矿用U型约束混凝土拱架轴压短柱试验研究及应用

为明确最新研发的矿用U型约束混凝土拱架的基本力学性能,设计了U型约束混凝土(UCC)短柱轴压试验方案,从变形破坏形态、荷载-应变曲线、极限承载力及声发射响应特征等方面,分析了其受力性能和变形破坏特性,同时研究了核心混凝土破裂机理。结果表明:UCC短柱呈现整体塑性失稳的破坏形态,对应的N-ε曲线为上升→平缓上升的4阶段形式;UCC短柱具有较好的延性和后期承载能力,极限承载力提高127%~196%,经济性得到提高;声发射活动先后经历了孕育期到消寂期4个阶段。分析得到了每个时期约束混凝土短柱的受力、变形、破坏行为及机理。现场应用效果显示,U型约束混凝土拱架为深部、软岩巷道提供了新型有效的支护形式,控制效果明显优于常规U型钢拱架。     

U型约束混凝土拱架力学性能及变形破坏机制试验

针对深井高应力巷道支护难题，基于常规U型钢拱架设计了一种U型约束混凝土(UCC)支护系统。为明确支护系统核心构件UCC拱架的力学性能及变形破坏机制，采用自主研发的地下工程约束混凝土拱架1∶1力学试验系统，并结合数值计算方法，开展了系统的试验研究。结果表明，均压加载条件下，室内试验UCC29拱架的屈服荷载为1 230 kN，极限荷载为1 310 kN，数值模拟与室内试验结果相差仅为8.86%和12.5%，拱架整体呈现“拱顶上升，拱腿内敛，整体变瘦高”的变形形态，最大变形部位在拱腿中部至起拱点位置。拱架变形破坏机制为局部强度破坏造成拱架整体失稳。现场应用效果显示，UCC拱架具有显著的围岩控制效果，为深井高应力巷道提供了一种新型支护形式。     

千米深井软岩巷道U型钢管混凝土拱架立体支护体系施工工艺

U型钢管混凝土拱架作为1种新型的巷道支护形式,具有承载力高、稳定性好的优点。基于U型钢管混凝土的施工特点,详细阐述了U型钢管混凝土拱架立体支护体系的设计内容、施工工艺原理及施工流程,研究了其关键施工过程及操作要点,并在赵楼煤矿成功应用,取得了良好的支护效果。     

方钢约束混凝土拱架力学性能及破坏机制

针对处于深部、高应力、构造破碎带等条件下的困难支护巷道,提出了方钢约束混凝土（SQCC）新型支护体系,并对其主要组成部分方钢约束混凝土拱架进行了深入研究。推导出任意节数直腿半圆形拱架的内力计算公式,结合工程实际计算出现场采用的4节拱架在均布荷载作用下的内力分布,得到内力最大的部位为拱腿上部和拱顶;通过SQCC构件强度分析对可能的关键部位进行校核,得到拱架均压作用下最先破坏的部位为拱腿上部以及拱架的极限承载力为1 315 kN。采用地下工程约束混凝土拱架1∶1大型试验系统对SQCC全尺寸拱架进行了力学加载试验,结合利用ABAQUS软件对SQCC拱架进行的数值试验,分析了极限承载力误差率δFe-Ft=-7.1%,δFe-Fn=-1.1%和关键破坏部位、内力以及应力应变等多个结果,从而对拱架力学性能和变形破坏机制进行了研究,同时也验证了理论计算和数值试验的正确性。     

钢管混凝土短柱作用机理与塑性极限承载力研究

钢管混凝土短柱承载力是研究井下钢管混凝土结构的基础问题,涉及新型沿空留巷巷旁支护和钢管混凝土圆弧拱承载力的估算、钢管混凝土支架在高低压等特殊情况下的应用。本文在总结分析现有钢管混凝土短柱承载力理论基础上,依据钢管混凝土弹性变形理论,推演出相同尺寸、不同钢管壁厚的钢管与核心混凝土相互作用机理及对应围压,进而根据极限平衡法推导出三种估算钢管混凝土短柱的极限承载力方法,并与实验结果进行了分析对比。结果表明,本文方法计算钢管混凝土塑性极限承载力与实验值吻合度较高,尤其在钢管壁较厚的情况下也有很好的适用性。     

地下工程约束混凝土支护理论与技术研究进展

随着我国地下工程的迅速发展,建设规模不断扩大,工程建设过程中面临大量高应力、极软岩、强采动和断层破碎带等复杂条件,导致围岩变形严重、控制困难,联合支护是复杂条件围岩有效控制的必然选择。工程实践表明,拱架作为联合支护的最后一道防线,其承载能力不足导致冒顶、塌方等事故频发。约束混凝土支护具有承载能力高、塑性韧性好、经济性能优等特点,近年来在矿山工程与隧道工程等领域得到了广泛应用。众多学者在室内试验、理论研究、设计方法、现场施工等方面进行了系统研究。在室内试验方面,进行了约束混凝土基本构件与拱架的力学性能试验研究,为约束混凝土拱架承载力计算理论与设计方法提供了依据。在理论研究方面,建立了拱架内力计算模型,形成了约束混凝土支护强度计算理论。在设计方法方面,进行了约束混凝土拱架整体选型设计、核心混凝土设计、灌注口与排气口设计、节点设计以及拱架间距与纵向连接设计研究。在现场施工方面,形成了矿山巷道复合施工与交通隧道机械施工两大类工法,研发了成套关键技术与装备。对上述研究内容进行了总结,同时对下一步约束混凝土体系设计、施工与验收规范制定以及在交通、水利、市政等不同工程领域的推广应用方面进行了展望。     

深部软岩巷道方钢约束混凝土拱架基本构件力学特性及参数影响机制研究

方钢约束混凝土支护体系以其强度高、施工方便的优点,在深部软岩巷道中的应用日益增多。节点作为拱架连接的关键构件,是进行支护结构合理设计的前提,对拱架内力分布及承载力发挥具有重要影响。但目前约束混凝土拱架节点设计大多基于工程类比,针对其力学特性的深入研究较少。本文以典型深部软岩矿井——巨野矿区万福煤矿为工程背景,对约束混凝土拱架常用的法兰节点及套管节点进行对比分析。开展方钢约束混凝土无节点构件、法兰节点构件及套管节点构件的纯弯室内试验和数值试验,对比各构件的变形过程及破坏形态;基于M-θ曲线,综合分析各参数对无节点构件、法兰节点及套管节点力学性能影响规律,提出依托工程方钢约束混凝土拱架节点设计建议。基于上述研究结果,进行方钢约束混凝土拱架的现场应用。试验结果表明,依托工程现场采用方钢约束混凝土支护体系,围岩变形得到很好控制。套管节点传力明确、承载力高,极大地缩短了施工难度,降低了经济成本,应作为方钢约束混凝土拱架优选的节点形式。     

不同侧压比荷载下U型约束混凝土拱架全尺寸试验研究

以直腿半圆形UCC拱架为对象,进行了不同侧压比荷载条件下的全尺寸拱架试验研究,从变形破坏形态、承载力、材料应变等方面进行对比分析,掌握了新型拱架的承载特性和屈服失稳机制。拱架受力初期处于线弹性变形阶段,拱架内力呈显著压弯状态,由于部分截面出现了强度破坏而导致拱架整体屈服,而后随持续加载拱架出现整体结构失稳,进而彻底丧失承载能力。UCC29试验拱架在λ=1.0加载条件下整体屈服承载力为1 230 k N,是相同尺寸U36拱架的1.56倍。拱架屈服承载力随侧压比λ(λ≥0.5)呈指数型降低趋势,且拱架变形形态及危险截面位置也受侧压比影响显著。对于直腿半圆形拱架而言,侧压比在一定范围内越小,拱架内力越接近轴压状态,拱架能够承担的荷载也越高。     

蜂窝U型钢格构式组合柱轴压力学性能分析

随着钢结构的广泛应用,运用钢材作为原料的结构或构件也备受关注。本文采用理论计算和有限元模拟分析,对蜂窝U型钢格构式组合柱在轴压作用下的力学性能进行研究,通过改变钢材厚度、开孔半径、钢材强度,分析组合柱在轴压作用下的极限承载力、荷载-位移曲线、破坏形态等。结果表明:钢柱的承载力随钢材厚度的增大而明显增强;U型钢圆孔大小对钢柱承载力的影响较大,孔径越小,极限承载力越大;试件的钢材强度与其承载力呈正比,与延性呈反比关系。     

外包H型钢混凝土轴压短柱的受力性能分析

提出了一种新型外包钢混凝土组合结构形式,即外包H型钢混凝土组合柱。通过对这种组合短柱在轴心压力作用下的全过程分析,分析了影响其极限承载力的因素,并与型钢混凝土轴压短柱进行了对比,得出了这种组合柱的一些优点。     

外包H型钢混凝土轴压短柱的受力性能分析

提出了一种新型外包钢混凝土组合结构形式，即外包H型钢混凝土组合柱。通过对这种组合短柱在轴心压力作用下的全过程分析，分析了影响其极限承载力的因素，并与型钢混凝土轴压短柱进行了对比，得出了这种组合柱的一些优点。     

巷道管棚钢格栅喷混凝土支护掘进方法的应用

巷道管棚钢格栅喷混凝土支护掘进方法是先沿巷道开挖断面安装导管,形成管棚假顸,在管棚假顶下采取短掘短砌,按1～2m间隔砌筑钢筋拱架,两钢筋拱架间又用栅状钢筋连接,钢格栅与开挖断面壁间空隙用毛石充填,最后喷混凝土固结钢筋拱架及栅状钢筋,形成管棚钢格栅喷混凝土支护.银厂坡矿斜坡道地质条件复杂,掘进难以成巷.经多方案比较,最终采用巷道管棚钢格栅喷混凝土支护方法.半年多实施情况表明,这种支护掘进方法解决了银厂坡矿斜坡道施工难题,对类似条件的巷道掘进有借鉴作用.     

纤维混凝土-U型钢支架巷道组合支护结构研究

以岱河某煤矿巷道为背景,提出利用聚丙烯纤维增强混凝土变形能力,与U型钢支架结合,并对一种新的巷道组合支护结构,进行纤维混凝土的性能进行对比试验研究,选出了优化的配合比。将试验得到的关键参数输入有限元模型,对用于巷道支护的U型钢支架进行了有无纤维混凝土约束的工况下对比分析。结果表明,相比于单独设置的U型钢支架,组合支护结构的承载力约提高3.1倍。此外,组合支护结构的极限荷载约为承载力的1.4倍,表明纤维混凝土的高变形能力明显提高了支护结构的安全度。现场监测表明,巷道围岩来压后组合支护结构的应变变化与数值分析结果一致,60 d后应变变化减缓,结构重新达到平衡。分析和监测结果表明这种组合支护结构可靠,支护效果显著。     

三软煤层沿空巷道破坏机制及锚注控制

针对龙口矿区梁家煤矿典型三软地层沿空巷道-4606材料巷围岩控制难题,通过现场监测和试验,分析原支护方案下围岩变形破坏机制。煤层结构复杂,围岩易膨胀、软化,围岩破坏范围大,拱架变形破坏严重,锚杆支护潜力无法有效发挥是巷道变形破坏的主要原因。以锚注支护为核心,实施了U型棚+注浆锚杆+注浆锚索和注浆锚杆+注浆锚索2种联合支护对比试验方案。结果表明：方案实施后,巷道围岩变形量均小于原支护方案37%以上,U型棚+注浆锚杆+注浆锚索联合支护方案中U型棚对围岩的控制作用不明显,注浆锚杆+注浆锚索联合支护完全可以取代传统的U型棚支护。     

王坡煤矿沿空巷道变形原因分析及对策

以位于沁水煤田的王坡煤矿为例,介绍典型沿空巷道矿压显现后,巷道继续掘进的支护补强方案,并提出了对严重变形巷道采用"初步维护—锚网支护—U型钢棚加强支护—注浆加固—二次维护—锚网支护—注浆锚索补强支护"的维护方法,为相邻矿井沿空巷道的支护设计提供了依据。     

方钢管混凝土拱架套管节点压弯试验研究

为掌握钢管混凝土拱架套管节点压弯力学特性,考虑核心混凝土强度等级、套管长度、套管壁厚、套管间隙4个影响因素,设计了正交试验方案。采用ABAQUS开展了数值试验,并通过室内试验进行了验证;分析了套管节点偏压作用下的运动及受力变形模式;得到了套管试件的Mu-Nu曲线,拟合了试件的压弯承载力表达式;对极限承载力的正交分析发现,核心混凝土强度、套管长度分别是影响试件轴压承载力和抗弯承载力的主要因素,其他因素的影响很小;套管节点的存在使试件的轴压承载力降低30%左右,也使试件的抗压弯综合能力降低,且套管越短,降低越明显。     

高应力软岩巷道格栅拱架混凝土与锚注结合围岩控制技术

针对某煤矿集中胶带机下山段(240 m)矿压显现强烈的特点,提出了符合某煤矿地质条件的"高强锚网索+底拱+格栅拱架混凝土联合支护"方案。结果表明:仅采用"锚杆+锚索"支护方式巷道变形量大,矿压显现强烈;采用联合支护方案后巷道支护好,能够有效控制软岩巷道中围岩稳定,技术经济效益良好。     

U29拱架支护大断面交叉点技术改进与实践

U29拱架支护巷道,在进行交叉点施工时,采用料石墙体支护配合U29穿梁施工是常用的支护方式,但在漳村煤矿二水平的实际应用中,由于矿井开采深度增加,矿压明显增加,在采用这种方式进行支护后,很多墙体出现了压裂、变形等情况,修复难度大,不能满足现有条件的支护要求。实践表明,通过进行技术改进,采用合理的支护方式可有效解决。     

软岩硐室U型钢支护结构稳定性分析及加固措施研究

根据张集矿第二副井主排水泵房的围岩物理性质,对其存在的软岩硐室进行U型钢支护设计。利用ANSYS有限元分析软件建立U型钢模型,对其进行稳定性分析,绘制其应力图、位移图和弯矩图。结果显示,其应力主要集中在拱脚和两帮处,最大位移发生在拱顶处,为372.783mm;最大弯矩位于巷道两帮,为162kN·m,弯矩分布沿两帮竖直方向向下呈线性增大。根据分析结果提出加固措施,即在U型钢凹槽上每隔500mm焊接补强板,同时在其凹槽内填充混凝土提高支护刚度,通过60d围岩收敛量监测,证明加固措施取得了良好的效果。     

堑沟底部结构复合支护技术

某金属矿山矿岩均破碎,采用堑沟底部结构出矿,阐述了喷射混凝土支护、管缝锚杆支护、水泥卷锚杆支护、U型钢拱架联合支护原理,并且根据矿山实际提出了3种复合支护技术：水泥卷锚杆喷锚网复合支护技术、水泥卷管缝锚杆复合支护技术和U型钢拱架喷锚网复合支护技术。堑沟底部结构复合支护技术,最大限度地发挥岩体的自承载作用;在装矿巷中采用素喷封闭+双筋拱喷锚网复合支护技术,使底部结构整体稳定性大大加强,为矿山安全稳定开采奠定了基础。