钢管混凝土墩柱沿空留巷技术与工艺学习体会

文献概况

本文发表于2019年《煤矿安全》第50卷第2期，由山东科技大学矿业与安全工程学院申玉三等作者完成，依托鲁西煤矿3下A02工作面的实际工程背景，针对高应力条件下采掘接替紧张的问题，提出了"钢管混凝土墩柱+柔性垫层+控顶锚索+巷内加强支护+防风措施"的新型沿空留巷技术方案。该研究获得了国家自然科学基金、中国博士后科学基金及山东省重点研发计划的多项资助，具有扎实的理论与工程基础。

核心技术方案解析

沿空留巷是煤矿开采中延长采区服务年限、减少巷道掘进量的关键技术手段。传统沿空留巷主要依赖液压支柱或木垛等柔性支撑体系，在采动应力作用下往往出现支护失效、巷道变形过大等问题。本文提出的钢管混凝土墩柱方案，本质上是将钢管与混凝土两种材料组合形成复合承重构件，利用钢管对混凝土的约束效应提高墩柱的承载能力和延性，同时利用混凝土的高抗压强度承担主要压力荷载。

从钢管选用角度来看，该方案对钢管的力学性能、几何精度及焊接质量提出了较高要求。钢管作为外部约束骨架，其屈服强度、壁厚均匀性及焊缝质量直接决定了墩柱在采动应力作用下的可靠承载能力。在实际工程中，建议选用API 5L X65及以上等级的无缝钢管或直缝埋弧焊管，壁厚不宜小于8 mm，以保证足够的抗屈曲能力和约束效果。

钢管混凝土墩柱的关键设计参数

施工工艺关键控制点

墩柱架设与灌注工艺

钢管混凝土墩柱的施工工艺核心在于钢管的现场组对、定位及混凝土灌注的密实度控制。从焊接工艺角度分析，现场组对焊接时需注意以下要点：

1. 钢管对接焊缝应采用全焊透工艺，优先选用GTAW打底加SMAW填充盖面的组合焊接方法，确保焊缝内部无未熔合、气孔等缺陷。
2. 焊接位置应尽量采用平焊或船形焊，若受现场条件限制只能进行立焊或仰焊，应严格控制焊接热输入，避免热影响区（HAZ）出现晶粒粗化或脆化。
3. 焊缝质量应达到GB/T 3323或ISO 5817 B级及以上标准，必要时采用超声检测（UT）或射线检测（RT）进行100%无损检测。

混凝土灌注质量控制

混凝土灌注是确保钢管混凝土复合效应发挥的关键环节。灌注过程中应采用振动密实工艺，确保混凝土在钢管内充满且无空洞。对于长柱体，建议采用分层灌注、逐层振捣的方式，每层灌注高度不宜超过500 mm。灌注完成后应及时封堵管口，防止水分蒸发导致混凝土收缩开裂。

从材料科学角度思考，钢管与混凝土之间的界面粘结力对墩柱的协同工作性能至关重要。在实际工程中，可在钢管内壁设置剪力键（如焊装短钢筋或环形肋板），以增强钢管与混凝土之间的抗剪连接能力，防止在反复采动荷载作用下出现界面滑移。

围岩稳定控制与工程实践

控顶锚索与加强支护的协同作用

沿空留巷的围岩稳定控制是一个系统工程。钢管混凝土墩柱主要承担顶板直接压力，而控顶锚索则通过锚固深部稳定岩层来减少顶板下沉量。两者形成"近端支撑+远端锚固"的双重防护体系。

从FMEA（失效模式与影响分析）的角度审视，该方案的主要潜在失效模式包括：

• 钢管局部屈曲：当围岩压力超过钢管约束承载力时，钢管可能发生局部外鼓或整体屈曲，导致约束效应丧失。
• 混凝土灌注不密实：若灌注过程中出现漏振或混凝土离析，将形成空洞区域，降低墩柱有效承载面积。
• 界面脱粘：在长期反复荷载作用下，钢管与混凝土之间可能出现脱粘，削弱协同工作效果。
• 焊缝开裂：现场焊接质量不达标或应力集中区域可能出现疲劳裂纹扩展。

工程实践启示

本文的研究成果对钢管在矿山支护领域的应用具有示范意义。在实际推广中，需要特别关注以下几点：

第一，钢管的采购与检验环节应严格执行标准。对于用于矿山支护的钢管，除常规的力学性能试验外，还应增加低倍组织检验（LOI），排除带状偏析、白点等内部缺陷。

第二，焊接工艺评定（WPS/PQR）应根据现场实际焊接条件进行，不能简单照搬工厂焊接参数。矿山井下环境湿度大、通风条件差，焊接材料的烘干与保温措施必须到位，否则极易产生氢致裂纹。

第三，施工过程应建立完善的PDCA循环管理体系。从钢管进场检验（Plan）、焊接施工（Do）、无损检测（Check）到不合格品返修（Act），形成闭环质量控制。

学习心得与反思

作为一名长期从事钢管与焊接技术工作的技术人员，本文给我带来了深刻的思考。钢管混凝土结构在建筑领域已有广泛应用，但在矿山支护领域的系统化应用仍处于探索阶段。钢管混凝土墩柱的优势在于其高承载力、良好的延性和可施工性，但同时也面临井下恶劣环境对焊接质量和防腐耐久性的挑战。

值得深入探讨的是，钢管混凝土墩柱在长期采动应力作用下的疲劳性能问题。采煤工作面推进过程中，留巷巷道将承受多次采动应力循环，钢管与混凝土的界面行为、焊缝的疲劳寿命等都需要通过长期监测和试验来验证。建议后续研究引入数字孪生技术，建立钢管混凝土墩柱的实时监测与预警系统，实现支护结构的智能化管理。

总体而言，该研究将钢管混凝土技术引入煤矿沿空留巷领域，是钢管工程应用的一个创新方向。对于钢管制造和焊接行业而言，这意味着新的市场需求和质量要求。未来，矿山支护用钢管的专用标准制定、焊接工艺规范以及质量检测方法的完善，将是推动该技术规模化应用的关键环节。