深部巷道直墙半圆拱形钢管混凝土支架承载性能分析学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于2021年《矿冶工程》第41卷第1期，作者来自贵州大学矿业学院、喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室、贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室及中南大学资源与安全工程学院。该研究以贵州某矿270中段深部巷道为背景，采用ANSYS有限元法建立了深部巷道支护力学三维模型，对比了常规U36型钢支架与钢管混凝土支架的承载性能，为深部巷道难支护问题提供了新的技术方案。

深部开采是现代矿业发展的必然趋势，随着开采深度的增加，巷道围岩应力水平显著升高，传统支护手段面临严峻挑战。钢管混凝土支架作为一种新型支护结构，将钢管与混凝土组合使用，充分利用了钢管的高强度和混凝土的高抗压性能，在深部巷道支护中展现出巨大的应用潜力。

有限元模型与对比分析

该研究采用ANSYS有限元软件建立了深部巷道支护的三维力学模型，考虑了围岩的非线性本构关系和支护结构的几何非线性，模型具有较高的精度和可靠性。研究重点对比了U36型钢支架与钢管混凝土支架在高水平应力条件下的变形和承载性能。

研究结果表明，当侧应力系数大于1时，钢管混凝土支架底角的变形量小于U型钢支架，说明钢管混凝土支架在水平应力较大的深部巷道中具有更优的适用性。这一发现对于深部巷道的支护设计具有重要的指导意义。

钢管混凝土支架的力学优势分析

钢管混凝土支架的力学优势源于钢管与混凝土的协同工作效应。钢管对核心混凝土形成环向约束，使混凝土处于三轴受压状态，显著提高其抗压强度和延性；同时，混凝土填充钢管内部，防止钢管在受压时发生局部屈曲，提高钢管的稳定承载力。这种"互相约束、协同工作"的机制是钢管混凝土结构的核心优势。

从钢管制造与焊接的角度来看，钢管混凝土支架中的钢管需满足以下技术要求：

深部巷道支护的特殊挑战

深部巷道支护面临一系列特殊的技术挑战，这些挑战对钢管混凝土支架的设计与施工提出了更高要求：

1. 高地应力：深部巷道围岩应力可达50-100MPa，远超浅部巷道的应力水平，支架需具备足够的承载能力和变形能力。
2. 岩爆风险：高应力环境下围岩可能突然释放能量，产生岩爆现象，对支架的抗冲击性能提出要求。
3. 大变形控制：深部巷道围岩变形量大且持续时间长，支架需具备适应大变形的能力。
4. 腐蚀环境：深部巷道可能存在酸性气体和地下水，对钢管的耐腐蚀性能提出要求。

针对这些挑战，钢管混凝土支架的设计应遵循以下原则：

• 钢管选型应优先考虑高强度、高韧性材料，如Q460或Q500级低合金结构钢。
• 钢管壁厚应根据围岩压力和变形量进行合理设计，确保足够的环向约束力。
• 混凝土强度等级应不低于C40，以保证足够的抗压强度和与钢管的协同工作效果。
• 支架连接节点应采用高强螺栓连接或焊接连接，确保整体稳定性。

焊接工艺与施工质量控制

钢管混凝土支架的施工涉及多个关键焊接节点，焊接质量直接决定了支架的整体承载性能。在深部巷道环境下，焊接施工面临诸多困难，需要采取针对性的工艺措施：

焊接过程中应特别注意以下问题：

• 控制焊接热输入，避免过热导致钢管局部回火或组织劣化。
• 采用合理的焊接顺序，减小焊接变形，确保支架几何精度。
• 焊后进行必要的无损检测，确保焊缝质量满足设计要求。
• 必要时进行焊后热处理，消除焊接残余应力。

总结

该文献通过有限元分析系统对比了钢管混凝土支架与U型钢支架在深部巷道中的承载性能，证实了钢管混凝土支架在高应力条件下的显著优势。从钢管制造与焊接技术的角度来看，钢管混凝土支架的成功应用依赖于高质量的钢管制造、合理的焊接工艺和严格的施工质量控制。该研究为深部巷道支护提供了新的技术方案，也为钢管在矿山工程中的创新应用开辟了新的方向。随着深部开采的持续推进，钢管混凝土支架有望在更多矿山工程中发挥重要作用。