巷道弧状梯形金属支架的支护特性研究

2016-08-07石建平王冬冬吴昌勇

大科技 2016年1期

关键词：金属支架顶梁工字钢

石建平王冬冬吴昌勇

（重庆中梁山煤电气有限公司矿业分公司重庆 400052）

巷道弧状梯形金属支架的支护特性研究

石建平王冬冬吴昌勇

（重庆中梁山煤电气有限公司矿业分公司重庆 400052）

随着矿井开采深度的延伸，井下矿压越来越大，圆木支护很难适应安全生产的要求，巷道金属支护经过了近些年的发展，已经成为矿井巷道支护的主要形式之一。原来的刚性金属支架也逐渐发展成为目前的可缩性金属支架，并且被广泛的应用于各种条件下巷道支护之中。

巷道；弧状梯形金属支架；支护

引言

由于生产条件差异较大，导致巷道施工支护工作难度较高。锚杆支护技术的发展，为巷道支护以及煤炭工业的发展做出了很大的贡献，但是如果巷道有着脆弱和破碎的围岩，则需要采用砌碴或金属支架的支护方式，现就巷道支护中的金属支架支护技术作简要分析。

1 梯形支架概述

梯形支架一般可以分为木支架、金属支架以及装配式钢筋混凝土支架。梯形支架通常是由一梁两柱所组成的。梯形支架的架设，应该采用四个角楔把梁腿接口处与顶板围岩之间楔紧。由于这个地方的挤压力较大，岩石很容易发生片落，所以支架的梁腿接合处不仅受力集中，而且还需要通过它保证支架构件能够相互传递作用力。所以，此处接合的紧密性以及肩窝处的处理效果，会对整个支架的稳定性造成较大影响。

通常情况下，背板可以使用板皮、次木材或荆条棍进行制作，其主要任务是将地压能均匀分布到顶梁以及柱腿上，而且还要防止破碎矸石的掉落。根据顶帮、围岩的坚固程度的不同，背板可以密集布置，也可以间隔放置，如果背板后面以及围岩间存在一定的空隙，则可以使用矸石或者废木料进行填实。

每架支架的平面应和巷道的纵轴相垂直。根据围岩压力的情况，支架一般每米架设1～3架。为了增加各架支架的稳定性，支架之间应设撑木或拉杆。

在架棚准备工作中，必须确定中线、腰线，量取棚距，并且据此确定架棚方向，合理确定棚腿位置，并且挖深腿窝，清除实底，栽好柱腿，然后再上梁。在实际操作中，应该将梁腿亲口紧密结合，避免出现前吊、后缺、错口等不合标准现象。上梁完成后，还需要校正中腰线，打好支撑，刹杆不得出现单数。

倾斜巷道架棚时，作业人员必须站在棚子的上方操作，并保证有符合质量标准要求的迎山角，上好撑木或拉钩。

1.1 木支架

目前，木支架主要是以梯形结构为主的，一般由一根顶梁、两根棚腿、背板、木楔等构件组成，通常情况下，坑木的直径约为16～22mm，顶梁与柱腿的连接形式有两种，即亲口棚子和鸭嘴棚子。其中，亲口棚子顶梁和柱腿的连接方式为相互咬合的亲口接合，不仅施工便捷，而且可以在各种地压条件下使用。另外，鸭嘴棚子顶梁与柱腿的连接主要采用相互搭接的鸭嘴式接合形式，而且柱腿容易臂裂，很少使用。

1.2 金属支架

金属支架的应用优势很明显，具有坚固、耐用、防火、架设方便、可重复利用等优点。目前，金属梯形支架主要有梯形刚性支架以及梯形可缩性支架这两种形式，通常情况下，梯形刚性支架的应用范围更为广泛。梯形刚性支架为一梁两柱结构，通常使用18～24kg/m钢轨，16～20号工字钢及11号和12号矿用工字钢制作。梁柱连接方式一般是在柱腿上焊接一块槽板，在梁上焊接一块挡块，有利于限制梁和柱腿接口处的移位。为了有效避免柱腿受压陷入底板，可在腿下焊接一块钢板底座。

梯形可缩性支架，属于一梁两柱结构。顶梁用矿一般用工字钢，而柱腿用U型钢，主要由两节构件组成，并且用卡缆连接，可缩性能较好。

在架设梯形金属支架时，必须遵守以下规定：

（1）禁止将不同规格、型号的金属支架混合使用，如果棚腿没有钢板底座，则必须禁止使用，而且卡缆构件要齐全。

（2）严格依据中、腰线施工，并及时返线，确保巷道的坡度和方向。

（3）柱腿必须与梁上的挡块紧密连接，严禁打砸梁上焊接的矿用工字钢挡块。

（4）当梁、腿接榫处不吻合时，必须及时调整梁腿倾斜度和方向，禁止在缝口处打入木楔。

（5）根据作业规定背帮背顶，并用木楔刹紧，在前后棚之间应该上紧拉钩和打上撑木。

（6）固定好前探梁及防倒器。

1.3 装配式钢筋混凝土支架

装配式钢筋混凝土支架又可以被称为钢筋混凝土支架，主要分为两大类：①普通混凝土支架；②预应力混凝土支架。

钢筋混凝土支架构件断面有很多形式，包括槽形、T形、空心矩形、矩形、工字形等。在进行断面形状选择时，应该充分利用混凝土抗压强度大的特点，在抗弯构件中，应该确保受压和受拉区断面配合适当，使受拉钢筋距中性轴有较大的距离，这样有利于在同样材料消耗情况下，更好的抵抗更大的弯矩。目前最常用的断面是矩形、工字形和T形，顶梁和柱腿一般采用相同形式的断面。

2 巷道弧状梯形金属支架的支护特性

弧状梯形金属支架受力情况分析：

弧状梯形金属支架的顶梁全部呈圆弧形状，金属支架的棚腿主要是由圆弧段以及直线段这两个部分组成的，一般可以将支架形式分为弧状正梯形和弧状斜梯形两种，注意根据实际情况合理选用，支架断面形式如图1所示。

图1 弧状梯形金属支架的断面形式（单位：mm）

弧状正梯形支架的顶梁是曲梁结构，通过图2所示的曲梁力学模型可以对结构进行受力分析，取任意点A，连接OA，通过中点口与垂线间的夹角为θ，则：

式中：α0——中心角。

A点坐标（x，y）可表示为：

图2 曲梁力学模型

由对称性可知：

式中：R1，R2表示两端垂直反力；H1，H2表示两端水平反力；P表示顶梁载荷集度；l表示支架顶梁跨度。因此，A点的弯矩MA，为：

式中：“±”指的是由于曲梁受到轴向压力作用产生的弯矩，工字钢的上、下腹板所受到的弯矩是不相同的，即h值不同，上面腹板的h值为+0.06，下面腹板的h值为-0.06。

在曲梁的横截面内，正应力的分布情况与直梁有所不同，如果其他影响因素相同，则梁的曲率愈大，正应力分布情况的差别也就越大。梁的曲率指的是曲梁的横截面高度h0与梁的中心线弯曲半径之比。

通常将h0/r＜1/5的梁称为小曲率梁；将h0/r≥1/5的梁称为大曲率梁。弧状梯形金属支架：h0=120±2mm，r=4.5，5.0.6.0m，因此，h0/r≤0.027＜＜1/5。所以，其顶梁为小曲率梁。

小曲率梁最大弯曲应力σmax为：

式中：F为截面积，W为抗弯截面系数。

由于曲梁会受到轴向压力的作用，因此工字钢的上面腹板受到压应力值往往大于下面腹板受到的拉应力值，所以该曲梁的压应力为最大正应力。

通过上文力学分析得出：

3 弧状正梯形支架的承载能力系数

为了准确的反映出弧状正梯形支架的支护特性，可以将其承载能力与直梁进行比较，得出承载能力系数η。直梁的最大弯矩M′max和最大弯曲应力σ′max分别为：

由于直梁和曲梁材料的强度条件相同，所以直梁和曲梁的最大弯曲应力都可以表示为：σmax=σ′max=[σ]（[σ]为工字钢允许弯曲应力），此时可以分别确定出直梁和曲梁的临界承载均布荷载Ps和Pb，进而确定弧状正梯形支架承载能力系数η，即：

4 弧状正梯形金属支架的支护特性

将11#工字钢的抗弯截面系数W=144.5cm3，截面积F=31.72cm2代入式（7），可得出支架承载能力系数η随顶梁半径r、顶梁跨度l变化关系，分别如图3～4所示。

图3 η-r关系曲线＜一＞

如图3所示，如果跨度不发生变化，则随着顶梁半径的不断增加，承载能力系数会不断递减，弧半径越小，则承载能力系数会越大。当弧半径增加到一定程度时，承载能力就会越来越接近同跨度直梁的承载能力。所以，在实际支护中，必须尽量减小顶梁弧半径，这样才能更好的展现弧状顶梁支护的优越性，不断提高支护强度。

如图4所示，如果确定了顶梁半径，则随着顶梁跨度的不断增加，承载能力系数也会不断上升，即顶梁跨度越大，则承载能力系数越大。当顶梁跨度小到一定程度时，其承载能力会接近同跨度直梁的承载能力。所以，在实际支护中，当弧半径处于相同条件下，如果巷道跨度较大，则弧状梯形支架与梯形支架相比，其承载能力往往会比较大。