矿用工字钢在井下过桥的力学分析与应用

张 超

（山西宁武榆树坡煤业有限公司，山西 宁武 036700）

在煤矿掘进施工中，对于跨主运输皮带施工巷道，依然多数采用传统的过桥方式，过桥采用两侧混凝土浇筑桥墩，上铺设矿用工字钢。桥上作为掘进巷道主要运输通道，承重能力、稳定性特别重要。通过研究矿用工字钢桥梁受力状况，进行工作载荷、破坏载荷、最大弯曲下沉值分析计算，对11#矿用工字钢作为过桥桥梁有重要意义。

1 矿用工字钢的规格标准

常用的矿用工字钢有9#、11#、12#，材质有16Mn、20MnK、Q275等，其主要尺寸参数、截面参数和力学性能见表1，截面见图1。

表1 矿用工字钢尺寸规格、截面参数、力学性能

2 矿用工字钢过桥梁的力学模型

两端混凝土浇筑桥墩，中间铺设矿用工字钢。矿工钢桥梁符合工程力学中的简支梁条件，两端提供竖向约束，主要承受正弯矩。受力状况为集中载荷类型，采用受集中载荷的简支梁进行受力分析。

矿工钢桥梁的破坏机理是由于梁上弯曲力矩达到极限后，产生的最大拉应力超过材料的抗拉强度，从而导致梁变形、破坏从而失去承载力。

图1 矿用工字钢截面

3 载荷计算

3.1 梁的最大弯矩计算

将矿工钢桥梁简化为力学模型并进行力学分析，当集中载荷在梁的中点截面处弯矩最大，如图2。

图2 受力分析图

式中：

L-矿用工字钢净跨长度，m；

P-集中载荷，N；

M-弯矩，N·m。

3.2 梁受到最大拉应力计算

图3 截面应力分布图

根据工程力学知识，弯矩最大的截面为危险截面，最大正应力位于最大弯矩所在截面上距中性轴最远的地方。如图3，在梁的中点处截面上，沿中性轴上侧工字钢受压应力，下侧受拉应力，当所受拉应力大于工字钢抗拉强度时，工字钢下侧便被破坏。

最大正应力计算公式为：

式中：

Mmax-梁受到的最大弯矩，N·m；

Wz-梁横截面抗弯截面模量，m3；

σmax-最大正应力，Pa。

3.3 工字钢梁受到的压力计算

将（1）式带入（2）式得

3.4 工字钢梁受压力后最大弯曲下沉值计算

根据受集中载荷的简支梁挠曲线方程，梁的最大挠度发生在梁的中点，可得到：

式中：

fmax-工字钢梁中间位置最大下沉值，mm；

E- 弹性模量，200～208GPa；

I-工字钢梁截面轴惯性矩，m4。

4 实际应用

榆树坡公司皮带巷净宽5m。为跨皮带巷主运输皮带掘进运输，在皮带两侧混凝土浇筑桥墩基础宽1m，长5m，高度待定，两桥墩间净宽3m，11#矿用工字钢梁做桥梁，长度5m，两侧桥墩各搭1m，净跨长度3m。

4.1 工作载荷和破坏载荷计算

当σmax=σs时，每根矿工钢工作载荷即每根矿工钢正常工作承受集中载荷质量最大为5.3t；

当σmax=σb时，每根矿工钢工作载荷即每根矿工钢遭受破坏时承受集中载荷质量最小为7.7t。则3m长矿用工字钢的破坏载荷为5.3t。

4.2 最大弯曲下沉量计算

当P=53.676kN时，

4.3 理论计算

每根矿用工字钢净跨3m，自重0.0783t，比较于每根矿用工字钢工作载荷5.3t，可以忽略不计。

1.2m皮带皮带架高度0.8m，梁正常工作最大下沉量24.2mm，考虑皮带上堆煤高度以及梁弯曲变形，则桥墩高度设计要高于1m，综合考虑过桥下行人问题，榆树坡公司确定桥墩高度2m。

桥墩上并排布置11#矿用工字钢，每根宽度9cm，5m宽桥面可以布置55根，为保证重量平均分布，在纵梁上每隔0.4m（支架搬运车轮胎高度1.5m，轮胎接触地面长度0.5m）横向布置一根5m长11#矿工钢，并在纵梁上浇筑混凝土，浇筑厚度20cm，完全覆盖上部横梁。

理论上该桥梁正常工作，安全系数取0.5可承受重量55×5.3t×0.5=145.75t。可根据实际运输重量通过计算反推出桥面工字钢铺设数量及密度。

5 实践效果

榆树坡公司采用三一重型装备有限公司生产的EBZ160型综掘机，重量45t。综掘机经过过桥进行掘进，桥梁无显著变形。

该工作面进行支架安装时，WC55Y支架搬运车自重32t，Y8000/26/56型掩护式液压支架重量33.11t，搬运时合计重量65.11t，经过过桥时，桥梁无显著变形。

经实际验证，跨皮带工字钢桥梁完全能够满足井下正常运输要求，并且工字钢梁能够回收利用，其构造简单，架设方便，结构内力不受地基变形、温度改变的影响，可解决井下巷道交叉处跨固定皮带辅助运输的需求。