深井软岩巷道钢管混凝土支护技术研究.pdf

S c i e n c e Te c h n o l o g y Vi s i o n 科 技 视 界 科技 探索 争鸣 深井软岩巷道钢管混凝土支护技术研究 蒋康前 国投新集刘庄煤矿 ， 安徽 阜阳 2 3 6 0 0 0 【 摘要】 深井巷道矿山压力控制是深部开采面临的亟待解决关键技术课题之一， 而目 前从理论和实践来讲， 软岩巷道的支护大多采用复 合支护形式， 往往是支护成本极高， 或者达不到预期的支护 目 的。而钢管混凝土支护形式是一种即经济又先进的支护形式， 如何在软岩巷道中 应用好这种支护形式， 无疑 具有很大的研究价值 。 【 关键词】 深部开采； 软岩巷道； 铜管混凝土； 支护技术 钢管混凝土支护技术思路的提出 3 ． 1 刘庄煤矿井田主要可采煤层中．除 1 煤层顶板多为砂岩以外． 其 余均以泥岩、 砂质泥岩为主， 少量砂岩 底板多为泥岩和砂质泥岩。一 般情况下 ， 泥岩的抗压强度较低 ， 砂质泥岩稍 高， 砂岩较 高。而不 同岩 性的岩层作为直接顶板的稳定性分类表明 泥岩属不稳定类， 砂质泥 岩属不稳定 一 中等稳定类 ． 砂岩属 中等稳定一 稳定类 。由此可见 ， 本井 田除 1 煤层外． 主要可采煤层顶板岩石的工程地质条件均比较差 鉴于刘庄煤矿即将 开始二水平 的开拓 ．煤层埋深将超过 1 0 0 0 m． 地质条件将更加复杂 ． 现有 支护形式 已不能满 足深井 软岩巷道 支护强 度需求 ． 故提出借鉴桥梁的支护技术提出钢管混凝土支架来解决 目前 我矿 的支护难题 钢管混凝土支架根据巷道需要可 以设计成 圆形 、 浅 底拱圆形、 三心拱圆形、 梯形等形状。 图 1 为浅底拱圆形钢管混凝土支 架示意图 本文根据钢管混凝土的结构原理． 设计适用于深井软岩巷 道支护的高强度钢混支架． 通过理论计算并试验测试了其力学性能． 具有广泛 的应用前景 2 深部软岩巷道钢管 混凝土支护研 究 2 ． 1 软岩巷道支护原理 软岩巷道支护的重点应放在充分利用和发挥 自承 能力上 ． 支护原 理是 根据岩层不同属性 。 不 同地压来源 ， 从分 析地压活动基本规律人 手． 运用信息化设计方法． 使支护体系和施工工艺过程不断适用围岩 变形的活动状态． 以达到控制围岩变形． 维护巷道稳定的目的。 具体的 说 ， 有 以下几个方面 1 必须改变传统的单纯提高支护刚度的思想 2 必须采取卸压 、 加固与支护相结合的方法 3 进行围岩变形量测 ． 准确地掌握 围岩变 形的活动状态 ． 以确定 二次结构的参数． 确定补强时间、 再次支护时间和封底时间； 4 树立综合治理、 联合支护、 长期监控的支护思想体系。 2 ．2 钢管混凝土支护 钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成、 且钢管及其核心混 凝土能共同承受外荷载作用的结构构件． 该构件可以加大钢管的强度 和刚度 ， 按截面形 式不 同 ． 可分为圆钢管混凝土 ， 方 、 矩形钢管混凝土 和多边形钢管混凝土等。 众所周知． 混凝土的抗压强度高。 但抗弯能力 很弱 ， 而钢材 ， 特别是型钢的抗弯能力强 ， 具有 良好 的弹塑性 ， 但在受 压时容易失稳而丧失轴向抗压能力 而钢管混凝土在结构上能够将二 者的优 点结合 在一起 ． 可使混凝土处于侧 向受 压状 态 ． 其抗压强度可 成倍提 高． 同时由于混凝 土的存在 ． 提 高了钢管 的刚度 ． 两者共 同发挥 作用 ． 从而大大地提高了承载能力 。钢管混凝 土作为一种新兴 的组合 结构 ． 主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主． 被广泛使 用于框架结构中 如厂房、 拱桥、 公路立交桥、 地铁车站、 高层楼房建筑 等 。 钢管混凝 土结 构的迅 速发展是 由于它具有 良好的受力性能和施 工性能 ． 具体表现为以下几个方面 1 钢管壳约束作用使混凝土处于三向受压状态 2 从而使夹 心混凝土具有更高的抗 压强度 3 内填混凝土与钢管管壳共 同承受轴 向压力 ； 4 钢管 昆 凝土构件具有圆柱状外形； 5 是当前最科学、 最合理 的截面形状； 6 抗弯刚度大， 无异向性， 不易扭曲变形。 3 钢管混凝土支护承载能力计算 钢管混凝土支护承载能力计算理论 根据 现代钢管混凝土结构 修订版 中关于钢管混凝土结构轴 压短柱极限承载力设计值的计算公式为 N o A f d l 、 ／ 0 0 为 套箍 指标， 且 粤 A c_， c A 、 分别为钢管的横截面积和屈服强度， A 3 钢 2 1 5 N ／ m m A 分别为核心混凝土 的横截面积和抗压强度 ， C 4 0混凝 土的 1 9 ． 1 N／ mm 3 ． 2 钢管混凝土支护承载能力计算实例 钢管混凝土支架所用钢管为 1 9 4 x 6 ． 5 钢管厚为 6 ． 5 ra m ， 外径 R 1 1 9 4 ram， 内径 R 2 1 8 1 mm， 钢管混凝土截面如图 1 所示 。 A 。 图 1 钢管截面 则 A } J2_ } 硼 22 _41 3 ． 1 4 1 9 4 z - 1 3 ．1 4 1 8 1 2- 3 8 2 6 _8 7 5 1 2 z 1 3 ．1 4 x 1 8 1 2 5 7 1 7 ． 3 8 5 嚣 1．67 5 N o A 1 、 ／ 0 2 5 7 1 7 ． 3 8 5 x 1 9 ． 1 x 3 ． 9 7 1 9 4 9 6 8 7 ． 9 9 N 1 9 49 ． 6 9 k N 计算中不考虑长细比 及偏心率影响的承载力折减系数． 则 N N 1 9 5 0 k N 钢管混凝土与同型号钢管支架的比值 ，_ f 3 8 2 6 ． 9 2 1 5 ／ 1 0 0 0 k N 2 ． 3 7 由此可 以看 出该钢管混凝土支 q b 1 9 4 x 6 ． 5， 3 0 k m 的承载能力 是同型号钢管支架的 2 ． 3 7 倍．也就是 U 2 9 型钢支架承载能力的 2 ． 3 7 倍。 4 钢管混凝土支架技术要点 4 ． 1 支架的连接方式 1 支架每节之间采用套管连接 2 支架与支架之间采用顶杆连接 ， 每架之间可以用 3 ～ 5根顶杆进 行连接 。 4 ．2 深井软岩巷道钢管混凝土 的支护设计 巷 道设计断面 为直墙半 圆浅 底拱形 ．设计 断面为 宽 高 4 4 0 0 x 3 8 0 0 ra m ． 浅底拱设计高度为 6 0 0 ra m． 具体设计见图2 所示该设计为后 期的巷道变形提供了一定的变形空间． 壁后可采用井下煤矸石装袋后 直接充填． 既节约充填材料又减少煤矸石打运深井的经济成本 作者简介 蒋康前 1 9 6 6 ．O 6 一 ， 男， 本科 ， 采矿 工程 师， 现任 国投 新集刘庄煤矿副总工程师。 s c i e n c e T e c h n 。 g y V i s i o n科技视界 l 3 5 9 科技 探索 争呜 S c ie n c e T e c h n o lo g y V isio n 科 技 视 界 图 2钢管混凝土支护断面设计 5 钢混支架经济性分析 5 ． 1 U 2 9型钢支架与钢混支架支护费用 比较 f 1 U 2 9型钢支架支护费用 U 2 9型钢支架 5 1 0 0元， 架 ； 支架 间距 0 ．6 m， 支护反力 为 O ． 3 5 MP a 。 则每米支护费用为 8 5 0 HD 元 2 钢管混凝土支架支护费用 选用型号为 1 6 8 x 7 m m． 2 7 ．7 9 k m的钢管混 凝土支架 ． 该支架加 后期混凝土充填后的成本为 5 9 7 7 元／ 架。支架间距 0 ． 8 m． 支护反力为 O ．6 6 MP a 。则每米支护费用为 7 4 7 1 ．2 5元 5 ．2 支架性价 比分析 性价 比 支架对巷道的支护反力与每米巷道支架成本之 比。 通过以上计算钢管混凝土支架的支护成本为 8 8 ． 3 4 P 己 ．而 U 2 9 型 钢支架的支护成本为 4 O ．5 1 P ．钢管混凝土支架的性价比是 U 2 9 支架的 2 ． 1 8倍 6 结论 1 钢管混凝土支架的承载能力． 是相同重量 u型钢支架的 2 ～ 3 倍 钢管套箍作用使内部混凝土具有更高的抗压强度． 钢管与其内部 混凝土共同承载 2 钢管混凝土支架支护的成巷速度 ， 比 u型钢支架支护快 支架 注浆工艺滞后于支架安装． 平行作业 ． 不影响支护速度。 3 钢管混凝土支架支护总成本较低 尽管支架加工要增加相应的 成本。 但钢管混凝土支架承载能力强大， 性价比高。巷道不用返修． 如 果考虑到巷道返修成本等． 与 u型钢支护相比总成本较低． 具有广泛 的 推广应用前景。 ● 【 参考文献】 [ 1 ] 杜计平．煤矿深井开采的矿压显现及其控制[ D ] ． 中国矿业大学， 2 0 0 0 ． [ 2 ] 高延法．深井软岩巷道钢管混凝土支架结构性能试验及应用Ⅱ ] ． 岩石力学与 工程学报 ． 2 0 0 2 ． 上接第 3 3 6 页 小结 综上， 当Y侧发生相间短路时 ， △侧三相 均有电流通过 ． 对应于故障两相中的超前相电流最大 Y侧 A C两相 短路． 则△侧 c 相电流最大 ． 数值为故障相电流的 2 ／ 、 一 倍． 其余两 相电流大小相等， 方向相同， 数值为故障电流的 1 ／ 、 ／ 倍 ， 方向与最 大一相的电流相反 △侧的电压情况是 电流最大的一相最低为零， 其 余两相大小相等方向相反。 3 变压器 Y侧单相接地故障。 以 B相接地短路为例分析 Y ／ A一 1 1 接 线变压器在 Y侧 B相接地 短路 ．短路点 的边界 条件 为 i bl i i 舯 } I x U B U B I U 啪 0 以 B相为特殊相 ， Y侧 、 △侧各相电流为 I A I B l d I m I 8 0 0 I B I B l I B 2 十I B 0 3I B l 0 i c o 【2 i B l o dB 2 i B 0 O i 日 i A t e i3 m i m e - fl i B le i o 【 i 雎 e 1 妤一 i K ／ 、 一 I b I B 1 e 】 I B 2 e ’ I K ／ V 3 I I 。 l e J I e - J 3o 0 Y侧、 △侧各相电压 Y侧 B相接地时， 与电流分布相同， 在△侧 绕组引出线上无零序分量电压 ， 仅有正序 、 负序分量 电压 。Y侧 、 △侧 三相 电压为 同样以 B相为特殊相 Y侧 电压 U o 【 1 o r U 日 2 U 舯 U B U B 1 U B 2 U B o 0 U f 0 【 I 0 l U 皿 U 册 △侧电压 0 a 0 【o B 1 e j 卅 0 眦 e ’ I Jb o 日 o 日 le j 咿 o 丑 2 e 1 4 总结 [ 责任编辑 丁艳] 综上， △侧各相电流分布与 Y侧接地短路相别有关 ， 对应与故障 相的滞后相电流为零 B相接地短路， △侧滞后相 c 相电流为零 ， 其 余 两 相 电 流 相 等 、 方 向 相 反， 数 值 等 于 故 障 相 电 流 的1 ／ v 3 - ， △ 侧 电 流 为 零 的 一 相 电 压 ，其 余 两 相 电 压 相 等 。 e 【 参考文献】 [ 1 ] 王维检． 电气主设备继电保护原理及应用[ M 】 ． 北京 中国电力出版社， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 高中德， 许正亚， 等． 国网继电保护培训教材[ M ] ． 北京 中国电力出版社， 2 0 0 9 上接第2 9 6 页 5 观看录相。下载一些少儿英语 、 童话英语等简 单的英语节 目． 作为每周的英语课外活动． 让同学们观看． 从而潜移默 化地培养同学们 的英语兴趣 总之， 教师要从现实性、 效用性、 趣味性、 思考性这四个维度来创 设有效的情境 ． 尽力提高情境 创设 在英语课堂教学 中的价值 ． 帮助学 生更好地自 主 地学习 英语。 ● 【 参考文献】 [ 1 ] 陈琳， 王蔷，程晓堂， 主编． 英语课程标准解读 实验稿 [ M ] ． 北京师范大学出版 3 6 。I 科技视界 s c i e n c e ＆1 、e c h n 。 l 。 g y V i s i 。 n [ 责任编辑 刘帅】 社 ． 2 0 0 3 ． [ 2 ] 李煌娟_， J 、 学英语教学的课外延伸【 J ] ． 中小学英语教学与研究2 0 0 4 5 ． [ 3 ] 何建灵． 开展英语课外教学 拓展学生发展空间[ J ] ． 中小学英语教学与研究， 2 o o 4 8 ． [ 4 ] 陈贤德． 什么是小学英语课堂最实用的教具[ J 】 ． 中小学外语教学 小学篇 ， 2 0 0 6 1 ． [ 5 ] 陈琳，王蔷， 程晓堂． 英语课程标准解读[ M ] ．北京师范大学出版社， 2 0 0 2 3 [ 责任编辑 杨玉洁 ]