采礦工程專(zhuān)業(yè)材料力學(xué)課程教學(xué)對(duì)應(yīng)案例分析

1、采礦工程專(zhuān)業(yè)材料力學(xué)課程教學(xué)對(duì)應(yīng)案例分析摘要：材料力學(xué)課程是采礦工程專(zhuān)業(yè)較重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。收集、整理并講授與專(zhuān)業(yè)相關(guān)的教學(xué)案 例，可以有效提高材料力學(xué)課程的教學(xué)效果。在科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下，中國(guó)采礦工程行業(yè)蓬勃發(fā)展，獲得 較多優(yōu)秀成果，同時(shí)也有失敗的教訓(xùn)。如果將這些成果及教訓(xùn)作為教學(xué)案例展示給采礦工程專(zhuān)業(yè)大學(xué) 生，將會(huì)使得課堂教學(xué)更生動(dòng)。依據(jù)材料力學(xué)的章節(jié)安排，分別列舉與采礦工程專(zhuān)業(yè)相關(guān)案例，包括：非 全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿的軸向拉伸、礦柱的軸向壓縮、錨桿托盤(pán)的剪切和擠壓、巷道穿越斷層時(shí)的剪切、礦用鉆機(jī) 鉆桿的扭轉(zhuǎn)、頂板的固支梁和懸臂梁假說(shuō)、單軸和三軸壓縮條件下巖石的強(qiáng)度理論、掘進(jìn)機(jī)傳動(dòng)軸的組 合變形、單

2、體支柱的壓桿失穩(wěn)以及豎井罐籠的墜落事故等，分別對(duì)應(yīng)于材料力學(xué)課程各個(gè)章節(jié)，為授課 教師課堂教學(xué)提供案例參考。關(guān)鍵詞：采礦工程;材料力學(xué)；案例教學(xué)；對(duì)應(yīng)案例材料力學(xué)作為大部分理工科學(xué)生的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課,課程教學(xué)中注重理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，為設(shè)計(jì)工 程實(shí)際構(gòu)件提供必要的理論基礎(chǔ)。為提高材料力學(xué)課程的教學(xué)效果,特別是培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí) 和解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力，授課教師嘗試多種教學(xué)方法：110 !近年來(lái)，在課程教學(xué)中開(kāi)展案例教 學(xué)，加快了中國(guó)高校教學(xué)改革的步伐,尤其是針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)開(kāi)展不同案例教學(xué),對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量起 重要作用9。對(duì)材料力學(xué)課程開(kāi)展案例教學(xué)，首先，需要授課教師遵從基礎(chǔ)理論服務(wù)工程實(shí)踐的理念，列舉

3、 與所授課專(zhuān)業(yè)相關(guān)的工程實(shí)踐案例。其次,利用這些案例誘導(dǎo)式地啟發(fā)學(xué)生構(gòu)建力學(xué)模型。最后， 根據(jù)課程章節(jié)開(kāi)展力學(xué)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等方面的分析研究。不難看出，開(kāi)展案例教學(xué)的第一個(gè) 關(guān)鍵步驟是搜集和整理與專(zhuān)業(yè)相關(guān)的材料力學(xué)教學(xué)案例C。將工程實(shí)踐前沿問(wèn)題引入課堂，還可以保持專(zhuān)業(yè)知識(shí)與時(shí)俱進(jìn)的先進(jìn)性10!中國(guó)各高校普遍采用的材料力學(xué)教材大多以機(jī)械相關(guān)的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件為教學(xué)背景，較少涉及采 礦工程專(zhuān)業(yè)案例ET%。即使中國(guó)礦業(yè)領(lǐng)域最高學(xué)府中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，全校材料力學(xué)教材亦采用嚴(yán)圣 平教授主編的&材料力學(xué)（第二版）。在該教材中，各章節(jié)例題和習(xí)題均為機(jī)械工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，較 少有與采礦工程專(zhuān)業(yè)相對(duì)應(yīng)的教學(xué)案例W。授課

4、時(shí)發(fā)現(xiàn)，因教材中涉及的例題和習(xí)題大多針對(duì)傳 統(tǒng)機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)，導(dǎo)致一部分學(xué)生學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性不高。然而,一旦提及與專(zhuān)業(yè)相關(guān)的構(gòu)件或案例 時(shí)，往往可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此,作為任課教師，有必要且也有責(zé)任通過(guò)多種途徑收集和整理與采礦工程專(zhuān)業(yè)相關(guān)的代表 案例，再將這些案例與抽象的課堂理論結(jié)合起來(lái)講授，增加學(xué)生的參與度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和 積極主動(dòng)性。一、材料力學(xué)課程章節(jié)設(shè)置與目標(biāo)目前,開(kāi)設(shè)采礦工程本科專(zhuān)業(yè)的普通高等學(xué)校有30余個(gè)。由于教務(wù)安排、教材選擇、學(xué)生層次 的不同，各個(gè)高校材料力學(xué)課程章節(jié)安排和授課內(nèi)容均有差異，即使是同所高校授課內(nèi)容亦會(huì)根據(jù) 政策變化而有針對(duì)性的調(diào)整。以中國(guó)礦業(yè)大學(xué)為例,20

5、182019學(xué)年以前，采礦工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)材料 力學(xué)課程工程力學(xué)A2,共80個(gè)學(xué)時(shí)，包括64個(gè)理論學(xué)時(shí)和16個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí);20182019學(xué)年開(kāi)設(shè)材 料力學(xué)課程工程力學(xué)B2,刪去動(dòng)載荷和交變應(yīng)力、能量方法等章節(jié)，課程學(xué)時(shí)壓縮至56個(gè)學(xué)時(shí)，包 括46個(gè)理論學(xué)時(shí)和10個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。目前,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)開(kāi)設(shè)工程力學(xué)B2課程,教學(xué)目標(biāo)是研究桿件在承受各種荷載時(shí)的力學(xué)性 能，主要講授桿件的軸向拉伸與壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲內(nèi)力、彎曲應(yīng)力、彎曲變形、應(yīng)力和應(yīng)變分析、 強(qiáng)度理論、組合變形、壓桿穩(wěn)定等內(nèi)容。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握將實(shí)際構(gòu)件抽象為力學(xué)模型 的方法，掌握桿件內(nèi)力、應(yīng)力和變形分布規(guī)律的基本原理和方法，掌握分

6、析桿件強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性 問(wèn)題的理論與計(jì)算，具備計(jì)算能力和一定的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。二、采礦工程中材料力學(xué)教學(xué)的代表案例（一）軸向拉伸與壓縮軸向拉伸與壓縮是桿件變形的4種基本形式之一。桿件的受力特點(diǎn)是其受到一對(duì)大小相等、 方向相反、作用線(xiàn)與桿件軸線(xiàn)相重合的作用力。在受到軸向作用力之后，桿件沿其軸線(xiàn)方向均勻的 伸長(zhǎng)或縮短，亦即桿件上任意兩個(gè)橫截面沿著桿件軸線(xiàn)方向產(chǎn)生相對(duì)平行移動(dòng)。1-軸向拉伸錨桿是采礦工程中涉及軸向拉伸的最典型桿件之一。1912年，德國(guó)的謝列茲礦最先采用錨桿對(duì) 井下巷道進(jìn)行支護(hù)。其后，錨桿支護(hù)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、施工方便及工程適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng) 用于各類(lèi)礦山的開(kāi)采建設(shè)之中。在中國(guó)煤礦

7、生產(chǎn)中，每年新掘進(jìn)的錨噴支護(hù)的井巷工程長(zhǎng)達(dá) 2 000 km,截至2015年，采用錨桿支護(hù)的煤礦巷道達(dá)支護(hù)總量的70%以上的。此外，錨桿不僅可以用 于礦山，還可以用于其他工程技術(shù)中，如對(duì)深基坑、高邊坡、交通隧道和水工壩體等進(jìn)行主體加固。經(jīng)過(guò)百余年的發(fā)展,各式錨桿被發(fā)明出來(lái)以滿(mǎn)足不同的需求。相對(duì)于日益成熟的錨桿支護(hù)工程實(shí) 踐，錨桿支護(hù)作用機(jī)理的研究相對(duì)滯后。從錨桿支護(hù)誕生至今，學(xué)者相繼提出諸如懸吊理論、組合梁理 論、組合拱（壓縮拱）理論、最大水平應(yīng)力理論以及巷道圍巖峰后剪脹變形模型等。上述理論有其顯著優(yōu) 點(diǎn)的同時(shí),也有其局限性，因此，對(duì)錨桿支護(hù)作用機(jī)理的研究在持續(xù)開(kāi)展。目前，被普遍接受的理論認(rèn)為

8、, 錨桿支護(hù)通過(guò)深入圍巖體內(nèi)部的錨桿桿體，改變圍巖本身的力學(xué)狀態(tài),提高了巖體的整體強(qiáng)度，從而在巷 道圍巖體內(nèi)形成一個(gè)完整而穩(wěn)定的承載圈，最后，在與圍巖共同作用下實(shí)現(xiàn)維護(hù)巷道穩(wěn)定的目的。在各式錨桿中，非全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿屬于典型的受拉構(gòu)件。外露的一端經(jīng)由螺母、托盤(pán)與巷道壁連 接，另一端通過(guò)錨固劑與巖土體粘結(jié)，如圖1所示。整根非全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿可以分為自由段和錨固段 兩部分。其中，自由段將錨桿頭部由螺母施加的拉力傳至錨固段，其功能是對(duì)錨桿桿體施加預(yù)應(yīng) 力;錨固段則通過(guò)樹(shù)脂等錨固劑將預(yù)應(yīng)力筋與圍巖體粘結(jié)，其中，錨固劑可以增大錨固段與圍巖體 的粘結(jié)摩擦作用，增加整個(gè)錨固段的承壓作用,最終將自由段的預(yù)應(yīng)力傳至圍巖

9、體深處?？梢?jiàn)，如果取錨桿自由段為研究對(duì)象,則其受一對(duì)大小相等、方向相反、作用線(xiàn)與軸線(xiàn)方向一致 的軸向拉伸作用。據(jù)此，可以計(jì)算得到錨桿自由段的應(yīng)力和變形情況,進(jìn)而開(kāi)展強(qiáng)度校核。圖1非全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿錨固系統(tǒng)示意圖2.軸向壓縮在采礦生產(chǎn)中，為保護(hù)井下人員安全以及巷道的完整，會(huì)預(yù)留一部分礦體作為礦柱。中國(guó)金屬 礦山因采用房柱式方法開(kāi)采，其礦柱大多為正方形或長(zhǎng)方形;煤礦開(kāi)采則更多的采用條帶式開(kāi)采, 因而礦柱多為長(zhǎng)條形。無(wú)論哪種形狀，礦柱都可以依靠其自身的支撐能力維護(hù)礦山采空區(qū)的穩(wěn)定。 圖2為煤礦條帶開(kāi)采時(shí)礦柱受力狀態(tài)簡(jiǎn)圖。在頂?shù)装遄饔孟拢V柱主要承受軸向壓縮載荷作用（近 似為分布載荷Y#和Y2）$ 一旦獲

10、取頂?shù)装遢d荷，便可計(jì)算礦柱軸向壓縮時(shí)的應(yīng)力和變形，進(jìn)而開(kāi)展 礦柱強(qiáng)度校核。圖2礦柱受力狀態(tài)簡(jiǎn)圖在壓縮條件下，礦柱會(huì)依次經(jīng)歷彈性變形、塑性變形，甚至被壓縮破壞，進(jìn)而導(dǎo)致災(zāi)害事故，因 而需要評(píng)估礦柱的穩(wěn)定性。影響礦柱穩(wěn)定性的因素較多，主要包括礦體本身的強(qiáng)度、礦柱尺寸（寬 度和礦柱）、開(kāi)采深度和上覆巖層重度等。采場(chǎng)動(dòng)壓（沖擊地壓）對(duì)礦柱穩(wěn)定性的影響也較為顯著。 因而，礦柱穩(wěn)定性研究一直是礦山壓力與巖層控制的重點(diǎn)。（二）剪切與擠壓的實(shí)用計(jì)算因受到一組大小相等、方向相反、作用線(xiàn)相距較近的平行力系作用，構(gòu)件會(huì)沿著兩組平行力系 的交界面發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng),這種變形形式被稱(chēng)為剪切。承受剪切作用的構(gòu)件，一般也會(huì)承受擠

11、壓作 用，所以剪切和擠壓通常是同時(shí)出現(xiàn)的。在采礦工程設(shè)備中，承受剪切與擠壓作用的連接件亦較多，包括錨桿、錨索、螺栓、鉚釘、鍵等, 其中，錨桿托盤(pán)亦承受剪切和擠壓的作用。在高地應(yīng)力和動(dòng)壓巷道中,有些礦井回采巷道甚至出現(xiàn) 錨桿托盤(pán)因剪切擠壓變形過(guò)大而破壞崩落的現(xiàn)象17，如圖3 （a）所示。為此,工人將錨桿外露端用 鋼絲掛在錨網(wǎng)上如圖3（ b）,一旦托盤(pán)斷裂崩出，鋼絲將吸收大部分彈性勢(shì)能,避免傷害附近的工作 人員。（a ）大變形的錨桿托盤(pán)（b ）預(yù)防崩落的掛網(wǎng)措施圖3承受剪切和擠壓作用的錨桿托盤(pán)在回采過(guò)程中，巷道有時(shí)需要穿越斷層。由于斷層上下盤(pán)（或左右盤(pán)）之間的相對(duì)移動(dòng),導(dǎo)致斷 裂面兩側(cè)巷道產(chǎn)生相對(duì)

12、運(yùn)動(dòng)，即巷道承受部分剪切載荷（圖4） $同時(shí)，在斷層面附近巖體極度破碎, 需要采取相關(guān)措施對(duì)巷道加強(qiáng)支護(hù)，所采用的錨桿和錨索亦可能因剪切作用而破斷。水平巷道圖4水平巷道穿越正斷層時(shí)承受的剪切作用（三）圓軸扭轉(zhuǎn)在采礦工程設(shè)備中,有較多構(gòu)件的主要變形形式是扭轉(zhuǎn)，主要變形特點(diǎn)是相鄰橫截面繞著構(gòu)件 軸線(xiàn)做相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，如氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)、地質(zhì)鉆孔鉆機(jī)和探放水鉆機(jī)等的鉆桿。此外,滾筒式采煤機(jī)和 巷道掘進(jìn)機(jī)的傳動(dòng)軸也受扭轉(zhuǎn)作用。礦井水災(zāi)又稱(chēng)透水,是中國(guó)煤礦中常見(jiàn)的主要災(zāi)害之一，不但影響煤礦的正常生產(chǎn)，而且還會(huì) 造成人員傷亡，甚至?xí)蜎](méi)整個(gè)礦井和采區(qū)。當(dāng)掘進(jìn)工作面或者采煤工作面接近老空區(qū)、老巷道、 老鉆孔、斷層構(gòu)造

13、和不明區(qū)域時(shí),就需要提前開(kāi)展超前探放水工作,此時(shí)需要用礦井探放水鉆機(jī)，如 圖5所示。探放水鉆機(jī)主要包括液壓泵、操控箱、前后油缸、升降油缸、液壓馬達(dá)和鉆桿等部件。其 中，鉆桿在液壓馬達(dá)作用下持續(xù)鉆動(dòng)并深入地層,承受來(lái)自巖體和液壓馬達(dá)的一對(duì)轉(zhuǎn)向相反的外力 偶作用,其變形形式屬于扭轉(zhuǎn)。液壓馬達(dá)圖5礦井探放水鉆機(jī)根據(jù)煤礦防治水規(guī)定邸第九十八條，探放老空積水的超前鉆距，根據(jù)水壓、煤(巖)層厚度和 強(qiáng)度及安全措施等情況確定，但最小水平鉆距不得小于30 m;而根據(jù)第九十七條，探水鉆孔除兼作 堵水或者疏水用的鉆孔外，鉆孔孔徑一般不得大于75 mm。可見(jiàn)，探放水鉆機(jī)的鉆桿又細(xì)又長(zhǎng)而且 中空，對(duì)其扭轉(zhuǎn)變形和應(yīng)力狀

14、態(tài)的設(shè)計(jì)和校核十分必要。梁彎曲理論桿件的軸線(xiàn)在變形后成為曲線(xiàn),這種變形形式稱(chēng)為彎曲變形。凡是以彎曲為主要變形的桿件，通 常稱(chēng)為梁。材料力學(xué)主要講授梁在純彎曲時(shí)的內(nèi)力、應(yīng)力與變形。梁的彎曲理論在采礦工程中應(yīng)用非 常廣泛19，主要用來(lái)預(yù)測(cè)巷道和采場(chǎng)頂、底板的破斷和垮塌等，如固支梁假說(shuō)和懸臂梁假說(shuō)等。對(duì)常見(jiàn)的運(yùn)輸順槽，由于沿著傾斜方向的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其沿走向懸露的跨距，因此，可將其頂板 視為一段由工作面煤壁支撐、另一端由邊界煤柱支撐的固支梁，如圖6( a)所示。此時(shí)，如果頂板之 上的巖層強(qiáng)度較低,則其上覆巖層的重量Y1將通過(guò)頂板的固支梁傳遞到巷道兩端的煤壁和煤柱上。 于是，根據(jù)材料力學(xué)固支梁理論可以獲得

15、煤壁和煤柱上的支反力，以及頂板內(nèi)的應(yīng)力分布和變形情 況，從而對(duì)煤壁、煤柱和頂板進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核。這一頂板固支梁模型，亦被稱(chēng)為固支梁假說(shuō)。(a)頂板固支梁(b)頂板懸臂梁圖6頂板固支梁和懸臂梁模型示意圖懸臂梁假說(shuō)由德國(guó)的施托克于1916年提出，得到英國(guó)和前蘇聯(lián)學(xué)者支持。該假說(shuō)認(rèn)為，工作面 和采空區(qū)上方的頂板可認(rèn)為一端固定于巖體內(nèi)、另一端處于懸伸狀態(tài)的懸臂梁，如圖6( L)所示。依 據(jù)材料力學(xué)懸臂梁理論,該假說(shuō)可以較好地解釋工作面近煤壁處頂板下沉量小且支架載荷也小，而 距離煤壁越遠(yuǎn)則兩者均較大的現(xiàn)象。隨著采煤的推進(jìn)，懸臂梁外伸端逐漸增長(zhǎng)，在達(dá)到一定長(zhǎng)度后 其在固定端處會(huì)產(chǎn)生破斷,并產(chǎn)生有規(guī)律的

16、周期性折斷現(xiàn)象?？梢?jiàn)，懸臂梁假說(shuō)可以解釋工作面前 方出現(xiàn)的支撐壓力及工作面出現(xiàn)的周期來(lái)壓現(xiàn)象。（五）應(yīng)力狀態(tài)與強(qiáng)度理論材料力學(xué)研究的另一個(gè)主要問(wèn)題是應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論。根據(jù)工程生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)作用在構(gòu)件 上的外部作用力達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，如果構(gòu)件由脆性材料構(gòu)成，則將在構(gòu)件內(nèi)部某一點(diǎn)產(chǎn)生破壞; 如果由塑性材料構(gòu)成,則構(gòu)件開(kāi)始失效。采礦工程中關(guān)于應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論的應(yīng)用可以用于解釋和判別各類(lèi)巖石的強(qiáng)度和破裂模式問(wèn) 題。其中,最大拉應(yīng)力強(qiáng)度理論可以較好地解釋巖石拉破壞，因此，可以作為巖石的抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則;最 大伸長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)度理論可以解釋巖石單軸壓縮時(shí)產(chǎn)生的劈裂破裂20（圖7（ a）;在接近三向壓縮條件 時(shí),

17、大部分巖石的損傷破壞為塑性破壞20如圖7（ L），因此，可以用第三和第四強(qiáng)度理論來(lái)判別。（b ）三軸壓縮塑性破壞圖7鹽巖不同壓縮條件下的破壞模式（六）組合變形在材料力學(xué)中，由兩種或兩種以上基本變形（軸向拉伸與壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲）組合的情況, 稱(chēng)為組合變形。在實(shí)際采礦中，大多數(shù)構(gòu)件或者結(jié)構(gòu)受到的作用都是產(chǎn)生兩種或者兩種以上基本 變形的載荷，如偏心受壓的單體支柱將產(chǎn)生壓縮和彎曲的組合變形，滾筒采煤機(jī)和巷道掘進(jìn)機(jī)等設(shè) 備上搖臂內(nèi)的傳動(dòng)軸則承受壓縮和彎曲的組合作用。巷道掘進(jìn)機(jī)是煤礦采掘設(shè)備的一種，主要由截割裝置、輸送裝置、牽引裝置和控制裝置等組成 （圖8）。在掘進(jìn)過(guò)程中，截割裝置需要頂在煤巖體上，

18、因此，傳動(dòng)軸會(huì)受到來(lái)自煤巖體的反作用力； 其次，截割裝置需要持續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)才可以不斷地切割煤巖體,所以傳動(dòng)軸還受扭轉(zhuǎn)作用?？梢?jiàn)，掘進(jìn) 機(jī)傳動(dòng)軸需要著重演算壓縮和扭轉(zhuǎn)的組合變形。圖8巷道掘進(jìn)機(jī)及其受力壓桿穩(wěn)定單體液壓支柱是采礦工程中應(yīng)用廣泛的支護(hù)用具，其利用液體壓力產(chǎn)生的工作阻力實(shí)現(xiàn)升柱 和卸載的目的。早在1973年，中國(guó)煤炭科學(xué)研究總院率先成功研制活塞式單體液壓支柱，并于80 年代在全國(guó)推廣，逐步替代20世紀(jì)60年代初誕生的單體金屬摩擦支柱。到20世紀(jì)90年代末，中 國(guó)又成功研制柱塞懸浮式單體液壓支柱，實(shí)現(xiàn)單體支護(hù)設(shè)備的第3次飛躍21o目前,單體液壓支柱 可以分為懸浮式、雙伸縮懸浮式、DN內(nèi)注式和

19、玻璃鋼等類(lèi)型，主要由缸體、活柱和各種閥等部件組 成。單體液壓支柱主要用于礦井的頂板支護(hù)，可以通過(guò)閥門(mén)控制實(shí)現(xiàn)恒定阻力支護(hù),屬于恒阻式單 體支柱。然而，液壓支架被大規(guī)模普及，當(dāng)前的單體液壓支柱主要用于工作面的端頭支護(hù)和臨時(shí)支 護(hù)等，以彌補(bǔ)液壓支架的不足。在一般的煤礦巷道中，單體液壓支柱的支護(hù)位置和受力情況如圖9 (a)所示。單體支柱在工作 時(shí)，會(huì)受到來(lái)自頂板和底板的一對(duì)大小相等、方向相反、作用線(xiàn)與單體支柱軸線(xiàn)相重合的軸向壓縮 載荷的作用。如果把單體支柱看作一個(gè)變截面的直桿,可以將其簡(jiǎn)化為承受軸向壓縮載荷作用的 桿件。然而，作為承受軸向壓縮載荷作用的單體支柱，在某些情況下需要考慮壓桿穩(wěn)定問(wèn)題。近年

20、 來(lái)，切頂留巷技術(shù)被提出并應(yīng)用,該技術(shù)在淺部應(yīng)用時(shí)，僅使用單體支柱即可取得較好的維控效果。 然而,當(dāng)進(jìn)入深部后，深部切頂留巷來(lái)壓速度快、強(qiáng)度大，常造成巷內(nèi)單體支柱失穩(wěn)破斷，如圖9( L) 所示,從而導(dǎo)致沿空留巷初期嚴(yán)重變形甚至報(bào)廢蕓。因此，需要校核單體支柱的受力狀態(tài),果斷采 取增設(shè)液壓支架、加長(zhǎng)單體支柱支護(hù)范圍等措施加強(qiáng)支護(hù)。(a)支護(hù)示意圖(b)失穩(wěn)破壞圖9單體液壓支柱巷道支護(hù)示意圖及其失穩(wěn)破壞此外，隨著大采高、一次采全高等采煤方法的日益推進(jìn)，工作面端頭支護(hù)以及臨時(shí)支護(hù)所必需 的單體支柱的長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)。譬如,2018年3月20日，神東煤炭集團(tuán)上灣煤礦成功實(shí)現(xiàn)8. 8 m超 大采高智能綜采23

21、，隨之需要端頭支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)的單體高度至少為8. 8 m。如此高的單體支柱, 必然需要開(kāi)展壓桿失穩(wěn)的演算，避免產(chǎn)生不必要的事故。動(dòng)載荷與交變應(yīng)力當(dāng)構(gòu)件本身處于加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或者受到處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物體作用時(shí)，則構(gòu)件受到的載荷就是 動(dòng)載荷。在動(dòng)載荷作用下，構(gòu)件內(nèi)部各點(diǎn)會(huì)有速度的改變,亦即產(chǎn)生了加速度。煤礦開(kāi)采工程中有 較多承受動(dòng)載荷和交變應(yīng)力作用的案例。卷?yè)P(yáng)機(jī)加速起吊罐籠時(shí),卷?yè)P(yáng)機(jī)吊索受慣性力作用;炮采 時(shí)，炸藥對(duì)煤體的爆破力也屬于動(dòng)載荷;頂板破斷時(shí)，對(duì)煤柱和支護(hù)設(shè)備的沖擊載荷,也可以歸類(lèi)為 動(dòng)載荷的范疇;采場(chǎng)頂板周期性破斷對(duì)煤巖體周期性的沖擊力，在某種意義上則可歸類(lèi)為交變應(yīng)力 的范疇。在以豎井開(kāi)拓的地下礦山中，罐籠井是礦山的主要提升通道。罐籠井的提升設(shè)備主要有提升 機(jī)、罐籠、鋼絲繩、天輪、井架及其附屬裝置等。如果卷?yè)P(yáng)機(jī)提