专利名称：一种提高u型钢拱架支护稳定性的方法及连接组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种巷道掘进支护U型钢支架的连接与补强方法及其连接
背景技术：
在煤矿、隧道、矿山及各类地下工程施工巷道的掘进支护中，采用U型钢支护尽管钢耗巨大、成本上升，但由于施工简便快捷、且U型钢件可回收重复使用，所以它还是大量的应用。考虑到井下环境及人力施工的方便，在现有的支护技术应用中，考虑到运输的方便，一般是将U型钢弯曲成多段(如三段)拱形，在施工现场将各分段予以U、U重叠、错合搭接。错接部位具有一定长度的重合段，使钢耗增加。用多个卡揽及螺栓将重合段紧固后， 接成了一根长长的、“完整化”的、不存在断裂的拱架。这种应用了半个多世纪的传统连接方式，其对支承压力的传递须“借助，，于重合接触面上的摩擦力，而摩擦力又与摩擦系数、摩擦面的情况(光洁度、接触状况、润滑性能等)、卡揽的螺栓紧固力等直接相关。这样一来，传统的错接方式的承压能力可能会低于整梁(不分段)的承压能力。当压力超过工作阻力时会产生滑动，使支护的巷道具有软抵抗的可压缩特性，故一般又将它称之为“U型钢拱形可缩性支架”。统计发现，井下U型钢可缩支架支护的巷道的损坏，有近50%是由于压力使得错接部位卡揽松动、失效引起的。拱架可视为平面曲梁，现有的连接方式都是使各梁段连接的更长，形成为整根拱架的方式。可缩性错接方式，即使卡揽连接的非常牢靠，但按照力学原理分析可知，无论传递压力的杆件是直杆梁还是曲杆梁，无论曲梁构成的拱形支架是封闭还是不封闭，在曲梁即型钢截面一定情况下，曲梁接的越长，其拱架支承时的临界荷载越小，稳定性越低，即越容易导致支护破坏。于是就出现了一种局面不连接，无法形成支架；接不牢，松动失效会导致支护损毁；接牢固了，就接的更加长了，又导致临界荷载下降，而且越接长，其稳定性越低。这似乎陷入了“怪圈”之中。对于巷道断面较大情况，拱架即“曲杆梁”一般接的较长， 往往使临界应力远低于钢材的强度许用应力，以致稳定性不足导致支护失败。为克服此现象，企业通常会采取减小棚距、提高支护强度，这又使得钢耗及支护成本剧增。
发明内容
本发明的目的是要提供出一种提高U型钢拱架支护稳定性的方法及其适应该方法的连接组件，新方法的特征是每道拱架的各段梁的中间部位的U槽口加焊补强钢件；对于顶梁，还可以在其距离端头的1.5米范围内加焊了补强钢件；在各段梁之间焊接或采用了专用连接组件；另外在巷道的各道拱架之间，还可以采用钻有孔眼的带钢及螺栓或钢丝绳及绳卡将各道拱架予以连接紧固并保持整巷拱架的相互牵拉。新方法在各段梁间焊接或采用的专用连接组件，其特征是采用了对顶连接且对顶面为曲弧面或平面的对顶连接组件。对于顶梁与腿柱或底梁与腿柱的连接组件，采用曲弧面对顶连接，构件及弧面之间可以有些许的回转；由于弧面面积大于平面，还降低了压强。曲弧面泛义较广，可以为半圆弧面、 半球弧面、螺线弧面及其他任意复杂(甚至脊柱节接触面)的曲面形状。对于分段梁的平面对顶连接组件，有多种形式可先在U型钢平面对接的二端口 U槽底部各焊接对槽底部形成围合的钢件13，再配备金属活动插件12插入所围合的空间内，为增大对顶接触面积，可在上述二侧U槽端口分别焊接钢件11 ；还可采取先将二端口附近的U型钢槽底部钻若干个孔，再用带孔的条形内、外夹板14、15将二对接的U型钢夹持并用螺栓紧固，为增大对顶接触平面的面积，也可在二侧U槽端口处分别焊接钢件11，但该钢件不应完全封闭端口以免妨碍夹板的安装。本发明旨在以最小的经济代价打破上述“怪圈”。其理论依据是基于以下的分析与
考虑根据计算直杆受压时临界荷载的欧拉公式分析，可以看出，若要提高临界荷载可有二个途径，要么增大公式中的“分子”即提高惯性矩；要么减小“分母”即缩短长度。先考虑“分子”的因素改变型钢选用规格来提高惯性矩，如由原U29型，改为U36 型，但支护成本大幅度提高，很不经济。若借鉴等强度理论，可在最薄弱部位采取适度变截面的方法，如在各段梁的二分之一部位加焊一定长度的补强钢板，则既经济又“实惠”。再考虑“分母”的因素要实现欧拉意义上的长度缩短又能够使顶板、腿柱对拱巷巷壁形成支承而不会造成坍塌，可根据承压状态下金属支架各部位内力特点考虑其连接特点及其方式，力求象动物脊柱关节那样实现断裂化的弯连成“完整的一根”。利用将连接部位断裂化，使该处弯矩“戛然”为零，让弯矩在新状态下重新分布并将原相对集中的风险趋于分散化。将三段拱架的连接部位选在曲率变化最大、外向弯矩较大的部位处或其附近并实行有效断裂，这种断裂既能减少弯矩对型钢的破坏作用又可以充分建立起来自巷壁的外部支撑，使型钢象榕树一样建立起“新生根”。在此处断裂可实现长度缩短，减小了“分母”， 达到增大临界值、提高稳定性之目的。对于巷道宽度较大、顶梁段较长的情况，还可以在距顶梁二端部1.5米的范围内通过加焊补强钢板的方式，强化巷壁对补强点的“约束”作用， 等于前移了“新生根”，起到了进一步缩短欧拉涵义中的长度作用。对于高低起伏、局部倾斜较大的巷道，要保持每道拱架持久、良好的支护比较困难，还可考虑在各道拱架之间建立相互牵拉，采用二端钻孔的扁钢带及螺栓或钢丝绳将每道拱架连接起来，可减少扭曲、进一步增强每道拱架的稳定性。与传统工艺相比，在相同条件下，本技术可使最小临界载荷最大可提升60 %左右， 使支承能力增强，或可扩大支架间距，再加上不存在错接重合段的浪费，其节约钢材显著； 稳定性提高巷道维护成本下降，延长了巷道的服务年限，其经济效益应该非常可观。
图1中a)、b)、c)分别是三段、四段式及多段封闭式“马蹄”形拱架示意图。图2是在井巷承压下三段式金属支架内力一种分布示意图，a)弯矩、b)轴力、C) 剪力。图3是一种在各段梁中部及附近焊接了加强钢板的补强示意图。图4是顶梁端头附近加焊补强钢件示意图。图5是巷道中各道支架之间牵拉了带钢示意图。图6中a)、b)是对顶面均为平面式的二种不同连接组件示意图，c)为a图中的 B-B剖面图。
图7中a)、b)、分别是对顶面为曲弧及曲-平面结合的连接示意图。图8中的a)是梁段端口进行了补强、其半顶梁之间为平面对顶并采用条形金属夹板连接的示意图，也是图6中b)的A-A剖面图，图中b)、c)为a)图中二个组件。图9中a)是在顶梁与腿柱之间采用半圆弧对接面的连接示意图，b)为其中一个组件。图例中1顶梁，2柱腿，3底梁，4半梁，5补强槽口板，6补强横筋板，7补强斜板， 8牵拉钢件，9耳件，10螺栓，11补强端口板，12插销件，13围合钢件，14内夹板，15外夹板， 16上半座件，17下半座件，18连板。
具体实施例方式本发明只是连接与适度变截面补强方式上作变革，实施起来很容易。补强就是焊接，其意义很明显，就不再叙述了。对各道支架之间进行的相互牵拉，必须在下井前将各道支架的相对应部位焊接带孔的耳件9，以便固定牵拉连板8 ；也可以提前在U槽口的补强板 6上预留下钻孔，这样一来可以省去耳件而利用该孔固定支架之间的牵拉钢板件；煤矿有许多报废钢丝绳，可废物利用，代替钢板用以牵拉。要强调的是连接，必须根据拱巷断面形状及与之相对应的拱架内力分布特征，选好断裂位置及对接组件。对于曲率较为平直、且内力相对较小的顶(或底)半梁的对接，可选用平面对接方式，如用图8之金属夹板14、15固定。图中端口补强板11不可缺少，它对于U槽口部位的强度及受力有所改善。为了提高夹持效果，夹板断面的造型可采取一些变化，如内夹板14 的底层面可与U型钢的槽底弯弧吻合，外夹板15的内层面可与U型钢槽底的外表面吻合； 考虑到环境等不利因素影响，U型钢现场支护组装时，在U槽内即使采用专用工具可能也不太方便。在铸造夹板时，可在内夹板14上铸有防止螺杆转动的凹坑，以便于拧紧螺栓。对于顶梁与腿柱梁的连接，一般来说，断裂位置应选择图2中的C点或其略上方为宜，该部位的弯矩与剪力相对较大且同为外向型；该连接组件选接触面相对较大的曲弧面对接比较合适，如图9。考虑到支架安装时井巷初压较低，为组装方便及保持支架初装的稳定性，可在支架的内侧或外侧(以图4中的中性界面区分内外)设置连接件，图9中在上下座对接处的内侧就加装了连接板18，其连接板的孔眼为长孔形则适应可能发生的微小回转。
权利要求
1.一种提高U型钢拱架支护稳定性的方法及连接组件，其特征是在每道拱架各分段梁的中间部位的U槽口加焊了补强钢件；对于顶梁，还可以在其距离端头的1. 5米范围内加焊补强钢件；另外在巷道的各道拱架之间，还可以采用钻有孔眼的带钢、螺栓或钢丝绳及绳卡将各道拱架予以连接紧固并保持整巷拱架的相互牵拉。
2.一种提高U型钢拱架支护稳定性的方法及连接组件，其特征是在各分段梁之间的连接上，采用了对顶连接且对顶面为曲弧面或平面的对顶连接组件。
3.根据权利要求2所述的连接组件，其特征是顶梁或底梁与腿柱的对接接触面采用曲弧面对顶连接，构件及弧面之间可以有些许的回转；曲弧面为泛义，可以是半圆弧面、半球弧面、螺线弧面及其他任意曲面形状。
4.根据权利要求2所述的连接组件，其特征是先在U型钢平面对接的二端口U槽底部各焊接对槽底部形成围合的钢件，再配备金属活动插件插入所围合的空间内；为增大对接接触平面的面积，还可在二 U槽端口处分别焊接钢件。
5.根据权利要求2的连接组件，其特征是先在U型钢平面对接的二端口附近的U槽底部钻孔，再用带孔的条形内、外金属夹板将二对接的U型钢夹持并用螺栓紧固；为增大对接接触平面的面积，还可在二 U槽端口处分别焊接钢件，但该钢件不应完全封闭端口以。
全文摘要
一种提高U型钢拱架支护稳定性的方法及连接组件，用于巷道掘进支护领域。可缩性支护须借助重合段摩擦力来传导支承，而卡揽松动失效竟占事故率50％。根据力学原理，任何巷道断面，无论拱架形状封闭与否，当型钢截面确定后，用卡揽连接的越长越完整，其临界载荷越低，甚至材料整体强度未得以发挥就因局部薄弱失稳而垮塌。新方法通过适度变截面局部补强提升最薄弱部位惯性矩、在曲率较大的部位实施有效性裂断对顶式连接，在各支架间相互牵拉等综合措施，来提升临界载荷及支护的整体稳定性。依据此方法、工艺及拱架承压的内力特点，设计出多组专用连接组件。新方法可减少支护事故、增大棚距、降低支撑强度并大幅度降低钢耗。
文档编号E21D11/18GK102268999SQ20101020191
公开日2011年12月7日 申请日期2010年6月1日 优先权日2010年6月1日
发明者颜曙光 申请人:颜曙光