形支护方式——固定式辅助梁和铰接式辅助梁

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1、新形支护方式——固定式辅助梁和铰接式辅助梁技术中心机电室韩利军摘要：固定式辅助梁和铰接式辅助梁是两种与金属支架配合使用的适用于大断面巷道的新形支护形式。对这两种辅助梁的结构特点、支护原理、参数选择、工业性试验和技术经济效益均作了阐述和说明。关键词：固定式；铰接式；辅助梁；巷道支护；金属支架1、概述矿井支护是矿井生产建设的一个重要环节，支护的好坏直接影响到矿井的安全生产和经济效益。随着综采机械化水平的提高，矿井通风量的增加，特别是放顶煤工作面和高产高效工作面的推广，使得巷道断面逐步加大，矿压显现日益剧烈。许多矿井都在根

2、据自己的实际情况，积极研究和探索新的支护形式，以提高巷道支护的承载能力，适应不断变化的承载要求。金属支架加辅助梁的支护形式即是近几年来发展起来的。晋煤集团技术中心开发出了两种新形式的辅助梁：固定式辅助梁和铰接式辅助梁。这两种辅助梁均是与金属支架配合使用，结构简单，安装方便，成本低，易操作，适合应用于井下大断面巷道。2、结构特点2.1固定式辅助梁的结构特点如图1所示，固定式辅助梁由辅助梁主体、螺栓组件、双楔卡缆等几部分组成。辅助梁主体是辅助梁的主要承载部件，它和金属支架顶梁之间用螺栓组件联接，和金属支架柱腿之间用双楔卡

3、缆联接。辅助梁主体为一弓形，在加工完毕后，它的各个内角就已经固定，安装时不能再做变动。该种辅助梁适合应用于顶、底板比较平整，金属支架柱腿扎角误差小的巷道。如果支护巷道地质条件不好，顶梁上的搭接部焊接工艺不标准，支腿扎角过大或过小，就会造成辅助梁侧翼与金属支架柱腿联接不紧密，降低辅助梁的承载能力。2.2铰接式辅助梁的结构特点如图2所示，铰接式辅助梁由辅助梁顶梁、斜撑、侧翼卡结部、销轴、螺栓组件、双楔卡缆等几部分组成。辅助梁顶梁、斜撑、侧翼卡结部构成辅助梁的承载主体，相互之间用销轴联接，可以作相对转动，可以改变相互之间的

4、夹角。辅助梁和金属支架顶梁之间用螺栓组件联接，和柱腿之间用双楔卡缆联接。该种辅助梁主要是为顶、底板不平整、金属支架柱腿扎角误差大的巷道而设计的。如果支护巷道由于某种原因造成金属支架柱腿扎角过大或过小，只要调整辅助梁顶梁、斜撑和侧翼卡结部相互间的夹角，即可使侧翼卡结部与金属支架柱腿之间找到一个最佳相对位置，保证辅助梁侧翼与柱腿紧密联接，使辅助梁充分发挥作用。3、支护原理及参数选择3.1受力情况对金属支架而言，与这两种辅助梁中的任一种配合使用，其受力情况基本一样，受力分析如图3所示。在（a）图中，qa为顶板向顶梁施加的压

5、力，R1、N1为柱腿对顶梁施加的铰支反力，F为辅助梁对顶梁施加的支撑力。在（b）图中，qb为巷道侧帮对柱腿施加的压力，R2、N2为顶梁对柱腿施加的压力，F1为辅助梁对柱腿施加的压力，R、N为巷道底板对柱腿施加的支撑力。辅助梁主要受顶梁和柱腿对其施加的力，即F和F1的反作用力。3.2理论基础金属支架承载失效大都是因为支架顶梁变形大，稳定性严重下降。而支架顶梁变形大主要是由于顶梁受到的最大正应力超过了材料的屈服极限值，产生了塑性变形，极限应力大幅下降所致。顶梁所受到的最大正应力可以由如下公式获得：dmax=Mmax/Wx

6、+R/S(1)式中：dmax——顶梁受到的最大正应力；Mmax——顶梁所受的最大弯矩；Wx———顶梁的抗弯截面模量；R————在顶梁所受最大弯矩处顶梁受到的轴向力；S————顶梁的横截面面积；从以上公式可以看出，梁的最大正应力dmax由Mmax和R决定。Mmax是由顶板压力引起的，R是由巷道侧压引起的。在这两个因素中，起主要作用的是Mmax，也就是顶板压力的影响。金属支架和辅助梁配合使用后，由图3的受力分析可以得知，辅助梁对顶梁施加了两个F力，这两个力的作用就相当于在支架顶梁中间部位增加了两个受力支点，减小了顶梁承载

7、的最大跨度，使得顶梁所受的最大弯矩Mmax比未使用辅助梁时有显著下降。同时辅助梁对支架柱腿施加的力F1也减弱了侧压对顶梁的影响，使轴向力R下降。从而顶梁受到的最大正应力下降，即提高了金属支架的承载能力。3.3参数选择根据所进行的受力分析，选取合理的辅助梁参数。晋煤集团技术中心研制的这两种形式的辅助梁应用于成庄矿井下。巷道上宽3.8米，下宽4.8米，高2.8米，顶压15吨，侧压5吨。对两种辅助梁的相同参数选取为：辅助梁主体选用8#槽钢，材料16Mn，辅助梁与顶梁夹角30度，螺栓直径F16毫米，材料A3钢，双楔卡缆锁紧力

8、18吨。另外，铰支式辅助梁选取销轴直径F32毫米，材料45#钢。4、支架承载能力试验为了检验辅助梁的承载能力，晋煤集团技术中心将本次试验的支架运至煤科总院北京分院的巷道支架试验室进行了支架承载能力试验。试验结果表明所有试验的支架承载能力均达到了设计的150KN。5、井下工业性试验对两种形式辅助梁的现场试验选在成庄矿3205工作面进风顺槽中，共架