U型支架承载能力及其优化分析.pdf

602017 年第 6 期 收稿日期 2017-03-14 作者简介 翟慧东（1984-），男，山西河曲人，助理工程师，大 专学历，从事煤矿生产管理工作。 U 型支架承载能力及其优化分析 翟慧东 山西潞安集团余吾煤业有限责任公司，山西 长治 摘 要 本文对 U 型钢支架的承载能力进行了理论计算分析，建立了偏载支架理论模型，计算分析了单侧偏载支架的承 载性能，得出帮部、肩部、单侧整体偏载情况下，支架承载能力随着偏载程度的增加迅速下降，偏载载荷与均布载荷的比 值为 1.0-2.5 时，支架承载能力下降最快，比值超过 2.5 之后，下降速度开始平缓，但已经处于较低的承载水平；对支架承 载能力进行优化，使得支架承载能力得到改善，成功应用于工程实践，取得了良好的支护效果。 关键词 偏载 支架 承载 优化 中图分类号 TD322；TD353 文献标识码 A doi10.3969/j.issn.1005-2801.2017.06.026 Bearing Capacity Anslysis and Optimization of U-steel Shed with Offset Load Zhai Hui-dong Shanxi Luan Group Yuwu coal industry limited liability company, Shanxi Changzhi Abstract In this paper, the bearing capacity of U-shaped steel brackets is calculated and analyzed theoretically. The theoretical model of the partial load brackets is established, and the bearing capacity of the unilateral eccentric load brackets is calculated and calculated. , The bearing capacity of the stent decreases rapidly with the increase of the eccentric load. When the ratio of the eccentric load to the uni load is 1.0-2.5, the bearing capacity decreases with the ratio of more than 2.5, and the descending speed starts to be gentle, but it is already Low load level; to support the carrying capacity of the bracket, making the bearing capacity to be improved, successfully applied to engineering practice, and achieved good support effect. Key words offset loading support load-supporting optimization U 型钢支架参与的联合支护，是解决高压力软 碎围岩巷道支护难题的重要途径之一。侯朝炯根据 现场使用 U 型钢可缩性巷道支架的经验，对拱形、 梯形、封闭形等主要架型的承载能力、支撑效益、 支架主要参数进行了力学计算与分析，主要结论 为对称拱形支架的承载能力，对于均布载荷，以 内曲腿式最高；对于顶压大的载荷，以外曲腿式较 高；对于侧压大的载荷，以内曲腿式较高；对不同 载荷的适应性较强而且加工简便的是直腿式支架； 对于非对称载荷，对称拱架的承载能力均较低 [1]。 1 支架承载能力理论计算 朝炯教授对受均布荷载的直墙半圆拱支架进行 了内力计算分析，以校核强度选择支架型号。支架 受力分析如图 1 所示，将支架抽象为二铰拱模型进 行分析。根据其原理，可以在已知巷道断面尺寸及 支架型号的基础上反算支架所能承受的最大均布荷 载，进而计算其能提供的最大支护强度。 图 1 支架受力分析简图 如图 1 所示，半圆拱的半径为 r，直墙部分长 度为 t，bc 为拱梁，ab、df 为柱腿。梁、腿曲线段 的圆心角分别为 θ1、θ2，荷载集度为 q。 R、 N分别为a、 d支座处的水平反力和垂直反力， 其计算公式为 612017 年第 6 期 432 23 3223 36366 812486 qtrtr tr t R trtr tr Nqr ππ ππ      （1） 对于 U 型钢，其内部最大应力计算公式为 max max minu MT WA σ （2） 式中 Mmax-U 型钢上的弯矩极大值，Nm； T- 最大弯矩截面上的轴力，N； Wmin- 型钢截面对于非对称中性轴较小抗弯截面 模量，cm3； Au- 型钢的截面面积，cm2。 对于特定的型钢 Wx、Au及其强度 σs可以通过 查国家标准GB-T4697-2008 矿山巷道支护用 U 型 钢得到。 弯矩极大值 Mmax及最大弯矩截面上的轴力 T 在 直墙段和弯曲段计算方法不同，分别论述如下 1.1 ae、df 直墙段 弯矩极大值 M1max及最大弯矩截面上的轴力 T1 分别为 2 1max 1 2 R M q TNqr      （3） 代入式（2）得 2 max min 2 u Rqr qWA σ （4） 1.2 对于 ef 弯曲段 弯矩极大值 M2max及最大弯矩截面上的轴力 T2 分别为 2max 2 1 2 2 MR trqt tr TRq tr  −    −  （5） 代入式（2）得 max min 2 2 u R trqt trRq tr WA σ −− （6） 由式（4）和式（6）可以求得两个 q，取其中 最小值即为支架所能承受的最大均匀荷载。 2 单侧偏载支架承载能力分析 2.1 计算模型的建立 根据区域构造应力分析和走向断层对巷道影响 的数值计算可知，支架所受荷载的典型特征是单侧 偏载，即巷道左帮部分或全部荷载高于右帮。可以 采用图 2 所示计算简图分析单侧偏载情况下的支架 承载能力，及锁棚锚杆 索 在不同部位偏载、不 同偏载程度下对支架承载能力的改善效果。 分别对帮部偏载 q1＞ q2q3q4、肩部偏载 q2 ＞ q1q2q4 、拱顶偏载 q3＞ q1q2q4、单侧整 体偏载 q1q2q3＞ q4 四种典型情况进行分析， 偏载程度以偏载部位载荷集度与右侧载荷集度的 比值表示。锁棚锚杆 索 的作用可以简化为集 中力 F1、F2、F3，其中 F1为锁腿锚杆工作阻力， 值为 20kN，F2、F3均为锁棚锚索工作阻力，值为 40kN。 图 2 单侧偏载计算简图 采用类似均布载荷受力分析的方法可以对问题 进行求解，为了方便采用 ANSYS 软件进行非线性 塑性分析，其原理是建模时给支架各部分施加一 定比例的载荷，计算过程中荷载随荷载子步按照比 例逐渐施加，直至出现塑性变形，难以收敛，此时 整个支架承受的力即为其承载能力。 采用自定义不规则截面梁进行计算，截面形状、 截面参数、钢材力学参数参考GB-T4697-2008 矿 山巷道支护用热轧 U 型钢进行选取。 采用弹塑性材料模型双线性随动强化模型 BKIN，如图 3 所示，以两条直线段描述材料的应 力 - 应变关系，通过弹性模量、屈服应力和切线模 量定义应力应变关系曲线。材料参数弹性模量 200GPa，泊松比 0.3，屈服强度 335MPa。 图 3 双线性随动强化模型 BKIN 622017 年第 6 期 2.2 计算结果分析 在支架不同部位、不同偏载程度情况下，对其 承载能力进行计算，并与均布载荷情况下的承载能 力进行比较，结果如图 4 所示。 图 4 支架不同位置不同偏载程度承载能力曲线 由图 5 可以得到单侧偏载支架承载能力的如下 规律 （1）均布载荷情况下，整个支架的承载能力 Q 均 697kN，验证了模型建立的正确性； （2）帮部、肩部、单侧整体偏载情况下，支 架承载能力随着偏载程度的增加迅速下降，偏载载 荷与均布载荷的比值为 1.02.5 时，支架承载能力 下降最快，比值超过 2.5 之后，下降速度开始平缓， 但已经处于较低的承载水平； （3） 拱顶部分偏载荷载与均布荷载比值为 1.02.0 时，支架承载能力上升，载荷比值为 1.5、2.0 时，支架承载能力为 745kN、765kN，与均匀载荷 相比分别提高 6.8、9.8，说明支架承受顶部压力 的能力较强，拱顶一定程度的偏载有利于整体承载。 （4）与帮部和拱顶相比，肩角受偏载影响时 支架承载能力下降最快，肩角偏载载荷与均布载荷 的比值超过 2.5 以后，支架承载能力开始低于均匀 载荷时的 20，而帮部和拱顶在偏载载荷与均布载 荷的比值超过 2.5 以后承载能力维持在均布载荷时 的 3050，因此肩部偏载对于支架承载最为不利。 3 支架承载能力优化技术手段 提高 U 型钢棚腿的抗弯性能，对于减缓上述两 种变形，提高支架整体承载能力具有重要作用。 U型钢支架实际应用过程中出现大面积损坏时， 一般做法是增大型钢的型号，但支架的损坏部位通 常相似。可以采用局部抗弯性能改善的措施提高危 险部位的抗弯性能，进而达到不提高 U 型钢型号， 提高支架整体承载能力的目的。 局部提高棚腿抗弯性能最简便的方法是改 变棚腿截面形状，其中一种改变方式如图 5 所 示。在 29U 型钢的开口处焊接宽度 110mm，厚 度 5mm 的扁钢，将截面形状由槽形，改为封闭 的环形。标准 29U 型钢的三个抗弯截面模量分别 为Wx1106cm3、Wx2106cm3、Wy102cm3， 焊 接扁钢后三个抗弯截面模量变为Wx1117cm3、 Wx2132cm3、Wy102cm3，三者分别提高 11.3、 42.3、7.4。扁钢可以沿棚腿自底座至限位块全 部焊接，或者在有可能出现最大弯矩的部分焊接一 段。扁钢的宽度及厚度可以根据需要进行选择。 背板是 U 型钢支护的重要组成部分，可以防止 围岩冒落，有利于支架均匀承载，避免承受集中载 荷，增加承载能力。 为了提高钢筋网背板的刚度及强度，可以采用 扁钢进行加强。如图 6 所示，沿钢筋网长度方向上 焊接 13 道扁钢，扁钢规格为 505mm。使用过程 中，钢筋网背板正常铺设，通过 U 型钢棚压紧背板。 整个钢筋网的规格根据实际情况进行设计，应尽可 632017 年第 6 期 能保证搭接处被压在金属棚后。通过扁钢加强后， 钢筋网强度、刚度得到了明显提高，提高了护表面 积，特别适用于松软破碎、易于风化的围岩巷道， 能够有效防止围岩的挤出和漏冒。 图 5 焊接扁钢提高抗弯性能 4 工程实践 （1）对先期掘进的 350m 巷道变形破坏形式进 行了调研，此区域内巷道基本采用单独架 29U 型钢 进行支护，部分地段施工了锚索梁或单体锚索，结 果表明巷道呈现分区域非均匀性破坏。 （2）采用优化后的支架对顾北矿北一上山采 区轨道巷进行优化支护，支护方案为架棚 深孔 注浆 走向锚索梁。支护效果得到了明显改善，后 期巷道变形较小。适用于距离断层带较远，分层厚 度小，层理节理发育，岩性为砂质泥岩、泥岩、砂 泥岩互层等岩性较差的区域。 图 6 扁钢加强钢筋网背板 【参考文献】 ［1］ 侯朝炯 , 张树东 , 邹喜正 . 巷道可缩性金属支架主 要架型的研究 [J]. 中国矿业学院学报 , 1987211- 18. （上接第 59 页） 间距为 0.7m 的支护参数是合理可行的； （3）通过对巷道的工程数据监测，巷道整体 变形量较小，说明锚杆支护设计合理，围岩控制效 果较好。 【参考书目】 ［1］ 董方庭 . 巷道围岩松动圈支护理论及应用技术 [M]. 北京煤炭工业出版社，2000.12 ［2］ 董方庭，宋宏伟，鹿守敏，等 . 巷道围岩松动圈 支护理论 [J]. 煤炭学报，1994，19（1）21-32. ［3］ 李锋 . 松动圈理论在煤巷支护设计中的应用 [J]. 煤炭技术，2008，27（5）142-143. ［4］ 朱永建，马念杰 . 基于松动圈围岩分类法煤帮锚 杆支护设计 [J]. 煤炭科学技术，2006，34（7） 30-33. ［5］ 贾颖绚，宋宏伟 . 巷道围岩松动圈测试技术与探 讨 [J]. 西部探矿工程，2004（10）940- 942. ［6］ 陈庆发，张世雄，王官玉，等 . 倾斜薄层岩体巷 道围岩松动圈测试研究[J]. 矿山压力与顶板管理， 2005（2）61-63. ［7］ 何满潮，袁和生 . 中国煤矿锚杆支护理论与实践 [M]. 北京科学出版社，2004. 变形量及变形速度总体较小，帮部最大变形速度为 2.0mm/d，滞后工作面约 10m 处；超前支撑压力影 响范围一般位于工作面前 15m 及后 25m 范围内， 最大变形位于掘进工作面后方；巷道变形一般在工 作面后方 2530m 范围内趋于稳定。 图 3 12220 下巷掘进期间表面位移和速度变化 5 结论 （1）通过对巷道围岩松动圈的测试，得出了 该巷道围岩松动圈范围约为 1.92.1m，为锚杆长度 参数提供了依据。 （2）通过锚网支护参数的工程计算，选用锚 杆 Φ2.6m22mm，间排距为 0.8m；36U 型钢棚的