赵希栋 鱼琪伟 刘金虎 刘 跃 李浩栋

（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

★ 煤炭科技·机电与信息化★

高强度多边形封闭式型钢支架的研发与应用*

赵希栋 鱼琪伟 刘金虎 刘 跃 李浩栋

（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

为了解决高应力软岩和破碎围岩永久巷道的支护难题，提出了一种高强度多边形封闭式型钢支架，采用力法原理建立了支架的结构力学模型，计算得出了合理的支架结构，以经济成本和支架承载强度的高效利用为原则，选取了热轧型钢作为支架的材质。在冀中能源股份有限公司邢东矿进行了现场工业性试验结果表明，采用高强度多边形封闭式型钢支架对巷道进行二次支护后，巷道围岩最终变形量基本维持在50～70 mm，且支架极少出现扭曲和破坏等现象，对巷道围岩的持续变形具有较好的控制作用。

邢东矿 高强度型钢支架 巷道支护

大量研究成果表明，对于大变形巷道的围岩稳定性控制，应充分利用围岩自身的承载能力，初次支护以 “让”为主，二次支护应具有足够的刚度。目前，煤矿常用的二次支护方式主要有金属支架支护、钢筋混凝土支护、料石碹支护以及近年来的钢管混凝土支架支护等，其在工程应用中均取得了一定的成效，但在经济成本和支架承载强度的高效利用方面尚未进行深入研究。为了以最小的支护成本获取最大的支护强度，本文提出了一种高强度多边形封闭式型钢支架支护方式，并从结构设计和材质选取两方面阐述了支架的设计原理，经过现场工业性试验，结果表明该种支架能够较好地控制巷道围岩的持续变形。

1　高强度多边形封闭式型钢支架的设计原理

1.1结构设计

通常支架所受到的载荷复杂多变，如果都加以考虑，计算将极其繁琐，本文在支架结构设计时考虑其所受载荷为水平和垂直方向的均布载荷。为了有效控制矩形巷道顶底角重点区域的变形破坏，支架的结构形式选用封闭式多边形。假定支架不同部位所受均布载荷分别为q1和q2（单位为k N/m），支架的高度和宽度分别为2m和2n（单位为m），斜梁长度为L（单位为m），斜梁与水平方向的夹角（锐角）为θ（单位为°）。支架荷载示意图如图1所示。

图1　支架荷载示意图

图1为一个三次超静定结构，通过对该结构及其载荷的对称性分析，可将其简化为1/4结构进行计算，简化后的超静定次数为1，计算简图示意图如图2所示。

图2　计算简图示意图

采用力法进行多余未知力计算，基本体系示意图如图3所示。

图3　基本体系示意图

本文规定支架内侧受拉为正，反之为负。支架以弯曲变形为主，轴力和剪力对位移的影响忽略不计，由基本体系应满足的位移协调条件，其力法方程见式（1）、式（2）和式（3）：

式中：δ11——基本体系在单位力单独作用下沿X1方向产生的位移，（k N·m）-1；

X1——弯矩，m；

△1P——基本体系在载荷单独作用下沿X1方向产生的角度，量纲为1；

MP——载荷作用下基本结构中任一截面产生的弯矩，k N·m；

d xi——积分线元，xi（i=1，2，3）为支架不同分段的任意截面的位置；

EI——支架的抗弯刚度，k N·m2。

令l1=m-L sinθ，l2=n-L cosθ，l3=L，则单位力和载荷在基本结构中任一截面产生的弯矩和MP见式（4）和式（5）：

将式（4）和式（5）分别代入式（2）和式（3）可得式（6）和式（7）：

再将式（6）和式（7）代入式（1）力法方程可得多余未知力见式（8）：

由叠加原理可知，利用式（4）、式（5）和式（8）可得载荷作用下支架任一截面产生的内力弯矩见式（9）：

因支架内应力主要由弯矩引起，暂不考虑轴力和剪力的影响。当支架结构形式固定，即m、n、L和θ为定值时，式（9）在定义域内有最大值M（xi=1，2，3）max；假定巷道的宽度和高度一定，即m和n为定值，在支架所受载荷一定时，M（xi=1，2，3）max为L和θ的函数，对于特定材质的支架，σ（xi=1，2，3）max也是L和θ的函数，当σ（xi=1，2，3）max大于支架材质的强度极限σs时，支架将会被破坏，又因σs为定值，所以支架极限外载qmax将取决于σ（xi=1，2，3）max，即L和θ的大小。

给定支架参数和载荷条件：m=1.8 m，n=2 m，q1=q2，计算不同L和θ条件下（L=0，θ=0）的比值支架内的最大弯矩，分析支架结构形式对其内力的影响。不同条件下支架最大弯矩比值情况如图4所示。

图4　不同条件下支架最大弯矩比值情况

由图4可以看出，在斜梁角度θ分别为15°、30°、45°、60°和75°的情况下，支架内力变化较大；当L一定时，斜梁角度θ为15°时的支架内力最大，θ为45°的支架内力最小。因此，该条件下支架斜梁的最优倾斜角度θ取45°。当θ为定值时，一定范围内支架所受内力随着斜梁长度L的增大逐渐减小，当L增大到一定值后，其内力又开始呈现逐渐增大的趋势。同时，在计算过程中，支架内危险截面的位置也随着L的增大而不断发生变化。由此可知，当支架斜梁长度变化时，支架内的最大弯矩存在一个最小值，即支架斜梁的长度L在理论上存在着一个最优解。在工程应用中，其大小还应该结合实际需求，综合考虑巷道断面和通风等因素确定。

1.2材质选取

在支架合理结构形状确定以后，支架的材质对其整体承载能力和稳定性具有决定性的影响。本文以经济成本和支架承载强度的高效利用为原则，从材质的经济指标和强度指标两方面对比分析，对支架材质进行选取。通过市场调研，对Q235、Q345/16 Mn和20 Mn K等钢材加工制造成的支护材料进行对比分析，矿用支护材料加工环节复杂，应用范围比较窄，其单位价格所得材质的抗拉强度相对较低，而热轧工字钢广泛应用于建筑、车辆以及压力容器等方面，便于批量生产，其单位价格所得材质的抗拉强度相对较高。

为了保证支架的整体强度，应综合考虑材质的抗弯能力、抗扭能力、稳定性以及断面利用率等指标。热轧型钢在抗弯截面模量、断面利用率和总模量等参数方面比矿用工字钢和U型棚更优；在抗扭和稳定性方面，U型棚明显优于矿用工字钢和热轧型钢。分别以不同材质的抗弯截面模量WX和抗扭截面模量WY作为强度指标，单位长度材质的重量G作为经济指标，并定义其比值为强重比，部分材料的对比结果如图5所示。

图5　不同支架对不同形心轴的强重比对比图

由图5可以看出，22b和28b型钢X轴的强重比明显优于U型钢和矿用工字钢，Y轴的强重比逊于其它几种钢材，而支架的抗扭性能可以通过架间充填、拉杆和喷浆等其它技术手段进行提高。因此，本文选取热轧型钢作为支架的材质。

2　工程应用

试验巷道为邢东矿-980水平主副暗一联巷，位于主暗斜井和副暗斜井之间，巷道设计为矩形断面，断面尺寸为4000 mm×3600 mm，在大埋深高应力作用下巷道围岩比较破碎，围岩变形量较大。根据邢东矿的具体地质条件及同类巷道围岩变形破坏特征，对该巷道提出了分阶段支护技术，一次支护采用柔性支护，即锚网喷支护；二次支护采用高强度多边形封闭式型钢支架进行支护，并对支架进行壁后充填以及围岩注浆。根据金属支架的设计原理，考虑到现场条件的复杂多变，保留一定的安全系数，支架设计宽高分别为4 m和3.6 m，其中斜梁角度选用45°，顶梁和底梁采用28b普通热轧型钢，长度为2.4 m，侧梁采用22b普通热轧型钢，长度为2 m。高强度多边形封闭式型钢支架整体示意图如图6所示。

图6　高强度多边形封闭式型钢支架整体示意图

2.1支护参数设计

一次支护的具体支护参数如下：

（1）锚杆参数为ø20 mm×2400 mm，顶部锚杆间排距为800 mm×800 mm，帮部锚杆间排距为700 mm×800 mm，顶部和帮部锚杆锚固长度分别为1200 mm和900 mm，托盘长度、宽度和厚度分别为150 mm、150 mm和10 mm，钢筋梯长度为4200 mm，间排距为800 mm。

（2）槽钢梁锚索参数为ø17.8 mm×8250 mm，间排距为1300 mm×1600 mm，锚固长度为2400 mm，锚索预应力不低于30 MPa。

（3）点锚锚索参数为ø17.8 mm×8250 mm，间排距为1600 mm×1600 mm，锚固长度为2400 mm，锚索预应力不低于30 MPa。

二次支护时先对巷道进行扩帮卧底，到设计断面再补打锚杆（索）。扩帮完成后，采用高强度多边形封闭式型钢支架支护，风门处并排布置两架箍，其他地方每隔500 mm布置一道，并用高强度螺栓拧紧，两架之间用扁钢拉杆连住，用编织袋装砟充填，支架空帮和空顶处必须充填密实，然后进行喷浆及注浆。试验巷道支架布置示意图如图7所示。

图7　试验巷道支架布置示意图

2.2应用效果

采用巷道顶板多基点位移监测仪对试验巷道进行了支护效果监测，共布设3个监测站，每个监测站间隔30 m，监测结果如图8所示。

由图8（a）可以看出，第一监测站巷道总位移量为52 mm，且位移主要集中在0～4 m的围岩范围；由图8（b）可以看出，第二监测站巷道总位移量为72 mm，位移主要集中在0～1 m和2.5～4 m的围岩范围；由图8（c）可以看出，第三测站总位移量为55 mm，各个层位的围岩位移量分布相对比较均匀。从围岩位移的变化趋势来看，顶板变形主要集中在监测的前35 d，之后顶板各层位的位移基本趋于稳定。监测结果表明，二次支护所采用的高强度多边形封闭式型钢支架进行支护有效地控制了巷道围岩变形，且支架极少出现扭曲破坏等现象。

3　结语

在冀中能源股份有限公司邢东矿进行了现场工业性试验结果表明，采用高强度多边形封闭式型钢支架对巷道进行二次支护后，巷道围岩最终变形量基本维持在50～70 mm，且支架极少出现扭曲和破坏等现象，高强度多边形封闭式型钢支架对巷道围岩的持续变形具有较好的控制作用。

图8　试验巷道顶板多基点位移监测曲线

［1］ 何满潮，谢和平，彭苏萍等.深部开采岩体力学研究［J］.岩石力学与工程学报，2005（8）

［2］ 李化敏，付凯.煤矿深部开采面临的主要技术问题及对策［J］.采矿与安全工程学报，2006（4）

［3］ 张永将，孟贤正.深井巷道支护参数优化研究 ［J］.中国煤炭，2008（8）

［4］ 牛双建，靖洪文，张忠宇等.深部软岩巷道围岩稳定控制技术研究及应用［J］.煤炭学报，2011（6）

［5］ 何满潮.深部软岩工程的研究进展与挑战 ［J］.煤炭学报，2014（8）

［6］ 李大伟，侯朝炯，柏建彪.大刚度高强度度二次支护巷道控制机理与应用［J］.岩土工程学报，2008（7）

［7］ 常庆粮，周华强，李大伟等.软岩破碎巷道大刚度二次支护稳定原理 ［J］.采矿与安全工程学报，2007（2）

［8］ 詹平.高应力破碎围岩巷道控制机理及技术研究［D］.中国矿业大学（北京），2012

［9］ 贾后省，郭书英，王雪颖等.巷道顶板多点离层监测仪的设计与应用［J］.煤炭工程，2012（9）

［10］ 张斌川，卢辉，刘路等.不同支护形式下深部巷道支护对比试验研究［J］.中国煤炭，2014（12）

（责任编辑 路 强）

同煤集团多项成果荣获山西省科技进步奖

日前，山西省科学技术奖评审工作结束，由同煤集团技术中心组织申报的 “双系煤层复杂条件下千万吨矿井安全开采技术与实践”、“煤层坚硬顶板水力致裂空制理论与成套技术”、“双系开采井田采空积水综合探测与立体防治技术研究”、“矿井粉煤灰灌浆固化膨胀充填防灭火技术研究”和 “工作面多参数自动调控风流平衡系统研究”5项成果被山西省科技厅授予科技进步类二等奖；“大同矿区石炭系特厚煤层回采巷道矿压显现规律及支护技术研究”、“综放工作面液压支架故障检测技术与顶板煤岩体控制”、“复杂条件含夹矸特厚煤层综放开采技术研究”等9项成果被山西省科技厅授予科技进步类三等奖。

另外，第六届中国岩石力学与工程学会科学技术奖（科技进步奖）评选结果揭晓。由同煤集团组织研发的 “厚煤层综放工作面瓦斯与火综合治理技术研究”项目被中国岩石力学与工程学会授予一等奖；“大同矿区双系煤层开采静动压巷道支护成套新技术”、“大同双系特厚煤层强矿压发生机理及综合治理技术研究”、“采动煤岩体破断规律及裂隙演化基础与应用”和 “易燃厚煤层高强度开采下卸压瓦斯治理关键技术研究”4项成果被授予二等奖；“坚硬难冒顶板条件下近距离煤层沿空留巷技术”、“喷射与灌浆混凝土改性材料和装备研究”和 “双系煤层群开采方法与安全作业技术研究”3项成果被授予三等奖。

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

赵希栋（1987-），男，河南新乡人，在读博士研究生，主要研究方向为矿山压力与岩层控制。

国家自然科学基金资助项目（51234005），中国矿业大学（北京）博士研究生拔尖创新人才培育基金项目（800015Z684）