礦用工字鋼在井下過橋的力學分析與應用

張 超

（山西寧武榆樹坡煤業有限公司，山西 寧武 036700）

在煤礦掘進施工中，對于跨主運輸皮帶施工巷道，依然多數采用傳統的過橋方式，過橋采用兩側混凝土澆筑橋墩，上鋪設礦用工字鋼。橋上作為掘進巷道主要運輸通道，承重能力、穩定性特別重要。通過研究礦用工字鋼橋梁受力狀況，進行工作載荷、破壞載荷、最大彎曲下沉值分析計算，對11#礦用工字鋼作為過橋橋梁有重要意義。

1 礦用工字鋼的規格標準

常用的礦用工字鋼有9#、11#、12#，材質有16Mn、20MnK、Q275等，其主要尺寸參數、截面參數和力學性能見表1，截面見圖1。

表1 礦用工字鋼尺寸規格、截面參數、力學性能

2 礦用工字鋼過橋梁的力學模型

兩端混凝土澆筑橋墩，中間鋪設礦用工字鋼。礦工鋼橋梁符合工程力學中的簡支梁條件，兩端提供豎向約束，主要承受正彎矩。受力狀況為集中載荷類型，采用受集中載荷的簡支梁進行受力分析。

礦工鋼橋梁的破壞機理是由于梁上彎曲力矩達到極限后，產生的最大拉應力超過材料的抗拉強度，從而導致梁變形、破壞從而失去承載力。

圖1 礦用工字鋼截面

3 載荷計算

3.1 梁的最大彎矩計算

將礦工鋼橋梁簡化為力學模型并進行力學分析，當集中載荷在梁的中點截面處彎矩最大，如圖2。

圖2 受力分析圖

式中：

L-礦用工字鋼凈跨長度，m；

P-集中載荷，N；

M-彎矩，N·m。

3.2 梁受到最大拉應力計算

圖3 截面應力分布圖

根據工程力學知識，彎矩最大的截面為危險截面，最大正應力位于最大彎矩所在截面上距中性軸最遠的地方。如圖3，在梁的中點處截面上，沿中性軸上側工字鋼受壓應力，下側受拉應力，當所受拉應力大于工字鋼抗拉強度時，工字鋼下側便被破壞。

最大正應力計算公式為：

式中：

Mmax-梁受到的最大彎矩，N·m；

Wz-梁橫截面抗彎截面模量，m3；

σmax-最大正應力，Pa。

3.3 工字鋼梁受到的壓力計算

將（1）式帶入（2）式得

3.4 工字鋼梁受壓力后最大彎曲下沉值計算

根據受集中載荷的簡支梁撓曲線方程，梁的最大撓度發生在梁的中點，可得到：

式中：

fmax-工字鋼梁中間位置最大下沉值，mm；

E- 彈性模量，200～208GPa；

I-工字鋼梁截面軸慣性矩，m4。

4 實際應用

榆樹坡公司皮帶巷凈寬5m。為跨皮帶巷主運輸皮帶掘進運輸，在皮帶兩側混凝土澆筑橋墩基礎寬1m，長5m，高度待定，兩橋墩間凈寬3m，11#礦用工字鋼梁做橋梁，長度5m，兩側橋墩各搭1m，凈跨長度3m。

4.1 工作載荷和破壞載荷計算

當σmax=σs時，每根礦工鋼工作載荷即每根礦工鋼正常工作承受集中載荷質量最大為5.3t；

當σmax=σb時，每根礦工鋼工作載荷即每根礦工鋼遭受破壞時承受集中載荷質量最小為7.7t。則3m長礦用工字鋼的破壞載荷為5.3t。

4.2 最大彎曲下沉量計算

當P=53.676kN時，

4.3 理論計算

每根礦用工字鋼凈跨3m，自重0.0783t，比較于每根礦用工字鋼工作載荷5.3t，可以忽略不計。

1.2m皮帶皮帶架高度0.8m，梁正常工作最大下沉量24.2mm，考慮皮帶上堆煤高度以及梁彎曲變形，則橋墩高度設計要高于1m，綜合考慮過橋下行人問題，榆樹坡公司確定橋墩高度2m。

橋墩上并排布置11#礦用工字鋼，每根寬度9cm，5m寬橋面可以布置55根，為保證重量平均分布，在縱梁上每隔0.4m（支架搬運車輪胎高度1.5m，輪胎接觸地面長度0.5m）橫向布置一根5m長11#礦工鋼，并在縱梁上澆筑混凝土，澆筑厚度20cm，完全覆蓋上部橫梁。

理論上該橋梁正常工作，安全系數取0.5可承受重量55×5.3t×0.5=145.75t。可根據實際運輸重量通過計算反推出橋面工字鋼鋪設數量及密度。

5 實踐效果

榆樹坡公司采用三一重型裝備有限公司生產的EBZ160型綜掘機，重量45t。綜掘機經過過橋進行掘進，橋梁無顯著變形。

該工作面進行支架安裝時，WC55Y支架搬運車自重32t，Y8000/26/56型掩護式液壓支架重量33.11t，搬運時合計重量65.11t，經過過橋時，橋梁無顯著變形。

經實際驗證，跨皮帶工字鋼橋梁完全能夠滿足井下正常運輸要求，并且工字鋼梁能夠回收利用，其構造簡單，架設方便，結構內力不受地基變形、溫度改變的影響，可解決井下巷道交叉處跨固定皮帶輔助運輸的需求。