海南山金310运输巷道U型钢支架变形分析与强度校核

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海南山金310运输巷道U型钢支架变形分析与强度校核
孙 飞，姜俊宇
（海南山金矿业有限公司，海南　乐东　５７２５４３）
摘要：针对＋３１０运输巷围岩冒落问题，采用理论分析、理论计算和现场结合的方法，分析Ｕ型钢支护的影响因素，进行强度校核，为３１０运输巷后续的支护手段提供了参考。

论文得出：（１）该段发生冒顶，除了自身属于断层破碎带之外，还与支护体有着密切的关系。

（２）Ｕ型钢支护时，支护体强度与Ｕ型钢的型钢参数、搭接部分结构、间排距、支护时机和巷道断面有关。

（３）通过理论计算，２５Ｕ的屈服强度为９６．９　ｋＮ／㎡。

该冒落处的破碎岩石重量约为１４０　ｔ，远远大于２５Ｕ的屈服强度。

关键词：冒顶；Ｕ型钢支护；强度校核
中图分类号：ＴＤ３５３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１１－５００４（２０１８）０５－０２６０－２
本文以海南山金矿业有限公司抱伦金矿+310 m运输巷冒
落带为工程背景，分析U型钢可伸缩支架的变形原因，然后进行
强度校核，选用合理的U型钢支架，经过现场工业试验验证，为
后续巷道掘进支护提供支护思路。

1 工程背景
抱伦金矿位于海南省乐东县南西235°方向豪岗岭一带，直
距约19km处，面积7.1km2。

由于北区资源规划，为配合生产需
求，新开掘一条竖井，并搭配竖井310车场及配套工程。

310车
场运输巷段穿越断层破碎带，地质构造处岩石极为破碎，围岩稳
定性极差发生大面积冒顶，U型钢拱架发生严重变形。

该处为井口车场段，巷道宽5m、高3.3m，采用“U型钢可
伸缩性支架+管棚+钢带”支护。

为了为之后的支护提供参考和
保证后续掘进计划的顺利实施，需对冒顶区域的支护体进行强
度校核。

2 变形原因
运输巷道采用“U型钢可伸缩性支架+管棚+钢带”支护，
支架型号为12ZB-3，型钢为25U，因此，随着巷道的开掘，悬
露面积越来越大，支架承担的载荷越来越大，最终导致破坏变
形。

原因如下：
2.1 型钢材质及其力学性能
采用25U型钢支架，当架设梁、腿成型后，全长最大扭曲
不大于3mm。

25U型钢可缩性支架卡缆的平均工作阻力不低于
100kN，U型钢搭接长度不大于200mm。

U型钢支架的参数见
表1。

表1 25U型钢力学参数
U型钢类型截面面
积/cm2
理论质量
/kg.m-1
屈服点/
n.mm-2
抗拉强度/
n.mm-2
伸长率
/%
适用条
件
25U31.5424.95345(35)510（52）21<140kN
从表中可以看出，25U型钢的屈服强点为345N/mm2，结合运输巷的断面形状和U型钢的断面形状，可知其屈服强度是96904 N/㎡，即约9.6 t/㎡。

对于运输巷的破碎围岩，其承载能力不足以承受上方岩石的重量。

2.2 U型钢的搭接部分结构
U型钢支架的承载能力在很大程度上还取决于其搭接部分，不同的搭接方式对于U型钢的稳定性有着极大的影响。

采用型号为12ZB-3的U型钢支架，冒落段支架的搭接方式如图2(a)所示。

在310运输巷中，由于两帮受到的力与顶部受力不匹配，因此在冒落段的支架被压坏时，大部分支架出现“脱扣”现象。

3 强度校核
3.1 影响支架承载能力的因素
可缩性支架的实际承载能力是指支架在实际工作中所表现出的承载载荷能力的大小，研究表明，它是由和支架的工作状态以及连接件的工作阻力等决定的。

U型钢的材质及截面参数、支架的几何形状和尺寸、以及载荷的分布状况都对支架的承载能力产生一定的影响。

支架的几何形状是影响承载能力的主要因素之一，还影响型钢抗变形能力，其中，圆形支架的承载能力最好，是拱形支架的10倍左右。

支架的承载能力及其对巷道的文护效果不仅与所用型钢的型号有关，而且与支架的架型、载荷大小及其分布状况有关。

支架的支设，尤其是多节支架共同支护时，支架之间的搭接情况也对支护效果有很大的影响。

支架的搭接方式如图2所示。

其中，图2(a)适用于两帮压力大于顶部压力，而图2(b)则适用于顶部压力大于两帮压力。

这样能够很好地利用支架的结构关系。

(a) (b)
图2 支架的两种搭接方式
3.2 U型钢支架载荷计算
图3 U型钢可缩性支架计算简图
收稿日期：２０１８－０５
作者简介：孙飞，生于１９９０年，男，山东临沂人，学士学位，主要从事采矿工程与地质测量相关工作。

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从理论计算方面提出：U型钢可缩性支架的强度计算必须
同时考虑围岩荷载、卡缆预紧力和支架缩动三方面因素。

U型钢
可缩性支架的内力应由围岩荷载产生的支架内力、卡缆预紧力
产生的支架内力和支架缩动产生的内力组成，计算模型如图3。

其中，围岩荷载产生的支架内力可通过式(1)计算
：
（1）
式中，F x为单位力作用下的拱顶部轴力，kN；H、R、α1、α2为直墙半圆拱的集合参数。

卡缆预紧力产生的支架拱顶部轴力可以通过式(2)计算
：
（2）
式中，N1为卡缆预紧力产生的支架拱顶部轴力，kN；N0为卡缆的预紧力，kN；H、R、α1、α2为直墙半圆拱的集合参数。

支架缩动产生的支架拱顶部轴力可以通过式(3)计算
：（3）
式中，N1为支架缩动产生的支架拱顶部轴力，kN；∆CD为无卡缆约束时支架的缩动引起搭接部分下端张开的张开量，mm；δ11为假设从卡缆的中部切开，并作用一对单位力，这时在单位力方向产生的位移，mm。

在310运输巷道参数如下：H=2.7m，R=3.52m，α1=31°，α2=4.9°，N0=40kN，∆CD=180mm，δ11=5mm。

经过计算，F x=0.05kN，N1=2.1kN，N2=36kN。

3.3 U型钢支架强度校核
以25U型钢的强度极限96904 N/㎡计算，冒落段支架曾经承受的上覆破碎岩层的重量为117.6t/㎡，即Q1远大于117.6 t/㎡。

而实际清渣过程中，清理出废渣50车（1.0m³的矿车），因此，25U型钢强度不足以承担破碎段岩石的重量。

4 结论
（1）310运输巷发生冒顶，由于310运输巷穿过断层破碎带，巷道周围岩石较为破碎，支护及其困难。

在掘进过程中，未及时监测和支护，另外，支护时机不当，支护强度不足，都是造成这次事故的原因。

（2）U型钢支护时，支护体强度与U型钢的型钢参数、搭接部分结构、间排距、支护时机和巷道断面有关。

对于U型钢支护，型钢材质影响其性能；不同的搭接部分，对于不同情况下的受力适用性不同；间排距越密，支护强度越高；支护时机适当，支护效果越好。

（3）通过理论计算，25U的屈服强度为96.9 kN/㎡。

该冒落处的破碎岩石重量约为140 t，远远大于25U的屈服强度。

因此，25U型钢强度不足以承担破碎段岩石的重量，所以该段出现冒顶，支架失效。

参考文献
[1] 高峰，夏志村，蒋国强.U型钢棚新型支护在软岩交叉巷道中的应用[J].煤矿
现代化.2012(04):18-20.
[2] 王刚，丁红岗.U型钢支护能力分析[J].现代矿业.2016(02):179-182.
（上接259页）
（5）像控点测设。

对于像控点，需要综合考虑海岛地形条件合理布置，在本次地形测量中，确定像控点数量为144个，实测像控点121个，能够有效保证像控精度。

在像控点测设过程中，需要注意以下几点：①如果大陆无法连接构网，则可以在野外环境中零散的布点，然后连接，单独对各点进行像控布设，使得所有像控点能够在岛屿上连接成为四边形。

②在海岛礁影像中，有大面积水域特性，这样就会对影像资料的匹配精度造成不良影响，对此，可采用空三处理方式，对于海岛岸线进行加布控制，根据海岛性状特征，在靠近海岛内的边缘位置布点，注意避开危险的地理环境。

③综合考虑像控点布置实际情况，在像控没有覆盖的区域适当增加几个像控点，比如，海岛的灯塔位置、村落等。

④在影像资料处理方面，可应用godwork软件，首先导入像控点点号以及假定位置坐标，然后对控制点进行刺点，对边缘位置或者影像数量比较少的像控点进行适当调整。

⑤在对像控点进行外业测量过程中，采用RTK测量技术，对于像控点平面和高程的误差，需控制在5cm以内。

⑥在对外业像控点进行采集时，容易受到海岛地形条件以及相片角度等因素的影响，对此，在本次工程测量中，设置121个实测像控点，能够有效满足空三加密的需要。

（6）空三加密。

在对本次影像资料进行处理时，选用GodWork空三软件，对各个像控点的精度控制情况进行检验分析，确定采用116个像控点，空三精度为：-0.127m≤VX≤0.122m，-0.081m≤VY≤0.140m，-0.180m≤VH≤0.149m，精度控制效果比较好，能够有效满足地形图测绘实际需要。

（7）立体测图。

在对本次地形测绘项目进行内业测图时，采用航天远景MapMatrix软件，在对影像资料进行空三加密处理后，将资料导入至MapMatrix软件中，并进行核线采样，另外，还需要应用“特征采集处理专家”Feature-One进行数字线划图采集。

根据实践研究分析，通过应用航天远景MapMatrix软件，其能够根据外方位元素生成最佳的交会角，并且操作方式便捷，能够有效提升地形测绘工作效率以及图像精度。

（8）外业调绘。

通过应用立体测图，能够形成初步的地形图资料，对此，还需要联合应用外业调绘的方式，对已有的地形图进行全面检验分析，具体的检验内容包括屋檐改正、地物修补、属性调查等等，这样才能够保证地形图测绘结果的准确性和可靠性。

（9）成果整合。

在本次地形图测绘中，在获得外业调绘资料的基础上，需要对内业测图结果进行编辑和处理，另外，还应该有效整合建成区一、二类地物点及其他补测数据，进而获得完整的1：500基础地形图成果。

4 结语
综上所述，地形图测量工作难度较大，容易受到技术因素、设备因素、复杂地形环境等的影响，无人机航空摄影测量技术是一种新型地形测绘技术，通过将相机搭载在无人机上进行航空测量，不仅能够有效提升测量工作精度，便于数据采集、传输和处理，而且还能够规避由于复杂地形所带来的测绘难点，保证地形测绘工作的高效进行。

参考文献
[1] 吴智勇.无人机航空摄影测量技术在地形测绘中的应用探析[J].工程与建
设，2016，30（1）：36-37.
[2] 王峰.无人机航空摄影测量在地形图测绘中的应用探讨[J].资源信息与工
程，2016，31（3）：121-121.
[3] 张守魁.无人机航空摄影测量技术在矿区地形测量中的应用与探讨[J].资源
信息与工程，2017，32（3）：129-130.
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