巷道弧狀梯形金屬支架的支護(hù)特性研究

石建平 王冬冬 吳昌勇

（重慶中梁山煤電氣有限公司礦業(yè)分公司 重慶 400052）

巷道弧狀梯形金屬支架的支護(hù)特性研究

石建平 王冬冬 吳昌勇

（重慶中梁山煤電氣有限公司礦業(yè)分公司 重慶 400052）

隨著礦井開采深度的延伸，井下礦壓越來越大，圓木支護(hù)很難適應(yīng)安全生產(chǎn)的要求，巷道金屬支護(hù)經(jīng)過了近些年的發(fā)展，已經(jīng)成為礦井巷道支護(hù)的主要形式之一。原來的剛性金屬支架也逐漸發(fā)展成為目前的可縮性金屬支架，并且被廣泛的應(yīng)用于各種條件下巷道支護(hù)之中。

巷道；弧狀梯形金屬支架；支護(hù)

引言

由于生產(chǎn)條件差異較大，導(dǎo)致巷道施工支護(hù)工作難度較高。錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，為巷道支護(hù)以及煤炭工業(yè)的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)，但是如果巷道有著脆弱和破碎的圍巖，則需要采用砌碴或金屬支架的支護(hù)方式，現(xiàn)就巷道支護(hù)中的金屬支架支護(hù)技術(shù)作簡(jiǎn)要分析。

1 梯形支架概述

梯形支架一般可以分為木支架、金屬支架以及裝配式鋼筋混凝土支架。梯形支架通常是由一梁兩柱所組成的。梯形支架的架設(shè)，應(yīng)該采用四個(gè)角楔把梁腿接口處與頂板圍巖之間楔緊。由于這個(gè)地方的擠壓力較大，巖石很容易發(fā)生片落，所以支架的梁腿接合處不僅受力集中，而且還需要通過它保證支架構(gòu)件能夠相互傳遞作用力。所以，此處接合的緊密性以及肩窩處的處理效果，會(huì)對(duì)整個(gè)支架的穩(wěn)定性造成較大影響。

通常情況下，背板可以使用板皮、次木材或荊條棍進(jìn)行制作，其主要任務(wù)是將地壓能均勻分布到頂梁以及柱腿上，而且還要防止破碎矸石的掉落。根據(jù)頂幫、圍巖的堅(jiān)固程度的不同，背板可以密集布置，也可以間隔放置，如果背板后面以及圍巖間存在一定的空隙，則可以使用矸石或者廢木料進(jìn)行填實(shí)。

每架支架的平面應(yīng)和巷道的縱軸相垂直。根據(jù)圍巖壓力的情況，支架一般每米架設(shè)1～3架。為了增加各架支架的穩(wěn)定性，支架之間應(yīng)設(shè)撐木或拉桿。

在架棚準(zhǔn)備工作中，必須確定中線、腰線，量取棚距，并且據(jù)此確定架棚方向，合理確定棚腿位置，并且挖深腿窩，清除實(shí)底，栽好柱腿，然后再上梁。在實(shí)際操作中，應(yīng)該將梁腿親口緊密結(jié)合，避免出現(xiàn)前吊、后缺、錯(cuò)口等不合標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)象。上梁完成后，還需要校正中腰線，打好支撐，剎桿不得出現(xiàn)單數(shù)。

傾斜巷道架棚時(shí)，作業(yè)人員必須站在棚子的上方操作，并保證有符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的迎山角，上好撐木或拉鉤。

1.1 木支架

目前，木支架主要是以梯形結(jié)構(gòu)為主的，一般由一根頂梁、兩根棚腿、背板、木楔等構(gòu)件組成，通常情況下，坑木的直徑約為16～22mm，頂梁與柱腿的連接形式有兩種，即親口棚子和鴨嘴棚子。其中，親口棚子頂梁和柱腿的連接方式為相互咬合的親口接合，不僅施工便捷，而且可以在各種地壓條件下使用。另外，鴨嘴棚子頂梁與柱腿的連接主要采用相互搭接的鴨嘴式接合形式，而且柱腿容易臂裂，很少使用。

1.2 金屬支架

金屬支架的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)很明顯，具有堅(jiān)固、耐用、防火、架設(shè)方便、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。目前，金屬梯形支架主要有梯形剛性支架以及梯形可縮性支架這兩種形式，通常情況下，梯形剛性支架的應(yīng)用范圍更為廣泛。梯形剛性支架為一梁兩柱結(jié)構(gòu)，通常使用18～24kg/m鋼軌，16～20號(hào)工字鋼及11號(hào)和12號(hào)礦用工字鋼制作。梁柱連接方式一般是在柱腿上焊接一塊槽板，在梁上焊接一塊擋塊，有利于限制梁和柱腿接口處的移位。為了有效避免柱腿受壓陷入底板，可在腿下焊接一塊鋼板底座。

梯形可縮性支架，屬于一梁兩柱結(jié)構(gòu)。頂梁用礦一般用工字鋼，而柱腿用U型鋼，主要由兩節(jié)構(gòu)件組成，并且用卡纜連接，可縮性能較好。

在架設(shè)梯形金屬支架時(shí)，必須遵守以下規(guī)定：

（1）禁止將不同規(guī)格、型號(hào)的金屬支架混合使用，如果棚腿沒有鋼板底座，則必須禁止使用，而且卡纜構(gòu)件要齊全。

（2）嚴(yán)格依據(jù)中、腰線施工，并及時(shí)返線，確保巷道的坡度和方向。

（3）柱腿必須與梁上的擋塊緊密連接，嚴(yán)禁打砸梁上焊接的礦用工字鋼擋塊。

（4）當(dāng)梁、腿接榫處不吻合時(shí)，必須及時(shí)調(diào)整梁腿傾斜度和方向，禁止在縫口處打入木楔。

（5）根據(jù)作業(yè)規(guī)定背幫背頂，并用木楔剎緊，在前后棚之間應(yīng)該上緊拉鉤和打上撐木。

（6）固定好前探梁及防倒器。

1.3 裝配式鋼筋混凝土支架

裝配式鋼筋混凝土支架又可以被稱為鋼筋混凝土支架，主要分為兩大類：①普通混凝土支架；②預(yù)應(yīng)力混凝土支架。

鋼筋混凝土支架構(gòu)件斷面有很多形式，包括槽形、T形、空心矩形、矩形、工字形等。在進(jìn)行斷面形狀選擇時(shí)，應(yīng)該充分利用混凝土抗壓強(qiáng)度大的特點(diǎn)，在抗彎構(gòu)件中，應(yīng)該確保受壓和受拉區(qū)斷面配合適當(dāng)，使受拉鋼筋距中性軸有較大的距離，這樣有利于在同樣材料消耗情況下，更好的抵抗更大的彎矩。目前最常用的斷面是矩形、工字形和T形，頂梁和柱腿一般采用相同形式的斷面。

2 巷道弧狀梯形金屬支架的支護(hù)特性

弧狀梯形金屬支架受力情況分析：

弧狀梯形金屬支架的頂梁全部呈圓弧形狀，金屬支架的棚腿主要是由圓弧段以及直線段這兩個(gè)部分組成的，一般可以將支架形式分為弧狀正梯形和弧狀斜梯形兩種，注意根據(jù)實(shí)際情況合理選用，支架斷面形式如圖1所示。

圖1 弧狀梯形金屬支架的斷面形式（單位：mm）

弧狀正梯形支架的頂梁是曲梁結(jié)構(gòu)，通過圖2所示的曲梁力學(xué)模型可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，取任意點(diǎn)A，連接OA，通過中點(diǎn)口與垂線間的夾角為θ，則：

式中：α0——中心角。

A點(diǎn)坐標(biāo)（x，y）可表示為：

圖2 曲梁力學(xué)模型

由對(duì)稱性可知：

式中：R1，R2表示兩端垂直反力；H1，H2表示兩端水平反力；P表示頂梁載荷集度；l表示支架頂梁跨度。因此，A點(diǎn)的彎矩MA，為：

式中：“±”指的是由于曲梁受到軸向壓力作用產(chǎn)生的彎矩，工字鋼的上、下腹板所受到的彎矩是不相同的，即h值不同，上面腹板的h值為+0.06，下面腹板的h值為-0.06。

在曲梁的橫截面內(nèi)，正應(yīng)力的分布情況與直梁有所不同，如果其他影響因素相同，則梁的曲率愈大，正應(yīng)力分布情況的差別也就越大。梁的曲率指的是曲梁的橫截面高度h0與梁的中心線彎曲半徑之比。

通常將h0/r＜1/5的梁稱為小曲率梁；將h0/r≥1/5的梁稱為大曲率梁。弧狀梯形金屬支架：h0=120±2mm，r=4.5，5.0.6.0m，因此，h0/r≤0.027＜＜1/5。所以，其頂梁為小曲率梁。

小曲率梁最大彎曲應(yīng)力σmax為：

式中：F為截面積，W為抗彎截面系數(shù)。

由于曲梁會(huì)受到軸向壓力的作用，因此工字鋼的上面腹板受到壓應(yīng)力值往往大于下面腹板受到的拉應(yīng)力值，所以該曲梁的壓應(yīng)力為最大正應(yīng)力。

通過上文力學(xué)分析得出：

3 弧狀正梯形支架的承載能力系數(shù)

為了準(zhǔn)確的反映出弧狀正梯形支架的支護(hù)特性，可以將其承載能力與直梁進(jìn)行比較，得出承載能力系數(shù)η。直梁的最大彎矩M′max和最大彎曲應(yīng)力σ′max分別為：

由于直梁和曲梁材料的強(qiáng)度條件相同，所以直梁和曲梁的最大彎曲應(yīng)力都可以表示為：σmax=σ′max=[σ]（[σ]為工字鋼允許彎曲應(yīng)力），此時(shí)可以分別確定出直梁和曲梁的臨界承載均布荷載Ps和Pb，進(jìn)而確定弧狀正梯形支架承載能力系數(shù)η，即：

4 弧狀正梯形金屬支架的支護(hù)特性

將11#工字鋼的抗彎截面系數(shù)W=144.5cm3，截面積F=31.72cm2代入式（7），可得出支架承載能力系數(shù)η隨頂梁半徑r、頂梁跨度l變化關(guān)系，分別如圖3～4所示。

圖3 η-r關(guān)系曲線＜一＞

如圖3所示，如果跨度不發(fā)生變化，則隨著頂梁半徑的不斷增加，承載能力系數(shù)會(huì)不斷遞減，弧半徑越小，則承載能力系數(shù)會(huì)越大。當(dāng)弧半徑增加到一定程度時(shí)，承載能力就會(huì)越來越接近同跨度直梁的承載能力。所以，在實(shí)際支護(hù)中，必須盡量減小頂梁弧半徑，這樣才能更好的展現(xiàn)弧狀頂梁支護(hù)的優(yōu)越性，不斷提高支護(hù)強(qiáng)度。

如圖4所示，如果確定了頂梁半徑，則隨著頂梁跨度的不斷增加，承載能力系數(shù)也會(huì)不斷上升，即頂梁跨度越大，則承載能力系數(shù)越大。當(dāng)頂梁跨度小到一定程度時(shí)，其承載能力會(huì)接近同跨度直梁的承載能力。所以，在實(shí)際支護(hù)中，當(dāng)弧半徑處于相同條件下，如果巷道跨度較大，則弧狀梯形支架與梯形支架相比，其承載能力往往會(huì)比較大。

圖4 η-r關(guān)系曲線＜二＞

5 結(jié)語

弧狀梯形支架與梯形支架相比，其承載能力更高，所以采用弧狀梯形支架有利于更好的提高梯形支架的巷道支護(hù)效果，本文研究結(jié)果為確定弧狀梯形金屬支架的承載能力提供有效依據(jù)。

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TD353

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1004-7344（2016）01-0179-03

2015-12-20