矿用工字钢梯形支架顶梁浅析

矿用工字钢梯形支架顶梁浅析

高荣兵李晓亮

神华宁夏煤业集团有限责任公司汝箕沟无烟煤分公司宁夏石嘴山750000

摘要：对矿用工字钢梯形支架进行概述，对矿用工字钢梯形支架顶梁进行受力分析，计算其工作载荷、最大载荷，以及最大下沉值，从而为支护设计、支护参数修正，以及巷道施工、维修提供理论依据。

关键词：工字钢；梯形支架受力；顶梁；接榫形式；载荷分布；下沉值

1矿用工字钢梯形支架概述

1.1矿用工字钢与普通工字钢的比较

矿用工字钢是专门为矿山巷道支护设计的专用型钢，以适应巷道支架复杂的受力条件的要求，与普通工字钢一样，矿用工字钢以其截面高度的厘米数作为型号名称，目前我国生产的矿用工字钢有9#、11#和12#三种规格，其相应的理论重量为17.7kg/m、26.1kg/m和31.2kg/m。

矿用工字钢和普通工字钢的主要区别是高宽比不同。矿用工字钢的高、宽比在1.18~1.26，而相同截面的普通工字钢高、宽比1.75~2.00之间。矿用工字钢具有翼缘宽，高度小、腹板厚，横纵向的受力性质差异小，抗弯能力高，稳定性好等特点，因此，它更适合于矿山巷道支护要求。

1.2矿用工字钢梯形支架钢材的材质和力学指标

矿用工字钢梯形支架能使用的钢材，除要求材料来源广泛、成本低廉外，还应满足下列基本要求:

（1）强度高，钢材强度高可以减小支架的重量，节约钢材，减缓矿井的运输压力，降低成本，标志着钢材强度的指标是钢材屈服强度σs和极限强度σb,单位均为MPa。（2）塑性好，这是因为矿用工字钢梯形支架必需经过修复整形，而且一般支架在服务期间都要经历较大的变形，要求支架在加工、修复和使用过程中有较好的塑性，而不致于开裂破坏。（3）韧性好，钢材的韧性好，就能使构件有效地抵抗动力荷载和冲击荷载作用。巷道压力一般具有跳跃性，尤其是受采动影响的卷道，围岩的来压往往具有一定的冲击力，因此要求支架的钢材应有一定的抗冲击能力。

1.3矿用工字钢梯形支架支护优点

（1）支护强度大，其整体具有较高的承载能力，当围岩压力较大时，可与其它支护方式联合应用。（2）安装方便、快捷，有利于机械化施工。（3）使用次数多，矿用工字钢梯形支架的复用次数多，一般大于3次，因此虽然一次性投资高，但综合成本低。（4）安全可靠，矿用工字钢梯形支架的破坏形式一般为屈服变形而失效，不会突然断裂破坏而使巷道围岩突然失稳而冒落，出现现突发性的事故。

1.4梯形金属支架的结构

梯形金属支架的标准形式，主要特征是一梁两柱，为提高支架的稳定性，形成上小下大的梯形断面。

1.5梯形金属支架接榫

梯形金属支架的棚梁与棚腿的连接俗称接榫。

梯形金属支架的接榫形式很多，大致可分为槽式接榫，卡式接榫，固定接榫和铰接接榫等类型。

2矿用工字钢梯形支架梁受力分析

2.1矿工字钢梯形支架梁的力学模型

工字钢梯形支架视支架本身为支护体，围岩为载荷，顶梁符合工程力学中的简支梁条件，其受力状况属于均布载荷类型。应用受均布载荷的简支梁进行受力状况分析计算。

工字钢棚式支架顶梁的破坏机理是由于支架上弯曲力矩达到极限后，产生的最大拉应力超过材料的抗拉强度，从而导致顶梁变形、破坏而失去承载力。

2.2工字钢顶梁的最大弯矩计算

根据受均布载荷的梁的弯曲内力计算公式，梁在x点处的弯矩为

上述计算结果说明，如棚距1m时，每架棚承受理论压力为92.6kN。采用跨长3.424m11#工字钢支护，计算得该跨长的工字钢使用载荷为94.06kN/m，需双棚支护，棚距1m，安全系数为n=94.06×2/92.6=2.03，或单棚支护，棚距0.5m。

2.8提高顶梁承载力的有效方法

当前采用架棚支护方式，通常是地质条件松软破碎区域。一般对架棚支护顶板再进行锚网支护，形成架棚锚网复合支护。架棚锚网复合支护，有效地提高了围岩的整体性，相对增大了岩石的坚固性系数f值，减少了冒落拱高度，减轻了顶板压力，从而提高了架棚承载能力。

参考文献：

[1]杜计平,采矿学[M].中国矿业大学出版社,2009.

[2]钱鸣高.石平五.矿山压力与岩层控制[M].中国矿业大学出版社2010.

[3]张玉明，孙宗凯，解西涛，张跃.矿用工字钢梯形支架梁受力分析[J].煤矿现代化,2013.

[4]0102102运顺规程（机掘）[M].2014.