基于有限元法的U型钢卡缆受力分析研究

随着煤矿开采深度增大,支护难度也成倍提升。U型钢可缩性支架被广泛地应用于深部矿山巷道支护。卡缆是U型钢可缩性支架的关键部件,其性能直接影响着U型钢支架的支护承载性能。在理论分析U型钢拱形支架在不同受载情况下的变形特点的基础上,借助ABAQUS有限元数值计算软件,分别研究了双槽夹板卡缆在圆弧形和椭圆弧形2种型钢搭接段滑移时的力学特性,并且分析了U型钢螺栓的受力特征,得到了双槽夹板卡缆对U型钢拱形支架的约束作用会受到搭接段曲率不匹配度的影响的结论,提出了控制U型钢失效的建议。对于确保地下工程U型钢支架的稳定支护具有重要意义。

外包内翻U形钢-混凝土简支组合梁负弯矩区有效翼缘宽度分析

外包内翻U形钢-混凝土简支组合梁作为一种新型组合梁,其负弯矩区有效翼缘宽度被研究得甚少。为了探索该种新型组合梁负弯矩区有效翼缘宽度的影响因素,在本课题组负弯矩区受弯性能试验研究的基础上,采用有限元软件ABAQUS分析了有效翼缘宽度的变化规律,并针对跨中截面详细研究了荷载类型、宽跨比(b_(f)/L_(0))和高厚比(h/h_(f))对弹性和弹塑性阶段有效翼缘宽度的影响规律。研究结果表明:不同荷载类型下,均布荷载作用下的有效翼缘宽度大于非均布荷载作用下的有效翼缘宽度;当b_(f)/L_(0)<0.40时,有效翼缘宽度系数β近似等于1.00且不随宽跨比变化,当0.40≤b_(f)/L_(0)≤1.00时,β随宽跨比的增大而近似线性减小,弹塑性阶段的β略大于弹性阶段的β,且减小率小于后者;高厚比对有效翼缘宽度的影响可以忽略。基于有限元分析结果,提出了有效翼缘宽度的简化计算公式,并与《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)中的公式进行了对比。对比结果表明:相较于《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)的计算结果,本文公式的计算结果与有限元计算结果吻合得更好;规范计算结果与另外2种方法的计算结果差别较大,偏于保守。

U型钢支架结构稳定性及其控制技术

控制高应力软岩巷道围岩的强烈变形,除了加大支护强度外,提高支护结构的稳定性至关重要。采用理论分析、室内试验和现场试验相结合的方法,分析U型钢支架失稳的原因和支架工作过程中的承载特性,提出支护稳阻技术、支护结构补偿原理和补偿技术。研究结果表明,引起支架结构失稳的主要原因是连接件强度低或连接件结构不合理、支护结构与围岩相互作用差、支架结构不稳定等。根据支架结构失稳破坏的主要原因,采取相应的技术措施,如采用强度高、结构合理的卡缆。支架滑移后其承载性能极不稳定,要保持支架工作过程中具有很高的支护阻力,支架滑移后应重新拧紧卡缆。采用U型钢壁后充填或U型钢壁后注浆后,支架承载能力得到大幅度提高,但由于其结构稳定性较差,支架仍然会失稳破坏。因此,应根据巷道围岩的变形特点和U型钢棚基本支护的结构稳定性,采用稳结装置对U型钢棚基本支护进行结构补偿,可大大提高支护结构的整体承载能力及其结构稳定性。

动压影响巷道U型钢支架-锚索协同支护机理及其承载规律

针对U型钢支架支护动压影响巷道强烈变形的支护难题,采用数值模拟方法,研究U型钢支架-锚索协同支护作用机理,提出了U型钢支架-锚索协同支护技术;在开展现场工业试验的同时,采用现场实测方法,监测动压影响由开始至结束过程中巷道围岩表面位移量、U型钢支架和结构补偿锚索实际承受载荷情况。研究结果表明:采用U型钢支架-锚索协同支护后明显改善巷道围岩应力分布,增大巷道浅部围岩残余强度,同时通过锚索的锚固作用,优化了U型钢支架承载性能,增大U型钢支架的承载能力和抗变形能力,提高了U型钢支架的整体稳定性,实现U型钢支架整体承载;当围岩变形压力较大时,U型钢支架随着围岩变形,巷道两帮和肩窝是变形压力最大的位置,相应地锚索为U型钢支架上述部位提供较大的抵抗变形力,阻止支架内突变形,同时U型钢支架作为一个整体结构,支架被束缚在有限的变形空间,而其余的大变形通过支架搭接部位缩动释放,实现了U型钢支架高阻可缩的特性。

U型钢支架偏纵向受力及屈曲破坏分析

淮南某矿运输巷底抽巷29U支架破坏,主要表现为耳部的强力屈曲,机理分析需要引入偏纵向受力的三维机制。通过分析型钢支架几种典型破坏特征,提出了针对性防治措施,建立了偏纵向耳部受力模型,采用ANSYS数值模拟手段,研究了29U支架拱顶压平型破坏、大范围扭曲破坏及局部屈曲破坏的力学机制、应力分布与加载量级,揭示了一定尺度岩块的强力作用是耳部屈曲破坏的主因,偏纵向受力则发挥着加速变形的关键作用。

U型钢支架-围岩应力耦合装置试验研究

针对u型钢支架在实际工程应用中存在被动支护、支护阻力滞后、结构受力不均等问题，研究了一种u型钢支架一围岩应力耦合装置，从其结构形式、作用机理和工作特性进行了试验分析。结果表明：该耦合装置能使围岩与支架结构二者形成共同的力学承载体系，在为围岩提供20～50kN初撑力的同时，可实现围岩压力的均匀传递和让压减震作用，从而大幅度提高支架的承载能力和支护效果，可通过改变其结构刚度和尺寸设计不同支护要求的耦合装置。

U型钢可缩性支架壁后充填应力分散技术研究

在无法使用主动支护的高应力软岩巷道中,U型钢可缩性支架是一种有效和成熟的支护方式,但是围岩性质复杂时,U型钢可缩支架的承载与围岩的作用无法有机的结合起来,造成U型钢的支架局部应力集中,致使U型钢支架局部屈服而U型钢支架整体失稳,使用U型钢可缩支架壁后充填技术改善了与围岩的关系,阻止了局部应力集中,使U型钢均匀承载,较充分发挥U型钢的支护性能。文章通过阐述U型钢支架失稳机理解释了壁后充填技术的科学性,并介绍了在应用中的实际效果。

锚杆(索)和U型钢支架支护失效形式与控制技术

随矿井开采深度不断延伸,高应力、强采动导致U型钢支架与锚杆(索)支护破坏失效的问题越来越严重。通过理论分析与现场调研,将U型钢支架破坏失效划分为面内结构性受载破坏、搭接部位撕裂折损、卡缆失效破坏、拉杆和背板失效破坏、轴力错断型折损、纵向扭曲折损、综合性破坏等7类,将锚杆(索)支护失效形式划分为粘结失效型、围岩失效型、杆体破断失效型、护表构件失效型等4类。在此基础上,提出架型优选、壁后充填、薄弱点锚杆(索)强化等3项技术控制U型钢支架破坏失效,提出锚杆杆体强化、护表构件性能提升、树脂锚固剂性能改造、围岩滞后注浆等4项技术控制锚杆(索)支护破坏失效。

不同侧压比荷载下U型约束混凝土拱架全尺寸试验研究

以直腿半圆形UCC拱架为对象,进行了不同侧压比荷载条件下的全尺寸拱架试验研究,从变形破坏形态、承载力、材料应变等方面进行对比分析,掌握了新型拱架的承载特性和屈服失稳机制。拱架受力初期处于线弹性变形阶段,拱架内力呈显著压弯状态,由于部分截面出现了强度破坏而导致拱架整体屈服,而后随持续加载拱架出现整体结构失稳,进而彻底丧失承载能力。UCC29试验拱架在λ=1.0加载条件下整体屈服承载力为1 230 k N,是相同尺寸U36拱架的1.56倍。拱架屈服承载力随侧压比λ(λ≥0.5)呈指数型降低趋势,且拱架变形形态及危险截面位置也受侧压比影响显著。对于直腿半圆形拱架而言,侧压比在一定范围内越小,拱架内力越接近轴压状态,拱架能够承担的荷载也越高。

深部软岩巷道U型钢支架承载能力增强技术

为了解决深部软岩巷道支护中U型钢支架承载能力和稳定性不足的问题,采用力法原理,建立了U型钢支架的结构力学模型,得到了U型钢支架危险截面位置的解析解,并计算得出U型钢支架的危险截面位置与支架的截面面积、惯性矩、巷道的断面尺寸和侧压系数有关。最后提出利用锚杆和槽钢对U型钢支架危险截面位置进行锁腿支护技术,工程实践表明:U型钢支架采用锚杆和槽钢锁腿后,煤巷两帮最大移近量仅为125.62 mm,顶底板最大移近量为172.36 mm,确保了深部软岩巷道围岩的稳定性。

软岩隧洞可缩性U型钢支架压缩量研究

以深埋软岩输水隧洞为工程背景,研究了钢支架压缩量的计算方法,提出软岩隧洞钢支架压缩量的控制标准。借助数值软件进行U型钢支架压缩量影响因素的定量分析,研究表明:(1)压缩量设计适当的可缩性U型钢支架既能满足深埋软岩隧洞支护"高阻让压"的需要,以保持围岩稳定,又能合理释放掉部分原岩应力,改善衬砌的应力应变状态;(2)确定钢支架压缩量设计值,可根据隧洞支护结构受力状态和围岩塑性区半径划定范围后综合判定;(3)隧洞埋深和围岩类别不仅对U型钢支架压缩量的影响很大,还一定程度上影响钢支架缩动收敛时间,岩体类型和隧洞洞型对U型钢支架压缩量也有较明显的影响。

深井软岩巷道U型钢支架壁后充填技术研究

为有效解决U型钢支架和围岩之间因为存在着空间而严重抑制着巷道支架支撑能力的发挥这一问题,基于围岩-充填体-支架的结构力学原理,研究分析了壁后充填技术及新的壁后充填材料的性能要求,并进行了充填材料的各种力学性能实验,结果表明填充材料的配比和力学性能符合充填材料的特性要求。工程应用效果表明U型钢支架壁后充填技术的效果较理想,支架受力均匀,巷道表面收敛量减少50%以上。

U型钢封闭式可缩性钢架承载特性试验研究

通过室内模型试验对3榀不同位置设置可缩接头的U型钢马蹄形封闭可缩钢架进行分级均布加载,并采集不同荷载下钢架不同位置的径向位移及各接头滑移量.结果表明:1)接头滑移速率决定钢架承载力及其变形特性,接头快速滑移时钢架承载力不稳定性增加,让压变形明显;2)封闭可缩钢架接头滑移特性与接头处钢架内力组合有关,随总外荷载的增加,拱顶接头最先发生滑移且速率较快,其次为拱脚接头,拱底接头最难滑移;3)拱顶接头发生滑移时拱顶下沉最为明显,建议当围岩荷载顶压较大时优先在拱顶设置接头;当围岩侧压力较大时,宜在拱底设置接头;4)在不削弱钢架支护力的前提下保证所有可缩接头平稳有效滑移是充分发挥其让压支护性能的关键.

U型钢可缩性支架壁后充填试验研究

基于在复杂性质围岩的巷道中,U型钢可缩支架的承载与围岩的作用无法有机的结合的这一情况,对U型钢支架失稳机理进行了阐述,并研究分析了壁后充填技术的科学性,表明使用U型钢可缩支架壁后充填技术,可有效改善支架与围岩的关系,使U型钢均匀承载,充分发挥U型钢的支护性能。工程应用效果表明,U型钢可缩支架壁后充填技术的实际效果较理想。

井巷支护用U型钢亚温淬火工艺的研究

本文以16Mn U型钢进行试验,全面探索了经不同亚温淬火工艺处理后16Mn U型钢的强韧性能。试验结果表明:16Mn U型钢经(800-820℃)水淬+200℃低温回火后,在满足延伸率≥16％,屈强比≤0.75的使用性能要求下,可提高屈服强度48％以上,即由σ_(0.2)≥350MPa提高到σ_(0.2)≥520MPa,达到国外同类U型钢的机械性能水平。此外,对亚温淬火工艺的可行性及强韧化机理进行了初步探讨。

井巷支护用U型钢亚温淬火及自回火工艺的研究

以20MnK、Q275两种牌号U型钢进行试验，全面探索了U型钢经亚温淬火及自回火后的强韧性。试验表明，经770～820℃水淬＋300℃自回火处理后，Q275U型钢的屈服强度σ0．2≥440MPa；经790～820℃水淬＋300℃自回火后，20MnKU型钢的屈服强度σ0．2≥520MPa。两种钢的屈服强度均比处理前提高50％以上，而屈强比≤0．75，伸长率δ5≥16％，达到国外同类U型钢的力学性能水平。此外，还对U型钢亚温淬火及自回火工艺的可行性及其强韧化机理进行了初步探讨。

全封闭U型棚架与锚网喷注联合支护技术研究

针对淮南地区邹庄煤矿3024采区瓦斯抽放泵硐室的支护出现失稳变形这一情况,文章分析了支护失稳变形的破坏机理,提出了复杂围岩条件下的全封闭U型钢架及锚网喷注的联合支护方式,现场应用65d后支护变形趋于稳定,表明该支护形式在复杂围岩条件下能够有效控制动压巷道围岩变形。

高应力煤巷结构增强型U型钢棚支护技术研究

针对鹤壁二矿回采巷道普通U36型钢支架难以维持巷道稳定的现状,采用理论和数值模拟方法研究了支护方案和5种结构增强型U型钢支架支护方案对半圆拱形巷道的控制效果,确定了相应的支护参数.现场应用结果证明,采用横梁和两侧纵撑的增强性U型钢棚支护方案,能够提高支架的整体承载能力和有效地控制巷道的变形.此方案对于推广U型钢支架在高应力巷道中的应用具有重要的意义.

切顶留巷沿空巷旁U型钢让压滑动性研究

为保障沿空巷旁U型钢支护具备恒阻大变形特性,基于力学分析、试验研究和工程实践相结合的方法,分析了U型钢搭接结构让压滑动性的主要影响因素,提出了一种优化的带耳式U形螺杆卡缆。研究结果表明:U形螺杆与型钢接触面的滑动性是制约支护结构让压大变形的主要因素之一;董东矿50107工作面切顶留巷,采用带耳式U形螺杆卡缆安设巷旁搭接支护,巷旁让压和巷内整体效果良好。

基于3DEC的深埋软岩煤巷U型钢支架-锚网索耦合支护

以某矿三采区运输下山为工程背景,基于原锚网索支护巷道变形破坏特点和原因,提出了深埋软岩煤巷U型钢支架-锚网索耦合支护技术,并利用3DEC数值模拟分析其围岩应力、位移、塑性区等特征。结果表明:相比于原支护,巷道两帮及顶板浅部围岩应力明显增加,变形量、塑性区深度降低显著,顶底板移近量108.56 mm、两帮变形量61.39 mm、最大塑性区深度3 m,支护效果显著;现场巷道顶底板和两帮变形量为115.95 mm和67.00 mm,顶板离层基本为0,验证了支护技术的可靠性。