礦用工字鋼在井下過橋的力學(xué)分析與應(yīng)用

張 超

（山西寧武榆樹坡煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

在煤礦掘進施工中，對于跨主運輸皮帶施工巷道，依然多數(shù)采用傳統(tǒng)的過橋方式，過橋采用兩側(cè)混凝土澆筑橋墩，上鋪設(shè)礦用工字鋼。橋上作為掘進巷道主要運輸通道，承重能力、穩(wěn)定性特別重要。通過研究礦用工字鋼橋梁受力狀況，進行工作載荷、破壞載荷、最大彎曲下沉值分析計算，對11#礦用工字鋼作為過橋橋梁有重要意義。

1 礦用工字鋼的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)

常用的礦用工字鋼有9#、11#、12#，材質(zhì)有16Mn、20MnK、Q275等，其主要尺寸參數(shù)、截面參數(shù)和力學(xué)性能見表1，截面見圖1。

表1 礦用工字鋼尺寸規(guī)格、截面參數(shù)、力學(xué)性能

2 礦用工字鋼過橋梁的力學(xué)模型

兩端混凝土澆筑橋墩，中間鋪設(shè)礦用工字鋼。礦工鋼橋梁符合工程力學(xué)中的簡支梁條件，兩端提供豎向約束，主要承受正彎矩。受力狀況為集中載荷類型，采用受集中載荷的簡支梁進行受力分析。

礦工鋼橋梁的破壞機理是由于梁上彎曲力矩達到極限后，產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力超過材料的抗拉強度，從而導(dǎo)致梁變形、破壞從而失去承載力。

圖1 礦用工字鋼截面

3 載荷計算

3.1 梁的最大彎矩計算

將礦工鋼橋梁簡化為力學(xué)模型并進行力學(xué)分析，當(dāng)集中載荷在梁的中點截面處彎矩最大，如圖2。

圖2 受力分析圖

式中：

L-礦用工字鋼凈跨長度，m；

P-集中載荷，N；

M-彎矩，N·m。

3.2 梁受到最大拉應(yīng)力計算

圖3 截面應(yīng)力分布圖

根據(jù)工程力學(xué)知識，彎矩最大的截面為危險截面，最大正應(yīng)力位于最大彎矩所在截面上距中性軸最遠的地方。如圖3，在梁的中點處截面上，沿中性軸上側(cè)工字鋼受壓應(yīng)力，下側(cè)受拉應(yīng)力，當(dāng)所受拉應(yīng)力大于工字鋼抗拉強度時，工字鋼下側(cè)便被破壞。

最大正應(yīng)力計算公式為：

式中：

Mmax-梁受到的最大彎矩，N·m；

Wz-梁橫截面抗彎截面模量，m3；

σmax-最大正應(yīng)力，Pa。

3.3 工字鋼梁受到的壓力計算

將（1）式帶入（2）式得

3.4 工字鋼梁受壓力后最大彎曲下沉值計算

根據(jù)受集中載荷的簡支梁撓曲線方程，梁的最大撓度發(fā)生在梁的中點，可得到：

式中：

fmax-工字鋼梁中間位置最大下沉值，mm；

E- 彈性模量，200～208GPa；

I-工字鋼梁截面軸慣性矩，m4。

4 實際應(yīng)用

榆樹坡公司皮帶巷凈寬5m。為跨皮帶巷主運輸皮帶掘進運輸，在皮帶兩側(cè)混凝土澆筑橋墩基礎(chǔ)寬1m，長5m，高度待定，兩橋墩間凈寬3m，11#礦用工字鋼梁做橋梁，長度5m，兩側(cè)橋墩各搭1m，凈跨長度3m。

4.1 工作載荷和破壞載荷計算

當(dāng)σmax=σs時，每根礦工鋼工作載荷即每根礦工鋼正常工作承受集中載荷質(zhì)量最大為5.3t；

當(dāng)σmax=σb時，每根礦工鋼工作載荷即每根礦工鋼遭受破壞時承受集中載荷質(zhì)量最小為7.7t。則3m長礦用工字鋼的破壞載荷為5.3t。

4.2 最大彎曲下沉量計算

當(dāng)P=53.676kN時，

4.3 理論計算

每根礦用工字鋼凈跨3m，自重0.0783t，比較于每根礦用工字鋼工作載荷5.3t，可以忽略不計。

1.2m皮帶皮帶架高度0.8m，梁正常工作最大下沉量24.2mm，考慮皮帶上堆煤高度以及梁彎曲變形，則橋墩高度設(shè)計要高于1m，綜合考慮過橋下行人問題，榆樹坡公司確定橋墩高度2m。

橋墩上并排布置11#礦用工字鋼，每根寬度9cm，5m寬橋面可以布置55根，為保證重量平均分布，在縱梁上每隔0.4m（支架搬運車輪胎高度1.5m，輪胎接觸地面長度0.5m）橫向布置一根5m長11#礦工鋼，并在縱梁上澆筑混凝土，澆筑厚度20cm，完全覆蓋上部橫梁。

理論上該橋梁正常工作，安全系數(shù)取0.5可承受重量55×5.3t×0.5=145.75t。可根據(jù)實際運輸重量通過計算反推出橋面工字鋼鋪設(shè)數(shù)量及密度。

5 實踐效果

榆樹坡公司采用三一重型裝備有限公司生產(chǎn)的EBZ160型綜掘機，重量45t。綜掘機經(jīng)過過橋進行掘進，橋梁無顯著變形。

該工作面進行支架安裝時，WC55Y支架搬運車自重32t，Y8000/26/56型掩護式液壓支架重量33.11t，搬運時合計重量65.11t，經(jīng)過過橋時，橋梁無顯著變形。

經(jīng)實際驗證，跨皮帶工字鋼橋梁完全能夠滿足井下正常運輸要求，并且工字鋼梁能夠回收利用，其構(gòu)造簡單，架設(shè)方便，結(jié)構(gòu)內(nèi)力不受地基變形、溫度改變的影響，可解決井下巷道交叉處跨固定皮帶輔助運輸?shù)男枨蟆?/p>