矿用U型钢支架在益门煤矿的成功应用.pdf

40 四川有色金属 S i c h u a n N o n f e r r o u s Me t a l s 2 0 0 8年 l 2月 文章 编号 1 0 0 6 4 0 7 9 2 0 0 8 } 0 4 0 0 4 0 0 4 矿用 U型钢支架在益门煤矿的成功应用 吴半农 天千狐 凉 山州益 门煤矿 ， 四川 ， 凉 山州， 6 1 5 1 0 4 摘要 针 对凉 山州益 门煤矿 的煤 岩 层地 质 特征 ， 选 用矿 用 U 型 钢拱 形 支 架 来进 行该 矿 的 巷道 支护。通过理论分析表 明矿 用 U 型钢拱 形支架在该矿使用是可行 的、 是行之有 效 的， 在实际应用过程 中已取得了良好的社会 效益。它填补 了四川省松软煤岩层掘进支护 的空 白。 关键词 U型钢拱形支架 ； 松软煤层、 岩层 ； 适应性 中图分 类号 T D 1 6 3 1 文献 标识 码 A S u c c e s s f u l Ap p l i c a t i o n o f U s ha p e St e e l M i n e S u p p o r t S e c t i o n i n Yi me n Co a l M i n e W U Ba n n o n g L i a n g s h a n Y i me n C o a l Mi n e ， L i a n g s h a n， S i c h u a n， 6 1 5 1 0 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Di r e c t e d a t g e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f c o a l f o r ma t i o n o f Yi me n c o a l Mi n e i n L i a n g s h a n， t h e U s h a p e S t e e 1 mi n e s u p p o r t s e c t i o n wa s s e l e c t e d a s e x c a v a t i o n s u p p o r t i n Yi me n C o a l Mi n e ． Th e o r e t i c a l a n a l y s i s s h o we d t ha t a p p l i c a t i o n o f U s h a p e s t e e l a r c h e d s u p p o r t i n Yi me n Co a l M i n e i s f e a s i b l e a n d e f f e c t i v e ． Du r i n g t h e c o u r s e o f p r a c t i c a l Qp p l i c a t i o n， s a t i s f a c t o r y s o c i a l b e n e f i t s we r e a c q u i r e d ． I t f i l l e d b l a n k o f e x c a v a t i o n s u p p o r t o f Si c h ua n s o f t c o a l f o r ma t i o n． Ke r wo r d s U s h a p e s t e e l a r c h e d s u p p o r t ； S o f t c o a l f o r ma t i o n ； Ro c k f o r ma t i o n； Ad a p t a b i l i t y 凉山州益门煤矿井 田为一不完整的背斜， 煤 层主要赋存于复背斜东翼地段 ， 被 2 7个逆断层破 坏而重复迭置， 断层褶曲发育 ， 构造极 为复杂， 对 煤层破坏极为严重 ， 造成煤层松软 ， 井巷支护技术 一 直困扰着该矿的巷道支护改革。随着国家对煤 矿井下安全生产的要求越来越高 ， 附着 国家实行 “ 天保工程” 后 ， 木材价格不断上涨， 引进研发 、 应 用、 推广金属化成巷支护技术， 将具有重要的理论 和现实意义。该 矿针对 自身岩层和煤层赋存条 件 ， 选用 U型钢可缩形支架进行分析研究 ， 最终 确定矿用 U型钢拱形支架作 为该矿松软煤岩层 的巷道支护方式， 在实际使用过程 中取得了 良好 的社会效益。为地层构造复杂的西南地区煤矿提 供了一种新的巷道支护方式 ， 填补了 四川省松软 煤层、 岩层掘进支护的空 白。可以向非煤矿山、 松 软岩层推广应用。 1 课题 的提 出 1 ． 1国 内外 研究 应用 现状 金属化井巷支护技术是国际上发达国家流行 的井下作业井巷支护技术 ， 尤其是煤巷支护。它 具有安全性能好 、 成巷速度快 、 安装维修强度低 、 回收复用率高等优点。 我国煤炭生产 的主要方式还是井工 开采 ， 随 着科学技术的发展 ， 回采工作面设备不断更新、 加 大 ， 对巷道长距离掘进 和大规模的井 巷支撑提出 更高的安全要求。在我 国平原 的大型煤矿， 其 煤 巷支护均采用金属化支护， 但是在我国山区的各 类煤矿金属化井巷支护还较少 ， 特别是地层构造 复杂的西南地区煤矿应用更少。 1 ． 2 当前国内井巷支护的发展趋势 随着国家对煤矿井下安全生产的要求越来越 第 4期 昊半农 矿用 U型钢支架在益门煤矿的成功应用 ’4 1 ‘ 高 ， 国家安监总局等部 门确定“ 以钢代木” 作 为煤 矿井下巷道支护的手段和发展趋势 ； 加之国家对 天然林实行“ 天保工程” 后 ， 木材价格不断上涨 ， 刺 激着越来越多的煤矿寻找适合 自身煤矿的井巷支 护技术成了煤矿安全生产亟待解决 的重要问题。 矿用 U型钢可缩性支架用来支护巷道 ， 能有效地 解决巷道支护问题 ， 有利于提高矿井经济效益 ， 成 为地层构造复杂煤矿的研究方向和发展趋势。 1 ． 3 该矿新的采煤方法要求提高井巷支护水平 该矿和 山东科 技大学共 同合作 的课 题 “ 不稳定急倾斜特厚煤层开采技术研究与应用” 在 北三采区试采成功 ， 这种水平分层悬移顶梁支架 放顶煤采煤法安全可靠、 经济效益显著 ， 但该采煤 方法同时对回采工作面的机巷和风巷支护提出了 更高的要求。因而 ， 我们投入人力 、 物力 、 财力进 行矿用 U型钢可缩性支架的研究 。 2 井巷支护条件 2 ． 1 地质 特征 1 地 层 西昌会理一带为康滇地轴地层分区之一部 ， 属准地台沉积区。这里分布着大片前震旦系变质 岩， 震旦系和泥盆系， 皆局限于地轴东西边缘 ， 石 炭 系普遍 缺失 ， 二 叠 系 阳新 组 及 峨 眉 山 玄 武岩 呈 南北向条带 出露。中生界主要是三叠系、 侏罗系 含煤组及侏 罗 白垩 系红层 ， 大部份为北北东 向构造盆地及坳 陷带之陆相 沉积， 其 中白果湾组 侏罗系下统益门组有相广泛 的分布 ； 前者构成了 西昌会理含煤区， 自西而东可划分三个主要含煤 带 即麻陇红果 煤 田、 益 门煤矿 和会东含煤 带。老第三系分 布于古河谷及沼湖地区， 第四系 除河床 堆积层 外 ， 冰川堆 积也 有发 现 。 2 构造 矿区位于益门复背斜 的东翼 ， 震旦 系寒武系 层 组成 的群 山包 围 ， 地层 走 向平 均 为 北东 2 0 0 ， 倾 角变化较大 ， 一般为 5 0 ～7 5 0 ， 因受强烈构造运行 的影响 ， 断层发育。主要构造形式为近南北 向的 益门复式不对称背斜的西推东倾的叠瓦式断层。 益门复背斜为矿区唯一的主要褶曲构造。轴 向 NN E， 向南倾伏。复背斜东翼略完整 ， 次一级 褶曲发育 ， 为复式不对称 复斜。矿区断裂以南北 走 向逆推断层最为发育 F 1 一F 6 ， 对煤层影响最 大， 使煤系地层迭置 3次以上 ， 呈叠瓦状产出。其 次是东西 向的横切平推断层 F 9 一F 2 7 ， 与南北 向断层一起将 区内地层切割成块状 ， 对煤系地层 破坏很大， 使井田的地质构造更加复杂化。 除上述大的褶 皱和断裂构造外 ， 区内次一级 褶 曲、 断裂发育 频繁， 为一系列波浪起伏 的小 向 斜 、 小背斜和煤系地层中的小断裂组。 2 ． 2煤 层赋存 条 件 1 含煤岩系 矿 区内含煤 地层 三叠 系 白果 湾组 T 3 b g 包 含原来划 分 的三叠 系 平浪组 、 下侏 罗系 白果湾 组 ， 属陆相坳陷沼泽沉积型煤系地层。岩性变化 大 ， 为砾岩、 砂岩、 粉砂岩 、 页岩建造。角度不整合 于下伏震旦系、 寒武系地层之上。 2 含 煤特征 矿 区含 煤组 为上三 叠系 白果湾组 ， 厚 4 4 2 ． 7 6 m， 含煤 1 6层 ， 自下而上编为 C 1至 C 1 6 ， 广布 于本区王家坪、 老山坪、 祝家坝 ， 核桃湾白龙洞以 及 曾家坪 ， 罗家坪诸地段 ， 系主要勘探对象。各煤 层延长 自 1 0 0 0 m至 6 3 0 0 m不等 ， 共厚一般在 5 0 ． 3 2～ 8 3． 8 7 m 。 在所 有煤 层 中， 单 煤 层 很 少， 仅 C 1 、 C 1 0 、 C 1 5 、 和 C 1 6四层 ， 余 皆属复煤层 ， 更确切地说为 复杂与单一相交替变化的煤层 。夹石厚度极不稳 定并呈透镜体产 出是矿区煤层结构也是成煤作用 上的客观重要特色 ， 往往某一剖面的某一煤层 ， 其 夹石可自一层到多层 ， 厚以 0 ． 5 m至数米 ， 但相邻 剖面却不复出现 ； 或者某一钻孔的某一煤层其夹 石较多 ， 厚在 0 ． 5 m 至 2 m 以上 ， 但相邻钻所见即 大 大减 薄甚 至尖灭 。 各煤层顶底板岩性较相似 ， 但各层 纵横岩相 迅速变薄， 缺乏标志层， 常为厚薄不等的石英细砂 岩、 粉砂岩、 钙质与砂质粘土岩交错互层。主要煤 层一般具有巨大厚度或与次要煤层旋回性地成组 出现 ， 如 C 1 一C 3 、 C 6 、 C1 1 、 C 1 2 、 C 1 6煤组等； 在层 位上如 C 3 、 C 6主要煤层均 出现于一个 中级沉积 旋 回的顶部 ， 属稳定 和较稳定 可采层 ， 延长 2 0 0 0 至 6 3 0 0 m不等 ， 厚度 变化较 大 ， 呈透镜体时而减 4 2 吴半农 矿用 u型钢支架在益门煤矿的成功应用 第 4期 薄成串珠状产出。 3 矿 用 U 型钢拱形支架 的特点 3 ． 1 矿用 U 型钢 的性 能特点 作为制造巷道柔性金属支架的主要型钢 ， 矿 用 U型钢具有下列优点 具有优 良的力学性能、 较高的抗拉 、 抗压强度和良好的韧性性能， 有利于 提高支架承载能力 ；U型钢的抗弯截面模量在纵 向和横 向上 比较接近 ， 材料使用比较经济， 同时有 利于提高支架的稳定性 ； U 型钢连锁后在锁紧和 受力过程中， 上下型钢能 内外 吻合 ， 接触面积大 ， 滑移平稳 ， 并使其受力 良好；U 型钢的几何形状 还有利于钢材轧制、 支架 的加工制造以及修理、 搬 运。因此矿用 U型钢在 国内外得到广泛的使用。 3 ． 2 矿 用 U 型钢 拱 形支架 的特 点 矿用 U型钢拱形支架是用特殊型 钢做成 的 可缩性拱 形支架。这种支 架 由三节 或多节 U 型钢构件组成， 并用螺栓箍紧。U型钢可缩性支 架具有 良好的可缩性 ， 连接 卡紧 装置有一定摩 擦力 ， 支架足够的初撑力 ， 断面利用率高 ， 承载能 力比同规格的金属支架大 ， 稳定性好等优点。 4 矿用 U 型钢拱形支架适应性分析 腿 的压力 产生 向上 的抵抗力 F 5 ； 当综 合 压力 超过 连接件的摩擦阻力时， 拱梁和拱腿发生相对滑动 以保护构件不被损坏和支架形态基本不变。 4 ． 2支架受 力原理 井下巷道顶压较大时， 顶部构件的 曲率半径 r 应小于两帮柱腿的曲率半径 R 。在地压作用下 ， r 逐渐增大， 在搭接处的轴向力大于螺栓箍紧所 产生的摩擦力时 ， 构件 间能相对滑移 ， 产生可缩 性 ， 从 而达到 巷道 自身平 衡 。 4 ． 3支架适 应性 分析 煤矿井下条件复杂 ， 巷道支架承受 的载荷以 及载荷分布均在不断变化。特别是一些围岩变形 量 较 大 的巷 道 ， 比如受 采 动影 响巷 道 、 软 岩巷 道 、 深井巷道、 位于断层破碎带处的巷道等 ， 这就增加 了巷道支护工作的复杂性。 该矿煤层严重破坏后， 煤炭松软破碎 ， 普氏系 数 f 仅为 0 ． 8 ， 容 易冒顶垮塌 ， 选用锚喷无法保证 巷道支护强度和达到安全要求 ， 选用刚性支架容 易插底、 扭曲， 因此支架选择必须用柔性支架。矿 用 U型钢拱形支架结构能有效地改善支架 内力 分布和调节支架的几何形状 ， 适应巷道 围岩载荷 的变形 ， 避免支架构件出现破坏性变形 。 4 ． 1 支架受力分析 见下图 5 项 目的社会效益 拱梁受正压力 F 1 时 ， 产生水平分力 F 3 ， 由于 侧压力 F 2的存在， 压力向拱腿传递 F 4 ， 煤岩受拱 5 ． 1 环保效益好。2 5 U 型钢制作 的支架支 护强度达 3 4 5 k N／ I n 2 ， 完全能够满足井 下的支撑 强度 2 0 0 k N／ m 要求， 减小巷道变形， 降低了坑木 消耗 ， 原煤万吨木材消耗降低 7 0 m 。 5 ． 2 经济效益好 。U型拱形支架可 以重复 使用 5 ～6次以上 ， 使用时间达 2年 以上 ， 而木支 架每 2月就报废撤换一次， U 型钢支架成本只 占 木支架成本的 5 O ％， 现该矿仅此一项年节约资金 达 5 0 0万元 以上 。 5 ． 3 安全效益好。一是巷道断面利用率高， 降低了通风阻力 ， 提高矿井通风系统安全 ， 改善了 矿井的安全生产条件 ， 使矿井生产更加安全可靠 ； 二是 U型钢可缩性支架支护 和回收方便 ， 缩短了 巷道维修频率， 有效降低 了事故发生的机率。三 是 U型钢可缩性支架抗压强度 和 下转第 3 2页 3 2 陈妍妍等 烧结条件对 T i O 2 压敏陶瓷性能的影响 第 4期 Ta 掺杂的 T i 0 2 基压敏陶瓷电性能的影 响[ J ] ． 安徽大 学学报 ， 2 0 0 4 ， 2 8 3 3 3 3 7 ． 【 2 】 臧国忠， 王矜奉， 陈洪存， 苏文斌等． Nb掺杂对 Z n O压 敏 陶瓷电学性能的影 响[ J ] ． 压电与声光 ， 2 0 0 4 ， 2 6 6 45 745 9． 【 3 】 王远， 邹敏， 陈妍妍， 王晓燕， 张云． T i 0 2 压敏陶瓷的研 究进展[ J ] ．四川有色金属，2 0 0 8 ， 1 3 1 3 5 ． 【 4 】 陈海芳， 甘国友， 严继康， 张小文． 烧结温度对 T i 0 2 压 敏陶瓷性能 的影 响[ J ] ． 材料 导报 ， 2 0 0 6 ， 2 0 2 1 3 5 1 36． 【 5 】 严继康， 甘国友， 陈海芳等． T i 02 压敏陶瓷的显微分析 和电学性 能[ J ] ．电子元件与材料 ， 2 0 0 7 ， 2 6 4 5 3 58． 【 6 】 张小文． 二氧化钛基压敏陶瓷制备及性能研究[ 硕士 学位 论文] ． [ D] ． 昆明 昆明理工大学 ， 2 0 0 4 ． 【 7 】 李标荣， 等编著． 无机介电材料[ M] ． 上海 上海科学出 版社 ，1 9 8 6 1 8 4 ． 【 8 】 张小文， 甘国友， 严继康等． 表面层对 T i o 2 压敏陶瓷电 学性 能 的影响 [ J ] ． 压 电 与声 光．2 0 0 5 ， 2 7 3 2 6 0 26 2． 上接第 3 6页 苯 甲酸选择性高达 9 8 ． 5 ％， 而 且 ， 钴／ 铝水滑石催化剂的循环使用效果 良好。 参 考文献 【 1 】 杜以波， D． G． E v a n s ， 孙鹏等．阴离子型层柱材料研 究进展 ． 化学通报 ， 2 0 0 0 ， 2 2 5 ， 2 0 2 4 ． 【 2 ] C a v a n i F ，T r i f i r o F， V a e c a r i A． Hy d r o t a l c i t e t y p e a n i o n i c c l a y p r e p a r a t io n，p r o p e r t i e s a n d a p p l i c a t i o n．Ca t a l To d a y，1 9 9 1，1 1 ，1 7 33 0 1 【 3 】 P i U a i U R，S a h l eD e m e s s i e E ．J ．Mo 1 ．C a t a 1 ．A Che m．，2 00 3，1 91，9 31 00 【 4 】N A G A O KA K，J E NT Y S A，L E R C H E R J A． Me t h a n e a u t o t h e r ma l r e f o r mi n g wi t h a n d wi t h o u t e t h a n e o v e r mo n o a n d b i me t a l c a t a l y s t s p r e p a r e d f r o m h y d r o t a l c i t e p r e c u r s o r s ． J o u r n a l o f Ca t a l y s i s ， 2 0 0 5， 22 9，1 85 1 9 6 【 5 】 陈志敏， 辛先荣． 过氧化氢氧化苯甲醛反应的研究．山 西化工 ， 2 0 0 3 ， 2 3 4 ，1 7 1 9 【 6 】 于琴琴． 水滑石组成和结构对其酯交换反应催化活性 及寿命的影响．华中科 技大学硕 士学位论 文 ， 2 0 0 5年 5月 ． 【 7 】 农兰平， 甘琳琳， 黄艳仙， 曾娟． 含铜三元类水滑石的 合成 及其催化 苯 甲醛 H 2 0 2 氧 化 的应 用研 究 ． 化学 与 生物工程 ， 2 0 0 6 ， 2 3 9 ， 1 8 2 0 【 8 】 谢鲜梅， 吴旭， 杜亚丽， 严凯，王志忠． 镍铝类水滑石 在乙酸介 质 下催 化 氧化 苯 甲醛 合 成 苯 甲酸 ． 现 代 化 工 ， 2 0 0 6 ， 2 6卷增刊 2 ， 9 2 9 6 【 9 】 T A K E HI R A K，S HI S HI D O T， WA N G P， e t a 1 ．Au t o t h e rm a l r e f o r mi n g o f C H4 o v e r s u p p o r t e d Ni c a t a l y s t s p r e p a r e d f r o m M g AI h y d r o t a l c i t e l i k e a n i o n i c c l a y ． J o u r n a l o f C a t a l y s i s ，2 0 0 4，2 2 1，4 35 4 【 1 0 】 王庶， 于琴琴， 黄金明， 白荣献，李光兴．类水滑石催 化酯交换 反应 活性 、 寿命 及失活 原 因 研究 ．化 学学 报 ， 2 0 0 5 ， 6 3 1 7 ， 1 5 7 5 1 5 8 0 上接第 4 2页 承载能力 高， 有效降低巷道 冒 顶 、 片帮事故率 ， 减少 因巷道维修发生的事故。 5 ． 4 巷道维修量小。U型支架支护巷道的 维修年均 1次 ， 木支架支护巷道的维修年均 4次， 巷道维修量 U型支架只有木支架 的 2 5 ％，U 型 钢可缩性支架维修费用大大低于木支架巷道。 6 结 论 通过对该矿复杂地质构造下松软煤岩层支护 方式 的研究 ， 选用 U 型钢拱 形支 架很 好 的解 决 了 掘进巷道支护的难题。通过理论分析和实际使用 实测 的 基 础上 表 明 矿用 U 型钢 拱形 支 架在 该 矿 使用是可行 的、 是行之有效的。并且为地层构造 复杂的西南地区煤矿提供 了一种新的巷道支护方 式 ， 填 补 了 四川 省松 软 煤 岩 层 掘 进 支 护 的 空 白。 该项技术可以向非煤矿山、 松软岩层推广使用。