吳麗麗王慧徐翔武海鵬趙衛(wèi)平

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083

巷道是井工煤礦開采的必要通道,暢通、穩(wěn)定的巷道是煤礦安全、高效開采的保障。巷道圍巖常常會由于巖性變異、構(gòu)造變異等出現(xiàn)冒頂、底鼓、大變形等地質(zhì)災(zāi)害,特別是軟巖大變形地質(zhì)構(gòu)造。地下工程軟巖問題自20世紀(jì)60年代以來就作為世界難題備受關(guān)注[1-3]。由于軟巖本身的可塑性、膨脹性、流變性和易擾動(dòng)性等力學(xué)屬性[4],以及巷道初期來壓劇烈,采用硬巖的常規(guī)支護(hù)手段無法適應(yīng)其變形特點(diǎn),過去幾十年國內(nèi)外學(xué)者在軟巖隧道(巷道)的支護(hù)方面做了大量的試驗(yàn)和理論研究工作[3-8],逐漸形成了錨噴、錨網(wǎng)噴、預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)、金屬鋼架支護(hù)等技術(shù)[9-13]。

在金屬支架方面,國內(nèi)外一般用礦用工字鋼和U 型鋼作為支護(hù)材料。20世紀(jì)80年代,英國、德國、法國、俄羅斯、波蘭等國針對不同的圍巖采用不同類型的金屬支架,金屬支架用量約占支護(hù)總量的70% 左右[14]。礦用工字鋼是井下巷道支護(hù)的專用型鋼,其中,Yan 等[15]采用工字形鋼支護(hù),建立了巷道支護(hù)及圍巖穩(wěn)定性的力學(xué)模型;姚社軍等[16]運(yùn)用設(shè)計(jì)約束、模糊決策及計(jì)算機(jī)技術(shù)對礦用工字鋼截面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì);寇玉昌等[17]詳細(xì)介紹了新型礦用工字鋼的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和井下應(yīng)用情況。我國過去采用工字鋼支架的數(shù)量甚多,但剛性支架與圍巖的變形不相適應(yīng),U 型鋼可縮性支架因結(jié)構(gòu)承載力較大、可縮性能較好[18]逐漸發(fā)展起來。其中,Tan 等[19]提出一種基于泡沫混凝土和U 型鋼的聯(lián)合支護(hù)體系,以減小U 型鋼收縮量,用于軟巖巷道中。德國、波蘭、前蘇聯(lián)使用U 型鋼支架數(shù)量均占金屬支架的90% 以上,我國從1963年開始使用U型鋼可縮性支架,學(xué)者對U 型鋼支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),提高其在沖擊地壓礦井巷道、軟巖大變形巷道中的支護(hù)性能[20-23]。目前廣泛使用的支架形狀主要以拱形為主,張峰[24]介紹了斜腿圓拱型、直腿底拱全封閉型及馬蹄形U 型鋼支架的設(shè)計(jì);Zhao等[25]提出一種封閉式U 型鋼拱支架,通過數(shù)值計(jì)算和有限元分析驗(yàn)證該支架的有效性,并在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。U 型鋼或工字鋼雖然能在一定程度上解決巷道支護(hù)問題,但是它們的支護(hù)承載力不足,容易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞,有時(shí)巷道需要分作兩跨支護(hù),同時(shí)鋼棚一般采用對棚組合,導(dǎo)致支護(hù)成本和施工難度大幅提高。

鋼管混凝土支架作為一種新型組合支護(hù)結(jié)構(gòu)成為地下工程支護(hù)中承載力較高的類型。臧德勝等[26-27]對鋼管混凝土支架進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元分析,并在現(xiàn)場進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。一些專家[28-34]深入開展了圓形斷面、套管連接方式的鋼管混凝土支架試驗(yàn),測試了鋼管混凝土支架的變形曲線、極限荷載、極限變形量和失穩(wěn)破壞方式,并結(jié)合實(shí)際工程研究了鋼管混凝土支架施工工藝。但鋼管混凝土支架總體造價(jià)較高。

近年來,隨著開采深度、煤礦規(guī)模與產(chǎn)量的不斷提高,采掘設(shè)備大型化、重型化,改變了回采巷道的整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)和賦存條件,巷道埋深越大,要求的巷道斷面、支承壓力越大,對支護(hù)技術(shù)的要求越高。

針對巷道大變形難題,筆者將廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)中的波形鋼腹板工型構(gòu)件[圖1(a)]引入到地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)中[35],發(fā)明了一種新型波形鋼腹板支架結(jié)構(gòu)[圖1(b)]。它具有以下優(yōu)點(diǎn)[36-37]:

圖1 波形鋼腹板構(gòu)件示意圖Fig.1 Diagram of corrugated steel webs

(1)波形鋼腹板具有較高的抗剪承載力,在較大的高厚比條件下也不易發(fā)生屈曲。

(2)支架形狀在圍巖壓力下的穩(wěn)定性能良好,其最突出的優(yōu)點(diǎn)是腹板的波浪形構(gòu)造類似“手風(fēng)琴”,配合可縮性節(jié)點(diǎn)構(gòu)造,可適應(yīng)軟巖的大變形而產(chǎn)生軸向變形。

(3)自重輕,安裝就位方便,經(jīng)濟(jì)性好?？山档途鹿と说膭趧?dòng)強(qiáng)度,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,同時(shí)節(jié)約原材料、降低能耗,且巷道服務(wù)期滿可拆卸,資源可回收,從而實(shí)現(xiàn)良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

本文主要介紹不同斷面形式波形鋼腹板支架整體穩(wěn)定承載性能及相對傳統(tǒng)支架的優(yōu)勢,支架結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性能,可縮性節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究以及支架與圍巖的相互作用等,并探討未來在波形鋼腹板支架支護(hù)體系方面可繼續(xù)拓展的研究方向。

1 波形鋼腹板支架的優(yōu)勢對比

為了衡量波形鋼腹板支架相對其他類型支架的優(yōu)勢,本文對波形鋼腹板支架與礦用工字鋼支架在不同荷載組合工況下的承載力進(jìn)行了對比[38]。表1 以9 號、11 號和12 號礦用工字鋼支架為例,按照相同用鋼量的原則反算波形鋼腹板支架截面后,得到各種受力條件下波形鋼腹板支架比礦用工字鋼支架承載力的提高程度。表2則給出了按照相同承載力的條件反算波形鋼腹板支架比礦用工字鋼支架節(jié)省的用鋼量大小。從表1 和表2 可以看出,波形鋼腹板支架比礦用工字鋼支架承載力提高1 倍以上,用鋼量也明顯小于礦用工字鋼支架。綜合大量計(jì)算分析對比表明:相同用鋼量情況下,波形鋼腹板工型構(gòu)件比礦用工字鋼支架的軸壓承載力可提高10%～20%,彎曲、壓彎承載力最大可分別提高約80%和169% ;在承載力一定的情況下,軸心受壓時(shí),采用波形鋼腹板構(gòu)件用鋼量可節(jié)省5%～13%,純彎和壓彎時(shí),波形鋼腹板構(gòu)件節(jié)省用鋼量最大可達(dá)30% 和44%,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 波形鋼腹板構(gòu)件比礦用工字鋼承載力提高程度Tab.1 Enhancement degree of bearing capacity of corrugated steel webs compared with mine I-beams %

表2 波形鋼腹板構(gòu)件比礦用工字鋼用鋼量節(jié)省程度Tab.2 Saving degree of corrugated steel webs compared with mine I-beams %

2 波形鋼腹板支架整體穩(wěn)定承載性能研究

2.1 多種斷面支架整體穩(wěn)定承載性能試驗(yàn)

以12 號礦用工字鋼支架為基準(zhǔn),設(shè)計(jì)了1 榀幾何縮尺比例為1∶2 的馬蹄形支架試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚39][圖2(a)](跨度L=6 m,高度H=4.75 m),3 榀原型尺寸的圓形斷面[40-41][圖2(b)](半徑為2.6 m,支架的腹板高度為240～300 mm)以及2 榀直墻半圓拱斷面的波形鋼腹板支架[42][圖2(c)](圓弧部分半徑為2.6 m,直腿部分長1.65 m,支架的翼緣厚度變化范圍為12～16 mm)進(jìn)行穩(wěn)定承載力模型試驗(yàn),并同時(shí)加工了1 榀相同用鋼量圓形斷面的礦用工字鋼支架試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚圖2(d)]與波形鋼腹板支架進(jìn)行對比。

圖2 各種斷面形式支架的模型試驗(yàn)Fig.2 Model test of supports with various cross-section

試驗(yàn)結(jié)果表明,馬蹄形斷面波形鋼腹板支架穩(wěn)定承載力是相同用鋼量礦用工字鋼的2 倍,位移僅為后者的1/3。圓形斷面和直墻半圓拱斷面的波形鋼腹板支架穩(wěn)定承載力約為相同用鋼量礦用工字鋼支架的1.3～1.5 倍,最大位移僅為后者的70%～80%,整體穩(wěn)定性能顯著優(yōu)于礦用工字鋼。

將試驗(yàn)結(jié)果與有限元模型進(jìn)行了對比,如圖3所示。圖3(a)中,馬蹄形斷面支架的有限元計(jì)算(FEA)和模型試驗(yàn)結(jié)果僅相差1.4%,極限狀態(tài)時(shí)拱頂豎向位移相差15%。圖3(b)中,圓形斷面支架的有限元和試驗(yàn)承載力結(jié)果相差2.71%,拱頂豎向位移相差7.12%。圖3(c)中,直墻半圓拱支架的有限元和試驗(yàn)結(jié)果僅相差6.7%,拱頂豎向位移也僅相差15.71%。對比結(jié)果驗(yàn)證了波形鋼腹板支架有限元模型的正確性。

圖3 不同斷面形式支架的試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析對比Fig.3 Comparison of the experimental results and the finite element analysis of the support with various cross-section forms

表3 為相同用鋼量下圓形斷面波形鋼腹板支架與12 號礦用工字鋼支架的對比情況。波形鋼腹板支架YX-1 比礦用工字鋼支架KY-1 的極限承載力提高了46.82%,其單位重量承載能力為礦用工字鋼的1.49 倍,且最大位移僅為礦用工字鋼的74%。

表3 圓形斷面支架的承載能力對比Tab.3 Comparison of carrying capacity of steel circular closed supports

2.2 有限元參數(shù)分析

采用ANSYS 軟件對各種形狀的波形鋼腹板支架進(jìn)行了彈性和彈塑性屈曲的參數(shù)分析[40-45],研究隨著波形鋼腹板的高度hw、厚度tw、波幅f、波長λ,翼緣的寬度bf、厚度tf等參數(shù)的變化,支架結(jié)構(gòu)的彈性和彈塑性屈曲荷載的變化情況及其分析結(jié)果如圖4、圖5所示?？傮w上,對于3 種斷面波形鋼腹板支架,腹板高度、翼緣寬度和厚度對各支架的彈性穩(wěn)定承載力影響較大。腹板高度、翼緣寬度和厚度對于圓形斷面支架彈塑性穩(wěn)定承載力影響較大;腹板高度和厚度對于直墻半圓拱支架彈塑性穩(wěn)定承載力影響較大;腹板高度、腹板厚度對馬蹄形支架彈塑性穩(wěn)定承載力影響較大。

圖4 支架彈性屈曲荷載與各參數(shù)的關(guān)系曲線Fig.4 Relations between the elastic buckling load of support and various parameters

圖5 支架彈塑性屈曲荷載與各參數(shù)變化的關(guān)系曲線Fig.5 Relations between elastoplastic buckling load of support and various parameters

2.3 支架平面內(nèi)整體穩(wěn)定承載力設(shè)計(jì)方法

基于有限元參數(shù)分析,采用正交設(shè)計(jì)方法計(jì)算[41],得到了純壓支架平面內(nèi)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)曲線(圖6),為方便設(shè)計(jì)人員使用,給出了不同長細(xì)比下的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算表格(表4)。我國現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[45]中規(guī)定,對焊接工字型截面采用b 類穩(wěn)定設(shè)計(jì)曲線,而從圖6 中可以看出,當(dāng)長細(xì)比小于60時(shí),純壓支架的穩(wěn)定系數(shù)低于規(guī)范值;而當(dāng)長細(xì)比大于60 時(shí),純壓支架的穩(wěn)定系數(shù)又高于規(guī)范值。純壓支架的穩(wěn)定曲線與軸心受壓直構(gòu)件的穩(wěn)定曲線有較大出入,這表明不能參照直構(gòu)件的穩(wěn)定設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此,結(jié)合《波浪腹板鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[46]中的波浪腹板工形軸壓直構(gòu)件平面內(nèi)穩(wěn)定承載力設(shè)計(jì)方法,提出波形鋼腹板純壓支架平面內(nèi)穩(wěn)定承載力的設(shè)計(jì)公式[41]如下:

圖6 波形鋼腹板純壓支架穩(wěn)定曲線與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的對比Fig.6 Comparison of stability curve between the calculated result and the curve in specification for design of steel structures

式中,N為支架的軸力設(shè)計(jì)值,采用一階線彈性計(jì)算結(jié)果;A為支架的毛截面面積;f為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;φ為彎矩作用平面內(nèi)的純壓支架的穩(wěn)定系數(shù),應(yīng)根據(jù)波形鋼腹板構(gòu)件繞強(qiáng)軸的等效長細(xì)比λ0x查表4 得到。

表4 波形鋼腹板支架穩(wěn)定系數(shù)Tab.4 Stability coefficient of steel supports with corrugated webs

構(gòu)件繞強(qiáng)軸的等效長細(xì)比λ0x按下列公式進(jìn)行計(jì)算:

式中,λ為波浪腹板一個(gè)波浪的波長;s為波浪腹板一個(gè)波浪展開后的長度;f為波浪腹板波幅;S為封閉支架的計(jì)算弧長度;Aw為腹板截面面積。

同時(shí),綜合《波浪腹板鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[46]和《拱形鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[47]提出了波形鋼腹板壓彎支架平面內(nèi)穩(wěn)定承載力的建議設(shè)計(jì)公式:

式中,N1為設(shè)計(jì)最大軸力;M1為設(shè)計(jì)最大彎矩;W為對較大纖維的毛截面模量(彎矩作用平面內(nèi))。

3 波形鋼腹板支架結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定性能的研究進(jìn)展

3.1 支架局部穩(wěn)定性能的試驗(yàn)研究

鋼結(jié)構(gòu)的局部失穩(wěn)有時(shí)并不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)立刻失效,但一旦局部失穩(wěn)(屈曲),必然會影響到結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定行為。為了深入研究波形鋼腹板支架板件局部屈曲性能,開展了6 榀半圓拱形支架的局部穩(wěn)定性能試驗(yàn),并分別探究其在均布加載以及多點(diǎn)加載下的局部失穩(wěn)形態(tài)及內(nèi)力的變化規(guī)律[48]。仍以12 號礦用工字鋼支架為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)波形鋼腹板支架,分別設(shè)計(jì)了2 組試驗(yàn),每組各3 榀半圓弧拱,分別研究翼緣和腹板的局部失穩(wěn)問題。翼緣局部失穩(wěn)組系列中的翼緣厚度分別為4 mm、6 mm和8 mm,其他參數(shù)相同,主要分析翼緣厚度對翼緣局部穩(wěn)定的影響。結(jié)果表明,達(dá)到極限荷載時(shí),支架的翼緣呈現(xiàn)了較明顯的向內(nèi)凹陷或向外鼓曲現(xiàn)象,如圖7所示;翼緣的厚度(寬厚比)越大,翼緣的局部穩(wěn)定性能越好,極限承載力越高。當(dāng)波形鋼腹板支架的翼緣厚度由4 mm 增加至6 mm 及8 mm 時(shí),其失穩(wěn)荷載從277.6 kN 增加至857.68 kN 及1 443.23 kN,相鄰增幅分別是209% 、68%?？梢?翼緣厚度是影響局部穩(wěn)定承載力的主要因素。

圖7 波形鋼腹板支架翼緣發(fā)生局部失穩(wěn)Fig.7 Local instability of flange of support with corrugated webs

腹板局部失穩(wěn)組中腹板高度分別為200 mm、300 mm 和400 mm,其他參數(shù)相同。結(jié)果表明,極限荷載時(shí),支架腹板發(fā)生明顯的局部失穩(wěn),腹板被壓屈,加載桿隨著墊塊將翼緣頂至凹陷,從而帶動(dòng)構(gòu)件的整體失穩(wěn),如圖8所示。腹板的高度(高厚比)越大,腹板的局部穩(wěn)定性能越好。當(dāng)波形鋼腹板支架的腹板高度由200 mm 增加至300 mm 及400 mm 時(shí),其失穩(wěn)荷載從1 273.22 kN 增加至1 390.76 kN 及1 475.52 kN,相鄰增幅分別是9% 、7%?？梢?腹板高度對支架局部穩(wěn)定承載力具有一定影響,但不及翼緣厚度。

圖8 波形鋼腹板支架腹板發(fā)生局部失穩(wěn)Fig.8 Local instability of web of support with corrugated webs

3.2 支架局部穩(wěn)定性能的數(shù)值分析

通過局部穩(wěn)定性能試驗(yàn),本研究得到了支架的局部屈曲特性和重要影響參數(shù),并驗(yàn)證了有限元模型的正確性[48]。改變支架截面高厚比(hw/tw)、寬厚比(bf/tf)以及圓心角(矢跨比)等參數(shù),對波形鋼腹板拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性和彈塑性局部穩(wěn)定的參數(shù)化分析[48],部分分析結(jié)果見圖9。結(jié)果表明,翼緣寬度bf和厚度tf,腹板高度hw和厚度tw均對支架局部穩(wěn)定性能的影響較大,增大翼緣寬度和厚度可提高翼緣的局部極限承載力;適當(dāng)增大腹板高度和厚度,翼緣寬度和厚度均可提高腹板的局部穩(wěn)定承載力。隨著圓心角的增大,翼緣局部穩(wěn)定承載力逐漸減小;圓心角對腹板局部穩(wěn)定承載力影響較小。

圖9 支架彈塑性局部屈曲荷載與各參數(shù)變化的關(guān)系曲線Fig.9 Relations between the local elastoplastic buckling load of support and various parameters

4 波形鋼腹板支架可縮性節(jié)點(diǎn)的研究進(jìn)展

波形鋼腹板支架的腹板為波浪形,可以利用這種特有構(gòu)造適應(yīng)巷道圍巖大變形。為此,研發(fā)了2大類波形鋼腹板支架可縮性節(jié)點(diǎn)構(gòu)造,即高強(qiáng)度螺栓連接節(jié)點(diǎn)和楔形件套筒連接(圖10),并同時(shí)設(shè)計(jì)了7 個(gè)可縮性節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)構(gòu)件[49],包括6 個(gè)高強(qiáng)螺栓連接可縮性節(jié)點(diǎn)試件和1 個(gè)楔形件套筒可縮性節(jié)點(diǎn)試件。

圖10 兩類可縮性節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)裝置圖Fig.10 Schematic diagram of instruments for two types of yieldable joint

以國內(nèi)某工程為背景設(shè)計(jì)了馬蹄形斷面支架,其中各節(jié)點(diǎn)可縮量為160 mm。結(jié)果表明,該可縮性節(jié)點(diǎn)構(gòu)造可以實(shí)現(xiàn)滑動(dòng),且在滑動(dòng)過程中能維持一定的摩擦力。由此可見,該類型可縮性節(jié)點(diǎn)能基本適應(yīng)軟巖變形而發(fā)生軸向變形。套筒可縮性節(jié)點(diǎn)軸壓試驗(yàn)結(jié)果也表明,該可縮性節(jié)點(diǎn)也可以實(shí)現(xiàn)滑動(dòng),但滑動(dòng)摩擦力很大程度上取決于摩擦面的處理和楔子與構(gòu)件之間的預(yù)緊力。針對研究結(jié)果,提出了今后開展節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的改進(jìn)方案,如由雙排雙列螺栓改為雙排三列;由蓋板、翼緣同時(shí)開孔改為只在連接蓋板上開橢圓形長孔,翼緣上只開螺栓直徑大小的孔;在橫向加勁肋的基礎(chǔ)上,增加縱向加勁肋,以增加局部的剛度;加大楔形件的坡度或增大摩擦面粗糙度來增大摩擦力等。

根據(jù)支架節(jié)點(diǎn)需滿足的可縮量采取不同的可縮方案:

(1)當(dāng)可縮量較小(＜100 mm)時(shí),結(jié)合應(yīng)用抗爆緩沖材料或吸能材料與波形鋼腹板支架形成吸能支護(hù)體系。不設(shè)置可縮性節(jié)點(diǎn),先依靠吸能材料變形適應(yīng)圍巖變形,基本穩(wěn)定后依靠波形鋼腹板支架承受圍巖荷載。

(2)當(dāng)可縮量中等(100～200 mm)時(shí),可用高強(qiáng)度螺栓連接可縮性節(jié)點(diǎn),可縮量通過翼緣和蓋板的開孔長度來實(shí)現(xiàn),這種節(jié)點(diǎn)對施工質(zhì)量要求較高,后續(xù)對本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)再繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。

(3)當(dāng)可縮量較大(＞200 mm),可采用套筒連接的可縮性支架。此種支架節(jié)點(diǎn)剛度大、承載力較高,設(shè)計(jì)和加工較簡單。

5 軟巖巷道波形鋼腹板支架與圍巖相互作用關(guān)系研究

采用ANSYS 和FLAC3D有限元軟件分析了3種地質(zhì)條件下,波形鋼腹板支架與圍巖的相互作用問題[50]。3 種地質(zhì)條件和工程背景如下:

(1)國內(nèi)某單一巖性圍巖煤礦巷道。其巷道處于-350 m 水平,巷道半徑2.5 m,煤種為褐煤及長焰煤,頁巖含油率14.31%。井田地質(zhì)構(gòu)造及水文情況簡單,硐室圍巖巖性比較單一,主要是含油泥巖,巖石強(qiáng)度低。

(2)根據(jù)山東省龍口市北皂煤礦中海域二采區(qū)巷道模擬極軟巖層。所采煤層厚度為3.51～8.87 m。煤層頂部為灰褐色泥巖、含油泥巖、頁巖,具有水平層理,局部夾薄層為泥灰?guī)r,含油泥巖上部漸變過渡為棕褐色頁巖,水平層理發(fā)育。

(3)根據(jù)河南省的陳四樓煤礦巷道模擬高應(yīng)力軟巖。巷道埋深為-430 m,有斷層穿過,周邊圍巖多為軟弱的破碎巖石,巷道周邊受構(gòu)造應(yīng)力的影響較大,煤礦周邊地質(zhì)條件差,受力復(fù)雜,周圍巖性差,自承載能力低。

計(jì)算結(jié)果表明,采用波形鋼腹板聯(lián)合支護(hù)后,單一巖性圓形巷道頂、底板的縮進(jìn)量相對原結(jié)構(gòu)位移減小量超過了400 mm,巷道斷面兩幫收縮量比原結(jié)構(gòu)減少了500 mm;極地軟巖復(fù)雜巖性巷道在垂直方向的縮進(jìn)量相對原結(jié)構(gòu)位移減小了400 mm,兩幫總縮進(jìn)量相對于原支護(hù)結(jié)構(gòu)減少了約900 mm;高應(yīng)力圍巖復(fù)雜巖性巷道頂、底板的縮進(jìn)量相對原結(jié)構(gòu)位移減小了400 mm,巷道斷面兩幫收縮量相對于原結(jié)構(gòu)減少了500 mm。采用波形鋼腹板支架后,3 種地質(zhì)條件下巷道頂、底板和兩幫的主要位移均比僅采用錨桿支護(hù)的結(jié)果明顯減小?？紤]波形鋼支架與圍巖相互作用與不考慮相互作用兩種情況下,支架的內(nèi)力發(fā)展趨勢相近,但不考慮相互作用時(shí)支架內(nèi)力大于考慮兩者相互作用時(shí)的受力(圖11 為極軟地層圍巖條件下的分析結(jié)果)。這是因?yàn)榭紤]相互作用后,圍巖與支架之間產(chǎn)生相互作用,共同應(yīng)對應(yīng)力重分布影響,故內(nèi)力相對不考慮的情況小。

圖11 極軟地層圍巖波形鋼腹板聯(lián)合支護(hù)體系下圍巖的應(yīng)力分布Fig.11 Stress distribution diagram of surrounding rock under the combined support system of corrugated webs in extremely soft strata

6 結(jié)論

(1)相同用鋼量條件下,波形鋼支架承載力是礦用工字鋼的1.5～2.5 倍,變形量降低30%～60% ;相同承載力條件下,用鋼量減少20%～45%。波形鋼腹板支架可節(jié)約資源,實(shí)現(xiàn)礦山資源的綠色高效開采,巷道服務(wù)期滿還可拆卸,重復(fù)利用,綠色環(huán)保。

(2)基于多種巷道斷面波形鋼腹板支架整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定承載性能的試驗(yàn)研究、數(shù)值計(jì)算和理論分析,給出了純壓和壓彎受力狀態(tài)下波形鋼腹板支架的承載力設(shè)計(jì)公式,為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供了參考。

(3)針對巷道圍巖大變形問題,研發(fā)出了高強(qiáng)度螺栓和楔形件套筒兩類可縮連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造,解決了傳統(tǒng)可縮構(gòu)件的偏心受力問題。通過可縮卸壓降低了作用在支架上的圍巖荷載,提高了波形鋼腹板支架支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和服務(wù)周期。

波形鋼腹板支架屬于高強(qiáng)輕質(zhì)支護(hù)材料,它的使用不僅提高了深部巷道支護(hù)強(qiáng)度,而且通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化,節(jié)省了大量鋼材,減少了支架重量,降低了井下工人施工勞動(dòng)強(qiáng)度。

結(jié)合波形鋼腹板支架可縮、讓壓的特性,在已有研究成果的基礎(chǔ)上,未來應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)新型抗沖擊地壓復(fù)合支架吸能支護(hù)體系,實(shí)現(xiàn)“以柔克剛、剛?cè)峤Y(jié)合、緩沖讓壓、穩(wěn)定支護(hù)”的核心目標(biāo),使之具有兩級吸能防沖機(jī)制,有效保證沖擊地壓下能量的快速耗散,為突破目前抗沖擊地壓尚缺乏高效防沖支護(hù)結(jié)構(gòu)這一技術(shù)瓶頸提供有益參考。