高延法钢管混凝土支架PPT课件.ppt

深井软岩巷道钢管混凝土支架支护理论与技术 高延法中国矿业大学 北京 2014 5 11 1 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 承压环强化 支护理论7深井软岩巷道支护设计方法8主要结论 2 我国现有约50 的探明煤炭储量埋深大于1000m 我国煤矿采深正以8 12m 年的速度增加 国内采深达到1000m的矿井已经有50多处 其中 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 3 国外煤矿深井开采状况德国 最大开采深度达到1500m 俄罗斯 顿巴斯矿区已有30多个矿井采深大于1350m 波兰 开采深度已达1200m 英国 开采深度曾达到1100m 我国典型的软岩矿井山东龙口 新汶 济宁等矿区 内蒙古平庄 锡林浩特 鄂尔多斯上海庙等 辽宁沈阳 吉林舒兰 辽源 梅河 黑龙江鹤岗等 安徽淮南 淮北 皖北等 河南义马 郑州煤电 平顶山等青海大通 贵州六盘水 甘肃平凉等 4 深井 软岩和动压巷道支护 依然是煤矿生产中的技术难题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 5 钢管混凝土支架 思路的提出 2004年夏软岩巷道 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 6 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 7 1钢管混凝土结构概述 8 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 9 钢管混凝土拱桥到2005年我国就已经有200余座 10 11 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 12 深圳赛格广场楼高355 8米是钢管混凝土结构大厦 深圳赛格广场 13 2钢管混凝土承载能力计算理论 14 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 15 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 为套箍指标 且 分别为钢管的横截面积和屈服强度 A3钢 分别为核心混凝土的横截面积和抗压强度 C40混凝土的 16 钢管 194 6 5 30kg m fs 215N mm2 As 3827mm2混凝土型号C40 181 fc 19 1N mm2 Ac 25717mm2套箍指标 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 17 钢管混凝土抗压能力原理图 18 钢管混凝土支架性能实验 19 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 校内实验室 钢管型号 127 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 20 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 21 变形后的钢混支架 钢混支架整体失稳 22 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 140 4 515kg m 接头套管采用 152 5支架直径1800mm支架承载能力 1504KN 23 钢管型号 140 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 AVI 24 3 3在清华大学 支架承压性能实验2009 4 钢管 194 8mm 36 7Kg m 套筒 219 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 25 U29型钢极限承载能力只有400KN钢管混凝土支架承载能力 194 8mm是U29型钢支架的5倍 清华大学结构实验室实验视频MOV07044 MPG 26 3 4钢管混凝土短柱 轴向压缩实验 钢管 168 8mm强度极限2000KN轴向压缩塑性变形20 变形形态 侧边鼓包 27 为井下灌注混凝土 支架开有注浆孔补强措施 1 钢板强化2 注浆短管内插3 加封孔塞 3 5支架注浆孔 强度实验 28 钢管混凝土直梁纯弯实验 中性层偏移过程 钢管内拉应力区混凝土拉伸裂纹 2 6钢管混凝土直梁纯弯实验 中性层偏移规律 29 3 7钢管混凝土支架 抗弯能力实验 中性层偏移实验 30 3 8获得国家发明专利专利号 200610113801 4 31 4钢管混凝土支架应用实例 32 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 33 支护钢管选用 140 8 5mm无缝钢管 单位长度重量为27 57kg m 接头套管 168 10mm无缝钢管 单位长度重量为31 68kg m 钱家营矿支护方案 34 支架整体结构示意图 35 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 36 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 37 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2009 38 大断面钢混支架结构参数表 39 40 41 42 峰峰大淑村矿大巷 4 3应用实例之三 其他矿井 43 内蒙锡林郭勒盟查干淖尔矿主斜井 44 平朔井工三矿大巷 45 鹤壁三矿泵房变电所 46 邢台邢东煤矿皮带下山 47 邢台邢东煤矿 48 甘肃平凉新安煤矿变电所正在施工 49 甘肃平凉新安煤矿变电所施工后 50 宁煤清水营煤矿 786水平临时水仓与机修硐室 51 宁煤清水营煤矿 786水平水泵房 52 龙口北皂煤矿联络巷返修巷道 53 龙口北皂煤矿2304面联络巷新掘巷道 54 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 55 新汶华丰煤矿 1100水平大巷 56 新汶华丰煤矿 1100水平水泵房 57 新汶华丰煤矿 1100水平水泵房 58 新汶华丰煤矿 1100水平变电所 59 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 60 4 4钢管混凝土支架的三种破坏方式与对策 底脚开裂 对策1套管加固 对策2变顶角形为圆弧形 侧帮折断 对策1抗弯强化 对策2让压 提高支架型号 61 钢管压瘪 对策1早强混凝土 对策2让压 提高支架型号 62 5钢管混凝土支架技术要点 63 5 1支架每节之间连接方式 套管连接 64 支架之间 顶杆连接 65 5 2混凝土灌注 顶升灌注法 每班能灌注15 20架 66 钢管混凝土支架的充填效果 67 5 3软岩钢混支架的让压方式 1预留变形空间2加袋装软土层 68 5 4支架断面形状 圆形 浅底拱 圆形 马蹄形 椭圆形 69 5 5支架钢管型号变壁厚系列变外径系列 194 7 32 3kg m 168 8 31 6kg m 194 8 36 7kg m 194 8 36 7kg m 194 9 41 1kg m 219 8 41 6kg m 194 10 45 4kg m 245 8 46 8kg m 型号 168 6 194 6 194 8 194 10 219 10 219 12kg m24 027 836 745 451 561 3短柱强度KN159419502295259730933425 70 5 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 71 钢管混凝土截面 支架所用钢管为 194 6 5 外径R1 194mm 内径R2 181mm 则 计算中不考虑长细比及偏心率影响的承载力折减系数 则 5 7钢管混凝土轴心受压承载力计算实例 72 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 该钢管混凝土支架 194 6 5 30kg m 的承载能力是相同重量U29型钢支架承载能力的2 37倍 73 支护反力计算 假设支架上部半圆拱承受均匀围压力 其结构力学模型如图所示 则支架上部半圆拱的极限承载平衡方程为 74 将参数代入公式 可求得钢管混凝土支架支护反力为 194 6 5钢管的用钢量为30kg m 钢管混凝土支架支护反力0 94MPa U29型钢支架的用钢量为29kg m U29型钢支架支护仅为0 42MPa 在钢管用钢量与U型钢大致相同的条件下 钢管混凝土支架的承载能力却是U型钢支架的2 37倍 这就充分显示了钢管混凝土支架低成本与高承载能力的优越特性 75 5 8巷道围岩高效注浆新技术 一个断面8 10个注浆孔同时注浆一个断面2 3个小时可注完一个班能注8 12m巷道 76 77 以某矿巷道支护工程为实例一 U29型钢支架U29型钢支架5100元 架 支架间距0 6m 支护反力为0 35MPa 二 钢支架和钢管混凝土支架 168 7mm 27 79kg m钢管混凝土支架5977元 架 支架间距0 8m 支护反力为0 66MPa 三 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 钢管混凝土支架88 34Pa 元 U29型钢支架40 51Pa 元钢管混凝土支架的性价比是U29支架的2 18倍 5 9钢混支架经济性分析 78 深井大变形巷道 破坏后的修复巷道 膨胀软岩大变形巷道 动压大变形巷道 破碎围岩巷道 采煤工作面上 下顺槽巷道 支架重复使用比较困难 提高巷道支护强度 缩小护巷煤柱宽度 用钢管混凝土支架 巷道不再返修 5 10钢管混凝土支架的适用巷道 返修巷道 79 5 11钢管混凝土支架研究子课题划分 1钢混支架结构与强度10 钢管混凝土支架极限强度与破坏方式实验 钢管混凝土支架结构优化 钢混支架注浆孔结构强化 钢混支架支护钢管径厚比实验 接头套管与套箍型接头套管强度分析 各种型号钢管混凝土短柱极限载荷实验 钢混支架尺寸与结构效应折减系数的确定方法 钢混支架与U型钢支架对比试验 玻璃纤维混凝土支架实验 支架防腐涂料性能实验 80 2混凝土材料性能实验7 混凝土材料 不同配比 的强度及泵送性实验 混凝土材料 不同配比 的收缩膨胀性能实验 混凝土材料 不同配比 的变形性能实验 钢管内混凝土养护技术实验 混凝土 钢管接触关系及其变形协调性实验 极限应力状态下混凝土与钢管的屈服特性 核心混凝土的压缩徐变与收缩3钢混支架规范2 钢混支架支护设计规范 钢混支架支护施工规范 81 6巷道 承压环 强化支护理论 82 6 1深井软岩巷道支护的基本原则 1 高强度支护软弱破碎巷道 围岩自承载能力弱 高强度支护是根本措施 2 巷道断面优化应该根据区域地应力的分布特征 优化巷道断面形状 可降低支护难度 3 围岩封闭及时喷层封闭围岩 避免围岩风化与吸水膨胀 全断面封闭支护可控制底鼓 4 复合支护深井 软岩和破碎围岩巷道 往往需要采用复合支护方案 5 适度让压适度让压使围岩尽可能地释放变形能 能能够降低支护难度 6 提高围岩的自承能力对围岩予以补强 提高围岩的整体强度 发挥围岩的自身承载力 防止围岩塑性区域的扩大 能取得事半功倍的支护效果 83 1 深井软岩巷道载荷大于围岩强度 必须提高围岩的承载能力 2 以钢管混凝土支架支护 锚喷等技术为基础的支护技术 能使围岩形成一个 承压环 由承压环控制其外部围岩的稳定性 6 2承压环力学模型 84 锚杆 施加一对自平衡的法向力 强化承压环的承载能力支架 施加一个法向压力 强化承压环的承载能力注浆 是通过提高围岩强度 强化承压环的承载能力 事半功倍钢管混凝土支架 支撑力强大 能提供强大的径向支护力对于极软弱围岩 需要重新构造 承压环 承压环 是封闭支护 能够有效控制底鼓 承压环 强化 往往需要复合支护 85 每增加1MPa径向支护力 能够提高围岩承载能力3 4MPa 6 3径向支护力的作用 86 6 4正确理解主动支护与被动支护 主动支护与被动支护的概念 仅仅在浅部 硬岩中适用 即 仅在载荷 强度之比小于0 5时才使用 随围岩变软 锚杆支护效果逐渐降低 随采深加大 载荷 强度比增大 锚杆支护效果逐渐降低 锚杆的作用主要减少围岩的裂隙 层面结构效应 悬吊 组合梁 组合拱 恢复围岩的应有强度 软岩 深井条件下 即使是完全恢复围岩的强度 也不足以抵抗地压荷载 软岩深井条件下 构造 承压环 提高支护力是最直接最有效的支护方法 87 6 5增量平衡的观点 例如中硬岩层 在浅部 埋深600m以上 可以用同样的支护方案与支护参数 载荷随埋深增加而增大 埋深800m 1000m 1200m 不能用同样的支护方式与参数 支护力增量 载荷增量 两个增量必须平衡 深井软岩巷道才能稳定 在深井软岩巷道应该加大支护强度 增加支护投入 我国采场顶板控制技术的发展 给我们的启示 金属摩擦支柱 单体液压支柱 液压支架 液压支架 3000KN 6000KN 9000KN 12000KN 88 6 6 承压环强化 支护理论子课题 承压环力学模型1 承压环外边界的确定 与锚杆锚固段的相对位置 2 承压环外边界形状与巷道断面形状的关系 3 承压环外边界的力学边界条件 4 不同支护方式承压环内边界条件 5 承压环力学模型建立的理论与工程依据 承压环强化支护理论分析1 锚杆的强化作用定量分析 2 锚索的强化作用定量分析 3 喷层的强化作用定量分析 4 锚杆锚索支护效果与软岩巷道岩性的关系5 承压环的应力场与内边界收敛变形 89 承压环强化支护理论分析1 最佳支护时机 巷道收敛变形量2 最佳支护时机与围岩力学性质的关系 3 钢混支架的强化作用定量分析 4 围岩注浆的强化作用定量分析 5 围岩注浆加固效果与围岩破碎程度的关系分析6 二次支护承压环的应力场与内边界收敛变形 理论依据1 承压环外部围岩稳定的力学条件 足够大的径向作用力 根据岩石的三轴强度理论 2 承压环自身强化的力学理论依据 岩石三轴强度理论 岩石流变理论 长期强度 90 7深井软岩巷道支护设计方法 91 深井软岩巷道支护设计的方法1 深井软岩巷道支护设计的五项依据 远场地压 巷道埋深 水平地应力 采掘扰动压力 岩石强度 岩石单轴抗压强度 围岩结构完整性 岩石水理性质 粘土矿物含量 吸水软化性 吸水膨胀性 原始含水率 巷道变形特征 两邦 顶底板变形大小 变形速率 巷道破坏形态 围岩荷载P 巷道稳定状态下 围岩作用在支护体上的荷载P 评估 2 深井软岩巷道应划分为三种类型 中硬 软弱 极软弱3 深井软岩巷道支护设计的四大要素 支护技术 锚索锚杆 围岩注浆 钢管混凝土支架 碹体等 支护参数 断面形状 圆形 浅底拱圆形 椭圆形 让压方式 巷道周边预留让压缝 支护体让压 让压新技术 支护力N 明确 承压环 支护体的支护力N N应大于围岩荷载P 92 7 1 软岩巷道支护设计的五项依据 远场地压 巷道埋深 水平地应力 采掘扰动压力 垂向地应力 巷道埋深成正比 水平地应力 即构造地应力 可以井下实测 如使用 空心包体应力计 93 采掘扰动压力 某矿巷道深度450m 岩石强度10 35MPa 原大巷稳定 后平行大巷相距20m再掘绕道时 大巷扰动变形破坏 大巷破坏位置 与绕道掘进头对应关系十分清晰 后来大巷返修 又引起绕道的扰动变形破坏 当围岩应力状态接近岩石强度极限时 扰动会引发岩体的较大变形 扰动载荷是震动波 震源 掘进放炮震动 采场覆岩断裂震动 94 95 岩石水理性质 粘土矿物含量 蒙脱石 伊利石 高岭土 矿物微观结构 吸水软化性 吸水软化 吸水碎裂 吸水泥化 膨胀性 蒙脱石具有膨胀性 巷道大变形与软岩膨胀的关系含水率 0 20 岩石强度 岩石单轴抗压强度 围岩结构完整性 不少深井的井底车场 因为在软岩层位 导致巷道稳定性较差 大巷 上下山等开拓与准备巷道 选择较坚硬的岩层层位 事半功倍 96 巷道变形特征 两邦 顶底板变形大小 变形速率 破坏形态巷道变形特征 底鼓为主或两邦收敛为主 变形速率越大 则围岩荷载就越大 97 98 围岩荷载P 巷道稳定状态下 围岩作用在支护体上的荷载P理论预计 矿山岩体力学理论数值仿真 建立结构力学模型 分析围岩荷载现场实测 积累资料 统计回归 经验类比 99 深井中硬围岩 岩石强度30 50MPa 吸水软化 载荷 强度比小于0 5 软弱岩层 岩石强度10 30MPa 吸水碎裂崩解 载荷 强度比0 5 1 0 极软弱岩层 岩石强度小于10MPa 吸水泥化 载荷 强度比大于1 0 7 2深井软岩巷道应划分为三种类型 100 101 支护技术 锚索锚杆 围岩注浆 金属支架 混凝土碹体等中硬岩层 尽可能使用锚杆 锚索支护 在围岩中形成 承压环 7 3深井软岩巷道支护设计的四大要素 102 软弱岩层 不仅要锚杆与锚索支护 还需要支架或碹体支护 在围岩与巷道内共同构筑 承压环 极软弱岩层 岩层可锚性较差 需要高强度支架 高强度碹体支护等 应该