新型钢管混凝土支架的设计与分析

针对现有钢管混凝土支架不能多级耗能让压的现状,研制了一种能够多级耗能协同让压的新型钢管混凝土支架。通过对新型钢管混凝土支架结构的设计与分析、支架拼装工艺及工作过程的研究,表明该新型支架能够较好地适用于复杂地质环境条件下的巷道支护工程,具有一定的应用前景。

深部巷道钢管混凝土支架与锚杆-索耦合支护技术的理论分析与数值模拟研究

在深部巷道中使用的钢管混凝土支架与锚杆-索的耦合支护技术经常失效,导致巷道失稳。其中,增加锚杆-索的长度是一种现场常用的返修方式,但比较浪费支护材料。本文提出通过改变锚杆-索的预紧力来改善钢管混凝土支架的受力状态。首先,总结了钢管混凝土支架常见的破坏模式,并利用弹性中心法获得了钢管混凝土支架与锚索耦合支护情况下的钢管混凝土支架的内力;结果表明,施加锚索可以减小钢管混凝土支架的内力,保证其高承载力。然后,建立了钢管混凝土支架与锚杆-索在不同侧压力系数和不同耦合支护条件下的数值计算模型;进一步研究了不同侧压、不同支护方案以及在不同角度范围内增加锚杆-索预紧力下巷道围岩与支护体的应力和位移演化规律。结果表明,当锚杆和锚索预紧力分别为60和100 kN时,钢管混凝土支架与锚杆-索的耦合支护效果可以达到最佳,且最佳锚杆-索预紧力增加角度范围为15°~45°。最终将钢管混凝土支架与锚杆-索的耦合支护技术进行了现场应用,有效控制了深部巷道大变形,对深部巷道的支护方案设计具有一定的指导意义。

基于先柔后刚理念的“缓冲层+钢管混凝土支架”性能分析

针对煤矿矿山压力不断加大、软岩大量出现、支架损坏严重、巷道变形严重超限、支护成本急剧增加、生产安全无法保障等问题,根据先柔后刚、先让后抗的理念,设计了“围岩+缓冲结构+钢管混凝土+喷射混凝土”复合支护体系,用ANSYS软件模拟分析了该支护系统的受力状态,结果表明:该体系具有“先柔后刚”的力学特性,能显著降低支架工作点的压力,提高其自身承载力,且具有无需二次支护、施工工艺简单、施工成本降低、经济效益良好的特征。

大断面软岩斜井高强度钢管混凝土支架支护技术

查干淖尔矿主斜井泥岩段围岩变形量大,速度快,巷道支护困难,结合主斜井泥岩段膨胀性软岩的工程地质条件和围岩变形特征,并结合主斜井泥岩段的巷道围岩变形特点,设计了高强度钢管混凝土支架支护方案,其中,巷道断面采用马蹄形,钢管混凝土支架主体钢管选用194 mm×10 mm无缝钢管,充填C40钢纤维混凝土,辅助金属网支护和混凝土喷层支护。通过数值分析可知,主斜井泥岩段开挖后及时施加钢管混凝土支架支护方案,钢管混凝土支架承载能力大,能够提供强大的支护反力,限制巷道围岩向巷道空间的移动,保证巷道围岩稳定和支护结构可靠。通过巷道施工和现场监测分析可知,大断面软岩巷道高强度快速支护方案易于施工,能够维持主斜井泥岩段软岩巷道围岩的稳定。

钢管混凝土支架在千米深井动压巷道中的应用

为解决华丰矿煤矿-1 100 m水平大巷支护过程中出现的围岩变形量大、变形持续时间长的问题,采用现场地质调查、理论计算和现场监测相结合的方法,分析了围岩变形特征和巷道失稳破坏的原因,在此基础上,依据深井巷道承压环强化支护理论,提出了基于钢管混凝土支架的高强度复合支护形式:支架断面设计为弧墙半圆拱形,主体钢管选用194 mm×8 mm无缝钢管,充填C40钢纤维混凝土,辅助锚网喷支护和围岩加固注浆。研究结果表明:该支护体系能够给围岩提供0.93 MPa以上的支护反力,可有效抑制围岩向巷道空间内移动,支护稳定后,巷道围岩最终变形量小于150 mm,满足巷道变形要求;围岩结构的非对称性会导致围岩产生非对称变形,应结合支架承载力监测数据加强对变形关键部位的控制。

直墙半圆拱形钢管混凝土支架力学性能实验及应用

为研究直墙半圆拱形断面巷道面临的支护难题,设计了直墙半圆拱形钢管混凝土支架与U型钢支架力学性能对比实验;实验全面测试并分析了钢管混凝土支架的承载力、位移与应变,同时分析了热煨弯曲对钢管原材料抗拉性能的影响及C60混凝土配合比合理性;实验证明钢管混凝土支架具有突出的承载优势。在实验指导下,对华丰矿-1100水平大巷动压巷道和大淑村矿-450水平新东翼皮带巷高应力集中巷道做了直墙半圆拱形钢管混凝土支架支护设计并应用,实践证明钢管混凝土支架支护效果明显,优于同断面U型钢支架,同时也发现直墙半圆拱形封闭支架的底角为薄弱点,并进行了改进与结构强化。

钢管混凝土支架注浆孔补强技术数值模拟分析

钢管混凝土支架在井下注入混凝土时要留设注浆孔,为了弥补注浆孔周边钢管刚度,实施了加强板、插入注浆短管和封孔塞3项补强措施。采用ABAQUS有限元软件分析在弹性加载条件下钢管的应力分布特征,注浆孔导致孔口两侧的压应力集中系数最大,为8.45;采用3项补强措施后,钢管注浆孔附近的压应力集中程度明显降低。通过数值分析并优化出补强措施:加强板为500mm×300 mm×10 mm,注浆短管为直径133 mm×8 mm,封孔塞直径为116 mm×40 mm。优化的补强措施有效降低了应力集中程度和补强措施的用钢量。

极软岩巷道交岔点钢管混凝土支架结构设计与应用

为解决极软岩巷道交岔点支护问题,结合钢管混凝土支架和极软岩巷道围岩的力学特性,分析了钢管混凝土支架控制极软岩巷道变形的机理。对查干淖尔一号井井底车场中3个极软岩巷道交岔点支护问题采用了工程类比法进行分析,结果认为:若能充分发挥钢管混凝土的结构优势,采用"194 mm×10 mm钢管混凝土支架+钢筋网+400 mm厚混凝土喷层"的支护方案可有效控制3个极软岩巷道交岔点的围岩变形。因此,设计了适用于极软岩巷道交岔点的钢管混凝土支架结构形式:极软岩巷道交叉点钢管混凝土支架,采用由支撑架和"C"形异形支架组成的组合结构。提出了查干淖尔煤矿井底车场3个交岔点的支护方案,并进行现场支护试验。现场支护试验证明:巷道交岔点支护2 a后,收敛量小于100 mm,巷道稳定性良好。

千米深井巷道钢管混凝土支架支护技术应用

邢东矿二水平皮带下山巷埋深1 010～1 230 m,属千米深井巷道,巷道围岩荷载大,两帮煤体强度低,底鼓严重,巷道多次返修后仍无法稳定。为解决二水平皮带下山巷支护难题,在充分分析围岩地质条件及原有支护变形特征的基础上,设计了椭圆形钢管混凝土支架和深浅交叉式注浆加固复合支护方案,钢管混凝土支架分φ194×8基本型支架和φ194×10强化型支架2种型号,支护反力分别达到1.1 MPa和1.23 MPa。使用基于钢管混凝土支架的复合支护方案半年后,二水平皮带下山巷道稳定,无可见变形,完全满足使用条件。实践证明:钢管混凝土支架的高强承载能力在千米深井支护中具有突出优势,可以作为千米深井巷道支护的可靠架型。

特厚富水软岩巷道钢管混凝土支架支护技术研究

为解决查干淖尔一号井井底车场极软岩巷道支护问题,结合井底车场巷道围岩物理力学性质和原有支护条件下巷道破坏情况,运用修正的芬纳公式估算出围岩压力为0.9 MPa,计算理想状态下原有支护体可提供的支护反力为0.718 MPa,以支护体可提供的支护反力大于巷道稳定所需支护反力作为巷道稳定的必要条件,认为原有巷道发生变形破坏的主要原因是支护体支护反力不足,提出了钢管混凝土支架+厚混凝土喷层复合支护方案进行巷道返修,该方案理论上可提供1.48 MPa支护反力。结果表明:巷道返修完成2年后,两帮最大移近量为89 mm,顶底板最大移近量为142 mm。混凝土喷层没有开裂现象,巷道未发生明显变形,基于钢管混凝土支架支护技术的复合支护能有效控制巷道围岩变形。

钢管混凝土支架附着式振动器

提出的钢管混凝土支架附着式振动器适用于各种类型钢管混凝土支架,能保证注浆流畅、密实。其突出优点有2个:①自带手爪,便于装卸,不像一般附着式振动器需要预留螺栓;②采用气动马达,适用于煤矿,无需考虑防爆问题,容易调节输出功率,负载启动快。

极软岩返修巷道钢管混凝土支架支护方案研究

为解决北皂煤矿海域煤系地层极软岩巷道变形速度快、变形量大、难以控制的支护难题,现场实测了原始地应力,实验室测试了岩石力学参数与水理性质。根据测试结果和围岩变形特点,设计了基于钢管混凝土支架的复合支护方案:支架断面设计为圆形,主体钢管选用194mm×8mm的20#无缝钢管,内填C40混凝土,辅以金属网和400mm厚混凝土碹体支护。最后,对支架受力情况和巷道变形进行监测,结果表明基于钢管混凝土支架的复合支护结构能够有效控制巷道收敛变形,保证巷道的长期稳定。

钢管混凝土支架构件工作性能的模型试验研究

为了解钢管混凝土支架构件的工作性能,进行了室内模型试验研究。结果表明,钢管混凝土支架具有较好的弹塑性性能和较高的承载能力。通过介绍试验情况,分析了模型支架构件受力全过程的性能。试验结果对钢管混凝土支架的设计与工程实践具有一定的指导意义和参考价值。

钢管混凝土支架在华丰煤矿深井支护中的应用

华丰煤矿的采深已接近1 km,随着开采深度不断加深,深井支护问题已成为困扰华丰煤矿生产的一大难题。钢管混凝土支架具有优良的承压与抗变形能力,其支护能力是相同单位重量U形钢支架的2倍以上。-1 km水平大巷经过多次复修均不能稳定,采用钢管混凝土支架后取得了良好的支护效果,巷道稳定,满足了生产需求。

深井软岩巷道钢管混凝土支架复合支护技术

针对口孜东煤矿-967m水平轨道石门软岩巷道变形严重支护困难的问题,结合现场考察、室内测试、现场试验与监测等方法,分析了围岩变形特征和巷道失稳破坏的原因,在此基础上,依据承压环强化支护理论,提出了2种基于钢管混凝土支架的高强度复合支护方案。工程应用表明2种封闭式高强度复合支护体均能有效抑制围岩向巷道空间内移动,围岩最大移近量小于90mm,满足巷道变形要求,同时支护体整体结构完好,工程应用效果优良。

钢管混凝土支架构件受力性能的有限元模拟分析

为能更全面评价钢管混凝土支架构件的受力性能,在模型试验的基础上,采用ANSYS有限元软件对其受力性能进行模拟分析。讨论了构件的承载力、变形和轴向应力分布,并与试验结果进行了对比分析,得出了构件处于大偏心受力的危险截面及其内力分布情况。其结果可以为设计计算提供参考。

极软岩巷道钢管混凝土支架结构优化设计

为解决查干淖尔一号井回风大巷钢管混凝土支架反底拱失稳破坏问题,分析了支架变形破坏原因。采用结构力学分析方法,研究了拱脚固支约束受均布荷载作用下的钢管混凝土圆弧拱内力大小随矢跨比变化的规律。理论计算结果表明：当圆弧拱矢跨比小于0.25时,在一定的均布荷载作用下,φ194 mm×10 mm钢管混凝土支架反底拱随着矢跨比的增加,拱内最大轴力与最大弯矩下降明显,因此反底拱矢跨比0.25～0.3较为合理。优化方案将反底拱矢跨比为0.15的钢管混凝土支架改为反底拱矢跨比为0.25的支架,其他措施与原有支护方案相同。巷道返修完成2年后无明显变形。

钢管混凝土支架作用下南关矿煤巷变形破坏规律

以汾西矿区南关矿煤巷为原型,依托嵌套式相似模拟实验系统建立物理相似模型,研究煤巷在钢管混凝土支架支护下围岩应力、位移分布规律和变形破坏特征。应用FLAC3D 5.0建立钢管混凝土支架巷道模型,分别模拟埋深100~1000 m的情况,分析煤巷变形破坏规律及支架受力特点。研究结果表明:钢管混凝土支架能提高巷道的径向支撑压力,加载初期保持了巷道稳定,但随着荷载加大两帮收敛量大于顶底板移近量,帮部先出现裂隙并向顶底板发展,随后帮部和顶板相继失稳,可见帮部是支护的薄弱环节。在钢管混凝土支架作用下,巷道表面应力呈锯齿状分布,说明支架对围岩存在有效支护范围,支架之间是支护的薄弱部位;支架套管的轴力和弯矩均较大,容易发生破坏,导致支架的承载力丧失。可见,控制煤巷帮部和支架套管的变形破坏,提高其强度,是保证南关矿煤巷钢管混凝土支架支护稳定性的关键。

高应力巷道钢管混凝土支架支护技术研究

针对煤炭资源深部开采中面临的高应力巷道围岩控制难题,在鹤壁三矿三水平变电所泵房硐室和带式输送机巷返修中进行了钢管混凝土支架支护实验。将巷道原支护结构拆除掉,将巷道扩大至原断面,并进行锚网喷初次支护,然后进行钢管混凝土支架支护,并在两帮和顶部预留围岩变形空间,便于围岩释放压力。

钢管混凝土支架在煤矿巷道支护中的应用

以某矿带式输送机上山在岩浆岩侵入破碎区域掘进而导致巷道变形破坏严重为工程背景,研究了岩浆岩破碎区域影响巷道稳定性的主要因素,提出了采用直墙半圆拱加反底拱形钢管混凝土支架进行优化支护的思路。现场应用实践表明,优化后的巷道位移量能够控制在一定范围内并长时间保持稳定,验证了钢管混凝土支架在破碎围岩中的有效应用,为相似条件下的巷道支护提供了借鉴。