U型钢可缩性支架壁后充填支护探析

U型钢可缩性支架壁后充填支护探析

胡兴发

淮河能源控股集团煤业公司张集煤矿，安徽淮南 232001

摘要：在无法使用主动支护的高应力软岩巷道中,U型钢可缩性支架是一种有效和成熟的支护方式,但是围岩性质复杂时,U型钢可缩支架的承载与围岩的作用无法有机的结合起来,造成U型钢的支架局部应力集中,致使U型钢支架局部屈服而U型钢支架整体失稳,使用U型钢可缩支架壁后充填技术改善了与围岩的关系,阻止了局部应力集中,使U型钢均匀承载,较充分发挥U型钢的支护性能。

关键词：U型钢；支架；充填支护

U型钢支架是煤矿支护的一种被动支护，抗拉强度、抗压强度较高，同时具有良好的韧性性能，支撑力较高，支护强度大，可多次使用，被广泛地应用于矿山巷道，特别是在深部复杂巷道以及松软煤层巷道中。

    1 U型钢支护存在的问题

    国内外都认为U型钢可缩性支架是软岩巷道及受动压影响巷道比较理想的支护型式。但在软岩巷道实际使用中，U型钢支架遭到严重破坏的事例是很多的。通过分析发现，U型钢可缩性支架不能有效控制软岩大变形的主要原因是支架未能按设计特性进行工作，实际支护阻力远低于设计支护阻力。可缩性能得不到充分发挥。其影响因素包括：

    1）所用卡缆型式不合理及支架与围岩之间存在较大空间，导致支架的初撑力低、增阻速度慢、支架缩动阻力低。

    连接件是影响可缩性金属支架可缩性能和工作阻力的关键。普通螺杆夹板式卡缆，存在滑移困难、阻力低且不稳、连接件易损坏或卡死等缺陷，受力状况很差。加上人工拧紧力矩较小、各卡缆拧紧力矩大小差别又较大，使支架缩动变形阻力远远低于设计阻力。支架与巷道围岩之间存在较大的架后空间，使支架架设后很长时间不能向围岩提供有效支护。据井下实测，支架支护后1个月以上围岩变形达200～300mm左右，支架载荷才有明显增加，支架的初撑力和增阻速度都相当低。

2）支架受力不均，使支架的承载能力和可缩性能受到严重影响

    软岩巷道掘进中，片帮冒顶都比较严重，在支架背后形成大小不等的架后空间，支架与围岩表面之间呈不规则的点、线接触，使支架受力状态十分恶劣，往往在支架内产生很大的附加扭矩，导致支架接头被卡死，影响支架的可缩性能；或使支架发生永久性弯曲、扭曲和断裂。软岩巷道U型钢支架破坏形式主要有四种：①受顶部集中载荷作用被压平；②支架顶部存在较大的架后空间，在侧压作用下形成尖桃形破坏；③受偏载作用破坏和④棚腿内移出现“倒葫芦状”破坏等。

      3）对底板变形控制不力，影响支架的承载性能

    底鼓严重是软岩巷道变形与破坏的重要特征，也是影响U型钢支架实际承载能力的重要因素，井下支护实践表明，拱形支架钻底非常严重，不得不经常卧底维修，而频繁的卧底维修又使支架棚腿不断内移，甚至出现“扣头”现象，使支架的承载能力和可缩性能都受到严重影响。

    4）加间拉杆使用不力，影响了支架整体性能和承载性能

支架整体性能差是影响U型钢支护阻力发挥的又一重要因素。现用U型钢支架大多没有安装架间拉杆或虽装有拉杆但拉杆的强度及拉杆数量不足，不能保证支架的整体性能，支架之间不能协调变形，而被各个击破。

    受上述因素影响，使U型钢可缩性支架的实际工作特性严重偏离设计特性，支架控制变形的能力严重降低。

由于支护受力差等原因，拱形和圆形支架，不仅支护阻力很低，只有0.04～0.06MPa，而且由于支架不能实现均匀可缩，而发生严重的结构性破坏，使支架的实际工作特性严重偏离其设计的特性曲线，这是支架不能有效控制软岩巷道剧烈变形的主要原因。

上述4个方面是相互影响相互联系的，应该针对各个影响因素进行改进。但其中影响最大的是架后空间问题，架后空间的存在不仅严重影响支架的承载能力和可缩性能，而且恶化围岩的受力状态和变形条件，降低围岩的自承能力，是许多U型钢支护巷道失败的最主要原因。

    2提高U型钢支架支护阻力和改善支架工作特性的措施

    针对上述影响U型支架支护阻力和工作特性的因素，软岩巷道支护中应采取如下改进措施：

    （1）采用圆形或马蹄形封闭式支架，使支护能适应软岩巷道四面来压和底鼓严重的特点；在采用马蹄形封闭式支架时，底梁与柱腿之间镶嵌式连接，利于安装和底梁可缩。

    （2）支架间用强力拉杆和铺设钢筋网，改善支架的整体效果。

    （3）采用新的经过热处理的双槽形夹板式卡缆（带限位块），并使用风动扭力扳手，卡缆的拧紧力矩保持300N·m，使卡缆阻力与支架的承载能力相匹配。

    （4）在支架与围岩之间实施壁后充填，提高支架的初撑力和增阻速度，改善支架的受力状态，并使支架—充填体—围岩三者形成一个共同的力学承载体系，大幅度提高支架对围岩的支护强度和围岩的自承能力。

    另外，当围岩非常破碎、掘进冒顶严重（如一侧采空巷道或过断层破碎带）时，为保证壁后充填质量和新型支护效果，同时也为了提高围岩强度，还可采取锚注等辅助其它加固措施。

    采取上述措施后将明显改善U型钢支架的工作特性，支护阻力显著提高。

采用壁后充填的支架，不仅支护阻力较高，达到达0.2MPa以上，还具有良好的可缩性能，使支架与围岩之间始终保护良好的相互作用，从而有效地控制软岩巷道的变形。壁后充填不仅显著改善了支护受力条件，保证了支护均匀可缩，更主要的是使支护、充填层与围岩三者共同形成一整体承载结构，能极大地发挥围岩的自承能力，使围岩由被动施载体变为主动承载体。这是新型支护能够有效控制软岩巷道剧烈变形的主要原因。

   3架后充填材料与工艺

3.1充填料的一般要求

    （1）应具有一定的强度，以保证在支架极限承载能力范围内，具有良好的力学传递性能，充填层始终保护完整不破坏。在目前我国所采用的金属支架条件下，充填体的单轴抗压强度只需3～4MPa即可满足要求。

    （2）应具有良好的隔水性及在细小岩石裂隙中的渗透性，以满足封闭和加固围岩的要求。

    （3）应具有良好的工艺性能，例如良好的可泵送性能，以适应机械化充填作业的要求。一般采用泵送充填时，拌水后充填料的塌落度应在12～18cm的范围，无论是湿式或干式充填，充填料中骨料的最大粒径应小于输送管内径的1/3，以防堵管。

    （4）最好具有一定的可缩性，以实现与围岩变形、支架可缩三者之间的良好匹配。

3.2架后充填工艺

    按所采用的充填材料的不同，架后充填工艺分泵送充填和手工填两类，泵送充填工艺又分干式充填和湿式充填两种。

    这里仅对湿式充填式工艺过程简单介绍如下：湿式充填适于充填较小颗粒，要求水灰比较大的充填材料。由于充填材料先在充填机内搅拌成浆糊状，然后由管路泵送挤出，故阻力较大，输送距离不能很远。一般充填机设在离充填点不远于50m的位置。掘巷后通常紧跟迎头进行临时支护或锚喷一次支护，随后架设U型钢支架作为永久支护，紧接进行以下各工序：①铺设钢筋网背板；②铺设隔离层；③设置充填隔断；④制备充填材料；⑤泵送架后充填。

    4 结束语

U型钢支架最佳的受力状态是壁后充填密实后使其均匀受压，当作用于u型钢支架上的围岩压力值达到一定值时，支架就会产生压缩，使围岩作用于U型钢支架上的压力下降，从而避免围岩压力大于u型钢支架的承载力而使支架破坏。

参考文献：

[1] U型钢可缩性支架壁后充填-锚注耦合支护技术研究[J]. 金国庆,柏跃杨.现代矿业 . 2010（06）

[2] U型钢可缩性支架壁后充填应力分散技术研究[J].胡艳峰,谢文兵,赵晨光.煤炭工程 . 2007（07）