基于先柔后刚理念的“缓冲层+钢管混凝土支架性能分析_罗小刚.pdf

第卷第期建井技术年月 基于先柔后刚理念的“缓冲层钢管混凝土支架性能分析罗小刚，张德琦，礼慧，王月琦，尚新妍（辽宁石油 化工大 学土木工程 学院，辽宁抚顺）摘要：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 工艺筒单、施工成本降低、经 济效益良好的特征。关键词：先 柔后刚；缓冲层；钢管混凝土 支架；巷道支护；软岩；中 图分类 号：文献标识码：文章编 号：（）卜 ，（，丄丄，）：？，？；？：；随 着我国煤 炭开采强度的不断加大，浅层煤炭资源越来越少，开采深度不断增 加，软岩大量出现，其特点是围岩自身的强度较低、自稳能力较弱，巷道围岩变形大、变形时间长，底臌严重，更有甚者会发生支护结构失稳和围岩变形 破坏。由于支护结构不合理，加之冲击地压等因素对 深部 软收 稿日期 修回日期：丄责任编 辑：景 惧斌：丄丄 基金项目：国家级大 学生创新创业训 练计划 项目（）作者 简介：罗小刚（即），男，贵州铜 仁 人，大 学本科。：通信作者：张 德 琦（），男，吉林 通 化 人，教 授。：引用格式：罗小刚，张 德 琦，礼慧，等基于先柔后刚理念的“缓冲层钢 管混凝土支 架”性 能 分 析建井技 术，（）：丄（，（丄）：建井技术 年 第卷岩巷道围岩稳定性产生的不利影响，加速了巷道舍的：变形破坏，深部貌岩巷道围岩的长蠢定何顧：十分寶出。李鹏飞摩：运用：数值模拟软件，研究了深部复杂地质条件下回采卷道围翁与支护結构的变趙破坏 机理，苒次证明上述结汉連晨鲁？通过对某矿运输巷进行现场调查和变形测采甩黨内试验單论研究、数值模拟、通论计算蜃研究方法，分析巷道变形破坏特征掲武了巷道变形破坏机制，结果邊窥支护结构体系设计不含理暴巷道变形破坏的主要遽普通齒钼亥架及太寞镫高择超长锚杆、锚索等支护方 式虽然提高了支栌能力但支护成本蠡施工速度慢，在我麗深部高度力膨胀性软岩道支护中存：？者多闾题孪瓦峰等？采用“憂长锚坪锚素”联合支护方式，解了淮南矿深部韓：岩卷 道返修 率高、变护：效果違？等问题；郭敏采用海柔后侧、先让后抗”的柔性支护方式，如锚喷阿、锚索、可缩性支架支护？在软岩巷選支 护方面取得了较好的敫果藏德胜等进行的钢管凝，土支相似模拟试验验证铜管裩凝支架较垫钢可縮支架传统支护方式属有：商的豪载特。钢管混凝：支 架是现有 刚度屬大的支架，将其与具有吸收能量￥缓冲变形的结构结合的支护体系研究鮮有报道笔者认为，钢管裩凝士食架：吸能缓冲结构的支护体系符合“先柔膚刚”的理念，在探部软參：变护中将有广阚的處用前先柔后刚”的含义及其理论依据先梁后瑯”的含义“先柔即支架受到较太矿山压力时？可以“让、也就是者一定的收缩变 形能力，从而较太趨度地降低由宁泰体变形而产生的直接作用在寞护系统上压力？，肩”即缉支架收箱一隹鞋獻，具有“坑”力，也就最有较强的刚度，从而狡制围岩的变形？先柔后刚的理愈需通过具有吸收能最、緩冲变形的结构来实现从形成“前期 让期抗”油支护效果兰渝铁路木寨岭 道岭脊核心地段施工利“边放边抗、柔 逅刚、刚强足够”的理念，采用多层支护分层施做、特殊仰拱：加强支护、畜强度衬砌稳定支护的联含支 护体 系，鍺会，监控量等手段，较好地解决高应力软擧隊道支护问题？。阳镍新元矿号餐工作面运输巷矿山庫力太变形锻制囲难，采用锚杆条带瘕支护的巷道支护理念，运用先柔后刚、刚柔弁举、抗让结含的原则？港道初期采用“锚网喷”联合支护名斯采用槟凝士碹体支护，卷谊围看变形量得爾有效翻？先梁后刚”支护的理论依据以圆形巷道岩？二次座力场为例：围悬薄纖徙座办分布如圏：所示，由：宁羡簾！墨曹靈性在無力怍用下直署可以向卷道内移 动，藤成半径为仏的恽佳威内矿山力明显降 低？从而魂善了靡岩的受力状态，降低了支架的遺力，（位移）图围岩弹 塑性应力分布蘩期懸水耐観！：霞？刨鳳的￥讀線慕彌；管混凝：土宏？懷通分图为矿山压：力隹移曲线。路径是 钢 管混凝土支架的工作过程其工作点压力较大：，路径是典型的先 后刚”支架工作过獲，萁路径分为“索”和“刚两段？最终工作点压力大幅减小（疾）矿鹰聋穆曲嫌综上所述巷道支护中采用“先柔后刚”支炉理念，能利用支廉的让压，容许鼠悬拘巷道内孴理儳移、从而有巍地控制矿山压力常规的让压支 护形式型支架分级让压锚杆虽然解决了巷道变形压力较大时的矿山压力释放，錢存在探并软岩文护后 承戴力不足的问题分级让锚杆通常？喷射混凝土结含，使围岩封闭，防止岩风化，但锚杆多级辻压后随着岩向巷道内变 形的加太混凝土会出规开衰，从而破坏对围看的封闭。所以，对费有蒙脫贫，伊利宥誓矿物的围岩，舞其吸水性强吸水后产生膨账，还需要后期复喷混凝土或梦浆。体现“先柔后刚”理念的“缓冲层钢管混 凝土支架”设计“讀冲层钢管混凝土支架”支护雜系的构咸續冲层钢智混凝土支架”结构如圈所游在钢管混凝土支架与围岩之闻，设置薄：壁钢管、开口備敫缓冲結构，实现支架受加期的让压？待缓冲结构的爾璧钶管或开管压綰变形足够太钢贊混筆士变架发挥抗力作坷，控翁舍翁期变形。该支护 系统的优点是：饔冲隹移可通过餐冲钢管寸随视调螫，能很好地 达到“让压；的，钢菅混凝挪度较太？能实现支架变形的有效控：制由宁免去了二次支护，施工成本著降低隨着植内外裹地座力软參大变形隧道施工察例的增多，在舊地虛力食療磨雜道 中，麵：重顧承翁能力菱到越摩越多的关其原理是通过形卡子连接，形成支架的 可缩性，达到放矿山违力的目的，但在卖践过程中还存在卡子收缩量有限、卡予丧窵澈荷截作用下容屬失：效等坷题？。分級让压铋杆托盘对传餘的锚杆加以改进？增大被锚猶攀体油变，勝属图为 分级让压锚杆？在锸杆的外绩设计了球、形让环，随力逐渐增太压环在第一圈 失泰承 载能力？此时，球形让压环体 挤进第二圈以此类推，刺用 锚杆托盘让压的过程实现矿山压力释放。缓冲 钢管图，議冲层输眷藤毫土；篸冲层钶奢説凝土支架，支护体系的施工 工艺“緩冲扇钢管混凝土支架支护体 系的施工工艺赛有巷道开帮祧顶、初喷砂浆、盅用于緩冲变形的費心钢瞀、架貴空铟管架、布设变架厨奢属网及藥楱、充填衣蕾、寒法核心混凝土等其施工麵糧翁圈所：赢“缓冲层钢管混 凝土支架 数值模拟分析图騰锚杆華鶯矿轨？巷为软 奢蠢：道的典型代表，建井技术 年 第卷图“缓冲层钢管混凝土支 架”支护施工 工艺 流程巷道压力大，采用“矿用可缩型支 架金 属两喷射混凝土”支护体系？半年后支架破坏，顶板和两 帮询变形严重。后采用？钢管掘凝土支架十架后充填粉煤袋？等支护措施，取得显著敫巣。铒架启充填粉煤灰装施速度慑刚度调，余地小。笔者以幸置矿（）轨道巷为玄护微计对象按照“先讓后刚”的支护纏念采用缓冲层？钢 管混凝土宏架的支：护 体系，苗細软抑蠢立力学養遗准礙元网格划分如圈所示模塵中的断翁力學参数取：文献厲翁和铜管内的核心混凝土采 单元破坏判走采用雜准则；铒管宣架層：神爾管：采用？单：幾甫？滅服淮则和随強：化准则巷道围鼻的参数见表，支架菅友缓冲 爾曾和变架核心混琛土的力学参数见。雷瘦元格划奢表围岩力学 参 数弹 性模量泊 松比密 度（？）黏聚 力内摩 擦角（）丄 表 钢 管及核心混凝土材料力学 参 数部件名称弹 性模量泊 松比工程许用应 力密 度（？”支 架 钢管及缓冲钢管丄：支 架核心混凝土丄？丄丄“缓冲层钢管凝土支架”亥护体系中亥架的龜力虜如庚本中一、点的麼力發别为，、？，均镄足强：朦要擔菌：？袁龜缓冲铜管棍凝土支架”支护体系中支架的位移圏如圈所遍中、：、濕的位穩分别为，均儒：足变形要求。袁德雜賢数值獏拟计算箱果表明，基于“先柔后刚”理念设计的本支 护 方案可：行的。依据巷道的虜岩？参数在相同的围爱压力条件下，仅采用锏管馄凝土束架（围著、亥架及核心混凝土參数不瘦），撤绰缓：冲钢贊童新模拟亥架的 座，和隹移，、惠處力分别为？、，）、，食移分别为，、氧、？、參？。无缓冲材料钢管凝土支架缓 冲层爾管混凝土支架支护体系的虛力数据对比分析见羞；羞的数据表胡，、米用本设计方案对巷道的痗部（惠）歲为辑養海 翁显，袁架虚力降低了？其次为巷道的腰部（点）及拱 脚偏上部隹（丨点）的应力也得到歡養支架歲力降低了。第期罗小刚，等：基于先柔 后刚理念的“缓冲层钢管混凝土支 架”性能分析表缓冲钢 管对支 架应力 的影响位置“缓冲钢 管钢 管混凝土支 架”应力仅 钢 管混凝土支 架应力应力降 低百分 数 丄丄丄丄 丄丄丄无缓冲材料 钢 管混凝土支 架与“缓冲层钢管混凝土支 架”支护体系的位 移数据 对比分析见表。表的数据表明，由于在钢 管混凝土支 架外侧与围岩之间的缓冲钢 管均匀布置，刚度适宜，钢 管混凝土支 架的变形 得到有效改善，从支 架的腰部点到拱脚 偏上的点，支 架径向位 移 均降低了，这对控制巷道的有效面积，保证人员、设备的安全都 是十分有益的。表缓冲钢 管对支 架位 移的影响位置“缓冲钢 管钢 管混凝土支 架”位 移 仅 钢 管混凝土支 架 位 移 位 移 降 低百分 数 丄丄 分析讨论（）“缓冲层钢 管混凝土支 架”支护系统的缓冲物可通过 改变 钢 管的直径、壁厚等参 数，使其适应能力更强。（）岩体塑性分析理论与模 拟计算的结果 均表明，适度控制围岩向巷道内的位 移量，可有效释放矿山压力，降低 支架工作压力。降低钢 管混凝土支架 外侧、处 缓冲钢 管刚度，可以使该处的应力再次降低，使钢 管混凝土支架整体受力更均衡。（）在“缓冲层钢 管混凝土支 架”支护系统中，钢 管混凝土支 架受力随 时间的增 加逐渐增大，并最终达到稳定。在 支 架 架设初期，钢 管混凝土支 架受力并不大，仅靠钢 管支 架 就足以抵 抗初期矿山压力，这就为支 架注人核心混凝土的施工提供了可能性。建议优化巷道支护施工 工艺 流程，不 必每架设一榀钢 管支 架后，就立刻 注人核心混凝土，而是 待 支护一段距离之后，将若干 钢 管支 架依次连续注人核心混凝土，这将节约施工 工序 转化时间，提高施工效 率，加快巷道掘进施工速度。结论（）“缓冲层钢 管混凝土支 架”支护系统对降低 支 架应力效 果显著，支 架应力降低了？。（）由于支护系统中存在缓冲层，“缓冲层钢管混凝土支 架”支护系统为围岩变形创造了条 件，使钢 管混凝土支 架本身 变形控制在 以内，对控制巷道的回缩，保证巷道的使用 空间尺寸稳定及施工安全极为有利。（）“缓冲层钢 管混凝土支 架”支护系统，缓冲能力大，不用开帮、拉底，可一次施工完成，施工成本低，经济 效益更佳。参考文献：乔卫国，孟庆 彬，林登阁，等深 部 软 岩 巷 道锚注 联 合 支 护 技术 研 究西安 科 技 大 学 报，（）：李 鹏飞，王苏 龙深 部 巷 道围岩 变 形 破 坏机理数值模拟 研 究建井技 术，（）：汉连昌，刘勇，王沉，等深井软 岩 巷 道 钢 管混凝土支 架支 护 技 术 研 究矿业研 究与开 发，），）（）：王连国，李明远，王学 知深 部 高应力极 软 岩 巷 道锚注 支 护技 术 研 究岩石力学与工程 学 报，（）：李万峰，刘小 虎，姚 直书深 部 软 岩 巷 道 支 护 方 案 优 化设 计与应 用建井技 术，（）：郭敏，赵建 军，张乾，等软 岩 巷 道 支 护 技 术探讨矿业安全与环保，（）：藏 德 胜，杨 兴旺，王强钢 管混凝土支 护模型试 验 研 究煤 炭 科 技，（）：丄张巧 兰，张彬钢 管混凝土支 架 在 煤 矿 巷 道 支 护中的应 用煤 炭 技 术，（）：张 传 军高地应力软弱围岩 隧 道 联 合 支 护 体系应 用公路工程，（）：喻渝，姜波，李磊复 杂山区铁路隧 道 软 岩 大 变 形防治复 杂 艰险山区高 速 铁路修 建关键 技 术 学 术 研讨会论文集成都：中 国铁 道 学会，沈明荣，陈 建 峰岩石力学上海：同济 大 学出版社，蔡美 峰，何满