提高U型钢巷道支护—围岩结构承载特性的补偿原理及工程应用

巷道支护对围岩提供支护阻力或使围岩浅部形成加固圈，以控制围岩塑性区的发展，减小围岩的移动变形，保持围岩的稳定。按支护作用机理，井下支护分为被动支护和主动支护。但无论是被动支护还是主动支护，均通过支护—围岩的相互作用，控制浅部围岩的过度变形，达到稳定深部岩体的目的。通过支护体提供的支护阻力，控制围岩的过度变形，最终形成稳定的支护—围岩承载结构。大量的工程实践表明，巷道失稳破坏是支护—围岩承载结构的结构性破坏。要发挥和提高支护—围岩结构的承载能力，就必须掌握支护—围岩结构的承载特点，并采取相应的技术措施，达到有效控制巷道围岩变形的目的。笔者通过补偿原理来提高U型钢支护—围岩承载能力，达到稳定围岩效果。
载荷对U型钢支架内力及承载能力的影响规律在高应力软岩巷道中，由于围岩强度低、巷道围岩松动范围大、流变性显著，煤矿井下大量使用U型钢棚式支护。U型钢棚式支护体承受的载荷主要决定于围岩岩性、原岩应力场、支护体的力学特性以及支护与围岩的相互作用关系。前三个因素对于特定的地质采矿条件来说是确定的，唯有支护与围岩的相互作用关系变化较大。目前采用的巷道掘进和支护工艺不可避免地在架后形成不规则的空间，下面以直腿半圆拱形U型钢支架为例，分析U型钢支护的承载特点及支护承载性能。
将支架抽象为二铰拱模型进行分析。半圆拱的半径为r，直腿高为h，从一侧帮到另一侧帮的载荷分别为q1，q2，q3，q4，q5。考虑最一般的情况，q1≠q2≠q3≠q4≠q5。由图1可知，支架属一次超静定，可采用力法求解。为了简化模型，将拱部均分为3段，然后考虑各段载荷不相同对支护体内力的影响。支架分析模型1.1.1支座反力对f点求弯矩，由∑Mf=0求水平反力。对于支座f，由变形协调条件建立力法方程:δ11X1=Δ1p=0(1)Va=r4(q2+2q3+q4)+12r(q1－q5)h22+槡32rh(q4－q2[)]。

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