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复采工作面沿空留巷架棚支护技术研究
摘要：针对复采工作面沿空留巷巷道顶板和帮部破碎及受多次动压影响的问题，提出了架棚支护的5种形式。针对不同的支护形式，对顶板和帮部的联接部分进行强度计算，提高了支架的整体稳定性和可操作性，为复采工作面沿空留巷巷道支架选型提供了思路。
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因小窑的私挖乱采，完整的煤体受到破坏。随着开采资源的逐渐减少，对这些破坏的资源重新布置长壁工作面进行回采，这些工作面称为复采工作面。为了尽可能多回收资源、少掘巷道和取消区段煤柱，沿空留巷应用于复采工作面是一种新的尝试。复采工作面与传统工作面不同，顶板、帮部破碎，矿压显现剧烈，因此，巷道一般多采用架棚支护。我国煤矿一般架棚支护采用π形梁、工字钢、U形钢，或者这几种方式的组合。学者大多侧重于巷旁支护的研究。本文对巷内支护的形式进行分析，选择强度大和稳定性高的支护形式，并对联接部位进行了强度计算。
1、目前架棚支护形式及应用情况
(1）顶板工字钢梁+帮部工字钢棚腿
此方式使用最为普遍，顶板和帮部型号一致。根据矿压大小选择工字钢的型号，主要为9#、11#、12#工字钢，材质为20Mn K，屈服极限为355 MPa。通过槽钢托盘进行联接，顶板工字钢梁设置挡板防止倾倒，如图1所示。
图1顶板工字钢梁+帮部工字钢棚腿联接图
(2）顶板π形梁+帮部工字钢
7#π形梁材质为27Si Mn，其屈服极限为835 MPa，理论单位长度质量为20 kg/m左右。此方式联接较为简单，帮部工字钢上方焊柱爪，与顶板π形梁进行联接，如图2所示。
图2顶板π形梁+帮部工字钢联接图
(3）顶板工字钢+帮部U形钢
架棚支护常用的矿用U形钢有18U、25U、29U和36U，材质有16Mn、20Mn K、20Mn VK等。U形钢棚腿通过上方焊接粱墩和槽钢托盘与顶板工字钢联接，为了防止倾倒，顶板工字钢焊接了挡板。考虑到帮部36U形钢的单位长度质量为36 kg/m，棚腿支设困难，焊接了牛腿，可以采用单体支护进行支设，减轻劳动强度，如图3所示。
图3顶板工字钢+帮部U形钢联接图
(4）顶板π形梁+帮部U形钢
为了进一步增大顶板和帮部的接触面积，顶板采用π形梁，帮部焊接了柱爪进行联接，其他设计与帮部U形钢相同，如图4所示。
图4顶板π形梁+帮部U形钢联接图
(5）顶板U形钢+帮部U形钢
当巷道为拱形时，可采用传统U形钢支架，中间通过卡缆进行联接。当巷道为矩形时，帮部U形钢需要焊接U形钢卡盘进行联接，如图5所示。
图5顶板U形钢+帮部U形钢联接图
2、顶板和帮部强度计算
2.1顶板强度计算
根据受均布载荷的梁的弯曲内力计算公式，顶梁受到的均布载荷
式中σmax———最大正应力，Pa。
Wz———顶梁横截面的抗弯截面模量，是衡量截面抗弯强度的几何量，m3;
l———顶梁净跨长度（不含棚爪部分），m。
式（1）中σmax如代入顶梁的屈服极限，求出的是梁的使用载荷；代入的是抗拉强度，求出的是梁的破坏载荷。
(1)U形钢顶梁屈服强度计算
当U形钢棚顶梁跨长为3.5 m，材质为20Mn K的矿用36U形钢，其屈服极限σmax=355×106Pa,36U形钢抗弯截面模量Wz=141×10-6m3，均布载荷
(2）工字钢顶梁屈服强度计算
12#工字钢屈服极限为σmax=355×106Pa，抗弯截面模量Wz=144.5×10-6m3，均布载荷
(3）π形梁屈服强度计算
7#π形梁屈服极限σmax=835×106Pa，抗弯截面模量Wz=82.4×10-6m3，均布载荷
根据上述计算，36U形钢的顶板承载能力不如12#工字钢，同时，U形钢为线接触，压力较大时容易钻顶和破坏顶网，对顶板支撑效果不好，7#π形梁的承载性能最好。
2.2帮部强度计算
按照一端固定、一端自由的压杆计算承载能力。
(1)U形钢承载能力计算
运输顺槽高度为2.8 m，材质为20Mn K的矿用36U形钢，其弹性模量E=200 GPa，查资料得36U形钢惯性矩Ix=928×10-8m4，承载能力
式中h———巷道高度，h=2.8 m。
(2)12#工字钢承载能力计算
矿用12#工字钢弹性模量E=200 GPa，查资料得12#工字钢惯性矩Ix=867×10-8m4，承载能力
(3）稳定性计算
在考虑巷道支架的变形问题时，除了考虑其抗拉压、抗弯曲的能力外，还要考虑其稳定性，因为支架是细长杆件而不是短粗杆件。细长杆件受压时，杆件中的应力可能不高，达不到比例极限或屈服极限，从强度考虑，杆件不会出现塑性变形，但可能因丧失稳定而不能使用。采动巷道矿压显现复杂，既有纵向载荷，也有横向的推力。Wx/Wy接近1就能使型钢承受x、y方向载荷的能力大体相等(Wx、Wy为x、y横截面的抗弯截面模量)，这样材料使用比较经济。因此，建议Wx/Wy=1。
(1)U形钢稳定性计算：Wx/Wy=0.97。
(2)12#工字钢钢稳定性计算：Wx/Wy=3.85。
可见，采用U形钢作为帮部支护是比较稳定且合理的。
3、结语
(1）根据现场调研及自主设计，提出了架棚支护的5种支护形式，并对中间联接部分进行设计，提高支架的整体稳定性和可操作性；
(2）根据顶板简支梁模型，确定7#π形梁强度最大；基于帮部压杆稳定问题，确定36U形钢强度较大，稳定性较好。
参考文献:
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基金资助:国家自然科学基金项目(52104091);中煤科工开采研究院有限公司资助项目(KCYJY-2022-MS-01);
文章来源:刘跃东.复采工作面沿空留巷架棚支护技术研究[J].煤矿机械,2024,45(01):130-131.
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期刊名称：煤矿机械
期刊人气：2122
主管单位：国家煤矿安全监察局
主办单位：哈尔滨煤矿机械研究所
出版地方：黑龙江
专业分类：煤矿
国际刊号：1003-0794
国内刊号：23-1280/TD
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创刊时间：1980年
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2024-01-10
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