巷道弧狀梯形金屬支架的支護特性研究

石建平 王冬冬 吳昌勇

（重慶中梁山煤電氣有限公司礦業分公司 重慶 400052）

巷道弧狀梯形金屬支架的支護特性研究

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，圓木支護很難適應安全生產的要求，巷道金屬支護經過了近些年的發展，已經成為礦井巷道支護的主要形式之一。原來的剛性金屬支架也逐漸發展成為目前的可縮性金屬支架，并且被廣泛的應用于各種條件下巷道支護之中。

巷道；弧狀梯形金屬支架；支護

引言

由于生產條件差異較大，導致巷道施工支護工作難度較高。錨桿支護技術的發展，為巷道支護以及煤炭工業的發展做出了很大的貢獻，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方式，現就巷道支護中的金屬支架支護技術作簡要分析。

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，應該采用四個角楔把梁腿接口處與頂板圍巖之間楔緊。由于這個地方的擠壓力較大，巖石很容易發生片落，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，會對整個支架的穩定性造成較大影響。

通常情況下，背板可以使用板皮、次木材或荊條棍進行制作，其主要任務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。根據頂幫、圍巖的堅固程度的不同，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行填實。

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

在架棚準備工作中，必須確定中線、腰線，量取棚距，并且據此確定架棚方向，合理確定棚腿位置，并且挖深腿窩，清除實底，栽好柱腿，然后再上梁。在實際操作中，應該將梁腿親口緊密結合，避免出現前吊、后缺、錯口等不合標準現象。上梁完成后，還需要校正中腰線，打好支撐，剎桿不得出現單數。

傾斜巷道架棚時，作業人員必須站在棚子的上方操作，并保證有符合質量標準要求的迎山角，上好撐木或拉鉤。

1.1 木支架

目前，木支架主要是以梯形結構為主的，一般由一根頂梁、兩根棚腿、背板、木楔等構件組成，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

金屬支架的應用優勢很明顯，具有堅固、耐用、防火、架設方便、可重復利用等優點。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，梯形剛性支架的應用范圍更為廣泛。梯形剛性支架為一梁兩柱結構，通常使用18～24kg/m鋼軌，16～20號工字鋼及11號和12號礦用工字鋼制作。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，屬于一梁兩柱結構。頂梁用礦一般用工字鋼，而柱腿用U型鋼，主要由兩節構件組成，并且用卡纜連接，可縮性能較好。

在架設梯形金屬支架時，必須遵守以下規定：

（1）禁止將不同規格、型號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，而且卡纜構件要齊全。

（2）嚴格依據中、腰線施工，并及時返線，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，嚴禁打砸梁上焊接的礦用工字鋼擋塊。

（4）當梁、腿接榫處不吻合時，必須及時調整梁腿傾斜度和方向，禁止在縫口處打入木楔。

（5）根據作業規定背幫背頂，并用木楔剎緊，在前后棚之間應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預應力混凝土支架。

鋼筋混凝土支架構件斷面有很多形式，包括槽形、T形、空心矩形、矩形、工字形等。在進行斷面形狀選擇時，應該充分利用混凝土抗壓強度大的特點，在抗彎構件中，應該確保受壓和受拉區斷面配合適當，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，注意根據實際情況合理選用，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構，通過圖2所示的曲梁力學模型可以對結構進行受力分析，取任意點A，連接OA，通過中點口與垂線間的夾角為θ，則：

式中：α0——中心角。

A點坐標（x，y）可表示為：

圖2 曲梁力學模型

由對稱性可知：

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點的彎矩MA，為：

式中：“±”指的是由于曲梁受到軸向壓力作用產生的彎矩，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，正應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力σmax為：

式中：F為截面積，W為抗彎截面系數。

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

通過上文力學分析得出：

3 弧狀正梯形支架的承載能力系數

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

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

4 弧狀正梯形金屬支架的支護特性

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

圖3 η-r關系曲線＜一＞

如圖3所示，如果跨度不發生變化，則隨著頂梁半徑的不斷增加，承載能力系數會不斷遞減，弧半徑越小，則承載能力系數會越大。當弧半徑增加到一定程度時，承載能力就會越來越接近同跨度直梁的承載能力。所以，在實際支護中，必須盡量減小頂梁弧半徑，這樣才能更好的展現弧狀頂梁支護的優越性，不斷提高支護強度。

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，承載能力系數也會不斷上升，即頂梁跨度越大，則承載能力系數越大。當頂梁跨度小到一定程度時，其承載能力會接近同跨度直梁的承載能力。所以，在實際支護中，當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，其承載能力往往會比較大。

圖4 η-r關系曲線＜二＞

5 結語

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效果，本文研究結果為確定弧狀梯形金屬支架的承載能力提供有效依據。

[1]魏錦平，張 樂.拱梯形金屬支架頂梁參數的研究[J].煤礦機械，2014（05）：56～57.

[2]張玉明，孫宗凱，解西濤，等.礦用工字鋼梯形支架梁受力分析[J].煤礦現代化，2013（S1）：66～68.

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TD353

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1004-7344（2016）01-0179-03

2015-12-20