高強度多邊形封閉式型鋼支架的研發(fā)與應用*

趙希棟 魚琪偉 劉金虎 劉 躍 李浩棟

（中國礦業(yè)大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區(qū)，100083）

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高強度多邊形封閉式型鋼支架的研發(fā)與應用*

趙希棟 魚琪偉 劉金虎 劉 躍 李浩棟

（中國礦業(yè)大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區(qū)，100083）

為了解決高應力軟巖和破碎圍巖永久巷道的支護難題，提出了一種高強度多邊形封閉式型鋼支架，采用力法原理建立了支架的結構力學模型，計算得出了合理的支架結構，以經濟成本和支架承載強度的高效利用為原則，選取了熱軋型鋼作為支架的材質。在冀中能源股份有限公司邢東礦進行了現場工業(yè)性試驗結果表明，采用高強度多邊形封閉式型鋼支架對巷道進行二次支護后，巷道圍巖最終變形量基本維持在50～70 mm，且支架極少出現扭曲和破壞等現象，對巷道圍巖的持續(xù)變形具有較好的控制作用。

邢東礦 高強度型鋼支架 巷道支護

大量研究成果表明，對于大變形巷道的圍巖穩(wěn)定性控制，應充分利用圍巖自身的承載能力，初次支護以 “讓”為主，二次支護應具有足夠的剛度。目前，煤礦常用的二次支護方式主要有金屬支架支護、鋼筋混凝土支護、料石碹支護以及近年來的鋼管混凝土支架支護等，其在工程應用中均取得了一定的成效，但在經濟成本和支架承載強度的高效利用方面尚未進行深入研究。為了以最小的支護成本獲取最大的支護強度，本文提出了一種高強度多邊形封閉式型鋼支架支護方式，并從結構設計和材質選取兩方面闡述了支架的設計原理，經過現場工業(yè)性試驗，結果表明該種支架能夠較好地控制巷道圍巖的持續(xù)變形。

1　高強度多邊形封閉式型鋼支架的設計原理

1.1結構設計

通常支架所受到的載荷復雜多變，如果都加以考慮，計算將極其繁瑣，本文在支架結構設計時考慮其所受載荷為水平和垂直方向的均布載荷。為了有效控制矩形巷道頂底角重點區(qū)域的變形破壞，支架的結構形式選用封閉式多邊形。假定支架不同部位所受均布載荷分別為q1和q2（單位為k N/m），支架的高度和寬度分別為2m和2n（單位為m），斜梁長度為L（單位為m），斜梁與水平方向的夾角（銳角）為θ（單位為°）。支架荷載示意圖如圖1所示。

圖1　支架荷載示意圖

圖1為一個三次超靜定結構，通過對該結構及其載荷的對稱性分析，可將其簡化為1/4結構進行計算，簡化后的超靜定次數為1，計算簡圖示意圖如圖2所示。

圖2　計算簡圖示意圖

采用力法進行多余未知力計算，基本體系示意圖如圖3所示。

圖3　基本體系示意圖

本文規(guī)定支架內側受拉為正，反之為負。支架以彎曲變形為主，軸力和剪力對位移的影響忽略不計，由基本體系應滿足的位移協(xié)調條件，其力法方程見式（1）、式（2）和式（3）：

式中：δ11——基本體系在單位力單獨作用下沿X1方向產生的位移，（k N·m）-1；

X1——彎矩，m；

△1P——基本體系在載荷單獨作用下沿X1方向產生的角度，量綱為1；

MP——載荷作用下基本結構中任一截面產生的彎矩，k N·m；

d xi——積分線元，xi（i=1，2，3）為支架不同分段的任意截面的位置；

EI——支架的抗彎剛度，k N·m2。

令l1=m-L sinθ，l2=n-L cosθ，l3=L，則單位力和載荷在基本結構中任一截面產生的彎矩和MP見式（4）和式（5）：

將式（4）和式（5）分別代入式（2）和式（3）可得式（6）和式（7）：

再將式（6）和式（7）代入式（1）力法方程可得多余未知力見式（8）：

由疊加原理可知，利用式（4）、式（5）和式（8）可得載荷作用下支架任一截面產生的內力彎矩見式（9）：

因支架內應力主要由彎矩引起，暫不考慮軸力和剪力的影響。當支架結構形式固定，即m、n、L和θ為定值時，式（9）在定義域內有最大值M（xi=1，2，3）max；假定巷道的寬度和高度一定，即m和n為定值，在支架所受載荷一定時，M（xi=1，2，3）max為L和θ的函數，對于特定材質的支架，σ（xi=1，2，3）max也是L和θ的函數，當σ（xi=1，2，3）max大于支架材質的強度極限σs時，支架將會被破壞，又因σs為定值，所以支架極限外載qmax將取決于σ（xi=1，2，3）max，即L和θ的大小。

給定支架參數和載荷條件：m=1.8 m，n=2 m，q1=q2，計算不同L和θ條件下（L=0，θ=0）的比值支架內的最大彎矩，分析支架結構形式對其內力的影響。不同條件下支架最大彎矩比值情況如圖4所示。

圖4　不同條件下支架最大彎矩比值情況

由圖4可以看出，在斜梁角度θ分別為15°、30°、45°、60°和75°的情況下，支架內力變化較大；當L一定時，斜梁角度θ為15°時的支架內力最大，θ為45°的支架內力最小。因此，該條件下支架斜梁的最優(yōu)傾斜角度θ取45°。當θ為定值時，一定范圍內支架所受內力隨著斜梁長度L的增大逐漸減小，當L增大到一定值后，其內力又開始呈現逐漸增大的趨勢。同時，在計算過程中，支架內危險截面的位置也隨著L的增大而不斷發(fā)生變化。由此可知，當支架斜梁長度變化時，支架內的最大彎矩存在一個最小值，即支架斜梁的長度L在理論上存在著一個最優(yōu)解。在工程應用中，其大小還應該結合實際需求，綜合考慮巷道斷面和通風等因素確定。

1.2材質選取

在支架合理結構形狀確定以后，支架的材質對其整體承載能力和穩(wěn)定性具有決定性的影響。本文以經濟成本和支架承載強度的高效利用為原則，從材質的經濟指標和強度指標兩方面對比分析，對支架材質進行選取。通過市場調研，對Q235、Q345/16 Mn和20 Mn K等鋼材加工制造成的支護材料進行對比分析，礦用支護材料加工環(huán)節(jié)復雜，應用范圍比較窄，其單位價格所得材質的抗拉強度相對較低，而熱軋工字鋼廣泛應用于建筑、車輛以及壓力容器等方面，便于批量生產，其單位價格所得材質的抗拉強度相對較高。

為了保證支架的整體強度，應綜合考慮材質的抗彎能力、抗扭能力、穩(wěn)定性以及斷面利用率等指標。熱軋型鋼在抗彎截面模量、斷面利用率和總模量等參數方面比礦用工字鋼和U型棚更優(yōu)；在抗扭和穩(wěn)定性方面，U型棚明顯優(yōu)于礦用工字鋼和熱軋型鋼。分別以不同材質的抗彎截面模量WX和抗扭截面模量WY作為強度指標，單位長度材質的重量G作為經濟指標，并定義其比值為強重比，部分材料的對比結果如圖5所示。

圖5　不同支架對不同形心軸的強重比對比圖

由圖5可以看出，22b和28b型鋼X軸的強重比明顯優(yōu)于U型鋼和礦用工字鋼，Y軸的強重比遜于其它幾種鋼材，而支架的抗扭性能可以通過架間充填、拉桿和噴漿等其它技術手段進行提高。因此，本文選取熱軋型鋼作為支架的材質。

2　工程應用

試驗巷道為邢東礦-980水平主副暗一聯(lián)巷，位于主暗斜井和副暗斜井之間，巷道設計為矩形斷面，斷面尺寸為4000 mm×3600 mm，在大埋深高應力作用下巷道圍巖比較破碎，圍巖變形量較大。根據邢東礦的具體地質條件及同類巷道圍巖變形破壞特征，對該巷道提出了分階段支護技術，一次支護采用柔性支護，即錨網噴支護；二次支護采用高強度多邊形封閉式型鋼支架進行支護，并對支架進行壁后充填以及圍巖注漿。根據金屬支架的設計原理，考慮到現場條件的復雜多變，保留一定的安全系數，支架設計寬高分別為4 m和3.6 m，其中斜梁角度選用45°，頂梁和底梁采用28b普通熱軋型鋼，長度為2.4 m，側梁采用22b普通熱軋型鋼，長度為2 m。高強度多邊形封閉式型鋼支架整體示意圖如圖6所示。

圖6　高強度多邊形封閉式型鋼支架整體示意圖

2.1支護參數設計

一次支護的具體支護參數如下：

（1）錨桿參數為?20 mm×2400 mm，頂部錨桿間排距為800 mm×800 mm，幫部錨桿間排距為700 mm×800 mm，頂部和幫部錨桿錨固長度分別為1200 mm和900 mm，托盤長度、寬度和厚度分別為150 mm、150 mm和10 mm，鋼筋梯長度為4200 mm，間排距為800 mm。

（2）槽鋼梁錨索參數為?17.8 mm×8250 mm，間排距為1300 mm×1600 mm，錨固長度為2400 mm，錨索預應力不低于30 MPa。

（3）點錨錨索參數為?17.8 mm×8250 mm，間排距為1600 mm×1600 mm，錨固長度為2400 mm，錨索預應力不低于30 MPa。

二次支護時先對巷道進行擴幫臥底，到設計斷面再補打錨桿（索）。擴幫完成后，采用高強度多邊形封閉式型鋼支架支護，風門處并排布置兩架箍，其他地方每隔500 mm布置一道，并用高強度螺栓擰緊，兩架之間用扁鋼拉桿連住，用編織袋裝砟充填，支架空幫和空頂處必須充填密實，然后進行噴漿及注漿。試驗巷道支架布置示意圖如圖7所示。

圖7　試驗巷道支架布置示意圖

2.2應用效果

采用巷道頂板多基點位移監(jiān)測儀對試驗巷道進行了支護效果監(jiān)測，共布設3個監(jiān)測站，每個監(jiān)測站間隔30 m，監(jiān)測結果如圖8所示。

由圖8（a）可以看出，第一監(jiān)測站巷道總位移量為52 mm，且位移主要集中在0～4 m的圍巖范圍；由圖8（b）可以看出，第二監(jiān)測站巷道總位移量為72 mm，位移主要集中在0～1 m和2.5～4 m的圍巖范圍；由圖8（c）可以看出，第三測站總位移量為55 mm，各個層位的圍巖位移量分布相對比較均勻。從圍巖位移的變化趨勢來看，頂板變形主要集中在監(jiān)測的前35 d，之后頂板各層位的位移基本趨于穩(wěn)定。監(jiān)測結果表明，二次支護所采用的高強度多邊形封閉式型鋼支架進行支護有效地控制了巷道圍巖變形，且支架極少出現扭曲破壞等現象。

3　結語

在冀中能源股份有限公司邢東礦進行了現場工業(yè)性試驗結果表明，采用高強度多邊形封閉式型鋼支架對巷道進行二次支護后，巷道圍巖最終變形量基本維持在50～70 mm，且支架極少出現扭曲和破壞等現象，高強度多邊形封閉式型鋼支架對巷道圍巖的持續(xù)變形具有較好的控制作用。

圖8　試驗巷道頂板多基點位移監(jiān)測曲線

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（責任編輯 路 強）

同煤集團多項成果榮獲山西省科技進步獎

日前，山西省科學技術獎評審工作結束，由同煤集團技術中心組織申報的 “雙系煤層復雜條件下千萬噸礦井安全開采技術與實踐”、“煤層堅硬頂板水力致裂空制理論與成套技術”、“雙系開采井田采空積水綜合探測與立體防治技術研究”、“礦井粉煤灰灌漿固化膨脹充填防滅火技術研究”和 “工作面多參數自動調控風流平衡系統(tǒng)研究”5項成果被山西省科技廳授予科技進步類二等獎；“大同礦區(qū)石炭系特厚煤層回采巷道礦壓顯現規(guī)律及支護技術研究”、“綜放工作面液壓支架故障檢測技術與頂板煤巖體控制”、“復雜條件含夾矸特厚煤層綜放開采技術研究”等9項成果被山西省科技廳授予科技進步類三等獎。

另外，第六屆中國巖石力學與工程學會科學技術獎（科技進步獎）評選結果揭曉。由同煤集團組織研發(fā)的 “厚煤層綜放工作面瓦斯與火綜合治理技術研究”項目被中國巖石力學與工程學會授予一等獎；“大同礦區(qū)雙系煤層開采靜動壓巷道支護成套新技術”、“大同雙系特厚煤層強礦壓發(fā)生機理及綜合治理技術研究”、“采動煤巖體破斷規(guī)律及裂隙演化基礎與應用”和 “易燃厚煤層高強度開采下卸壓瓦斯治理關鍵技術研究”4項成果被授予二等獎；“堅硬難冒頂板條件下近距離煤層沿空留巷技術”、“噴射與灌漿混凝土改性材料和裝備研究”和 “雙系煤層群開采方法與安全作業(yè)技術研究”3項成果被授予三等獎。

Research and application of polygonal and enclosed steel support with high strength

Zhao Xidong，Yu Qiwei，Liu Jinhu，Liu Yue，Li Haodong
（Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

In order to solve the supporting problem of the permanent roadway with heavily stressed soft-rock and broken surrounding rock，a kind of polygonal and enclosed steel support with high strength was put forward，and based on the principle of the force method，the structural mechanics model of support was established and the reasonable support structure was calculated.Based on the principle of efficient utilization for economic cost and supporting strength，the hot-rolled section steels were selected as the support materials.Industrial field tests were carried out in Xingdong Coal Mine of Jizhong Energy Group，and the results indicated that after the secondary supporting by the polygonal and enclosed steel support with high strength，the final deformation of roadway surrounding rock was basically maintained at 50～70 mm，and the distortion and destruction rarely appeared，the supports had a good control effect on the continuous deformation of roadway surrounding rock.

Xingdong Coal Mine，high strength steel support，roadway supporting

TD353.2

A

趙希棟（1987-），男，河南新鄉(xiāng)人，在讀博士研究生，主要研究方向為礦山壓力與巖層控制。

國家自然科學基金資助項目（51234005），中國礦業(yè)大學（北京）博士研究生拔尖創(chuàng)新人才培育基金項目（800015Z684）