浅谈豫西“三软”不稳定煤层应力集中区U型钢支护技术研究与探讨

浅谈豫西“三软”不稳定煤层应力集中
区U 型钢
郑州煤电股份有限公司芦沟煤矿河南郑州452370
摘要：郑州煤电股份有限公司芦沟煤矿属于豫西“三软”不稳定煤层，已有40多年的开采历史，目前21采区两侧正规采面均已回采结束，仅剩下山之间的部分煤柱，形成了“孤岛”，造成巷道压力相对集中，支架变形快，底鼓现象频繁，造成巷道高度不够，侧压大，断面减小，造成巷道维修频繁，也给工作面安全生产带来了管理难度。

架棚巷道技术攻关就是通过对煤矿井下U型钢架棚支护巷道变形的追踪、调查、分析，提高U型钢棚梁的整体抗压能力，实现架棚巷道支架的均衡受压，从而延长巷道使用寿命，降低巷道扩修率。

关键词：架棚应力集中区支护研究
1 引言
芦沟煤矿属于豫西“三软”不稳定煤层，U型钢在煤矿支护领域使用。

21采区煤巷架棚巷道，受地质条件影响及煤柱两侧空区矿山压力较为集中，21采区三个工作面大部分巷道采用29#12㎡、29#14㎡U型钢支护，棚距0.6m。

前期采用29#U型钢，巷道施工几个月后，巷道支架变形严重，多为支架梁变形、支架腿扭曲变形等，新掘进巷道扩修率达到50%。

后期采用36#U型钢支护，巷道依然存在出现支架梁变形、巷道下宽不够、净高不够等现象。

因此，为积极响应郑煤集团“降本增效”的号召，降低巷道维修率、降低材料成本，急需寻找一条适合芦沟煤矿“三软”不稳定煤层U型钢架棚支护技术的新路子。

2 矿井概况
芦沟煤矿位于郑州市西南27公里处，新密煤田东部岳村乡境内，矿井属于
豫西"三软"煤层。

1966年开始兴建，1972年底简易投产，设计能力60万吨/年。

采用立井单水平上下山开采，中央边界通风，大巷位于-15米水平，由于受高角
度正断层切割形成一个独立的井田。

其北部以煤层露头带为界，南部以魏寨正断
层为界，西界以第三勘探线为界，东部以第17勘探线为界，井田东西走向7公，南北宽2公里，面积14平方公里。

随着资源的不断开采，目前21采区仅剩下山之间的部分煤柱，形成“孤岛”，造成巷道压力相对集中，支架变形快，底鼓现象频繁，造成巷道高度不够，侧压大，断面减小，造成巷道维修频繁，劳动用工投入较多，也给工作面安全生
产带来了管理难度。

3 应力集中区架棚巷道技术研究的目的及意义
芦沟煤矿属于水文地质条件复杂矿井，而且一线职工年龄偏大，大多为60、70年代职工，职工劳动强度较大，矿井接替较为紧张。

为降低职工劳动强度、降
低巷道维修率，促进矿井采掘接替平稳推进。

需寻找一条架棚技术上可行、经济
上合理、安全上可靠的支护新技术，任重而道远。

架棚巷道技术攻关就是通过对煤矿井下U型钢架棚支护巷道变形的追踪、调查、分析，提高U型钢棚梁的整体抗压能力，实现架棚巷道支架的均衡受压，从
而延长巷道使用寿命，降低巷道扩修率。

为响应公司“降本增效”的号召，降低
巷道维修率、降低材料消耗吨煤成本、降低职工劳动强度、促进生产接替顺利进行。

4 应力集中区U型钢架棚技术研究和方法的选择
目前21煤柱面工作面使用的29#U型钢抗拉强度、抗压强度不能满足当前巷
道周围的煤体压力。

今后掘进、扩修过程中，根据巷道服务年限及巷道用途，支
护材料变更换为36#U型钢，为保证U型钢支架最佳的受力状态，方案计划采取
连锁钢加固、缩小棚距、注水养护巷道、锚杆或锚索加固等方案进行增加支护强度。

选取地质条件类似相同作业地点，采取下列方法，进行实验，要求每段施工
15-30m，在每段中间5-25m段设立3个观测站，进行观测。

具体如下：
4.1 连锁钢加固方案。

（1）连锁杠加固距离控制和加固方法。

井下作业地
点迎头范围控制在5-10m，随掘进或扩修及时打设；采用29#U型钢直梁配合挂钩、拉板施工，要求连锁挂钩螺丝必须紧固、牢靠。

（2）连锁杠加固数量及位置。

①巷道打设四道连锁杠，分别为巷道两帮各打设一道，顶部两帮各打设一道。

②
巷道两帮距腿上岩一下1.5m处，巷道顶部在腿上沿以上0.3m处打设。

③要求连
锁杠两头衔接，搭接不得少于0.2m（根据现场适当调整）。

④连锁杠打设要求呈
一条直线（拉线），连锁杠挂钩螺丝必须紧固牢靠，严禁出现松动现象。

⑤连锁
杠加固期间，若出现后期加强维护，紧固螺丝。

4.2 缩小棚距，增强支护强度。

U型钢支架均使用36#U型钢：①选择掘进及
扩修巷道，棚距为0.5m，施工长度30m；②加强工程质量管理，保证卡缆螺栓扭
力和迎山角符合措施要求。

4.3 锚杆或锚索加固。

顶煤厚度小于1m时，采用左旋φ22×2400mm锚杆配
合卡缆、Z2350\K2350锚固剂各一卷进行加固，顶部3个，两帮各2个锚杆；顶
煤大于1m时，采用4.2m或6.2m锚索配合卡缆、Z2350（一卷）\K2350（两卷）
锚固剂进行加固。

将U型钢支架和锚杆或锚索有机的结合在一起，形成对巷帮的
连续约束。

通过连续约束将所有的支架连接一起，再通过锚杆的作用将巷道支护
结构和煤体支护结构结合。

达到耦合支护的目的，有效控制支架变形。

4.4 注水养护巷道。

利用注水泵对新掘进或扩修架棚巷道进行注水加固，
注水泵压力保证在2-3MPa,注水点间距为5m，每个注水点设计3个注水孔，通过
注水使煤体湿润，保证煤体绣结良好，从而提高巷道整体的稳定性。

4.5 U型钢支护巷道两侧卸压。

架棚巷道U型钢支护段，打设假顶带后，适
当调整巷道两帮椽子间距（400mm-500mm），待顶板来压后，出现网兜后，对网
兜进行卸压，从而降低顶帮对支架的压力。

5 U型钢架棚技术方案相关规定
根据现场实际情况，在21煤柱面运输顺槽和21煤柱面回风顺槽选取施工段
进行试验。

（1）施工单位编写措施时，要求明确联合加固措施实施方案。

（2）施工期间，队安排验收员加强工程质量管理，保证支架卡缆扭力和支
架迎山角等符合规定。

6 矿压观测
6.1、矿压监测目的。

现场矿压监测主要有两个目的：（1）根据现场监测结果，修改完善加固方案，探寻最佳支护方案；（2）评价支护效果，能够及时采
取相应措施，保证巷道安全。

6.2矿压监测的项目及内容
（1）矿压监测的项目及内容。

顶板相对下沉量、两帮移近量、巷道底鼓量
以及卡缆下滑量，并建立矿压观测台账。

如出现矿压显现或观测值变化量较大时，及时向生产技术科汇报，采取相应措施处理。

（2）矿压观测项目及主要内容如下：
矿压观测监测项目内容表
6.3 矿压监测的方法。

巷道表面位移：采用十字布点法对巷道围岩变形量进
行观测，在巷顶、巷底和巷道两帮分别打入削尖方木，方木中打入钢钉。

观测方
法为：在C、D之间拉紧测绳，A、B之间拉紧钢卷尺，测读AO、BO值；在A、B
之间拉紧测绳，C、D之间拉紧钢卷尺，测读CO、OD值；测量精度要求达到1 mm；巷道围岩监测十字布置法，如下图所示：
巷道围岩十字布置图
7 技术攻关成果分析、总结
经过近3个月的现场观测，芦沟煤矿21采区煤巷处于应力集中区时，采取
连锁钢加固、缩小棚距、锚杆或锚索加固、注水养护巷道、U型钢支护巷道两侧
卸压的方法，有效的降低职工劳动强度、降低巷道维修率，促进矿井采掘接替平
稳推进，为矿井在U型钢支护技术方面进行了优化，也为后期的支护研究提供了
宝贵的技术资料，达到了研究实施的目的。

[作者简介]朱玉杰，男，汉族，籍贯南阳市卧龙区，工程师，出生于1986
年12月，2006年5月毕业于郑州工业安全职业学院，开采技术专业；又于2013
年1月，毕业于河南理工大学，采矿工程专业；现芦沟煤矿信息化建设科副科长，从事矿井设计、科研开发、信息化建设科及生产技术管理工作。

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