專利名稱：一種提高u型鋼拱架支護(hù)穩(wěn)定性的方法及連接組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種巷道掘進(jìn)支護(hù)U型鋼支架的連接與補(bǔ)強(qiáng)方法及其連接
背景技術(shù)：
在煤礦、隧道、礦山及各類地下工程施工巷道的掘進(jìn)支護(hù)中，采用U型鋼支護(hù)盡管鋼耗巨大、成本上升，但由于施工簡便快捷、且U型鋼件可回收重復(fù)使用，所以它還是大量的應(yīng)用?？紤]到井下環(huán)境及人力施工的方便，在現(xiàn)有的支護(hù)技術(shù)應(yīng)用中，考慮到運(yùn)輸?shù)姆奖悖话闶菍型鋼彎曲成多段(如三段)拱形，在施工現(xiàn)場將各分段予以U、U重疊、錯合搭接。錯接部位具有一定長度的重合段，使鋼耗增加。用多個卡攬及螺栓將重合段緊固后， 接成了一根長長的、“完整化”的、不存在斷裂的拱架。這種應(yīng)用了半個多世紀(jì)的傳統(tǒng)連接方式，其對支承壓力的傳遞須“借助，，于重合接觸面上的摩擦力，而摩擦力又與摩擦系數(shù)、摩擦面的情況(光潔度、接觸狀況、潤滑性能等)、卡攬的螺栓緊固力等直接相關(guān)。這樣一來，傳統(tǒng)的錯接方式的承壓能力可能會低于整梁(不分段)的承壓能力。當(dāng)壓力超過工作阻力時會產(chǎn)生滑動，使支護(hù)的巷道具有軟抵抗的可壓縮特性，故一般又將它稱之為“U型鋼拱形可縮性支架”。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，井下U型鋼可縮支架支護(hù)的巷道的損壞，有近50%是由于壓力使得錯接部位卡攬松動、失效引起的。拱架可視為平面曲梁，現(xiàn)有的連接方式都是使各梁段連接的更長，形成為整根拱架的方式?？煽s性錯接方式，即使卡攬連接的非常牢靠，但按照力學(xué)原理分析可知，無論傳遞壓力的桿件是直桿梁還是曲桿梁，無論曲梁構(gòu)成的拱形支架是封閉還是不封閉，在曲梁即型鋼截面一定情況下，曲梁接的越長，其拱架支承時的臨界荷載越小，穩(wěn)定性越低，即越容易導(dǎo)致支護(hù)破壞。于是就出現(xiàn)了一種局面不連接，無法形成支架；接不牢，松動失效會導(dǎo)致支護(hù)損毀；接牢固了，就接的更加長了，又導(dǎo)致臨界荷載下降，而且越接長，其穩(wěn)定性越低。這似乎陷入了“怪圈”之中。對于巷道斷面較大情況，拱架即“曲桿梁”一般接的較長， 往往使臨界應(yīng)力遠(yuǎn)低于鋼材的強(qiáng)度許用應(yīng)力，以致穩(wěn)定性不足導(dǎo)致支護(hù)失敗。為克服此現(xiàn)象，企業(yè)通常會采取減小棚距、提高支護(hù)強(qiáng)度，這又使得鋼耗及支護(hù)成本劇增。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供出一種提高U型鋼拱架支護(hù)穩(wěn)定性的方法及其適應(yīng)該方法的連接組件，新方法的特征是每道拱架的各段梁的中間部位的U槽口加焊補(bǔ)強(qiáng)鋼件；對于頂梁，還可以在其距離端頭的1.5米范圍內(nèi)加焊了補(bǔ)強(qiáng)鋼件；在各段梁之間焊接或采用了專用連接組件；另外在巷道的各道拱架之間，還可以采用鉆有孔眼的帶鋼及螺栓或鋼絲繩及繩卡將各道拱架予以連接緊固并保持整巷拱架的相互牽拉。新方法在各段梁間焊接或采用的專用連接組件，其特征是采用了對頂連接且對頂面為曲弧面或平面的對頂連接組件。對于頂梁與腿柱或底梁與腿柱的連接組件，采用曲弧面對頂連接，構(gòu)件及弧面之間可以有些許的回轉(zhuǎn)；由于弧面面積大于平面，還降低了壓強(qiáng)。曲弧面泛義較廣，可以為半圓弧面、 半球弧面、螺線弧面及其他任意復(fù)雜(甚至脊柱節(jié)接觸面)的曲面形狀。對于分段梁的平面對頂連接組件，有多種形式可先在U型鋼平面對接的二端口 U槽底部各焊接對槽底部形成圍合的鋼件13，再配備金屬活動插件12插入所圍合的空間內(nèi)，為增大對頂接觸面積，可在上述二側(cè)U槽端口分別焊接鋼件11 ；還可采取先將二端口附近的U型鋼槽底部鉆若干個孔，再用帶孔的條形內(nèi)、外夾板14、15將二對接的U型鋼夾持并用螺栓緊固，為增大對頂接觸平面的面積，也可在二側(cè)U槽端口處分別焊接鋼件11，但該鋼件不應(yīng)完全封閉端口以免妨礙夾板的安裝。本發(fā)明旨在以最小的經(jīng)濟(jì)代價(jià)打破上述“怪圈”。其理論依據(jù)是基于以下的分析與
考慮根據(jù)計(jì)算直桿受壓時臨界荷載的歐拉公式分析，可以看出，若要提高臨界荷載可有二個途徑，要么增大公式中的“分子”即提高慣性矩；要么減小“分母”即縮短長度。先考慮“分子”的因素改變型鋼選用規(guī)格來提高慣性矩，如由原U29型，改為U36 型，但支護(hù)成本大幅度提高，很不經(jīng)濟(jì)。若借鑒等強(qiáng)度理論，可在最薄弱部位采取適度變截面的方法，如在各段梁的二分之一部位加焊一定長度的補(bǔ)強(qiáng)鋼板，則既經(jīng)濟(jì)又“實(shí)惠”。再考慮“分母”的因素要實(shí)現(xiàn)歐拉意義上的長度縮短又能夠使頂板、腿柱對拱巷巷壁形成支承而不會造成坍塌，可根據(jù)承壓狀態(tài)下金屬支架各部位內(nèi)力特點(diǎn)考慮其連接特點(diǎn)及其方式，力求象動物脊柱關(guān)節(jié)那樣實(shí)現(xiàn)斷裂化的彎連成“完整的一根”。利用將連接部位斷裂化，使該處彎矩“戛然”為零，讓彎矩在新狀態(tài)下重新分布并將原相對集中的風(fēng)險(xiǎn)趨于分散化。將三段拱架的連接部位選在曲率變化最大、外向彎矩較大的部位處或其附近并實(shí)行有效斷裂，這種斷裂既能減少彎矩對型鋼的破壞作用又可以充分建立起來自巷壁的外部支撐，使型鋼象榕樹一樣建立起“新生根”。在此處斷裂可實(shí)現(xiàn)長度縮短，減小了“分母”， 達(dá)到增大臨界值、提高穩(wěn)定性之目的。對于巷道寬度較大、頂梁段較長的情況，還可以在距頂梁二端部1.5米的范圍內(nèi)通過加焊補(bǔ)強(qiáng)鋼板的方式，強(qiáng)化巷壁對補(bǔ)強(qiáng)點(diǎn)的“約束”作用， 等于前移了“新生根”，起到了進(jìn)一步縮短歐拉涵義中的長度作用。對于高低起伏、局部傾斜較大的巷道，要保持每道拱架持久、良好的支護(hù)比較困難，還可考慮在各道拱架之間建立相互牽拉，采用二端鉆孔的扁鋼帶及螺栓或鋼絲繩將每道拱架連接起來，可減少扭曲、進(jìn)一步增強(qiáng)每道拱架的穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)工藝相比，在相同條件下，本技術(shù)可使最小臨界載荷最大可提升60 %左右， 使支承能力增強(qiáng)，或可擴(kuò)大支架間距，再加上不存在錯接重合段的浪費(fèi)，其節(jié)約鋼材顯著； 穩(wěn)定性提高巷道維護(hù)成本下降，延長了巷道的服務(wù)年限，其經(jīng)濟(jì)效益應(yīng)該非?？捎^。


圖1中a)、b)、c)分別是三段、四段式及多段封閉式“馬蹄”形拱架示意圖。圖2是在井巷承壓下三段式金屬支架內(nèi)力一種分布示意圖，a)彎矩、b)軸力、C) 剪力。圖3是一種在各段梁中部及附近焊接了加強(qiáng)鋼板的補(bǔ)強(qiáng)示意圖。圖4是頂梁端頭附近加焊補(bǔ)強(qiáng)鋼件示意圖。圖5是巷道中各道支架之間牽拉了帶鋼示意圖。圖6中a)、b)是對頂面均為平面式的二種不同連接組件示意圖，c)為a圖中的 B-B剖面圖。
圖7中a)、b)、分別是對頂面為曲弧及曲-平面結(jié)合的連接示意圖。圖8中的a)是梁段端口進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)、其半頂梁之間為平面對頂并采用條形金屬夾板連接的示意圖，也是圖6中b)的A-A剖面圖，圖中b)、c)為a)圖中二個組件。圖9中a)是在頂梁與腿柱之間采用半圓弧對接面的連接示意圖，b)為其中一個組件。圖例中1頂梁，2柱腿，3底梁，4半梁，5補(bǔ)強(qiáng)槽口板，6補(bǔ)強(qiáng)橫筋板，7補(bǔ)強(qiáng)斜板， 8牽拉鋼件，9耳件，10螺栓，11補(bǔ)強(qiáng)端口板，12插銷件，13圍合鋼件，14內(nèi)夾板，15外夾板， 16上半座件，17下半座件，18連板。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明只是連接與適度變截面補(bǔ)強(qiáng)方式上作變革，實(shí)施起來很容易。補(bǔ)強(qiáng)就是焊接，其意義很明顯，就不再敘述了。對各道支架之間進(jìn)行的相互牽拉，必須在下井前將各道支架的相對應(yīng)部位焊接帶孔的耳件9，以便固定牽拉連板8 ；也可以提前在U槽口的補(bǔ)強(qiáng)板 6上預(yù)留下鉆孔，這樣一來可以省去耳件而利用該孔固定支架之間的牽拉鋼板件；煤礦有許多報(bào)廢鋼絲繩，可廢物利用，代替鋼板用以牽拉。要強(qiáng)調(diào)的是連接，必須根據(jù)拱巷斷面形狀及與之相對應(yīng)的拱架內(nèi)力分布特征，選好斷裂位置及對接組件。對于曲率較為平直、且內(nèi)力相對較小的頂(或底)半梁的對接，可選用平面對接方式，如用圖8之金屬夾板14、15固定。圖中端口補(bǔ)強(qiáng)板11不可缺少，它對于U槽口部位的強(qiáng)度及受力有所改善。為了提高夾持效果，夾板斷面的造型可采取一些變化，如內(nèi)夾板14 的底層面可與U型鋼的槽底彎弧吻合，外夾板15的內(nèi)層面可與U型鋼槽底的外表面吻合； 考慮到環(huán)境等不利因素影響，U型鋼現(xiàn)場支護(hù)組裝時，在U槽內(nèi)即使采用專用工具可能也不太方便。在鑄造夾板時，可在內(nèi)夾板14上鑄有防止螺桿轉(zhuǎn)動的凹坑，以便于擰緊螺栓。對于頂梁與腿柱梁的連接，一般來說，斷裂位置應(yīng)選擇圖2中的C點(diǎn)或其略上方為宜，該部位的彎矩與剪力相對較大且同為外向型；該連接組件選接觸面相對較大的曲弧面對接比較合適，如圖9?？紤]到支架安裝時井巷初壓較低，為組裝方便及保持支架初裝的穩(wěn)定性，可在支架的內(nèi)側(cè)或外側(cè)(以圖4中的中性界面區(qū)分內(nèi)外)設(shè)置連接件，圖9中在上下座對接處的內(nèi)側(cè)就加裝了連接板18，其連接板的孔眼為長孔形則適應(yīng)可能發(fā)生的微小回轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求
1.一種提高U型鋼拱架支護(hù)穩(wěn)定性的方法及連接組件，其特征是在每道拱架各分段梁的中間部位的U槽口加焊了補(bǔ)強(qiáng)鋼件；對于頂梁，還可以在其距離端頭的1. 5米范圍內(nèi)加焊補(bǔ)強(qiáng)鋼件；另外在巷道的各道拱架之間，還可以采用鉆有孔眼的帶鋼、螺栓或鋼絲繩及繩卡將各道拱架予以連接緊固并保持整巷拱架的相互牽拉。
2.一種提高U型鋼拱架支護(hù)穩(wěn)定性的方法及連接組件，其特征是在各分段梁之間的連接上，采用了對頂連接且對頂面為曲弧面或平面的對頂連接組件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的連接組件，其特征是頂梁或底梁與腿柱的對接接觸面采用曲弧面對頂連接，構(gòu)件及弧面之間可以有些許的回轉(zhuǎn)；曲弧面為泛義，可以是半圓弧面、半球弧面、螺線弧面及其他任意曲面形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的連接組件，其特征是先在U型鋼平面對接的二端口U槽底部各焊接對槽底部形成圍合的鋼件，再配備金屬活動插件插入所圍合的空間內(nèi)；為增大對接接觸平面的面積，還可在二 U槽端口處分別焊接鋼件。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的連接組件，其特征是先在U型鋼平面對接的二端口附近的U槽底部鉆孔，再用帶孔的條形內(nèi)、外金屬夾板將二對接的U型鋼夾持并用螺栓緊固；為增大對接接觸平面的面積，還可在二 U槽端口處分別焊接鋼件，但該鋼件不應(yīng)完全封閉端口以。
全文摘要
一種提高U型鋼拱架支護(hù)穩(wěn)定性的方法及連接組件，用于巷道掘進(jìn)支護(hù)領(lǐng)域。可縮性支護(hù)須借助重合段摩擦力來傳導(dǎo)支承，而卡攬松動失效竟占事故率50％。根據(jù)力學(xué)原理，任何巷道斷面，無論拱架形狀封閉與否，當(dāng)型鋼截面確定后，用卡攬連接的越長越完整，其臨界載荷越低，甚至材料整體強(qiáng)度未得以發(fā)揮就因局部薄弱失穩(wěn)而垮塌。新方法通過適度變截面局部補(bǔ)強(qiáng)提升最薄弱部位慣性矩、在曲率較大的部位實(shí)施有效性裂斷對頂式連接，在各支架間相互牽拉等綜合措施，來提升臨界載荷及支護(hù)的整體穩(wěn)定性。依據(jù)此方法、工藝及拱架承壓的內(nèi)力特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出多組專用連接組件。新方法可減少支護(hù)事故、增大棚距、降低支撐強(qiáng)度并大幅度降低鋼耗。
文檔編號E21D11/18GK102268999SQ20101020191
公開日2011年12月7日 申請日期2010年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月1日
發(fā)明者顏曙光 申請人:顏曙光