U型鋼封閉結(jié)構(gòu)風(fēng)橋支護(hù)技術(shù)研究與工程實踐

梁 林，趙 群

（黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦，陜西 延安727307）

0 引言

目前，隨著掘進(jìn)機械化程度的不斷提高，施工機頭硐室和專用通風(fēng)通道等跨越大巷頂板的巷道，不在采用炮掘施工，逐漸推廣采用綜掘機施工，極大的減少了對開拓大巷圍巖的擾動和破壞，與此同時風(fēng)橋支護(hù)已不再需要采用強度較高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為此經(jīng)過理論分析和工程實踐，探索采用U型鋼封閉結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)風(fēng)橋。

1 工程概況

黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦1006輔運巷位于十盤區(qū)，為十盤區(qū)西翼第6個回采工作面的高位抽采巷，北為1007進(jìn)風(fēng)順槽，南為1006回風(fēng)順槽，西為六盤區(qū)，東為北一進(jìn)風(fēng)巷。1006通風(fēng)通道自1006輔運巷開口位置向里30 m處起坡，穿越北一進(jìn)風(fēng)巷頂板與北一回風(fēng)巷貫通。1006輔運通風(fēng)通道設(shè)計長度68.2 m。通風(fēng)道對應(yīng)上覆地表為低山林區(qū)為主，無建筑、河流及其它設(shè)施，上覆巖層厚度為266～440 m左右。1006通風(fēng)通道自2號煤層底板上山掘進(jìn)。2號煤層為黑色塊狀，屬半光亮型煤。弱瀝青光澤，階梯狀斷口，內(nèi)生裂隙發(fā)育，被方解石、黃鐵礦薄膜填充。結(jié)構(gòu)單一，傾角1°～5°，掘進(jìn)范圍內(nèi)煤層厚度1.8～2.2 m，平均厚度2.1 m，結(jié)構(gòu)簡單，屬于穩(wěn)定煤層。2號煤局部夾矸為黑色泥巖，屬于Ⅱ類自燃煤層。老頂為細(xì)粒砂巖和中砂巖，平均厚度2 m?；野咨㈤L石為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，夾泥巖薄層及條帶、植物化石碎片及云母星點。接頂為粉砂巖和泥巖，平均厚度為8.2m。砂巖：灰黑色，成分以石英為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，中夾薄層砂質(zhì)泥巖。砂質(zhì)泥巖：黑色，含黃鐵礦結(jié)核，植物化石碎片，夾薄層粉砂巖，水平層理發(fā)育。底板為炭質(zhì)泥巖，平均厚度為1.1 m，灰黑色，塊狀，含砂質(zhì)，較硬。

2 風(fēng)橋支護(hù)優(yōu)化技術(shù)

2.1 優(yōu)化前風(fēng)橋支護(hù)技術(shù)

北一進(jìn)風(fēng)巷與1006輔助運輸通風(fēng)通道交岔點澆筑C30鋼筋混凝土風(fēng)橋，風(fēng)橋施工前先對施工風(fēng)橋處大巷兩幫進(jìn)行刷幫、挑頂，刷幫后采用錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿間排距800 mm×800 mm。澆筑C30鋼筋混凝土墻前，綁扎雙層鋼筋，鋼筋之間用結(jié)構(gòu)筋相連；主副筋均采用?14螺紋鋼加工，間排距300 mm×300 mm，結(jié)構(gòu)筋采用?8圓鋼加工，間距300 mm，墻厚500 mm，鋼筋混凝土墻與風(fēng)橋交匯處架設(shè)11號工字鋼，間距300 mm。風(fēng)橋橋面鋪11號工字鋼后澆筑C30地坪，工字鋼間距300 mm，橋面地坪厚度500 mm，架設(shè)的工字鋼上下須鋪設(shè)?6金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)與工字鋼用14號鐵絲綁扎連接。風(fēng)橋模板拆除后，對兩側(cè)墻及風(fēng)橋底面、以及與大巷接茬部位噴C20砼，厚度100 mm。

2.2 優(yōu)化后風(fēng)橋支護(hù)技術(shù)

北一進(jìn)風(fēng)巷與1006輔助運輸通風(fēng)通道交岔點及前后1 m范圍采用U29鋼棚混凝土加強支護(hù)。架棚前，先采用人工刷幫、挑頂、錨網(wǎng)支護(hù)的方式擴充斷面，擴刷厚度200 mm，錨桿間排距800 mm×800 mm，菱形布置，全斷面掛?6金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔100 mm×100 mm；U29鋼棚架設(shè)排距500 mm，須采用半圓木將幫頂背實，噴C20砼，厚度200 mm。

2.3 支護(hù)優(yōu)化強度校核

由于采用綜掘機在錨桿+U29鋼棚混凝土加強支護(hù)上部1.5 m處施工，為確保施工安全，建立力學(xué)模型分析。

2.3.1 圍巖應(yīng)力分析1）按照掘進(jìn)留底高度計算頂部圍巖壓力。計算公式如下：

式中：p為圍巖壓力；r為圍巖容重，砂巖取2.5 k N/m3；h為留底圍巖高度，1.5 m。

代入數(shù)值計算得出：p=0.003 75 MPa

2）按照公路隧道設(shè)計細(xì)則計算頂部圍巖壓力.

計算公式如下：

式中：p為圍巖壓力；h為留底圍巖高度；r為圍巖重度，按4級圍巖取值，取2.5 k N/m3；s為圍巖級別，取4；w為寬度影響系數(shù)；B為巷道寬度，根據(jù)尺寸選取5.4 m。

i_B＞5時取0.1，B＜5時取0.2

代入數(shù)值計算得出：p=0.009 36 MPa

3）水平均布松動壓力。

4級圍巖，水平均布松動壓力按（0.1～0.3）p計算：

取巖石最大壓力0.009 36 MPa。

2.3.2 U型鋼棚支護(hù)參數(shù)校核

U鋼棚采用3節(jié)式，受力計算簡圖如圖4所示；依據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，取鋼棚的一半進(jìn)行校核。計算荷載單位荷載集度q1=1 N/m時，取q2=0.3 N/m，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)計算對稱結(jié)構(gòu)受力情況。

基本結(jié)構(gòu)在外載荷作用下，截面i處產(chǎn)生的彎矩、軸力計算公式如下:

式中：M0ip、N0ip為分別為基本結(jié)構(gòu)在外載荷作用下，截面i處產(chǎn)生的彎矩、軸力；α為截面i與豎直線的夾角。

由此可以確定鋼棚內(nèi)的最大彎矩Mmax和最大彎矩截面上的軸力N。

單位載荷集度下，鋼棚內(nèi)的最大應(yīng)力計算公式如下：

式中：F為支架型鋼橫截面積，U29型鋼取36.92 cm2；W x為截面抵抗矩，U29型鋼，取92.3 cm3。

由此可以確定鋼棚內(nèi)的最大應(yīng)力σmax。

圖2 U鋼棚受力計算簡圖

U型鋼棚危險截面的表面應(yīng)力達(dá)到屈服極限時載荷集度計算公式：

式中：α為載荷集度增大系數(shù)；σs為屈服極限，U29型鋼，400 MPa；

U29型鋼棚總的承載能力計算公式如下：

由以上公式，可以求得U29鋼棚的承載能力為p=85.7 k N,查采礦工程設(shè)計手冊，可知U29鋼棚步距選擇500 mm。

2.3.3 錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)校核

錨桿提供的支護(hù)強度：

錨桿采用?20左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm，桿體彈性模量210 000 MPa,錨桿支護(hù)強度為0.24 MPa。

錨桿鋼棚混凝土支護(hù)承載能力325.7 k N，遠(yuǎn)大于圍巖壓力9.36 k N，即采用U29鋼棚混凝土支護(hù)可滿足支護(hù)需要，但考慮到綜掘機在風(fēng)橋上方1.5 m處掘進(jìn)，風(fēng)橋底部還需采用工字鋼木垛結(jié)構(gòu)進(jìn)行臨時支護(hù)確保施工安全。

優(yōu)化前后的風(fēng)橋施工工藝圖見圖3、圖4。

圖3 優(yōu)化前風(fēng)橋施工工藝圖

圖4 優(yōu)化后風(fēng)橋施工工藝圖

3 支護(hù)工序

1）施工前采用人工刷幫、挑頂?shù)姆绞綌U充風(fēng)橋下北一進(jìn)風(fēng)巷斷面。

2）采用錨網(wǎng)支護(hù)風(fēng)橋。

3）采用U29工字鋼支護(hù)風(fēng)橋。

4）采用噴砼支護(hù)風(fēng)橋。

5）采用工字鋼配合木垛對風(fēng)橋進(jìn)行臨時支護(hù)。

6）綜掘機留底1.5 m通過風(fēng)橋上方掘進(jìn)。

7）掘進(jìn)完成退出綜掘機，拆除臨時支護(hù)。

4 結(jié)論

1）根據(jù)理論驗算，得出了U型鋼承載力和步距，為U型鋼封閉結(jié)構(gòu)風(fēng)橋支護(hù)研究供了技術(shù)參數(shù)依據(jù)。

2）風(fēng)橋支護(hù)采用U型鋼封閉結(jié)構(gòu)后，不再需要澆筑鋼筋混凝土側(cè)墻和11號工字鋼混凝土橋面；工序簡單方便施工、施工工期短，每座風(fēng)橋施工費用僅10萬元，每座風(fēng)橋節(jié)約施工工期2天，有效地降低了職工的勞動強度。

3）風(fēng)橋支護(hù)采用U型鋼封閉結(jié)構(gòu)后，該支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)機掘機頭硐室和專用通風(fēng)通道的施工，符合黃陵礦業(yè)公司快速掘進(jìn)的要求。

4）該結(jié)構(gòu)在使用過程中未出現(xiàn)任何頂板隱患，可以推廣使用。