多边形巷道棚子及弧面定角梁_20260527204753

多边形巷道棚子及弧面定角梁 在煤层及松软岩体巷道中，棚式支护（尤以U型钢棚子为主）仍是可靠性较高的巷道 支护方式，持续优化棚子支护结构、提升支护效果，对井下安全生产具有重要现实意 义。本文分析现有巷道棚子存在的技术问题，并针对性提出优化改进方案，介绍新型 定角梁结构及多边形棚子支护技术。 1现有棚子存在的问题 1.1抗压特性与岩体应力状态适配性差 井工煤矿开采深度不断增加，巷道围岩强度偏低，且处于复杂三向应力状态。此类地 质条件下的巷道支护结构，需全面覆盖巷道开凿表面，同时快速施加有效支护力。现 有棚子支护设计以松散体、岩体块体自重为核心依据，沿用地面荷载支撑设计理念， 与井下围岩压力作用规律相悖，导致巷道围岩长期处于应力松弛、流变状态，无法有 效管控三向围岩应力，围岩变形隐患突出。 1.2构件笨重，施工运输难度大 现有支护棚子构件尺寸长、自重偏大，型钢选型普遍偏大，极大增加井下运输难度； 棚子架设完全依靠人工抬运、拼装，施工劳动强度大、作业风险高；同时巷道后期维 护、支架检修拆装流程繁琐，运维成本较高。 1.3构件受力不合理，变形损坏严重 井下巷道围岩受力复杂，现有棚子受力体系杂乱，构件主要承受弯矩作用，极易发生 屈曲变形，构件折损率高，大幅缩短支护棚子使用寿命，影响巷道支护稳定性。 1.4构件标准化程度低，断面适配性差 目前市面棚子构件规格杂乱，无统一标准化设计，无法根据巷道开采需求灵活调整支 护断面尺寸，适配性较差，难以满足不同地质、不同用途巷道的支护要求。 2优化解决方案：多边封闭铰接式棚子 针对现有棚子存在的各类问题，本文推荐采用多边、封闭、铰接结构棚子。该棚子整 体为多边形结构，由1~2种不同长度的梁体构件铰接拼装而成，可形成封闭式多边形 桁架平面结构，核心技术特点如下： 2.1外形适配围岩应力，可调性强 多边形支架外形贴合巷道周边应力分布规律，支护反力分配合理，围岩压力均匀分 布；同时可根据巷道用途、断面大小灵活调整棚子形状与尺寸，适配各类井下巷道施 工场景。 2.2封闭断面支护，围岩稳定性优异 封闭式断面可全覆盖巷道开凿暴露面，减少应力集中、缓解应力分布不均问题；封闭 结构能够最大化提升支架整体支护强度，充分挖掘支护构件承载潜力。支护完成后， 巷道周边围岩可形成压应力环，有效抑制围岩松动流变，巷道稳定效果远优于非封闭 式棚子。 若棚体之间设置可靠牵拉结构，单个棚子可组合为稳定的空间支护结构体。完全封闭 的结构形式，可充分利用围岩自然支撑力，合理优化顶柱等加强支护构件，降低支护 成本；而非封闭式棚子存在支护盲区，加强支护施工易破坏围岩结构，加剧岩体松 弛，不利于巷道长期维护。 2.3构件短小轻便，施工操作便捷 该棚子采用短梁构件，梁体压力沿长度方向分布均匀，受力形式近似简支梁，弯矩作 用力小，可大幅降低构件折损概率。同时构件长度短、自重轻，便于井下转运、人工 架设，降低施工难度。 2.4铰接节点简化受力，承载性能优良 构件采用铰接连接方式，节点受力简单清晰，梁体主要承受轴向压力，规避传统棚子 受弯变形的弊端，优化支架整体受力体系，提升结构承载稳定性。 2.5构件标准化，控制施工成本 棚子构件种类少、通用性强，可根据支护需求拼装成不同形状、不同断面的支护支 架，易于实现构件标准化量产，降低巷道支护施工、运维综合成本。 3棚子构件专项设计 多边封闭铰接式巷道棚子的基础构件，可选用采煤工作面现有单体支护金属顶梁。该 类顶梁长度、重量适配井下施工条件，具备铰接连接、抗弯强度高、稳定性好等优 势。但传统金属顶梁存在固定缺陷：支护施工中，梁体间定角（悬臂）结构不合理， 多根梁体间更难以维持设定夹角，无法形成稳定受力结构。因此，解决铰接梁定角限 位、防止转动，是优化构件性能的核心要点。 3.1弧面板定角金属梁 传统金属顶梁的悬臂定角方式不适用于巷道整体支护，但其铰接结构具备定角优化潜 力：铰接圆锥销插入过程中，加接梁可自由转动，且转动半径逐步增大，锁定半径即 可实现梁体定角限位。基于此原理，在铰接头两侧板的大接头端部，焊接螺旋线弧面 板，替代原有平面加劲板，实现梁体单向转动、精准定角。 优化设计需满足两项技术要求：一是加接梁转角范围与圆锥销进销行程匹配；二是大 接头与定角弧面板内切接触半径，小于螺旋线最小极径。图1为改进后的金属梁铰接 简图，图中A是已有（固定）梁，B是加接梁，当B梁定角在弧面板所限定的角度范 围的任一位置，打击圆锥销使加接梁的大接头定角接触端与定角板弧面内切接触并不 能作反时针转动而定角。 弧面板定角金属梁保留原有顶梁基础结构，零部件、加工工艺通用性强，无需大幅改 造即可投产。同时该结构可优化选材，巷道专用梁体可采用性价比更高的矿用工字 钢，进一步控制生产成本。 图1 3.2可侧穿定角梁 为进一步提升棚体整体稳定性，特推荐十字弧面板定角金属梁结构。该结构由两根定 角梁十字交叉构成，两梁不同之处主要是在梁身。图2是可侧穿定角梁简图，梁身由 上下两钢板构成，并构成侧向穿梁孔，弧面板定角金属梁穿孔与可侧穿定角梁相交而 构成十字梁。 该十字梁结构简单，解决了现用十字梁重量大，搬运难，操作不便的大问题，为十字 梁的广泛使用创造了条件。 图2 3.3定角梁多边形棚子结构及架设工艺 定角梁为棚子基础构件，单组梁体拼装形成平面支护支架，搭配可侧穿定角梁完成棚 间牵拉，组合为立体空间支护结构。十字梁主要设在棚顶，一般2到3根，其它处可 根据巷道稳定状况确定。十字梁亦是即时（超前）支护结构。图3为一十边形定角梁 棚子，棚顶设三根十字定角梁。当然底板稳定也可采用不完全棚子。 棚子标准化架设流程：巷道围岩开挖完成后，优先安装十字梁实现即时护顶，再自上 而下逐段拼接侧向梁体，完成整体支护。 图3 4现有金属顶梁改造方案 目前采煤工作面单体支护金属铰接顶梁使用量逐年减少，矿井存量较大。为盘活存量 资源、降低改造成本，可将传统金属顶梁改造为弧面板定角梁，改造工艺简单、适配 场景更广。具体改造方式分为两类： 4.1螺旋线弧面板定角梁改造 在顶梁大接头端部焊接短钢筋，钢筋与圆锥销轴线保持平行，构成定角接触头，且钢 筋半径小于定角弧面半径，保证内切贴合效果；再于铰接头两侧板之间，焊接适配规 格的螺旋线定角弧面板，完成改造。 4.2圆弧面定角梁改造 在铰接头两侧板之间，焊接圆弧面定角板，定角板半径与大接头端部半径一致，且轴 心线间距略小于大接头端半径。敲击圆锥销后，大接头端部与定角板圆弧面贴合摩 擦，实现定角限位。该结构摩擦力有限，但巷道支护施工中，棚体后期稳定性主要依 靠围岩约束，梁间定角承载力满足施工要求。 5技术总结与应用展望 5.1技术优势总结 1.定角梁性能优异：相较于传统金属顶梁，弧面板定角梁结构简洁、定角便捷，施 工安全性高、操作简便、适用范围广；可侧穿定角梁简化十字支护结构，推动十字支 护结构普及应用。 2.改造成本低廉：现有废旧金属顶梁可直接改造为弧面板定角梁，改造工艺简单， 盘活存量物资，经济性突出。 3.棚体综合性能强：多边封闭铰接式定角梁棚子受力合理、结构稳定、承载强度 高，具备超前即时支护功能；施工操作简单，适配机械化作业，后期拆装回收便捷。 棚体无整体可缩性，但梁体夹角可微量变动，搭配微增阻螺旋弧面结构，可实现围岩 应力转移，优化应力分布。同时棚子检修、构件回收处理难度低，推广价值极高。 4.施工安全性升级：新型棚子彻底解决传统架棚施工难度大、作业风险高的痛点， 实现即时支护，优化施工流程，为井下作业提供安全保障，是棚式支护技术的重要进 步。 5.2应用范围展望 两款定角梁组成的支护结构，不仅适用于各类煤矿巷道，还可推广至其他地下工程支 护场景。应用于急倾斜煤层柔性掩护支架采煤法时，可有效解决支架变坡、调宽难 题；若统一将定角梁规格控制为1~3种，可满足矿井全场景支护需求。综上，弧面板 定角梁有望成为地下工程通用型标准化支护构件，具备广阔的行业应用前景。 备注：弧面板定角梁已申请专利，专利申请号：201922119345.X；可转发、行业交流 讨论。 联系方式：13677999098@139.com 作者：彭荫宗 日期：2026年05月15日于白源 作者简介：彭荫宗，1938年生，1962年毕业于重庆大学，退休前任职于萍乡矿务 局，长期从事矿山支护技术研究...