钢管混凝土支架结构力学性能实验与分析.pdf

分类号分类号TD322TD322密密级 级 公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 钢管混凝土支架结构力学性能实验与分析钢管混凝土支架结构力学性能实验与分析钢管混凝土支架结构力学性能实验与分析钢管混凝土支架结构力学性能实验与分析 牛牛 学学 良良 申请学位级别申请学位级别博士学位博士学位专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名高延法高延法职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零零八年五月二零零八年五月 论文题目论文题目论文题目论文题目 钢管混凝土支架结构力学性能实验与分析钢管混凝土支架结构力学性能实验与分析钢管混凝土支架结构力学性能实验与分析钢管混凝土支架结构力学性能实验与分析 作者姓名作者姓名作者姓名作者姓名牛学良牛学良入学时间入学时间入学时间入学时间2002200220022002 年年 9 9 9 9 月月 专业名称专业名称专业名称专业名称 采矿工程采矿工程研究方向研究方向研究方向研究方向矿山压力及其控矿山压力及其控制制 指导教师指导教师指导教师指导教师高延法高延法职职职职称称称称教教授授 刘承论刘承论教教授授 论文提交日期论文提交日期论文提交日期论文提交日期2008200820082008 年年 5 5 5 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期2008200820082008 年年 6 6 6 6 月月 14141414 日日 授予学位日期授予学位日期授予学位日期授予学位日期 THEORETICALANDTECHNIQUE STUDY ON STRUCTURE MECHANICS PROPERTIES OF CONCRETE FILLEDSTEEL TUBULAR SUPPORT A A A ADissertationDissertationDissertationDissertation tedtedtedted inininin fulfillmentfulfillmentfulfillmentfulfillment ofofofof thethethethe requirementsrequirementsrequirementsrequirements ofofofof thethethethe degreedegreedegreedegree ofofofof DOCTORDOCTORDOCTORDOCTOR OFOFOFOF PHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHY fromfromfromfrom ShandongShandongShandongShandong UniversityUniversityUniversityUniversity ofofofof ScienceScienceScienceScience andandandand TechnologyTechnologyTechnologyTechnology b b b by y y y NiuNiuNiuNiu XueliangXueliangXueliangXueliang SupervisorSupervisorSupervisorSupervisor ProfessorProfessorProfessorProfessorGaoGaoGaoGaoYanfaYanfaYanfaYanfa CollegeCollegeCollegeCollege ofofofof NaturalNaturalNaturalNatural ResourcesResourcesResourcesResources andandandand EnvironmentalEnvironmentalEnvironmentalEnvironmental EngineeringEngineeringEngineeringEngineering MayMayMayMay 2008200820082008 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇博士学位论文，除了所列参考文献和所公本人呈交给山东科技大学的这篇博士学位论文，除了所列参考文献和所公认认 的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其 它任何学术机关作鉴定。它任何学术机关作鉴定。 博士生签名博士生签名 日日期期 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclaredeclare thatthatthatthat thisthisthisthis dissertation,dissertation,dissertation,dissertation, tedtedtedted inininin fulfillmentfulfillmentfulfillmentfulfillment ofofofof thethethethe requirementsrequirementsrequirementsrequirements forforforfor thethethethe awardawardawardaward ofofofof DoctorDoctorDoctorDoctor ofofofof PhilosophyPhilosophyPhilosophyPhilosophy inininin ShandongShandongShandongShandong UniversityUniversityUniversityUniversity ofofofof ScienceScienceScienceScience andandandand Technology,Technology,Technology,Technology, is is is is whollywhollywhollywholly mymymymy ownownownown workworkworkwork unlessunlessunlessunless referencedreferencedreferencedreferenced ofofofof acknowledge.acknowledge.acknowledge.acknowledge. TheTheTheThe documentdocumentdocumentdocument hashashashas notnotnotnot beenbeenbeenbeen tedtedtedted forforforfor qualificationqualificationqualificationqualification atatatat anyanyanyany otherotherotherother academicacademicacademicacademic institute.institute.institute.institute. SignatureSignatureSignatureSignature DateDateDateDate 山东科技大学博士学位论文摘要 摘摘要要 随着煤炭资源的向深部开采，深井软岩巷道支护问题越来越突出，我国每年大约有 100km 的软岩动压巷道需返修、维护，所以能否解决好软岩巷道的支护等问题，是我国 煤炭开采向纵深发展和安全生产的关键问题。论文提出了适用于深井软岩动压巷道支护 的钢管混凝土支架，通过 U 型钢支架、空钢管支架及钢管混凝土支架的结构力学性能试 验，得出 3 种支架的极限承载能力及其变形特性；结合钢管混凝土支架的力学性能特点 与巷道围岩的支护需要，对钱家营煤矿八采区上山巷道直墙半圆拱形钢管混凝土支架进 行了结构力学分析，以期得到钢管混凝土深部动压巷道支护的最佳效果，提出了钢管混 凝土支架支护优化方案； 对开滦钱家营煤矿－600m 八采区轨道下山巷道进行非线性有限 元数值仿真计算分析，得出巷道围岩应力场和位移场分布，计算结果表明，采用钢管混 凝土支护后该巷道围岩具有较好的稳定性；通过开滦钱家营煤矿现场实验表明，对于不 稳定性围岩巷道，采用钢管混凝土支架支护后可以有效地抑制巷道围岩变形，保持巷道 围岩的稳定性。 关键词关键词动压巷道，钢管混凝土支架，结构力学性能，数值仿真，围岩稳定性 山东科技大学博士学位论文摘要 AbstractAbstractAbstractAbstract With the increase of mining depth , supporting problem of deep soft roadways become more serious . Dynamic pressure roadways over 100 km need to rework or maintenance, it is a key to solve the problems of deeper mining and safe production .This dissertation is to put forward concrete filled steel tubular ,which is suitable for deep dynamic pressure roadways, structure mechanics properties of three kinds of supports were obtained by testing U-steel support, hollow steel tube support and concrete filled steel tubular support. Mechanics analysis of concrete filled steel tubular support of vertical-wall semicircle-arched uphill roadways at eighth mining area of Qianjiaying colliery was made by combining structure mechanics properties of concrete filled steel tubular support with supporting of surrounding rock roadways and optimal supporting scheme is put forward . Numerical simulation of nonlinear finite element analysis on downhill roadways was made, stress field and displacement field of surrounding rock roadways were obtained. The results show that surrounding rock of roadways keep good stability after adopting concrete filled steel tubular supporting. For instability roadways of surrounding rock, technique of concrete filled steel tubular supporting can reduce surrounding rock deation of roadways effectively. KeywordsKeywordsKeywordsKeywordsdynamicpressure roadway;concrete filledsteel tubular; structure mechanics properties; numerical simulation; surrounding rock stability 山东科技大学博士学位论文目录 目目录录 1 1 1 1 绪绪绪绪论论论论1 1 1 1 1.1 课题的提出及研究意义1 1.2 文献综述与国内外研究现状3 1.3 研究内容与研究方法10 2 2 2 2 U U U U25252525型钢支架结构力学性能实验型钢支架结构力学性能实验型钢支架结构力学性能实验型钢支架结构力学性能实验1 1 1 11 1 1 1 2.1 概述11 2.2 支架设计与制作12 2.3 加载装置13 2.4 加载方法15 2.5 测试内容与测点布置15 2.6 实验结果与分析18 2.7 本章小结25 3 3 3 3 钢管混凝土支架结构力学性能实验钢管混凝土支架结构力学性能实验钢管混凝土支架结构力学性能实验钢管混凝土支架结构力学性能实验 26262626 3.1 概述26 3.2 支架设计与制作27 3.3 加载装置30 3.4 加载方法31 3.5 测试内容与测点布置32 3.6 实验结果与分析34 3.7 本章小结50 4 4 4 4 钢管混凝土支架结构力学性能分析钢管混凝土支架结构力学性能分析钢管混凝土支架结构力学性能分析钢管混凝土支架结构力学性能分析 52525252 4.1 钢管混凝土轴心受压短柱力学分析53 4.2 钢管混凝土支护支架力学模型60 山东科技大学博士学位论文目录 4.3 钢管混凝土支护应力计算62 4.4 钱家营矿钢管混凝土支架支护方案优化67 4.5 本章小结69 5 5 5 5 钱家营矿动压巷道钢混支架支护数值仿真钱家营矿动压巷道钢混支架支护数值仿真钱家营矿动压巷道钢混支架支护数值仿真钱家营矿动压巷道钢混支架支护数值仿真70707070 5.1 岩土工程数值仿真概述70 5.2 巷道围岩力学模型建立73 5.3 钢管混凝土支架支护与模型内侧边界条件77 5.4 有限元数值仿真结果分析78 5.5 开滦钱家营煤矿巷道围岩稳定性评价87 5.6 本章小结 89 6 6 6 6 钱家营矿动压巷道钢混支架支护方案与现场试验钱家营矿动压巷道钢混支架支护方案与现场试验钱家营矿动压巷道钢混支架支护方案与现场试验钱家营矿动压巷道钢混支架支护方案与现场试验91919191 6.1 工程地质条件与巷道围岩特性91 6.2 钢管混凝土支护方案92 6.3 钢管混凝土支架承载能力98 6.4 钢管混凝土支架在八采区轨道下山中的应用100 6.5 本章小结101 7 7 7 7 主要结论主要结论主要结论主要结论102102102102 致致致致谢谢谢谢104104104104 攻读博士期间主要成果攻读博士期间主要成果攻读博士期间主要成果攻读博士期间主要成果105105105105 主要参考文献主要参考文献主要参考文献主要参考文献107107107107 山东科技大学博士学位论文目录 ContentsContentsContentsContents 1 1 1 1 IntroductionIntroductionIntroductionIntroduction1 1 1 1 1.1 Research background and significance1 1.2 Reference review and research situation3 1.3 Research s and contents10 2 2 2 2 TestTestTestTest onononon structurestructurestructurestructure mechanicsmechanicsmechanicsmechanics propertiespropertiespropertiesproperties ofofofof U U U U25252525-steel-steel-steel-steel supportsupportsupportsupport11111111 2.1 Outline11 2.2 Support design and making12 2.3 Loading device13 2.4 Loading s15 2.5 Test contents and testing points distribution15 2.6 Test results and analysis18 2.7 Summary25 3 3 3 3 TestTestTestTest onononon structurestructurestructurestructure mechanicsmechanicsmechanicsmechanics propertiespropertiespropertiesproperties ofofofof hollowhollowhollowhollow steelsteelsteelsteel tubetubetubetube supportsupportsupportsupport andandandand concreteconcreteconcreteconcrete filledfilledfilledfilled steelsteelsteelsteel tubulartubulartubulartubularsupportsupportsupportsupport26262626 3.1 Outline26 3.2 Support design and making27 3.3 Loading device30 3.4 Loading s31 3.5 Test contents and testing points distribution32 3.6 Test results and analysis34 3.7 Summary50 4 4 4 4 TestTestTestTest onononon structurestructurestructurestructure mechanicsmechanicsmechanicsmechanics propertiespropertiespropertiesproperties ofofofof concreteconcreteconcreteconcrete filledfilledfilledfilled steelsteelsteelsteel tubulartubulartubulartubularsupportsupportsupportsupport52525252 4.1 Mechanics analysisof concrete filled steel tubular short columnunder axial compression load53 4.2 Mechanics model of concrete filled steel tubular support60 4.3 Stress calculation of concrete filled steel tubular support62 4.4 Optimal Plan for concrete filled steel tubular supporting at Qianjiaying colliery67 山东科技大学博士学位论文目录 4.5 Summary69 5 5 5 5 NumericalNumericalNumericalNumerical simulationsimulationsimulationsimulation onononon concreteconcreteconcreteconcrete filledfilledfilledfilled steelsteelsteelsteel tubulartubulartubulartubular supportingsupportingsupportingsupporting ofofofof dynamicdynamicdynamicdynamic pressurepressurepressurepressure roadwaysroadwaysroadwaysroadways atatatat QianjiayingQianjiayingQianjiayingQianjiaying collierycollierycollierycolliery70707070 5.1Summary of numerical simulation on geotechnical engineering70 5.2 Establishment of mechanics model of surrounding rock73 5.3 Concrete filled steel tubular supporting and inside boundary conditions of model77 5.4 Analysis of results offinite element numerical simulation78 5.5Stability uation ofroadways surrounding rock at Qianjiaying colliery87 5.6 Summary89 6 6 6 6 SurpportingSurpportingSurpportingSurpportingschemeschemeschemescheme andandandand fieldfieldfieldfield testtesttesttest onononon concreteconcreteconcreteconcrete filledfilledfilledfilled steelsteelsteelsteel tubulartubulartubulartubular supportingsupportingsupportingsupporting ofofofof dynamicdynamicdynamicdynamic pressurepressurepressurepressure roadwaysroadwaysroadwaysroadways atatatat QianjiayingQianjiayingQianjiayingQianjiaying collierycollierycollierycolliery91919191 6.1 Geological conditions and ofprosperities roadways surrounding rock91 6.2 Supporting scheme designing of concrete filled steel tubular support92 6.3 Load capacity of concrete filled steel tubular support98 6.4Application of concrete filled steel tubular support at orbit dip of eighth mining area100 6.5 Summary101 7 7 7 7 MainMainMainMain researchresearchresearchresearch conclusionsconclusionsconclusionsconclusions102102102102 ThanksThanksThanksThanks104104104104 MainMainMainMain WorkWorkWorkWorkAchievementAchievementAchievementAchievement ofofofof thethethetheAuthorAuthorAuthorAuthorduringduringduringduring WorkingWorkingWorkingWorking onononon DoctorDoctorDoctorDoctorPaperPaperPaperPaper105105105105 MainMainMainMain ReferenceReferenceReferenceReference DocumentsDocumentsDocumentsDocuments107107107107 山东科技大学博士学位论文绪论 1 1 1 1 1绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 随着煤炭资源的采出，开采煤层的埋藏深度必然要增加，开采规模扩大和机械化水 平提高加速了生产矿井向深部的发展。据有关统计表明[1]，1978 年至 1997 年，我国一次 能源生产量由 6.28 亿吨增加至 13.36 亿吨标准煤， 增长了 1.13 倍， 其中原煤由 6.18 亿吨 增加到 13.73 亿吨左右，增长了 1.22 倍，我国一次能源生产总量位于美国和前苏联之后 居世界第 3 位，一次能源消费总量位于美国之后，居世界第 2 位，其中，煤炭的生产量 和消费量约占世界总量的 30左右。 因此， 对于中国这样一个人口数量已达世界总数 1/5， 人均能源消费量仅占世界平均水平 1/2 的发展中国家来说， 能源问题的重要性尤为突出。 由于不同的产煤国家在煤层的赋存条件，技术装备水平和开采技术上的差异，以及 在深部开采中出现问题的程度不同，国际上尚无统一和公认的根据采深划分深井的定量 标准。一些采煤国家的学者对深井的界定提出了一些不同的见解和论述。前苏联学者 Aφ巴赫晋、AE维杜林以及 AC库兹未奇将采深超过 600m 的矿井归为深井 ， 而另一部分学者Бφ布拉特钦科和ЮK巴特曼诺夫把采深 800m 作为统计深井的 标准。原西德学者把采深 800～1200m 定为深部开采，把 1200m 以下称为超深开采，英 国与波兰煤矿把深部开采起点定为 75m，日本定为 600m。我国[2]提出按开采深度可以将 矿井划分为 4 类，各类的深度范围如表 1.1 所示。 表 1.1中国煤矿开拓系统按开采深度对矿井的分类 Table 1.1 Mine classification accordingto mining depth in China 由资料[3]知，1982 年我国煤田在埋深 2000m 内预测的总资源量为 4492708Mt，按深 度分布如表 2 所示，可以看出，我国大部分的煤炭资源赋存在矿井深部，埋深大于 600m 和 1000m 的资源量分别占 73.19和 53.17。 近年来，由于开采规模的不断扩大和开采作业的日趋集中化，许多国家的矿井开采 深度仍在逐年增加，据统计[4]，国外矿井开采深度每年增长量为 8～12m 之间，平均年递 增 10m，国外一些主要的产业国家也已进入深部开采。开采深部最大的德国，目前平均 采深已超 900m，最大采深达到 1443m，采深超过 1000m 的工作面占 20，在俄罗斯 矿井类别浅矿井中深矿井深矿井特深矿井 采深 H（m）＜400400≤H＜800800≤H＜1200≥1200 山东科技大学博士学位论文绪论 2 表 1.2我国煤炭按埋藏深度预测的资源量 Table 1.2 Prediction of coal reservation based on burial depth in China 顿巴斯150个深矿井中， 有57个矿井的采深为800～1000m，30个矿井的采深达到1200～ 1350m，在 1000m 以上采深的国家还有波兰、日本、比利时等。 在我国的金属矿山中，地下矿山占总数的 90左右，其中五十年代建成的矿山，有 3/5 左右因储量枯竭而接近尾声或已关闭，其余 2/5 左右的矿山则陆续进入深部开采。目 前，我国已有一批金属矿山进入采深超过 8001000m 的深部开采阶段[5-12 ]，如山东玲珑 金矿等，其中，山东玲珑矿采深达到 800m，铜陵狮子山铜矿采深已达 1100m，红透山铜 矿第六系统投产后的开采深度将经过 1300m，是全国金属矿山中开采深度最深的矿山。 我国是世界上第一产煤大国，并预测大部分储量，埋深在 1000m 以下，浅部储量较 少， 随着社会的发展和资源开发的日益加强， 矿井的开采深度不断加大。 据统计[13 ]，1980 年我国煤矿的平均开采深度是 228m，到 1995 年已达 428m，平均每年