论文摘要
U型钢支架参与的联合支护，是解决高压力软碎围岩巷道支护难题的重要途径之一。支架受力承载的变形特征，既有平面内的折弯和错断，也有平面外的翻转扭曲，其中不乏由于结构失稳、纵向受力、偏载侧倾造成的低阻折损现象。现有的面内弹性线单元力学模型，较难解释其力学机理，面对更为复杂的约束状况和受载条件，则难以给出理论解析解。探究支架的三维受力计算和屈曲机理分析，可更准确的评定支架的承载能力，预判薄弱点位置和变形发展趋势，为屈曲控制指明方向，具有较高的研究价值和指导意义。基于上述背景，深入调研了两淮矿区和开滦矿区的支架变形折损状况，根据变形特征和力学原因归纳了平面内结构性受载折损、搭接部位撕裂型破损、卡缆失效与破坏、拉杆和背板失效与破坏、轴力错断型折损、纵向扭曲破坏、综合性破坏等7种型式，提出了屈曲概念和内涵，其中平面内结构性受载折损、纵向扭曲破坏和轴力错断型折损均有屈曲破坏现象的发生。以ANSYS中的BEAM189结构单元建模支架，通过变换约束类型、断面积、跨高比和加载方式，研究了包括弯矩、剪力和轴力的在支架棚梁和棚腿各部位的分布变化规律，查明了内力极值点的大体位置包括棚脚、起拱线、拱顶以及两个肩窝，条件变换会造成内力方向、薄弱点数目和位置的变化。设计了U型钢钢梁加载试验，进行了试验模型的理论分析，选取位移、加载力和3个关键点位的挠度和横纵应变重要指标，试算反演了包括泊松比、屈曲强度、抗拉强度和强化阶段的切线模量等重要参数，解释了局部受载中25UY支架强于29U支架的原因。通过FLAC3D中BEAM单元的模拟计算，对比了碎矸充填和浆液充填下支架与围岩的作用关系。以常用29U型钢直腿拱形支架为原型，实现了支架、拉条和约束类型的三维ANSYS建模，开展了面内失稳和空间失稳、支架的特征值与屈曲模拟对比计算，分析了不同条件的等效载荷集度和薄弱点分布状况，进行了不同条件的支架承载能力评定，从面外失稳、纵向受力和偏载受力三方面的力学机制方面和力学来源方面，阐明了支架的屈曲机理。系统分析了架型优化、壁后充填、锚杆（索）强化以及滞后注浆在控制屈曲及提升支架承载效能方面的重要作用，提出了开展屈曲控制的一般过程与方法。采用壁后充填、锚杆锁腿、帮部锚索补强、滞后注浆等屈曲控制对策，成功开展了两类典型条件的软岩巷道支护治理，进行了浅拱底梁、锚杆（索）锁腿、滞后注浆等施工方法的有益尝试。该论文有图109幅，表22个，参考文献149篇。