趙希棟 魚琪偉 劉金虎 劉 躍 李浩棟

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

★ 煤炭科技·機(jī)電與信息化★

高強(qiáng)度多邊形封閉式型鋼支架的研發(fā)與應(yīng)用*

趙希棟 魚琪偉 劉金虎 劉 躍 李浩棟

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

為了解決高應(yīng)力軟巖和破碎圍巖永久巷道的支護(hù)難題，提出了一種高強(qiáng)度多邊形封閉式型鋼支架，采用力法原理建立了支架的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，計(jì)算得出了合理的支架結(jié)構(gòu)，以經(jīng)濟(jì)成本和支架承載強(qiáng)度的高效利用為原則，選取了熱軋型鋼作為支架的材質(zhì)。在冀中能源股份有限公司邢東礦進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，采用高強(qiáng)度多邊形封閉式型鋼支架對巷道進(jìn)行二次支護(hù)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(xiàn)扭曲和破壞等現(xiàn)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(qiáng)度型鋼支架 巷道支護(hù)

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(yīng)充分利用圍巖自身的承載能力，初次支護(hù)以 “讓”為主，二次支護(hù)應(yīng)具有足夠的剛度。目前，煤礦常用的二次支護(hù)方式主要有金屬支架支護(hù)、鋼筋混凝土支護(hù)、料石碹支護(hù)以及近年來的鋼管混凝土支架支護(hù)等，其在工程應(yīng)用中均取得了一定的成效，但在經(jīng)濟(jì)成本和支架承載強(qiáng)度的高效利用方面尚未進(jìn)行深入研究。為了以最小的支護(hù)成本獲取最大的支護(hù)強(qiáng)度，本文提出了一種高強(qiáng)度多邊形封閉式型鋼支架支護(hù)方式，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材質(zhì)選取兩方面闡述了支架的設(shè)計(jì)原理，經(jīng)過現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)，結(jié)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(qiáng)度多邊形封閉式型鋼支架的設(shè)計(jì)原理

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常支架所受到的載荷復(fù)雜多變，如果都加以考慮，計(jì)算將極其繁瑣，本文在支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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?shù)捉侵攸c(diǎn)區(qū)域的變形破壞，支架的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，通過對該結(jié)構(gòu)及其載荷的對稱性分析，可將其簡化為1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，簡化后的超靜定次數(shù)為1，計(jì)算簡圖示意圖如圖2所示。

圖2　計(jì)算簡圖示意圖

采用力法進(jìn)行多余未知力計(jì)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(nèi)側(cè)受拉為正，反之為負(fù)。支架以彎曲變形為主，軸力和剪力對位移的影響忽略不計(jì)，由基本體系應(yīng)滿足的位移協(xié)調(diào)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(dú)作用下沿X1方向產(chǎn)生的位移，（k N·m）-1；

X1——彎矩，m；

△1P——基本體系在載荷單獨(dú)作用下沿X1方向產(chǎn)生的角度，量綱為1；

MP——載荷作用下基本結(jié)構(gòu)中任一截面產(chǎn)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(jié)構(gòu)中任一截面產(chǎn)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(chǎn)生的內(nèi)力彎矩見式（9）：

因支架內(nèi)應(yīng)力主要由彎矩引起，暫不考慮軸力和剪力的影響。當(dāng)支架結(jié)構(gòu)形式固定，即m、n、L和θ為定值時，式（9）在定義域內(nèi)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(shù)，對于特定材質(zhì)的支架，σ（xi=1，2，3）max也是L和θ的函數(shù)，當(dāng)σ（xi=1，2，3）max大于支架材質(zhì)的強(qiáng)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(shù)和載荷條件：m=1.8 m，n=2 m，q1=q2，計(jì)算不同L和θ條件下（L=0，θ=0）的比值支架內(nèi)的最大彎矩，分析支架結(jié)構(gòu)形式對其內(nèi)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(nèi)力變化較大；當(dāng)L一定時，斜梁角度θ為15°時的支架內(nèi)力最大，θ為45°的支架內(nèi)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(dāng)θ為定值時，一定范圍內(nèi)支架所受內(nèi)力隨著斜梁長度L的增大逐漸減小，當(dāng)L增大到一定值后，其內(nèi)力又開始呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。同時，在計(jì)算過程中，支架內(nèi)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(dāng)支架斜梁長度變化時，支架內(nèi)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(yīng)用中，其大小還應(yīng)該結(jié)合實(shí)際需求，綜合考慮巷道斷面和通風(fēng)等因素確定。

1.2材質(zhì)選取

在支架合理結(jié)構(gòu)形狀確定以后，支架的材質(zhì)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(jīng)濟(jì)成本和支架承載強(qiáng)度的高效利用為原則，從材質(zhì)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)兩方面對比分析，對支架材質(zhì)進(jìn)行選取。通過市場調(diào)研，對Q235、Q345/16 Mn和20 Mn K等鋼材加工制造成的支護(hù)材料進(jìn)行對比分析，礦用支護(hù)材料加工環(huán)節(jié)復(fù)雜，應(yīng)用范圍比較窄，其單位價格所得材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度相對較低，而熱軋工字鋼廣泛應(yīng)用于建筑、車輛以及壓力容器等方面，便于批量生產(chǎn)，其單位價格所得材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度相對較高。

為了保證支架的整體強(qiáng)度，應(yīng)綜合考慮材質(zhì)的抗彎能力、抗扭能力、穩(wěn)定性以及斷面利用率等指標(biāo)。熱軋型鋼在抗彎截面模量、斷面利用率和總模量等參數(shù)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(zhì)的抗彎截面模量WX和抗扭截面模量WY作為強(qiáng)度指標(biāo)，單位長度材質(zhì)的重量G作為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并定義其比值為強(qiáng)重比，部分材料的對比結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同支架對不同形心軸的強(qiáng)重比對比圖

由圖5可以看出，22b和28b型鋼X軸的強(qiáng)重比明顯優(yōu)于U型鋼和礦用工字鋼，Y軸的強(qiáng)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(shù)手段進(jìn)行提高。因此，本文選取熱軋型鋼作為支架的材質(zhì)。

2　工程應(yīng)用

試驗(yàn)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(shè)計(jì)為矩形斷面，斷面尺寸為4000 mm×3600 mm，在大埋深高應(yīng)力作用下巷道圍巖比較破碎，圍巖變形量較大。根據(jù)邢東礦的具體地質(zhì)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(hù)技術(shù)，一次支護(hù)采用柔性支護(hù)，即錨網(wǎng)噴支護(hù)；二次支護(hù)采用高強(qiáng)度多邊形封閉式型鋼支架進(jìn)行支護(hù)，并對支架進(jìn)行壁后充填以及圍巖注漿。根據(jù)金屬支架的設(shè)計(jì)原理，考慮到現(xiàn)場條件的復(fù)雜多變，保留一定的安全系數(shù)，支架設(shè)計(jì)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(cè)梁采用22b普通熱軋型鋼，長度為2 m。高強(qiáng)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(qiáng)度多邊形封閉式型鋼支架整體示意圖

2.1支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

一次支護(hù)的具體支護(hù)參數(shù)如下：

（1）錨桿參數(shù)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(shù)為?17.8 mm×8250 mm，間排距為1300 mm×1600 mm，錨固長度為2400 mm，錨索預(yù)應(yīng)力不低于30 MPa。

（3）點(diǎn)錨錨索參數(shù)為?17.8 mm×8250 mm，間排距為1600 mm×1600 mm，錨固長度為2400 mm，錨索預(yù)應(yīng)力不低于30 MPa。

二次支護(hù)時先對巷道進(jìn)行擴(kuò)幫臥底，到設(shè)計(jì)斷面再補(bǔ)打錨桿（索）。擴(kuò)幫完成后，采用高強(qiáng)度多邊形封閉式型鋼支架支護(hù)，風(fēng)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(qiáng)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(shí)，然后進(jìn)行噴漿及注漿。試驗(yàn)巷道支架布置示意圖如圖7所示。

圖7　試驗(yàn)巷道支架布置示意圖

2.2應(yīng)用效果

采用巷道頂板多基點(diǎn)位移監(jiān)測儀對試驗(yàn)巷道進(jìn)行了支護(hù)效果監(jiān)測，共布設(shè)3個監(jiān)測站，每個監(jiān)測站間隔30 m，監(jiān)測結(jié)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(jié)果表明，二次支護(hù)所采用的高強(qiáng)度多邊形封閉式型鋼支架進(jìn)行支護(hù)有效地控制了巷道圍巖變形，且支架極少出現(xiàn)扭曲破壞等現(xiàn)象。

3　結(jié)語

在冀中能源股份有限公司邢東礦進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，采用高強(qiáng)度多邊形封閉式型鋼支架對巷道進(jìn)行二次支護(hù)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(xiàn)扭曲和破壞等現(xiàn)象，高強(qiáng)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(yàn)巷道頂板多基點(diǎn)位移監(jiān)測曲線

［1］ 何滿潮，謝和平，彭蘇萍等.深部開采巖體力學(xué)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005（8）

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（責(zé)任編輯 路 強(qiáng)）

同煤集團(tuán)多項(xiàng)成果榮獲山西省科技進(jìn)步獎

日前，山西省科學(xué)技術(shù)獎評審工作結(jié)束，由同煤集團(tuán)技術(shù)中心組織申報的 “雙系煤層復(fù)雜條件下千萬噸礦井安全開采技術(shù)與實(shí)踐”、“煤層堅(jiān)硬頂板水力致裂空制理論與成套技術(shù)”、“雙系開采井田采空積水綜合探測與立體防治技術(shù)研究”、“礦井粉煤灰灌漿固化膨脹充填防滅火技術(shù)研究”和 “工作面多參數(shù)自動調(diào)控風(fēng)流平衡系統(tǒng)研究”5項(xiàng)成果被山西省科技廳授予科技進(jìn)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(xiàn)規(guī)律及支護(hù)技術(shù)研究”、“綜放工作面液壓支架故障檢測技術(shù)與頂板煤巖體控制”、“復(fù)雜條件含夾矸特厚煤層綜放開采技術(shù)研究”等9項(xiàng)成果被山西省科技廳授予科技進(jìn)步類三等獎。

另外，第六屆中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎（科技進(jìn)步獎）評選結(jié)果揭曉。由同煤集團(tuán)組織研發(fā)的 “厚煤層綜放工作面瓦斯與火綜合治理技術(shù)研究”項(xiàng)目被中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會授予一等獎；“大同礦區(qū)雙系煤層開采靜動壓巷道支護(hù)成套新技術(shù)”、“大同雙系特厚煤層強(qiáng)礦壓發(fā)生機(jī)理及綜合治理技術(shù)研究”、“采動煤巖體破斷規(guī)律及裂隙演化基礎(chǔ)與應(yīng)用”和 “易燃厚煤層高強(qiáng)度開采下卸壓瓦斯治理關(guān)鍵技術(shù)研究”4項(xiàng)成果被授予二等獎；“堅(jiān)硬難冒頂板條件下近距離煤層沿空留巷技術(shù)”、“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(shù)研究”3項(xiàng)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?yàn)榈V山壓力與巖層控制。

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