U型鋼巷道交岔點支護的研究與應用

鄭軍偉等

摘要：煤礦井下交岔點處巷道跨度較大，壓力一般較為集中，尤其是被動支護的架棚巷道交岔點處受礦壓的影響更大，棚子易變形，維修頻率高，維修起來也比較困難，往往交岔點處于通風、運輸等重要位置，一旦安全管理不到位發生漏冒等事故，會嚴重影響正常安全生產。如何解決U型鋼巷道交岔點處的支護問題，提高交岔點處的支護強度就顯得非常重要。

關鍵詞：U型鋼 交岔點 支護手段

1 概述

平煤股份三礦多年來受周邊煤礦、四周采空區、采動及礦壓等綜合影響較大，伴隨著礦井的日益延深，現施工巷道及現有巷道的壓力日益顯現較為明顯，礦壓已成為制約我們正常安全生產及運輸的主要問題之一。過去采用較多的支護形式主要是金梯支護，斷面一般在8m2左右，隨著綜采綜掘工作面及懸移支架工作面的廣泛推廣，現要求施工的開掘工作面斷面大、支護強度高，以滿足運輸和綜采綜掘的需要。為了減少礦壓給安全生產帶來的影響，減少巷修量，努力實現一次成巷，必須改變當前的支護形式，尤其是在己15、己16-17煤層施工過程中，由于采區范圍小，交岔點較多，巷道壓力更為顯著，底鼓嚴重，過去的在用巷道和現施工的巷道已不能采用過去的支護形式和設計斷面來進行施工，在不能采用錨網支護的前提下，就要采取更高強度的支護手段，所以，U型鋼支護就成為首選的支護對象，對U型鋼巷道交岔點處的支護研究和應用推廣就顯得尤為重要。

2 施工設計方案

具體實施方案是在施工的U型鋼巷道交岔點處，對主巷U型鋼支護段在交岔點處的數架U型鋼進行改進，即在主巷與分巷交匯處，分巷口采用36U型鋼與11#工字鋼聯合抬棚，主巷交匯處U型鋼進行改進，根據設計方案進行特殊加工。將交匯處的幾節去掉對U型鋼頂梁進行改進，以便和分巷U型鋼抬棚合理搭接，同時根據圍巖壓力情況采取補打卸壓孔的方法釋放壓力，并通過材料力學受力分析采取補打錨索的方法防止交岔點與抬棚搭接的頂梁中間受力過大出現壓彎變形現象，以此達到延緩U型鋼的可縮量和減少巷道變形量的目的，以滿足正常安全生產的需要。

2.1 實驗工作面概況

實驗工作面U型鋼巷道交岔點布置在己16-17煤層中，己16-17煤層平均厚度3.8m，屬復雜結構，煤層傾角平均130。直接頂為泥巖，普氏系數f=3-4，厚度平均3.8m，基本頂為己15煤和細-中粒砂巖，厚度為4.68m，直接底為砂泥巖，厚度平均為2.8m。交岔點支護形式為36U型鋼支護和采用36U型鋼特殊抬棚支護形式以及加打鉆孔卸壓方法進行支護，主巷與分巷斷面均為3.8×3.0m（寬×高）。

2.2 實驗工作面施工參數設計及技術要求

2.2.1 交岔點處U型鋼支護參數設計

①主巷支架型號：36U型鋼，對原來正常支護巷道U型鋼進行改進，由原來四節改為三節，其中一節頂梁采用直梁，一端與頂梁相連，一端直接擔在U型鋼抬棚上。在插梁中間（在地面加工U型鋼頂梁時按設計好的錨索位置對頂梁進行開孔，U型鋼頂梁即作為錨索盤使用）與抬棚梁方向800mm處分別打設兩根直徑17.8mm，長9m的錨索兩根。見附圖一，交岔點處剖面示意圖。

②分巷雙抬棚：采用36U型鋼頂梁上配11#工字鋼。對原來正常支護巷道的U型鋼進行改進，由原來四節改為三節，即兩腿兩梁改為兩腿一梁，在頂梁槽內用長3.2m的礦用11#工字鋼與頂梁進行焊接，11#工字鋼兩端分別用兩根工字鋼短節與U型鋼梁進行焊接，使36U型鋼支架與11#工字鋼抬棚梁形成高強度的抬棚。見附圖二，交岔點處斷面示意圖。

2.2.2 卸壓孔參數設計及施工

在交岔點前、后兩側1m處施工卸壓孔，孔徑75mm，孔間排距0.2m，孔深10m，垂直于巷幫鑿孔。巷幫每側布置5個孔，在巷道底板0.5m處為卸壓孔位置，間距0.2m，隨工作面掘進持續打卸壓孔。見附圖三，卸壓孔一幫布置平面示意圖。

3 施工方案確定

3.1 交岔點處U型鋼支護施工方法

①交岔點施工必須架設雙暗抬棚，更換特殊插梁時，必須將原棚子的正下方打上牢固的點柱托住原棚子，然后用鎬鍬挖出改線側腿子，人工將原棚子拆除落下。

②架設36U型鋼雙暗抬棚時，必須首先在每根插梁下打牢點柱，并將相鄰支架亦同時進行加固，然后挖柱窩，摘腿。應摘一架立一架，抬棚腿上梁時必須將抬棚兩端架平，然后將插梁逐根落下，背牢剎實幫頂，打緊撐子。

施工工藝：對原棚子進行聯鎖加固—原棚子下方打點柱—挖柱窩—立腿—上梁—打點柱—回原棚子—更換抬棚—挖柱窩—摘腿—立新腿—上抬棚梁—落新棚子—剎幫背頂。

3.2 卸壓孔原理和施工方法研究

3.2.1 交岔點卸壓的目的

交岔點是指礦井中巷道交會、分岔、變向處的一段巷道，其擔負著礦井運輸、通風、行人、排水、管線鋪設等重任，但因其附近巷道兩側支承壓力和頂板卸載區的相互影響，圍巖碎脹變形松動圈較大，應力集中，支架受力嚴重，巷道變形快，頻繁的擴修影響礦井安全生產。因此根據現有支護形式和礦井實際情況，采用鉆孔卸壓法以達到卸壓和限制圍巖變形的目的。

3.2.2 卸壓孔卸壓原理及參數選擇

鉆孔卸壓法可局部改變巷道附近應力分布，從而使巷道處于低壓區。鉆孔卸壓的效果主要取決于孔徑、孔距、孔深等參數。一般情況下，鉆孔直徑150-350mm，孔壁之間留下寬度約為200-350mm，孔深根據具體情況一般為6-10m；在支承壓力的作用下孔壁間的小煤柱受到破壞，從而使巷道邊緣的高應力帶向煤體深部移動一段距離，其長度大約等于孔深。一般認為鉆孔深度不應小于巷道寬度，鉆孔之間的小煤柱的寬度與鉆孔直徑的比值為0.8-1.0時最好（耿獻文《礦山壓力測控技術》中國礦業大學出版社）。

根據我礦壓力情況，我們在實驗工作面的交岔點處做了三組鉆孔（每組5個鉆孔）參數進行實驗，分別為，第一組：孔徑150mm，孔距90mm，孔深10m；第二組：孔徑150mm，孔距150mm，孔深10m；第三組：孔徑75mm，孔距200mm，孔深10m。卸壓孔觀測記錄略。

根據近3個月的現場實測數據可知，第三組鉆孔處巷道變形量最小，相對來說效果比較好，因此，卸壓孔參數選擇為孔徑75mm，孔距200mm，孔深10m，對其它交岔點進行打鉆卸壓。

4 交岔點架棚施工安全技術措施

①支架要先試組裝，接頭部分要劃上標記，架棚時可提高工作效率，確保架棚質量。

②人工裝運，架棚時必須戴手套，口號要一致，動作協調，搞好安全工作。

③巷道毛斷面掘出后，首先敲幫問頂，然后按中心，腰線檢查周邊加以修整，使毛斷面符合要求后，準備好架棚工具，按已標號支架進行架設。

④頂幫護好后，按中心線、腰線、棚距、挖好柱窩立柱，上梁、架棚子。

⑤放好工作臺，人工上梁，按劃好的接頭重合尺寸，每邊先上一個卡子，按標準找正，調整好棚子，直到符合要求，確保質量。

⑥找正棚子后，上好全部卡纜（緊固件）開始背幫背頂，幫頂與棚子之間必須背牢背嚴，頂幫鋪設鋼笆網，網與支架之間必須按規定穿入大板，不得有空隙。

⑦架設雙暗抬棚時，必須首先在每根插梁下打牢點柱，并將相鄰支架亦同時進行加固，然后挖柱窩，摘腿。應摘一架立一架，抬棚腿上梁時必須將抬棚兩端架平，然后將插梁逐根落下，背牢剎實幫頂，打緊撐子。

5 應用效果

①U型鋼巷道在交岔點的支護問題上采用特殊的設計和處理，由于支架本身具有可縮性，經處理后強度增加一個等級，抗壓能力達到設計要求，使用上滿足安全生產需要。

②通過實驗，在交岔點前、后兩側1m處施工卸壓孔，排距2m，孔深10m，垂直于巷幫鑿孔，前后兩側卸壓孔長度100m，延緩了巷道的變形量，壓力分解及釋放更為平衡、緩慢，延長了巷道使用期限。

③施工過的巷道服務年限延長，較以往架棚巷道交岔點處采用工字鋼支護在使用壽命提高近2倍，進而大大減少維修周期，節約了大量的人工和維修成本。

④交岔點處斷面大，維修周期縮短后，礦井運輸及通風系統更為順暢，滿足和保證了采區正常生產。

參考文獻：

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[5]東兆星，吳士良.井巷工程.徐州：中國礦業大學出版社，2004.

[6]耿獻文，礦山壓力測控技術.徐州：中國礦業大學出版社，2002.

作者簡介：鄭軍偉（1977-），男，本科，助理工程師，河南平頂山市郟縣人，現在平頂山天安煤業三礦有限責任公司從事礦山開采工作。