深層礦井U型鋼支架的優化分析

呂海波

摘要：近幾年來，礦井面臨開采深度不斷加大，巷道埋深日益增加，巷道地壓顯現明顯，對所屬巷道支護設計要求也不斷提高，一部分處于下分層的巷道使用的U36拱形支護（可縮型支架）在大型地質構造及“孤島式”煤柱區域，受地壓影響對巷道兩幫及頂底板收斂量觀察，往往無法滿足巷道設計服務年限，為解決地壓大對支護材料產生的反作用力，必須對原有支護材料進行改進，故優化加強U型鋼拱形支護強度。

關鍵詞：地壓；改進；優化

本文在經過理論計算后，繪制圖紙并加工出產品，然后結合井下使用單位，為使用此產品前和使用此產品后的測量數據數據進行匯總和對比，認為達到了預期的效果，結果比較滿意。

一、深井開采現狀及面對的問題

（一） U型支架使用現狀

U型鋼支架是一種良好的并且被廣泛應用于礦山井下的有效且合理的支護工具，雖然初期投資費用較為高昂，但因其具有良好的韌性性能，在深層復雜的巷道以及松軟煤層巷道中應用的尤為廣泛，其特點是支撐力高，支護強度大，在淺層礦井地壓不大的情況下，有輕微的變形可較為容易的進行回收修復，修復后可以重新投入使用，節約支護成本，為企業節約開支。

（二）U型鋼支架改進的必要性

近幾年來，隨著礦井開采深度的不斷增加，開采條件日趨惡化，巷道維護難度增加，維護成本增高，礦壓也隨著深度的增加而越來越大，在深部高應力地壓的作用下，圍巖移動較淺煤層更為劇烈，巷道由于壓力過大導致變形破壞的事情越來越嚴重。在超過700米的深層礦井中，巷道礦壓問題普遍存在，且巷道變形比較嚴重，礦井深度超過1000米時，其失修率約為同等條件下500米到600米深度巷道失修率的2-14倍，巷道維護的費用約為同等條件下200米到300米深度巷道維護費用的10-20倍。

所以，為了在深度礦井中實現更大的支護強度和更高的支撐力，保證深層礦井開采時的安全生產，對現有U型鋼支架進行優化改良，在降低巷道失修率的同時，也可以降低巷道維護的費用，增強巷道的安全性，降低噸煤成本，提高煤炭企業的經濟效益。

二、煤炭企業深層礦井開采的問題

深層礦井一般指開采深度超過800米的礦井，而我單位所屬平煤股份一礦采深也超過了700米，其具有以下特點：

深度礦井地壓加劇，巷道維護困難

礦井采深不斷增加所帶來的問題，就是地壓的加劇，深度越深，井下開采條件越差，不確定因素也越多，導致的結果就是巷道維護的難度成倍增長，生產成本增加。隨著地壓的增大，深部的高應力作用導致圍巖移動更加劇烈，超過700米的巷道中，底鼔現象普遍存在，而且傳統U型鋼支架由于地壓過大而導致變形的數量增多，大多數支架變形較大且無法修復，巷道維護壓力大。

三、生產費用升高，影響經濟效益

隨著采深的增加，由于地質條件、勘探強度、地壓、地溫等各種因素的影響，都要采取一定的應對措施，需要增加設備，對現有的支護方式進行優化，加強其支護能力，或者采用更加先進的支護方式來應對越來越強的地壓及巷道變形帶來的巷道維護壓力。開采一個工作面需要一段時間，如果不加強支護能力，巷道維護成本務必會成倍增長，而這些情況到最后都會使得噸煤成本升高，直接導致經濟效益的減少。、

圖b中支護體的承受能力隨著兩側肩部偏載的加大而迅速下降，如果兩側和頂幫的承載力相等，支護承載能力不到均布受力的1倍，當兩側肩部承受的壓力相等時，隨著載荷的增加，支架可承載能力也逐漸增大；這表明了U型鋼支架拱形部分在受力均勻時才能更好的發揮其承載能力，由此說明需要對有間隙、不均勻的地方進行填充操作。

由于拱形支架的承載能力主要針對拱形部分，兩幫受力無論是均勻還是偏載，隨著兩側巷道變形量的加劇，支架的支撐力都會隨著兩幫支撐的變形急劇下降。兩幫承載力較小，拱形部分承擔較多壓力的時候，支架能更大的發揮其整體的支護作用。按照設定的情況來計算，最壞的情況下支架的承載力約為支護均勻時候承載力的0.1倍左右；而兩幫壓力較小，拱形部分均勻受力時，整個支架的承載力可以達到壓力均勻分布時承載力的4倍以上。

四、U型鋼支架優化后效果分析

對U型鋼支架最容易變形部分的優化和對卡攬強度工藝的改進，通過在測試風巷工作面進行U36加強卡攬的應用有效抑制巷道位移及地壓對支架破壞的影響。U36加強卡攬設計改進并得到實施后，經現場跟蹤調查，監測獲得的數據資料看，支護效果非常顯著，達到了預期目的，并節約了大量的材料消耗，降低了維修費用。

U36支架改進前，井下施工現場實際運用后，并通過后期巷道維修中，現使用的U36支架在可縮型支架的摩擦強度以及抗拉伸強度上往往不能滿足支護要求，尤其在礦井特定地段如地質構造帶附近的U36拱形支護，多出現拱頂變形及搭接處卡攬張緊螺絲的開裂，對煤礦井下安全生產埋下不良隱患。

U36支架改進后，經井下施工現場綜合分析以及巷道圍巖變形數據觀測，巷道頂板及兩幫測壓控制較好，且加大了U36棚梁與棚腿的閉合摩擦阻力。

參考文獻

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