高延法--钢管混凝土支架

深井软弱岩层巷道钢管混凝土支架支护技术与理论高延法中国矿业大学（北京）2013.8内容提要序言1钢管混凝土结构概述2钢管混凝土承载能力计算理论3钢管混凝土支架性能实验及发明专利4钢管混凝土支架支护应用实例5钢管混凝土支架技术要点6深井软岩巷道支护原则7深井软岩巷道“承压环强化”支护理论8主要结论深井、软岩巷道支护，依然是煤矿生产中的技术难题；我国50%的探明储量埋深大于1000m；煤矿采深正以8-12m/年的速度增加；国内采深达到1000m的矿井已经有47处：山东新汶5处，淄博5处，肥城临沂枣庄等11处；东北龙煤鸡西等5处；河北开滦与冀中能源4处；江苏徐州与大屯7处；河南平顶山4处；安徽淮北淮南等6处。序言我国典型的软岩矿井国外煤矿深井开采状况德国俄罗斯波兰英国日本1钢管混凝土结构概述钢管混凝土支架-----思路的提出，2004年夏锚喷支护也有一定的适用条件，现有的U型钢支架支护能力有限研发支护能力强大，价格相对较低的支架与支护方案，是深井、软岩和动压巷道重要的发展方向软岩巷道------锚喷+U型钢复合支护------巷道变形严重，U型钢横断面为U形，其抗弯能力与方向有关，钢管行断面为圆形，其抗弯能力与方向无关；钢管内若充填混凝土，则其承压能力、抗弯能力将提高。钢管混凝土是在钢管外壳内填装混凝土组成的现代构件工作原理：钢管壳约束作用---使混凝土处于三向受压状态，从而使夹心混凝土具有更高的抗压强度，内填混凝土与钢管管壳共同承受轴向压力；结构优点：钢管混凝土构件具有圆柱状外形，是当前最科学、最合理的截面形状，抗弯刚度大，无异向性，不易扭曲变形。由于钢管混凝土结构具有突出的优点，该项技术近几十年来在国内外建筑工程领域获得了广泛的应用。例如：拱桥、公路立交桥、地铁车站、高层楼房建筑等。图1巫山长江大桥建设中的钢管混凝土拱肋图2建成后巫山长江大桥（460米）钢管混凝土拱桥到2005年我国就已经有200余座图3多肋钢管砼连拱--郑州黄河大桥图4某地铁站大厅钢管混凝土立柱图5某高层大楼钢管混凝土主体结构图6正在往钢管内浇注混凝土深圳赛格广场楼高355.8米是当今世界上最高的钢管混凝土结构大厦深圳赛格广场2钢管混凝土承载能力计算理论•蔡绍怀，研究员，博士生导师•主要研究钢管混凝土结构理论和工程应用•国家核安全专家委员会专业组成员•中国钢结构协会理事•钢-混凝土组合结构协会理事长•《建筑结构学报》编委•美国混凝土学会ACI363高强混凝土委员会国际委员。根据《现代钢管混凝土结构（修订版）》，钢管混凝土结构轴压短柱极限承载力设计值为：)1(0ccfAN。。为套箍指标，且ccssfAfA分别为钢管的横截面积和屈服强度，A3钢ssfA、2/215mmNfs分别为核心混凝土的横截面积和抗压强度ccfA、NNfASS6310005.1215107.4φ194×8的钢管横截面积（圆环）φ194×8的钢管内混凝土横截面积（圆）23107.4mmAS23c1025mmANNfAcc63101401025110110005.166cccssNNfAfASSccccfAfAfAN33)1(0SSfAN30假设核心混凝土2/40mmNfc即钢管混凝土的承载能力是空钢管的3倍钢管φ194×6.5，30kg/m,fs=215N/mm2，As=3827mm2混凝土型号C40，φ181，fc=19.1N/mm2,Ac=25717mm2套箍指标θ=1.675;钢管混凝土短柱的理论极限承载力为：N0=1950KN;U29型钢短柱极限承载能力约为823KN重量近似相等，钢管混凝土承载能力是U29型钢2.37倍ccssfAfA)1(0ccfAN491.51126.91822.781949.69822.780400800120016002000支护强度(KN)混凝土有围压混凝土钢管钢管混凝土U型钢钢管混凝土抗压能力原理图3钢管混凝土支架性能实验及发明专利3.1校内--钢管混凝土支架实验2006.7钢混支架实验台实验加载装置结构示意图r=87310200100300800拉杆220螺母18b槽钢拉杆1钢板拉杆3拉杆4校内实验室，钢管型号φ127×8，24.8kg/m，圆形支架，支架直径1.6m，实测钢管混凝土支架极限载承载力为2400KN；是U25型钢支架极限承载能力的2.5倍。实验控制台与圆形钢管混凝土支架圆形钢管混凝土支架径向位移测试SSL21736.AVI校内实验视频变形后的钢混支架钢混支架整体失稳3.2在清华大学--钢管混凝土支架实验2008.5清华大学结构实验室实验台清华大学结构试验室钢管混凝土支架承压性能与破坏方式试验，两台支架钢管型号φ140×4.515kg/m；接头套管采用φ152×5支架直径1800mm支架承载能力：1504KN钢管型号：φ140×4.5，15kg/m；支架承载能力：1504KN；支架破坏方式：加载到1504KN时，左上角套管崩裂。清华大学结构实验室实验视频SSL26262.AVI3.3在清华大学--支架承压性能实验2009.4钢管φ194×8mm，36.7Kg/m；套筒φ219×8mm。支架直墙半圆拱与U型钢对比钢管混凝土支架的极限承载力：2107KNU29型钢极限承载能力只有400KNU29型钢极限承载能力只有400KN钢管混凝土支架承载能力φ194×8mm是U29型钢支架的5倍清华大学结构实验室实验视频MOV07044.MPG3.4钢管混凝土短柱塑性变形实验（2010年）荷载-应变曲线05001000150020002500300035000.005.0010.0015.0020.0025.00纵向应变（%）荷载（KN）Φ168×8mm3.5钢管混凝土支架获得国家发明专利专利号：200610113801.44钢管混凝土支架应用实例实验巷道选在开滦钱家营煤矿八采区轨道下山，位于–600水平西大巷，埋深约650m。实验巷道段共安装钢管混凝土支架30架。钢管混凝土支架断面形状采用直墙半圆拱。巷道位于12-1煤层以下2-16m，岩性为中砂岩、细沙岩、粉砂岩。4.1应用实例之一开滦钱家营煤矿2008支护钢管选用Φ140×8.5mm无缝钢管，单位长度重量为27.57kg/m。接头套管Φ168×10mm无缝钢管，单位长度重量为31.68kg/m。4060螺纹钢锚杆φ20×1800螺纹钢锚杆φ20×1800接头套管φ168×10长400mm注浆孔1000排气孔钢管φ140×8.52100900217097042004620巷道开挖断面R290093°R210095°180°排气孔拉杆套筒钱家营矿支护方案锚杆钢管接头套管拉杆支架整体结构示意图钢混支架巷道整体效果图钢混支架与原U型钢支架变形图钱家营煤矿八轨道下山支护效果钱家营矿钢管混凝土支架支护效果巷道名称：8采区轨道下山，采动动压巷道支护条件：埋深约650m钢管混凝土支架支护后，巷道稳定性良好，支架没有明显变形。巷道断面变形观测结果：顶板下沉小于20mm，两帮收敛变形小于60mm。巷道：鹤岗南山矿二水平-225机道，巷道埋深535m。30m大断面，支架间距0.8m；120m小断面，支架间距1.0m。大断面宽4.52m，高3.55m。小断面宽3.72m，高3.55m。4.2应用实例之二鹤岗南山煤矿20091500⌒12641650R152940001100⌒1264⌒850⌒5005507502800拉杆套筒接头套管钢管混凝土φ159×8mmφ194×12mm3100大断面钢混支架结构参数表各段名称钢材型号/mm每米重量kg/m每段长度m每架数量每段钢管重量kg各部分总重量kg支架重量kg/架顶拱段Φ159×829.83.6281108.11108.11330.29两帮段Φ159×829.82.914286.84173.68套管Φ194×1253.90.4221.5243.12挡环Φ194×1253.90.0522.695.38底脚板10mm钢板79kg/m20.3*0.3m22块/7.11/块14.22开滦钱家营矿下山巷道鹤岗南山矿集中运输巷峰峰大淑村矿大巷内蒙锡林郭勒盟查干淖尔矿主斜井平朔井工三矿大巷鹤壁三矿泵房变电所邢台邢东煤矿皮带下山邢台邢东煤矿甘肃平凉新安煤矿宁煤清水营煤矿+786水平临时水仓与机修硐室龙口北皂煤矿工作面联络巷山东能源新矿上海庙公司长城煤矿沿空留巷钢管混凝土支柱新汶华丰煤矿-1100水平大巷新汶华丰煤矿-1100水平水泵房新汶华丰煤矿-1100水平水泵房新汶华丰煤矿-1100水平变电所钢管混凝土支架，已推广应用20多座矿井开滦钱家营矿：2008年八采区轨道下山，效果良好；鹤岗南山、益新：2009年鹤岗南山矿，现在正益新矿推广应用；新汶华丰矿：埋深1230m，大巷、回风联络巷、变电所水泵房；平朔井工三矿：煤层冲刷带软岩巷道中；峰峰大淑村矿：大巷的煤柱高应力带；锡盟查干淖尔：主斜井（未胶结软泥层），井底车场，巷道交岔点；沈阳清水矿；深井软岩巷道；鹤壁三矿：变电所水泵房；长治三元荆宝矿：集中下山，已支护；淮北矿业集团：软岩大变形巷道；山东沂源鲁村矿：井底车场；内蒙榆树井矿：采区变电所；龙口北皂矿，邢台邢东矿，通化八宝矿，内蒙上海庙长城矿，淮南国投新集口孜东矿，神华宁煤清水营矿，甘肃平凉新安矿，等5钢管混凝土支架技术要点接头套管194×12mm400挡环194×12mm大断面R1530小断面R1130305.1支架每节之间连接方式：套管连接支架之间：顶杆连接5.2混凝土灌注：顶升灌注法钢管混凝土支架套管Φ168×8Φ194×10顶管托板灌注孔排气孔每班能灌注15-20架混凝土输送泵搅拌桶钢管混凝土支架的充填效果5.3软岩钢混支架的让压方式900R797R1600R1600电缆风筒锚杆钢管混凝土支架柔性均压卸压层钢筋网混凝土喷层50mm接头套管φ194×12mmφ159×8mmφ8:100×100mm袋装煤矸石4003180360658016301050180058016067001预留变形空间2加袋装软土层5.4支架断面形状圆形浅底拱--圆形马蹄形ROR1R2OR1R2O1O3R3R4500R2350R4800椭圆形5.5支架钢管型号变壁厚系列变外径系列Φ194×7—32.3kg/mΦ168×8----31.6kg/mΦ194×8---36.7kg/mΦ194×8----36.7kg/mΦ194×9---41.1kg/mΦ219×8---41.6kg/mΦ194×10--45.4kg/mΦ245×8----46.8kg/m型号Φ168×6，Φ194×6，Φ194×8，Φ194×10，Φ219×10，Φ219×12kg/m24.027.836.745.451.561.3短柱强度KN1594195022952597309334255.6钢管混凝土支架支护设计理论要点1、足够的短柱强度；2、有效控制支架压杆失稳：支架变形方向：向外，向内，向左右；3、支架断面适应地应力的方向；4、动压巷道适度让压；5、有效控制巷道非对称变形钢管混凝土截面ASAC支架所用钢管为Φ194×6.5，外径R1=194mm，内径R2=181mm，则：875.3826)181(14.341)194(14.3414141222221RRAs385.25717)181(14.34141222RAc675.11.19385.25717215875.3826ccssfAfA1949.69KNN1949687.9997.31.19385.25717)1(0ccfAN计算中不考虑长细比及偏心率影响的承载力折减系数，则：01950KNuNN5.7钢管混凝土轴心受压承载力计算实例钢管混凝土支架与相同重量U29型钢支架的承载能力比值为：'1