掘进工作面临时支护管理标准

掘进工作面临时支护管理标准

一、临时支护形式：

1、金属前探梁:

巷道断面净宽4000mm以下的使用3根前探梁，净宽4000mm 及其以上的使用4根前探梁（扩帮不在此列）。金属前探梁使用直径φ54mm（即2吋）无缝钢管制成，长度4000mm，壁厚不小于4.0mm；背木使用长度1600mm、厚度不小于50m和宽度不小于100mm的实木；吊环采用厚8mm的钢板弯曲而成，上焊M20螺帽，将螺帽与前探梁中心错开60mm的距离，下部为可以上下调动的螺栓。前探梁临时支护最大控顶距离为2000mm，最小控顶距离均为400mm，严禁人员在空顶下作业。

2、轻型单体支柱：

采用DWB28-30/100轻型单体支柱（2500mm或2800mm）配合3400m长或3600mm长π型梁架棚进行支护，沿巷道倾向布置，使用一梁二柱，排距800mm，单体支柱与巷道高、低帮距离均为500mm，巷道低帮使用2500mm长单体支柱，巷道高帮使用2800mm长单体支柱。单体为内注式，压力介质为矿静压水，迎头压力水压力必须达到2.0MPa以上。顶板破碎时在π型梁上方用圆木、半圆木或背板背紧刹紧。使用单体柱临时支护时最大控顶距离为2600mm，最小控顶距离为400mm，严禁人员在空顶下作业。

3、弧形前探梁：

采用弧形金属前探梁支护, 弧形前探梁弧长为2500mm，宽度为1200mm或800mm，弧形前探梁伞柱采用Φ40mm无缝钢管加工，伞缘及撑杆采用Φ25.4mm镀锌钢管加工，支腿采用Φ80mm无缝钢管模仿耙矸机支腿制作。采用弧型前探梁临时支护时，最大控顶距离1600mm，最小控顶距离400mm。

4、带帽点柱：

煤(半煤岩)巷跨度≤2400mm时打一排，跨度>2400mm时打两排，跨度＞3200mm打三排，打多排点柱时排距800mm；岩石巷道跨度≤2600mm时打一排，跨度>2600mm时打两排，跨度＞3600mm打三排，打多排点柱时排距800mm。点柱选用直径不小于150mm的圆松木或轻型单体支柱，点柱上要戴帽(帽规格500×200×50mm的优质木料)，并用木楔楔紧。点柱要打设及时，并打在实底上，无法打在实底上要垫木料或枕木。使用轻型单体支柱时，水压必须达到2.0MPa。

二、临时支护理论计算：

(一)金属前探梁：

1、顶梁计算

掘进工作面空顶范围的顶压，可根据松散介质理论计算：

2

=??

P k f aγ

()

式中:P—顶压，kN/m；

f—冒落拱范围内顶板岩石硬度系数，f值取4；

k—顶压系数，中硬岩取k=4/3；

a—巷道跨度之半，a=1.8m；

γ—冒落范围内顶板岩石密度，取γ=22kN/m3。

代入上式计算的：

P=23.8kN/m

2、前探梁承受载荷计算

由于掘进工作面一般使用3根金属前探梁，则每根前探梁所承受的载荷为P/3，即7.9kN/m3，掘进工作面的最大空顶距离b为2.0m，每根前探梁上的线载荷

q=(P/3)×b=(23.8/3)×2.0=15.9kN

3、前探梁强度计算

前探梁的力学模型简化为悬臂梁，可计算出前探梁的最大弯矩

M=（q/2）×b=15.9/2×2.0=15.9kN ·m

前探梁承受的最大应力为：

M W σ=

其中W 为前探梁的抗弯模量，经计算W=8.9×10-6m 3

6615.9/(8.910) 1.7810Pa M W σ-==?=?

而前探梁梁体的许用应力[σ]=2.4×106Pa ，所以前探梁的强度满足要求。

（二）轻型单体支柱：

在松散岩体介质及中硬以下岩石，以及小跨度地下巷道（跨度一般小于6m ），可以利用M.M.普罗托奇雅可诺夫的抛物形压力拱理论估计冒落带高度：

当f ≥4时，H=B/2f=4.0/(2×4)= 0.50m

式中 H ——冒落带高度，m ；

B ——巷道掘进宽度，取4.0m ；

f ——岩石坚固性系数，施工的直接顶为砂岩，取4。 单体支柱需要支撑的岩石重力为：

R max =ρ×g ×L ×S ×H=2.2×103×9.8×0.8×3.6×0.50=31.0 kN 式中：

ρ——顶板冒落带范围内岩石密度，取2.2×103kg/m 3； g ——重力加速度，取9.8 N/kg ；

L ——临时支护排距，取0.8m ；

S ——π型梁长度，取3.6m ；

H ——冒落带高度，取0.50m 。

轻型单体支柱的初撑力（指压强）为：

P ≥P max =R max /[2×π×（d/2）2]=31.0/[2×3.14×（0.1/2）2]=1.97MPa

式中：

2——在π型梁上打设2根单体支柱；

d ——单体支柱柱体的直径，取100mm=0.1m 。

考虑一定富裕量，要求煤巷掘进工作面使用轻型单体柱作为临时支护时，轻型单体柱供液压力不小于2.0MPa 。

（三）弧形前探梁

静力学计算分析，简单的中心加载方式。

材料尺寸及性能参数：

①、②、③和④四根无缝钢管采用内径Φ51mm ，壁厚8mm ，即外径Φ67mm ，丝杠⑥最小内径Φ52mm ，丝杠对应的外部连接钢管⑤外径Φ80mm ，内径Φ60mm 以上钢管材料均选用27SiMn 高强度无缝钢管，材料属性：

弹性模量210GPa b σ=，抗拉强度MPa 1020=b σ，屈服点MPa 850=s σ。

丝杠材料为40Cr 等合金结构钢，屈服极限MPa 785=s σ。

具体结构如图1所示

图1弧形前探梁结构图

因为该前探梁主要起临时支护作用，忽略动态特性，在不考虑偏

载的情况下，直接简化为轴向受载的静力学分析，通过对图1所示的结构图分析可以知道，在存轴向载荷作用下工作时主要存在以下两个薄弱环节：钢管③截面处和钢管⑤截面处。

1、直接受压计算：

钢管③截面处强度校核：

在载荷F 作用下，该处截面压应力

)

051.0067.0(4)(422223-=-==ππσF d D F A F 安全系数 σ

σs n = MPa 850=s σ 当n=3时， 22(0.0670.051)420.14kN 4s

F n πσ-==

钢管⑤截面处强度校核：

在载荷F 作用下，该处截面压应力

)

06.008.0(4)(422225-=-==ππσF d D F A F 安全系数 σσs n =

MPa 850=s σ 当n=3时，22(0.080.06)623.08kN 4s

F n πσ-==

2、轴心载荷稳定性计算

为安全起见，把前探梁简化为只有钢管③和钢管⑤承受轴向载荷，即形成一个变截面压杆稳定性问题，来求解该简化模形的临界载荷，如图2 所示：

这里

m mm L 9.09001==

m mm L 06.0602==

3757400 1.157L m =+=

1e 、2e 为偏载距离，这里取为021==e e

（1）根据力学原理，可建立如下平衡微分方程，即

i i i i i F dx d J E ωω=22（3~1=i ）

式中

i E —立柱第i 段弹性模量； i J —立柱第i 段惯性矩； i ω—立柱第i 段挠度。

解微分方程，可得方程通解，即

挠度 i i i i i i i x k y x k y sin cos 212+=-ω

转角 )cos sin (212i i i i i i i i

i x k y x k y k dx d --=-ω 弯矩 i i F M ω=

其中 i i i J E F k /=。

图2变截面压杆稳定结构简图

1L

2L

3L

（2）边界条件

根据立柱计算模形，可得如下边界条件为

?????????????================2

30

332

2032102211021101333223222112111||||||||||e dx d dx d dx d dx d e l x x l x x l x x l x x l x x ωωωωωωωωωω 令：i i i S l k =sin ，i i i C l k =cos

可得如下方程组（以矩阵方式表达），即

B AY =

[]654321y y y y y y T =Y

[]21

0000e e T =B

式中 ?????????

???????????------=3332222222111111

01011S C k C k S k S C k C k S k S C A 求解方程组，可得到参数1y 、2y 、3y ．．．6y ，再代入方程，就可

得到以F 、J 、E 、l 、α、e 为参变量的立柱各点的挠度、转角、弯矩。

（3）立柱稳定性校核

对于线性方程组，利用克莱姆法则，可求得挠度待定系数，即

A D /i i y =

其中，i D 为矩阵A 中第i 列被矩阵B 所代替而形成的矩阵行列式。

在式中，i y 的大小决定着挠度的大小。当∞→i y ，即0=A 时，挠度ω也趋向于∞，则立柱失稳，而对于给定立柱断面和高度时，i D 为一定值，因而0=A 为立柱失稳的必要条件。由式可知，0=A 即

032122132322313132121=-++S S S k S C C k k S C C k k S C C k k

该式为一超越方程，可用牛顿迭代法解此方程，求得给定立柱断面和立柱高度的临界载荷。

这里通过matlab 求解得出max 1344F kN =，即在该力作用下简化的模形已经处于任意变形状态，所以，安全作用力应该为：

max max 2685

F F F kN n ≤== 三、临时支护施工工艺：

（一）金属前探梁（以使用三根前探梁为例）：

1、工作面每次放炮或割完煤后，安排设专人（至少2人，1人照灯观察、1人工作）站在已支护好的顶板下使用长度不小于2500mm 的专用工具进行敲帮问顶，将工作面活矸危石找净，确认安全后，进行前探梁临时支护工作。

2、连网工站在永久支护下，将续接的平焊铁丝网与迎头永久支护的顶网用铁丝临时固定（固定2～3道即可，搭接长度不小于100mm ），续接的顶网之间要用一块顶网连成整体。

3、架设前探梁需要四人，其中三人架设，一个监护，架设前探梁人员必须由跟班队长或班长指定的有经验的老工人来完成。监护人