掘进前探梁临时支护选型

掘进前探梁临时支护选型

［摘要］ 本文针对当前煤矿掘进巷道多采用前探梁作为临时支护，对前探梁材质、规格进行选型，并对其受力情况进行分析，以期使其更具科学性和严谨性。

［关键词］掘进前探梁选型 一、引语

在我国掘进巷道目前广泛使用的吊梁式前探梁，吊梁材料的选取不外乎有如下四种：外径不小于75㎜的钢管；9#或11#工字钢；矩形截面π型梁；轻型钢轨。且当前矿井掘进选用钢管或轻轨加工前探梁的居多。总体来说，前探梁的选材随意性较大，规程中一般也没有经过科学的验算，没有统一的标准或规范，安全无保障。

二、前探梁的选型与验算

掘进吊梁式前探梁是一种悬臂梁，其主要承受载荷的破坏方式是弯曲破坏。依材料力学知，用于加工梁的金属材料，其抗弯截面模量的大小不仅与梁的截面积有关，且与其截面形状有关。就用料经济与梁的承载能力而言，在相同大小截面条件下，工字形截面比矩形截面合理，矩形截面比圆形截面合理。因此，在选用前探梁金属型材时，首选工字型截面的型钢比较合理。

前探梁选型及验算步骤如下：

1、根据巷道宽度、顶板岩性及掘进循环进度，估算前探梁的载荷大小。

按照普氏破坏拱理论，来确定巷道围岩松动破坏区的范围。松动区的岩石可视为松散体，松动体的形状为抛物线形拱，拱高为b，拱垮为2a+2c，掘进迎头的前探梁需承载起巷道空顶范围内破坏区顶板煤岩的荷载需不致使其弯曲破坏。

巷道一帮的破坏范围为

式中——巷道周边挤压应力集中系数，其值按巷道形状和巷道高度比确定。一般取=3.0；

——岩层平均质量密度与当地自由落体加速度之积，取=25.48KN/m3；

——采动影响系数，当两侧均为实体煤时，取=1；非实体煤时见下表取值。

采动应力集中系数k取值表

注:B为实际煤柱尺寸,BL为采动影响下的极限稳定煤柱宽度，按下式计算：

BL=15.43+0.098H(10MPa)

——帮部煤（岩）的单向抗压强度，煤取15.5 MPa,中性岩层取=29.5MPa；强度高时取33MP。

——两帮煤（岩）层的内摩擦角，=，煤取=45°；中等岩层取70°，高强度岩层取80°。

——巷道高度，ｍ。

H——巷道埋深，ｍ。

顶板最大松动范围可按下式预计：

式中：

——巷道的半跨距，m；

b——顶板岩层松动高度，m；

——煤帮松动宽度，m；

——顶板岩（煤）层的平均坚固性系数；

每根前探梁需承受的来自顶板方向的压力为：

式中：——来自顶板方向的压力，KN；

——掘进循环进尺，l=d或2d（d为巷道支护排距），m；

——掘进迎头所使前探梁的根数，根，一般取2根，宽断面取3根。

其它符号意义同上。

在松软的煤、岩层或流砂性地层中及地质破碎带掘进巷道时，一般采取短掘短支的措施，循环进尺等于一个支护排距d（800㎜或1000㎜）；在巷道中等稳定性以上的围岩掘进巷道，一般掘进循环进尺等于两个支护排距2d（1600㎜或2000㎜）。根据上面计算公式,不难算出不同循环进尺的顶板压力。

某煤矿1108皮带巷煤层直接顶顶板粉砂质泥岩厚度约2.0m,其上为老顶砂岩，煤层单向抗压强度约15.5MPa，顶板岩层的普氏系数为中等为4～5。直接顶有时较为完整、稳定，有时较为破碎。顶板岩层不完整时的内摩擦角60°，完整时取75°。巷道两侧均为未受采动影响的实体煤柱。巷道掘进高度2.8m,宽度4m。巷道最大埋深440m。顶板破碎、不完整时，循环进尺l=1m；顶板坚硬、完整性好时，循环进尺l=2m。使用长4.5m、直径Φ76㎜、壁厚4㎜厚的两根钢管作为前探梁,根据上面公式不难算出每根前探梁需承受的来自顶板方向的压力分别约为：42KN、43KN。

2、根据前探梁的规格、数量及悬臂梁力学模型，校核所选吊梁的强度。

3、根据验算，适当调整前探梁的规格，使其满足安全要求③。

前探梁一般选用等截面的型钢加工。由掘进巷道前探梁力学模型（如图示），确定危险截面及危险点。

从前探梁的M图可见：最大负弯矩作用于B截面上。截面A的下边缘与截面B的上边缘的各点均受拉应力；截面A 的上边缘与截面B的下边缘各点均受压应力。不难看出,截面B为危险截面，其上的最大负弯矩值根据循环进尺等于一个支护排距或两个支护排距分别为：

Nｍ

根据下式验算前探梁的强度： 或

式中：——所选前探梁金属材料危险截面上实际所受的最大应力，MPa；通过以上受力分析，应取金属材料的最大拉应力。

——所选前探梁所受的最大力矩，Nｍ；

——所选前探梁金属材料的许用抗拉屈服强度，MPa。=，考虑载荷的不均及冲击性，安全系数取1.1~1.5；

——所选前探梁的抗弯截面模量，cm3；一般来说，工字钢或钢轨的抗弯截面模量可从型钢技术参数表查出，钢管的抗弯截面模量需用如下公式实际进行计算：

式中：、——钢管在、向的抗弯截面系数，cm3；

、——钢管的外径、内径，cm；

不难算出Φ76㎜、壁厚4㎜厚的钢管的截面系数W≈15.48cm3。后附常用来加工前探梁的型钢技术参数表⑦⑧⑨，供参考。

该矿皮带巷掘进迎头采用短掘短支、使用两根Φ76㎜、壁厚4㎜厚的钢管前探梁时，前探梁实际需要的抗弯截面系数：

可以看出，计算出的值远比许用抗弯强度系数15.48cm3大得多，因此,必须更换加工前探梁所用的型钢，才能满足安全要求。通过计算，采用3根加厚的无缝钢管亦无法满足安全要求,只有采用22㎏以上的钢轨方可满足要求。

以上计算分析可知,掘进选用工字形截面的型钢制作前探梁较为理想。

从煤矿安全生产理念上来说，“宁愿多流汗，也要保安全”。因此，掘进迎头使用安全可靠的前探梁，对实现矿井本质安全生产意义重大。

三、结语

1、掘进巷道选用前探梁时，必须根据巷道的规格、围岩性质及掘进循环进度，合理确定前探梁的规格、数量，并需要验算，保证前探梁能够托住巷道易冒落的顶部岩（煤）层，而不致于使其弯曲破坏，造成局部冒顶事故。

2、掘进现场使用前探时，必须用木板、大木楔刹实顶板，防止前探梁受顶板冒落岩石多于三倍重力的冲击载荷而导致破坏。

主要参考文献：

①国家安全生产管理监督管理总局，国家煤矿安全监察局《煤矿安全规程》，［M］煤炭工业出版社（2011.2），22

②韩芳岐 赵日峰《煤矿安全技术操作规程》(掘进)，［M］煤炭工业出版社,2003，165

作者简介：潘利刚，工程师，大学本科，中煤五建第三十一工程处

任晓雷，工程师，大学本科，中煤五建第三十一工程处