九龙矿深井大变形巷道钢管混凝土支架支护应用研究——文献学习体会

一、文献概况与工程背景

本文发表于《煤炭与化工》2025年第48卷第2期，由山西大同大学建筑与测绘工程学院张帅等完成。文章以九龙矿-850 m轨道下山坡底巷道为研究对象，针对深井大变形巷道支护难题，系统对比了U36型钢支架与φ194 mm×8 mm钢管混凝土支架的承载能力，提出了以钢管混凝土支架为核心的支护方案，并通过FLAC3D数值模拟和实际工程应用验证了方案的可行性。

深井矿山巷道支护是采矿工程中的经典难题。随着矿井开采深度增加，高地应力、高地温、高地压"三高"效应显著，围岩变形量急剧增大，传统支护手段往往难以奏效。九龙矿-850 m水平的巷道面临的大变形问题，正是深井采矿工程中的典型代表。

二、大变形成因分析

2.1 工程地质条件

文献系统分析了九龙矿-850 m轨道下山坡底巷道的工程地质特点。深井巷道大变形的主要成因包括：

2.2 U36型钢支架的局限性

U36型钢支架是煤矿巷道支护的常用形式，其承载能力受限于截面几何特性。U型钢的截面模量虽较大，但材料利用率较低，且U型钢支架在长期荷载作用下易产生塑性变形，导致支架间距增大、承载能力下降。在深井大变形条件下，U36型钢支架的弹性变形量往往超过其设计允许值，最终导致支架失效。

三、钢管混凝土支架技术方案

3.1 钢管混凝土支架的力学优势

文献提出的φ194 mm×8 mm钢管混凝土支架方案，其核心优势在于钢管与混凝土的协同工作机理。钢管对核心混凝土提供约束作用，使混凝土处于三向受压状态，显著提高其抗压强度和延性；同时，核心混凝土对钢管提供支撑，防止钢管局部屈曲。这种"以钢约束混凝土、以混凝土支撑钢管"的互补机制，使钢管混凝土支架具有优异的承载能力和变形适应性。

3.2 承载能力对比

3.3 数值模拟结果

FLAC3D数值模拟显示，采用钢管混凝土支架后，顶板最大变形量减小至80 mm，两帮最大变形量降至165 mm。与U36型钢支架方案相比，变形量显著降低，说明钢管混凝土支架的刚度更大、承载能力更强，能够有效控制围岩变形。

四、工程应用效果与反思

实际工程应用表明，钢管混凝土支架能够保持巷道的长期稳定性。这一结论具有重要的工程指导意义。在实际施工中，钢管混凝土支架的安装精度要求较高，需要确保钢管的垂直度和间距符合设计要求。此外，混凝土浇筑质量直接影响支架的承载性能，需要严格控制混凝土的配合比、浇筑工艺和养护条件。

从材料成本角度分析，钢管混凝土支架的造价通常高于U36型钢支架，但考虑到其承载能力的提升和使用寿命的延长，综合经济效益更为优越。在深井矿山巷道支护中，支架失效导致的巷道报废和重新支护费用往往远超初始投资差额。

五、关键技术问题与建议

在实际推广钢管混凝土支架支护技术时，需关注以下问题：

1. 钢管焊接质量：钢管支架的连接节点通常为焊接连接，焊缝质量直接影响整体结构的承载能力。建议采用超声波检测或射线检测对焊缝进行100%检查，确保焊缝等级不低于II级。
2. 混凝土浇筑工艺：深井巷道空间受限，混凝土浇筑和振捣难度大。建议采用自流平混凝土或微膨胀混凝土，减少振捣需求，同时补偿收缩裂缝。
3. 钢管防腐处理：井下环境潮湿，钢管易发生锈蚀。建议采用热浸镀锌或环氧涂层进行防腐处理，设计寿命应不低于30年。
4. 变形监测：支架安装后应建立长期变形监测体系，定期测量支架的变形量，及时发现异常变形并采取加固措施。

六、学习心得

本文的研究思路清晰，从工程问题出发，经过理论分析、数值模拟到工程验证，形成了完整的闭环。钢管混凝土支架在深井大变形巷道中的应用，体现了"以结构性能优化替代单纯增加支护强度"的设计理念，这对于解决深井矿山巷道支护难题具有重要的参考价值。作为钢管制造与焊接技术领域的从业者，我深刻体会到钢管混凝土结构对钢管几何精度和焊接质量的高要求——钢管的圆度偏差、焊缝余高、残余应力等都会影响钢管与混凝土的协同工作性能。未来，随着钢管制造工艺的进步和钢管混凝土结构理论的完善，钢管混凝土支架在矿山巷道支护中的应用前景将更加广阔。