简析桁架煤矿顺槽组合托板钢带桁架结构网

摘要：针对煤矿顺槽锚网体系中的托梁进行了力学特征描述。研究显示托梁的主要作用不是依靠承托而是补强顶板的岩体抗拉力来提高顶板稳定性。指出了一般托梁设计注重承托面大而忽视钢带托梁的抗撕拉能力的缺陷。新的组合托板托梁设计应充分考虑抗撕拉强度与锚杆（索）的强度配套和结构配套，以便托梁与锚杆锚索连接成为铰接而使得锚网体系形成桁架结构而充分发挥体系联合作用。
关键词：组合托盘；桁架支护；煤矿顺槽；连续托盘

0 引言
采矿效率的提高与很多因素有关，其中端头管理对采矿效率影响较大。上世纪两巷由棚式支护向锚杆支护转变的技术革命就使端头的支护工艺简化，在很大程度上提高的采矿的效益，已有十几年的实践验证。
如今，煤矿两巷支护已经完全推广了锚杆支护。虽然这种情况下的端头支护比起上世纪的棚式支护有了很多进步，但现有的端头超前支护还是用替棚。回采随采煤进度拆棚前移，进行重复的架替棚和撤棚工作。这样会造成工作占用生产人员多、充填材料多、劳动强度大和消耗费用高的大难题。
近年的研究表明，一定强度的锚网支护，尤其是采用一定强度的钢带可以仅仅使用单体柱支撑钢带而不使用铰接顶梁或背顶材料就能很好地保证安全回采。显著的成果是大大提高了采矿效益。因此，在煤矿顺槽支护方案完全确定的情况下深入研究锚网体系中的组件功能原理会大大改善锚网支护效果。

1 锚网梁结构简评

煤矿顺槽锚网梁支护都是由锚杆、锚索、网片、托梁和托盘等结构物组成。这个体系中，不同的煤矿使用的组件非常相近而且组成的锚网体系基本相同。可是我们可以通过采用不同形式的组件或改变其几何尺寸来达到不同的支护效果。改变这个支护系统中任一组件支护效果就会有很大的不同。

1.1 主体力学组件

(1)锚杆
锚杆是锚网支护的主体构件。锚杆的纵向约束力能够改变地层的力学性能而起到支护治本的作用。一些井巷工程支护设计只采用锚杆就可以使地下结构稳定。虽然锚杆都是由杆体、锚固剂、托盘和螺母组成套件，但锚杆套件中的每一种构件对锚杆的效果都有非常大的影响。
(2)锚索
锚索具有锚杆无法比拟的高预应力而能够使得岩土体得到有效加固获得良好的工程效果。虽然锚索的组成只是由钢绞线、锚固剂和托盘组成。但锚索结构和张拉机具对锚索的效果影响很大。

1.2 辅助力学组件

一系列研究表明托梁在锚网支护体系中能使锚杆发挥群锚效应，而且制造成大面积托梁又能够对破碎围岩顶板起到良好的承托作用。
目前国内外在顺槽支护中主要使用的平钢带、W型钢带和M型钢带，都是以大面积承托作为基本设计理念。这类钢带虽然具有较大断面的承托，但抗撕拉能力很差。

1.3 护表组件

网片在支护体系中的力学作用不明显。大多数情况下只是起到兜起破碎岩块的护表作用。
在锚网体系中就顶板承托结构物来说，无论是W钢带、M钢带或其他结构凹凸型钢带还是组合托板桁架托梁钢带，在锚网结构中这些承托结构物的位置关系完全相同。而实际上，尽管其使用方式相同，但由于每种托梁设计结构的几何差别，实质上有着很大的力学差距。

2 锚

源于：论文的写法www.udooo.com

网体系力学剖析

2.1 锚杆力学行为

锚杆是一个细长杆件，在锚网体系中属于拉力杆件。锚杆位于岩土体中主要受到岩土体的应力变化形成的变形能。这种岩体的变形能由地应力和其工程特征所决定。另一方面，锚杆在岩体中锚固段较长，能与岩体形成一体，也具有一定的抗剪作用。
在锚网体系中，锚杆与托梁联合可以形成群锚效应，更进一步会形成桁架作用。因此，锚杆的设计以抗拉为主。

2.2 托梁力学作用

按照巷道顶板钢带的理论原理来说，巷道顶板一定深度在应力平衡中主要是由于水平拉应力作用而破坏。而岩石的抗拉强度比抗压强度低十数倍。因此，在锚网系统中的巷道顶板上配一个钢带的主要作用是克服岩土体抗拉强度低的弱点，次要功能是承托。见图1。
而过去最早期出现的W型和M型等钢带由于其设计是以承托和抗弯为基本出发点，因此，设计锚网梁结构中的W带梁上的锚杆孔位具有较大的活动空间，能适应锚杆施工时较大的孔位误差。托梁开孔位置强度大大削弱，在使用过程中发现很多情况下撕裂或拉断，经常不能满足实际工程需要，尤其不能很好的适应破碎围岩高应力地层。实际工程中，在工程极限情况下存在安全隐患。
图1 锚网结构组件力学特点

2.4 锚网结构中托梁力学模型

如图2组合托板托梁与W钢带的力学模型所示，在相同锚网支护结构的情况下，如果仅是托梁的差别就有以下两种力学简化模型，见图2A。连续托梁与锚杆或锚索的设计采用铰接而组成桁架结构，这种支护结构具有较为优秀的力学稳定性。而图2B的W钢带或梯子梁之类的托梁结构的设计，都为了锚杆安装的方便性而把锚杆孔位设计成大孔径或长条孔，这就使得托梁只起到承托作用，而无法起到加强岩梁底部薄弱部位的抗拉能力的作用。这与使用托梁的力学原理不相符。
图2 组合托板托梁与W钢带的力学模型

2.5 钢带托梁对顶板补强作用

连续托盘强力托梁的桁架作用中的横向抗拉力对顶板的水平应力的补强作用可以力学参数表示为下式：
式中——钢带的抗撕拉强度，Mpa；
——锚杆排距，m；
——钢带对顶板加强深度，m；
——顶板岩体抗拉强度，Mpa。
从上式可以计算出一般煤层顶板的影响深度为：
这意味着一根钢带托梁的力学补强作用可以使大约580mm厚度的顶板强度提高一倍。
当然，如果考虑桁架的整体作用，以托梁的破断力来计算的话，一根托梁对顶板的加固范围会达到：
钢带托梁在锚网体系中的更广泛的作用，还应该用数值分析方法进一步证明。

3 钢带托梁设计要点

针对锚网结构中广泛应用的托梁不能及时承载巷道顶部水平拉力和极限情况下承载力很低的情况。在锚网系统中将钢带锚杆及其附件的设计按照图2A的形式设计。这样就会将普通锚网梁支护变成普通桁架结构锚网梁结构，使得锚网体系的力学特性改变，可以大大改善围岩稳定性。
国外在复杂地层多采用预应力桁架结构。但这种预应力桁架结构需要一些专用部件。其中就有一个水平杆件在工作过程中具有非常高的拉力来克服顶板水平拉应力。
普通桁架锚网梁结构是通过将每根锚杆的托盘连续制造形成一体起到桁架支护作用。这种组合托盘形式的钢带具有一定强度的抗撕拉力和抗弯能力。设计的锚杆孔与锚杆的垫片螺母必须相匹配，锚杆杆件与组合托盘之间由球形垫片连接形成铰接，从而使得整个结构成为一个桁架结构。这种托梁结构的细小几何变化就会使其力学特征完全发生变化。也就是说，托梁结构的变化使得常规锚网梁结构变化为桁架结构，大大提高了锚网结构力学性能。连续托盘和一般托梁的力学模型见图2。
要实现上述价值，设计中必须注意以下关键点：①钢带托梁的开孔与锚杆要有较好的配合性，也就是钢带托梁的开口与锚杆螺母垫片必须形成铰接；②钢带托梁必须具有一定的抗撕裂强度和一定的抗拉强度。抗撕裂强度必须满足锚杆端部与钢带接触铰接点的抗撕裂强度与锚杆抗剪强度和钢带抗拉强度耦合配套。
以下给出几种设计参考断面
图3 组合托盘钢带断面

4 工程特点

国外广泛采用的预应力桁架结构虽然具有较强的控制顶板的能力，能够给顶板施加一定的预应力来改变顶板的应力状态达到支护目的。但与连续托盘钢带比起来，预应力桁架结构组件制造复杂，施工麻烦而且成本要高出很多倍。