U型钢封闭结构风桥支护技术研究与工程实践

梁 林，赵 群

（黄陵矿业有限公司一号煤矿，陕西 延安727307）

0 引言

目前，随着掘进机械化程度的不断提高，施工机头硐室和专用通风通道等跨越大巷顶板的巷道，不在采用炮掘施工，逐渐推广采用综掘机施工，极大的减少了对开拓大巷围岩的扰动和破坏，与此同时风桥支护已不再需要采用强度较高的钢筋混凝土结构，为此经过理论分析和工程实践，探索采用U型钢封闭结构代替传统的钢筋混凝土结构风桥。

1 工程概况

黄陵矿业有限公司一号煤矿1006辅运巷位于十盘区，为十盘区西翼第6个回采工作面的高位抽采巷，北为1007进风顺槽，南为1006回风顺槽，西为六盘区，东为北一进风巷。1006通风通道自1006辅运巷开口位置向里30 m处起坡，穿越北一进风巷顶板与北一回风巷贯通。1006辅运通风通道设计长度68.2 m。通风道对应上覆地表为低山林区为主，无建筑、河流及其它设施，上覆岩层厚度为266～440 m左右。1006通风通道自2号煤层底板上山掘进。2号煤层为黑色块状，属半光亮型煤。弱沥青光泽，阶梯状断口，内生裂隙发育，被方解石、黄铁矿薄膜填充。结构单一，倾角1°～5°，掘进范围内煤层厚度1.8～2.2 m，平均厚度2.1 m，结构简单，属于稳定煤层。2号煤局部夹矸为黑色泥岩，属于Ⅱ类自燃煤层。老顶为细粒砂岩和中砂岩，平均厚度2 m。灰白色，石英长石为主，钙质胶结，夹泥岩薄层及条带、植物化石碎片及云母星点。接顶为粉砂岩和泥岩，平均厚度为8.2m。砂岩：灰黑色，成分以石英为主，钙质胶结，中夹薄层砂质泥岩。砂质泥岩：黑色，含黄铁矿结核，植物化石碎片，夹薄层粉砂岩，水平层理发育。底板为炭质泥岩，平均厚度为1.1 m，灰黑色，块状，含砂质，较硬。

2 风桥支护优化技术

2.1 优化前风桥支护技术

北一进风巷与1006辅助运输通风通道交岔点浇筑C30钢筋混凝土风桥，风桥施工前先对施工风桥处大巷两帮进行刷帮、挑顶，刷帮后采用锚网支护，锚杆间排距800 mm×800 mm。浇筑C30钢筋混凝土墙前，绑扎双层钢筋，钢筋之间用结构筋相连；主副筋均采用ϕ14螺纹钢加工，间排距300 mm×300 mm，结构筋采用ϕ8圆钢加工，间距300 mm，墙厚500 mm，钢筋混凝土墙与风桥交汇处架设11号工字钢，间距300 mm。风桥桥面铺11号工字钢后浇筑C30地坪，工字钢间距300 mm，桥面地坪厚度500 mm，架设的工字钢上下须铺设ϕ6金属网，金属网与工字钢用14号铁丝绑扎连接。风桥模板拆除后，对两侧墙及风桥底面、以及与大巷接茬部位喷C20砼，厚度100 mm。

2.2 优化后风桥支护技术

北一进风巷与1006辅助运输通风通道交岔点及前后1 m范围采用U29钢棚混凝土加强支护。架棚前，先采用人工刷帮、挑顶、锚网支护的方式扩充断面，扩刷厚度200 mm，锚杆间排距800 mm×800 mm，菱形布置，全断面挂ϕ6金属网，网孔100 mm×100 mm；U29钢棚架设排距500 mm，须采用半圆木将帮顶背实，喷C20砼，厚度200 mm。

2.3 支护优化强度校核

由于采用综掘机在锚杆+U29钢棚混凝土加强支护上部1.5 m处施工，为确保施工安全，建立力学模型分析。

2.3.1 围岩应力分析1）按照掘进留底高度计算顶部围岩压力。计算公式如下：

式中：p为围岩压力；r为围岩容重，砂岩取2.5 k N/m3；h为留底围岩高度，1.5 m。

代入数值计算得出：p=0.003 75 MPa

2）按照公路隧道设计细则计算顶部围岩压力.

计算公式如下：

式中：p为围岩压力；h为留底围岩高度；r为围岩重度，按4级围岩取值，取2.5 k N/m3；s为围岩级别，取4；w为宽度影响系数；B为巷道宽度，根据尺寸选取5.4 m。

i_B＞5时取0.1，B＜5时取0.2

代入数值计算得出：p=0.009 36 MPa

3）水平均布松动压力。

4级围岩，水平均布松动压力按（0.1～0.3）p计算：

取岩石最大压力0.009 36 MPa。

2.3.2 U型钢棚支护参数校核

U钢棚采用3节式，受力计算简图如图4所示；依据结构的对称性，取钢棚的一半进行校核。计算荷载单位荷载集度q1=1 N/m时，取q2=0.3 N/m，利用结构力学计算对称结构受力情况。

基本结构在外载荷作用下，截面i处产生的弯矩、轴力计算公式如下:

式中：M0ip、N0ip为分别为基本结构在外载荷作用下，截面i处产生的弯矩、轴力；α为截面i与竖直线的夹角。

由此可以确定钢棚内的最大弯矩Mmax和最大弯矩截面上的轴力N。

单位载荷集度下，钢棚内的最大应力计算公式如下：

式中：F为支架型钢横截面积，U29型钢取36.92 cm2；W x为截面抵抗矩，U29型钢，取92.3 cm3。

由此可以确定钢棚内的最大应力σmax。

图2 U钢棚受力计算简图

U型钢棚危险截面的表面应力达到屈服极限时载荷集度计算公式：

式中：α为载荷集度增大系数；σs为屈服极限，U29型钢，400 MPa；

U29型钢棚总的承载能力计算公式如下：

由以上公式，可以求得U29钢棚的承载能力为p=85.7 k N,查采矿工程设计手册，可知U29钢棚步距选择500 mm。

2.3.3 锚网喷支护参数校核

锚杆提供的支护强度：

锚杆采用ϕ20左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距800 mm×800 mm，杆体弹性模量210 000 MPa,锚杆支护强度为0.24 MPa。

锚杆钢棚混凝土支护承载能力325.7 k N，远大于围岩压力9.36 k N，即采用U29钢棚混凝土支护可满足支护需要，但考虑到综掘机在风桥上方1.5 m处掘进，风桥底部还需采用工字钢木垛结构进行临时支护确保施工安全。

优化前后的风桥施工工艺图见图3、图4。

图3 优化前风桥施工工艺图

图4 优化后风桥施工工艺图

3 支护工序

1）施工前采用人工刷帮、挑顶的方式扩充风桥下北一进风巷断面。

2）采用锚网支护风桥。

3）采用U29工字钢支护风桥。

4）采用喷砼支护风桥。

5）采用工字钢配合木垛对风桥进行临时支护。

6）综掘机留底1.5 m通过风桥上方掘进。

7）掘进完成退出综掘机，拆除临时支护。

4 结论

1）根据理论验算，得出了U型钢承载力和步距，为U型钢封闭结构风桥支护研究供了技术参数依据。

2）风桥支护采用U型钢封闭结构后，不再需要浇筑钢筋混凝土侧墙和11号工字钢混凝土桥面；工序简单方便施工、施工工期短，每座风桥施工费用仅10万元，每座风桥节约施工工期2天，有效地降低了职工的劳动强度。

3）风桥支护采用U型钢封闭结构后，该支护结构能够适应机掘机头硐室和专用通风通道的施工，符合黄陵矿业公司快速掘进的要求。

4）该结构在使用过程中未出现任何顶板隐患，可以推广使用。