[发明专利]一种U型钢反拱支护巷道底板的稳定性判定方法

说明书

本发明公开了一种U型钢反拱支护巷道底板的稳定性判定方法，包括确定参数数值、计算临界值、进行稳定性判定的步骤。本发明具有充分的理论推导基础和实验验证，精确可靠；本发明既可以对有底鼓倾向的巷道进行整体设计与优化，又能对现有成型巷道底板的稳定性进行判定与评价，还可以为修复底鼓的巷道提供理论支持。

技术领域

本发明涉及巷道支护与安全技术领域，特别涉及一种U型钢反拱支护巷道底板的稳定性判定方法。

背景技术

巷道底板的稳定状态对矿井的安全生产与经济运营有重要的影响。巷道底鼓不仅会影响矿井通风、运输和行人，而且会增加巷道的维护工作量和采矿成本。因此，底板的稳定性判定及其控制是巷道支护领域的研究热点。U型钢反底拱支架可以对底板施加均匀的抵抗力，常用于底鼓的预防与控制。目前，多数学者仅给出了在考虑U型钢反底拱支架的抗弯性能(或屈曲破坏)时巷道底板稳定性的判定依据，或考虑了反拱结构两端为铰接状态下的屈曲判定方法。由于工程环境、施工技术、施工质量和支护结构等各种因素的影响，在巷道施工过程中的巷道反底拱支护结构两端不能视为铰接结构，而只能视为两端具有定向约束的反底拱支护结构。因而，很有必要建立一种U型钢反拱支护下巷道底板稳定性的判定方法。

发明内容

本发明目的克服现有技术的不足，提供一种U型钢反拱支护巷道底板的稳定性判定方法，为巷道施工过程中的底鼓预防与控制提供帮助。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种U型钢反拱支护巷道底板的稳定性判定方法，包括以下步骤：

步骤1：根据工程实际情况，确定以下参数数值：

以巷道中心为极点建立极坐标，以巷道形状及尺寸参数来确定锚护岩内底板任一点的极坐标值(r,θ)；按巷道断面的内接圆半径计算锚护岩内径r₀；按巷道等效半径与锚杆长度之和计算锚护岩的外径R；以理论经验值来取巷道上覆岩层平均体积力γ；以巷道所在位置的地面标高与巷道底板标高之差计算巷道埋深H；根据岩石的剪切实验计算得出岩石内聚力C和岩石内摩擦角根据U 型钢反拱支架的直线长度计算“滑转梁”的长度L；以U型钢反拱支架的厚度值为梁的厚度d；根据经验理论值取钢与钢的摩擦系数的最大值为摩擦系数f；按混凝土分类标号查表得到混凝土体积力γ′；按巷道底板反拱支架上覆混凝土厚度平均值计算混凝土垫层厚度h；

步骤2：计算滑转梁处于滑移和转动临界状态时的支护强度，即临界值，计算公式为：

步骤3：进行U型钢反拱支护巷道底板的稳定性判定：

若巷道支护强度为正值压应力，巷道底板将保持平衡稳定；若或则失稳，“滑转梁”平衡将无法实现，巷道底鼓必然发生；所述的p_s＝F/(m·n)，其中，F为锚杆的锚固力，按煤矿巷道锚杆支护技术规范中拉拔试验可确定；m为锚杆间距；n为锚杆排距。

事实上，本发明的U型钢反拱支护巷道底板的稳定性判定方法是通过将锚杆支护的巷道围岩视为弹性厚壁筒，并引入弹性力学中的Lamé公式来计算围岩应力；针对U型钢反拱支护下的巷道底板建立了“滑转梁”力学模型，并获得了“滑转梁”平衡(运动)方程，进而推导出了“滑转梁”平衡时的支护强度公式，最后得出了本发明的巷道底板的稳定性判定方法。

本发明具有如下有益效果：本发明的方法有充分的理论基础和实验验证，精确可靠。本发明既可以对有底鼓倾向的巷道进行整体设计与优化，又能对现有成型巷道底板的稳定性进行判定与评价，还可以为修复底鼓的巷道提供理论支持。

附图说明

图1为圆形巷道力学模型；

图2为巷道断面特征及支护设计；

图3为巷道底板结构的力学模型；

图4为巷道底板结构的受力分析；