在顶梁法向压力作用下发生“旋转”，是导致棚腿上端压紧破裂、整体摩擦力减小、下副卡缆破坏的主要原因。通过增加卡缆数量、增大下副卡缆直径、使用橡胶条充填搭接部位空隙，有效增大搭接部位的摩擦阻力，防止棚腿上端破裂并有效减少“旋转”。

(2)通过在U型钢棚关键部位施加结构补偿锚索既可固定棚腿，又可有效降低危险截面弯矩和内力，充分发挥U型钢棚的整体承载能力。

参考文献

[1]臧润成.U型钢支架在大冒落区域的应用[J].现代矿业，2015(11)：262-263.

[2]荆升国.高应力破碎软岩巷道棚-索协同支护围岩控制机理研究[D].徐州：中国矿业大学，2009.

[3]陈炎光，陆士良.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，1994.

[4]尤春安.U型钢可缩性支架的缩动分析[J].煤炭学报，1994(6)：270-277.

[5]尤春安.U型钢可缩性支架的稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2002，21(11)：1672-1675.

(收稿日期2016-01-10)

马海涛(1986—)，男，助理工程师，713500 陕西省彬县。