深埋煤层冲击地压危险区域可缩性支架的应用实践

朱鹏程

（晋能控股煤业集团机电管理部，山西 大同 037000）

1 工程概况

晋能控股煤业集团王村矿位于山西省大同市云冈区王村街，生产能力100 万t/a。王村矿8128 工作面走向长2027 m，倾向长150 m，煤层埋藏深度为-707～ -879 m，经鉴定煤层具有发生冲击地压的倾向性。8#煤层平均厚度为5.1 m，靠近F1 断层防水煤柱线附近有9#煤，切眼至8#、9#煤联采分界线长度约700 m，8#、9#煤层平均间距为0.9 m，9#煤煤层平均厚度为4.2 m。

8128 工作面两道采用矩形断面设计，净断面尺寸（宽×高）=4.6 m×3.0 m=13.8 m2，采用锚网（索）支护。8#、9#煤联采区域，顶煤平均厚度6.7～8.9 m，采取锚网索架支护。为了能确保冲击地压危险性区域的支护可靠性和安全性，设计在该危险性区域采用平顶形可缩性支架进行联合支护。

2 平顶形可缩性支架工作原理分析

平顶形可缩性支架顶梁为矿用11#工字钢、棚腿为矿用25U 型钢加工而成，支架的承载能力取决于顶梁的抗弯强度。依据平顶形巷道顶板围岩力学分布规律，假设顶板作用在顶梁上的载荷为均匀分布。

2.1 支架顶梁受力分析

矿用11#工字钢材质为20MnK，主要尺寸参数、力学性能为：h=110 mm，b=90 mm，d=9 mm；重量为26.1 kg/m；弹性模量200～220 GPa；屈服点σ≥355 s/MPa；抗拉强度σ≥510 b/MPa。

支架上的围岩给予的力矩达到极限后，产生的最大拉应力超过材料的抗拉强度，从而导致顶梁变形、破坏而失去承载力。如图1 所示，根据受均布载荷梁的弯曲内力计算公式，梁在X点处的弯矩为：

图1 矿用11#工字钢均布载荷受力分析图

式中：Mmax为工字钢顶梁受到的最大弯矩；q为均布载荷；l为工字钢的净跨长度。

从矿用11#工字钢弯矩受力分析图（图2）可知，在工字钢中点截面上，沿中性轴上侧工字钢受压应力，下侧受拉应力，当所受拉应力大于抗压应力强度时，工字钢下侧变形被破坏。最大正应力计算公式为：

图2 矿用11#工字钢弯矩受力分析图

式中：δmax为最大正应力；Mmax为顶梁受到的最大弯矩；Wz为顶梁横截面抗弯截面模量。式（1）代入式（2）得到顶梁所受均布载荷：

式中：δmax代入工字钢的屈服极限，可求梁的使用载荷；Wz代入抗拉强度，可求梁的破坏载荷。

根据式（1）～（3），8128 溜子道锚架支护棚梁长度取4.1 m、材质20MnK 的11#矿用工字钢，其屈服极限σs=355 MPa，抗拉强度σb=510 MPa，Wz=1.134×10-6m4。

代入式（3）求得矿用11#工字钢使用载荷为：

由上式计算结果说明，一架跨长为4.1 m 的矿用11#工字钢顶梁，达到屈服极限时，所受均布载荷约19.1 kN/m，整架载荷78.31 kN。

同理，由抗拉强度σb=510 MPa 可求破坏均布载荷为27.52 kN/m，总载荷约为112.8 kN。

2.2 支架可缩性腿受力分析

矿用25U 型钢材质为20MnK，重量24.76 kg/m，弹性模量200～220 GPa，屈服点σ≥355 s/MPa，抗拉强度σ≥510 b/MPa。

矿用25U 型钢在可缩性支架设计中担当棚腿使用，其受力分布方式主要为顶、底板给予的轴向应力，同时还具有巷帮给予的侧向应力。可缩性支架棚腿不仅满足顶底板轴向应力支撑能力，同时受冲击动能影响还需给予一定的让压空间，让压后可满足设计巷道空间需要，使其在可控范围内起到让压作用。为此，设计了可缩性棚腿：棚腿是由两段25U 型钢加工而成，其搭接长度不少于500 mm，采用两幅卡缆板、4 根法兰螺母紧固固定。卡缆板采用不低于U 型支架型钢机械性能的Q235 低碳钢，成型配M24×100 梅花螺栓、平垫片、弹簧垫、法兰螺母紧固件，强度标准不低于MT326-93 标准要求。卡缆板中心距为300 mm。

25U 型钢接头工作阻力由基本阻力和附加阻力叠加而成。当轴向应力较大时，允许25U 型钢在一定可控范围内变形，起到让压的支撑效果。为保证25U 型钢轴向支撑力支撑强度与让压能力，进行了受力强度分析试验。结果显示：第一组棚腿螺帽预应力扭矩200 N·m，轴向压力217.6 kN、300.5 kN发生位移；第二组棚腿螺帽预应力扭矩150 N·m，轴向压力为32.5 kN、392 kN 发生位移；第三组棚腿螺帽预应力扭矩100 N·m，轴向压力为159 kN、182.4 kN 发生位移。

试验表明，当法兰螺母扭矩力达到100 N·m 时，其轴向压力发生位移，大于矿用11#工字钢承受能力总载荷112.8 kN。

为确保支护强度与位移量，综合上述理论分析与试验数据，取可缩性棚腿法兰螺母扭矩150 N·m。为解决巷帮侧向对可缩性棚腿压力，同样设计了让压限位装置。在棚梁与棚腿连接处安装由球墨铸铁加工而成的横梁锁紧件，配置M24×100 梅花螺栓、平垫片、弹簧垫、法兰螺母紧固件，螺帽扭矩不小于100 N·m。为防止棚腿牙口无节制向巷中进行滑移，距离棚梁牙口100 mm 位置焊接Ф10 mm 螺纹钢，确保棚腿限位滑移不大于100 mm，在对巷帮让压的前提下确保巷道有效断面处于可控范围内。为提高棚梁的承载强度，在梁中位置增加一根可缩性点柱。

3 巷道支护方案的确定

8128 工作面8#、9#煤层联采区域，掘进巷道顶煤煤层叠加厚度6.7～8.9 m，存在断层构造、褶曲发育混乱等复杂的地质条件区域，且赋存埋藏较深，煤层具有冲击地压的倾向性，掘进过程煤炮频繁，完全依靠锚网索支护，巷道围岩出现了鼓帮鼓顶变形，不能控制围岩有效的变形量。矿井生产接续在时间节点上安排较为紧凑，若支护不合理造成巷道严重变形甚至发生局部冒顶事故，需重新投入大量的人力、物力、财力等返工劳动，延缓矿井采掘接续时间，甚至发生接续脱节的背顶局面，不利于矿井的高产高效。为提高支护强度，确保巷道变形量在可控范围内，采取了锚网索与可缩性支架联合支护的工艺方式[1-2]。

根据8128 综放工作面锚网索支护设计计算可知：巷道断面顶部选用公称直径Ф=22 mm 高强度螺纹钢锚杆，锚杆长度2.4 m，锚杆间距840 mm，锚杆排距800 mm，锚固力不小于64 kN；两帮选用公称直径Ф=22 mm 螺纹钢锚杆，锚杆长度为2.2 m，锚杆间距为850 mm、排距为800 mm，锚固力不小于30 kN。支护断面示意图如图3。

图3 支护断面示意图

考虑到8128 工作面相关区域8#、9#煤联采、溜子道埋深大、井下施工复杂性和地质条件多变以及回采压力较大等因素，决定选取锚索长度为7.2 m，每排布置2 根锚索，锚索排距为2.4 m，间距为2.52 m。顶板钢带梁采用扁铁钢带梁，规格为LDT/4200×170×5/30/670/350，巷帮为圆钢钢带梁，规格为LDT3800×60/850/10/350。顶网为方格钢丝网，规格为WH440×950/70×70/4.5/780，巷帮为菱形铁丝网，WL3700×980/50×50/3/300。可缩性支架支护断面如图4， 排距与锚杆排距相同，棚子与锚杆锚茬400 mm处布置。11#工字钢棚梁长4.1 m，25U 型钢棚腿长3.4 m，架设支架棚上宽4.1 m，下宽5.4 m，巷道净高度3.2 m。

图4 平顶形可缩性支架支护断面

4 应用观测分析

为检验平顶形可缩性支架在联合支护中的应用效果，对现场安装的支架定期进行变形量观测。每五架棚子编为一组，在可缩性棚腿搭茬上侧500 mm为基准点，标记白色喷漆三角符号观测位移量。棚梁横梁锁紧件距离限位螺纹钢间距均为150 mm，其观测结果见表1。

表1 可缩性支架变形量观测统计（单位：mm）

由表1 可知，可缩性支架在支护状态下受围岩来压的影响，棚腿、棚梁可缩性构件基本上都发生了位移，起到了让压的效果。同时，对围岩支护来压的煤炮频率进行了统计。统计表明，随着煤炮频次的数量增加，其可缩性变化周期缩短、变形量增大。

5 结论

以王村矿8128 工作面深埋煤层冲击地压危险区域为对象，可缩性支架的联合应用，在提高巷道围岩支护强度的前提下，又可让巷道在一定可控范围内发生变形量，起到了巷道让压作用，确保了巷道有效的支护断面，避免了重新开掘巷道、巷道重新修护的重复劳动及施工，提高了安全性与经济性。