钢管混凝土支架的经济效益分析

U 型钢支架的破坏主要是从卡缆接头开始，因 此可以用卡缆接头的极限摩阻力计算支架的支护 反力。U29 型钢的螺母扭矩为 300～350N· m，对应 的 滑 动 阻 力 为 240 ～ 300kN ， 平 均 抗 滑 阻 力 为 270kN。-225 机道 U29 型钢支架每个接头使用 2 组 卡缆，所以支架各节之间的滑动阻力即支架的极限 荷载 P＝2× 270＝540（kN） 。
由以上计算可以看出，U 型钢支架与钢管混凝 土支架的支护能力相差较大，具体支护性能如表 3 所示。
表 3 U 型钢支架与钢管混凝土支架支护能力对比表 Table 3 Supporting ability contrast steel tube confined concrete supports and U shaped steel stents 支架类型 U29 型钢支架 钢管混凝土支架 支架间距（mm） 承载力（kN） 800 800 540 1459.98
1650
钢管混凝土 φ 159×8mm
4000
图 4 钢管混凝土支架设计图 Fig4 Concrete-filled steel tube stents designing 表 2 钢管混凝土支架支护材料成本 Table 2 the material cost of concrete-filled steel tube stents 名称 钢管支架 核心混凝土 附属部件 金属网 单价 5200 元/t 365 元/m 5200 元/t 51.8 元/片 230 元/m
Abstract: -225 mechanical transportation roadway of Nanshan coal Mine was affected by dynamic pressure of overlying face’s recovery, mine strata pressure behavior was obvious, and supporting was difficult. High strength steel tube confined concrete supports and U shaped steel stents was adopted. Through contrasting concrete-filled steel tube and U shaped steel stents supporting material cost and performance, show that concrete-filled steel tube used in dynamic pressure of support is not only a safe and reliable, but also has the obvious economic advantage. Keyword: concrete-filled steel tube supports; dynamic pressure roadway; economic efficiency 钢管混凝土支架是由空钢管弯制而成，内部充 填混凝土而成的组成构件，具有高强度的承载能力 和抗变形能力。在相同单位用钢量得情况下，钢管 混凝土支架的支护能力可以达到传统的 U 型钢可 缩性支架的 3 倍以上，而且制作简单、价格低廉。 在动压巷道支护中采用钢管混凝土支架是提高承 载力、降低成本的一种有效途径[1~3]。 动压巷道的基本特点在于，巷道在掘进过程 中，多数处于原始应力场中的静压状态，一旦受到 周围的采动影响，在各种集中压力作用下，改变原 始应力的再次或多次重新分布，巷道原有静压下稳 定平衡被打破，围岩发生显著变形位移和压力增 大，需要经过应力重新分布达到新的应力平衡，巷 道围岩才能重新稳定下来。如果巷道的支护不能适 应采动影响带来的应力变化，或者没有及时采取相 应的加固补救措施，则巷道会受到不同程度的破 坏，或断面变形，或围岩松动失稳，影响巷道的正 常安全使用[4~9]。 -225 机道恢复前使用锚索支护，但是顶部下顺 槽开凿后，锚索全部失效，巷道使用立木支撑，并 出现大面积顶板下落，巷道处于封闭状态。顶部 18 层煤切眼处距钢管混凝土支架支护约 270m，每个 原班采煤 1.8m，采面临近、经过及远离的期间-225 机道都会有严重的动压影响。 在动压的影响下，巷道要经历动压的应力状态 的多次变化，围岩的压力、变形、位移也随着动压 的变化发生多次相应变化，从平衡到不平衡，最后 又趋于平衡，而且变化剧烈，时间短暂，导致巷道 围岩压力显现很大，巷道变形严重，维护困难。
表 4 U 型钢支架与钢管混凝土支架支护成本对比表 Table4 cost comparison between U shaped steel stents and steel tube confined concrete supports 成本 时间 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年 钢管混凝土支架（元） 3463 3463 3463 3463 3463 U 型钢支架（元） 2326 3489 4562 5815 6978
3100
图 2 原支护破坏图片
2 U 型钢支架支护设计及材料成本
-225 机道采用两种断面，以大断面为例，断面 净宽 4000mm,净高 3100mm，断面形状为矩形，使 用 U29 型钢支架支护如图 3，支架壁后挂网喷混凝 土处理。支架间距 0.8m，支架间拉杆连接；金属网 尺寸 1000mm×1000mm， 网孔为 100mm×100mm； 喷层厚 100mm，喷层材料为普通硅酸盐水泥、碎石 粉，其体积配比为 1:3。按以上设计，每米巷道的 支护材料成本如表 1 所示。
6 两种支架支护经济效益对比分析
由于 U 型钢可缩性支架能提供的承载力有限， 仅为 540kN 左右，很难满足深动压巷道的支护需 要，返修频率高，返修周期不超过一年。返修周期 一年算，每次的返修成本至少是初次支护的 1/2， 即每次的返修费用为 1163 元， 巷道的使用周期按 5 年来计算，U 型钢与钢管混凝土支架的成本对比如 表 4 和图 7。
中图分类号：TP 028.8 文献标识码：A
Economic benefit analysis of concrete-filled steel tube supports
MENG Qing-jian1 WANG Jun2 HE Xiao-sheng2 ZHANG Xi-zhong2 (1. Hegang branch of Heilongjiang province Dragon coal group, Heilongjiang province;2. China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing,100083)
钢管混凝土支架的经济效益分析
孟庆江 1，王军 2，何晓升 2，张西忠 2 ( 1.黑龙江龙煤矿业集团公司鹤岗分公司，黑龙江；2.中国矿业大学（北京） ，北京，100083)
摘 要：鹤岗南山矿-225 机道受到上覆工作面回采动压的影响，矿压显现明显，支护困难。采用钢管混凝 土支架和 U 型钢支架分别进行巷道支护。通过钢管混凝土支架和 U 型钢支架支护材料成本和支护性能的 对比，表明钢管混凝土支架应用于动压巷道支护不仅具有安全可靠，而且具有明显的经济效益优势。 关键字: 钢管混凝土支架；动压巷道；经济效益
Nu N 1622.2 0 . 9 0
145 k9 N .98
图 6 钢管混凝土支护段正在运煤的皮带道 Fig6 Belt way conveying coal in roadway supported by steel tube confined concrete supports
5 钢管混凝土支架的支护性能计算
支架所用钢管为Φ 159×8，外径 R1=159mm， 内径 R2=143mm，则：
1 1 ； As R12 R22 3793.12mm 2 4 4 1 2 Ac R2 16052mm2 ； 4
套箍系数：
3 钢管混凝土支架支护设计及材料成本
1 动压巷道-225 机道工程概述
-225 机道位于南山矿盆底北翼区 18 层一分段 下顺槽正下方，采煤工作面与-225 机道顶板距离较 近，钢管混凝土支架支护段的与工作面底板的相对 距离为 3.5m～4.8m，煤仓位于支护段中间。
图 1 原支护破坏图片 Fig.1 The original supporting damage
总结以上数据可知：钢管混凝土支架的在巷道 大断面支护情况下的支护反力是 U 型钢支架的 2.7 倍，性价比是 U 型钢支架支护的 5.6 倍。5 年内使
用钢管混凝土支架支护可以比 U 型钢支架每米节 省 0.35 万元，30m 巷道共可以为鹤岗南山矿节省 10.5 万元的支护费用。若在小断面支护情况下 5 年 内使用钢管混凝土支架支护可以比 U 型钢支架每 米节省 0.25 万元，120m 巷道共可以为鹤岗南山矿 节省 40 万元的支护费用，合计节省支护费用 50.5 万元，因此采用钢管混凝土支架支护具有很好的经 济效益。
3 3
用量 /架 0.344t 0.228m 0.075t 3片 0.95m
3 3
材料费用 元/m 2236 104 492 155.4 218.5
每米成本 元/m
3205.9
3100
U29型钢支架
混凝土喷层
4
U 型钢支架的支护性能计算
4000
图 3 U 型钢支架设计图 Fig3 U shaped steel bracket designing 表 1 U 型钢支架支护的材料成本 Table 1 The material cost of U shaped steel stents 名称 29U 支架 附属件 金属网 混凝土喷 层 单价 4700 元/t 5000 元/t 51.8 元/片 230 元/m3 用量 /架 0.303t 0.0385t 3片 0.859m3 材料费用 元/m 1780.5 192.5 155.4 197.6 2326 每米成本 元/m
成本/元
U型钢支架成本
4000 2000 0 1 钢管混凝土支架成本 2 3 时间/第n年 4 5
图 5 钢管混凝土支架支护段的巷道 Fig5 Roadway supported by steel tube confined concrete supports
图 7 动压巷道大断支护成本对比图
Fig.7 Support cost comparison in dynamic pressure roadway large sections
钢管混凝土支架采用Φ 159×8 无缝钢管， 单位

As f s 2.66 1.25 Ac f c
根据蔡绍怀理论[10]，将以上值代入下式，
N0 Ac fc 1


计算得钢管混凝土短柱的极限承载能力：
N0 1622.2kN
考虑长细比及偏心率影响的承载力折减系数 后，则支架的承载力为
WANG Bo. Analysis on the Laws of Tunnel Deformation in Soft Rock and the Supporting Technology of Concrete-filled Steel Tube Support [Ph. D. Thesis][D]. Beijing：China University of Mining and Technology， 200.(in Chinese). [3] 高延法，王波，曲广龙等. 钢管混凝土支架力学性能实 验及其在巷道支护中的应用[J]. 第八届海峡两岸隧道与 地 下 工 程 学 术 与 技 术 研 讨 会 .2009.11:C15-1~C15-10. GAO Yanfa ， WANG Bo ， QU Guanglong ， et al ， Experimental Mechanical Properties of Steel Tube Confined Concrete and Application in the Roadway. Eighth Strait Tunnel and Underground Engineering of academic and technical seminars. 2009.11:C15-1~C15-10. [4] 陈炎光, 陆士良. 中国煤矿巷道围岩控制[M]. 徐州：中 国矿业大学出版社,1994. CHEN Yanguang，LU Shiliang. Control of surrounding rock of coal roadways in China[M]. Xuzhou ： China University of Mining and Technology Press，1994.(in Chinese) [5] 王连国, 缪协兴,董建涛. 动压巷道锚注支护数值模拟研 究[J], 采矿与安全工程学报 ,2006,23(1):39—42. WANG Lian-guo; MIAO Xie-xing; DONG Jian-tao. Numerical Simulation of Bolt-Grouting Support in Soft Roadway Affected by Mining[J]. Journal of Mining & Safety Engineering，2006，23(1)：39–42(in Chinese) [6] 何满潮, 杨 军, 杨生彬, 等. 济宁二矿深部回采巷道锚 网索耦合支护技术[J]. 煤炭科学技术，2007，35(3)：23 –26. HE Manchao，YANG Jun，YANG Shengbin，et al. Coupling support technology with bolt/steel mesh/anchor for deep mining gateway in Jining Mine Coal No.2[J]. Coal Science and Technology，2007，35(3)：23–26.(in Chinese) [7] 刘文朝.采动影响下破碎围岩巷道注浆加固支护技术[J], 煤 炭 科 学 技 术 ,2009.37(6):17~20. LIU Wen-chao. Grouting Reinforced Support Technology for Gateway with Broken Surrounding Rocks Under the Mining Activity Influences[J] ，Coal Science and Technology， 2009，37(6)：17–20.(in Chinese) [8] 颜立新,赵军.多次动压影响巷道支护技术及护巷煤柱留 设[J], 煤矿开采,2009.14(1):60—63. YAN Li-xin; ZHAO Jun. Roadway Supporting Technology Influenced by Mining and Protective Pillar Design[J]. Coal Mining Technology,2009，14(1)：60–63.(in Chinese) [9]武景云,李学彬,马鹏鹏等. 高支承压力区沿空留巷围岩稳 定性数值分析[J] 煤炭科学技术 ,2010,38(6):23~26. WU Jing-yun LI Xue-bin MA Peng-peng etal. .Numerical Analysis on Surrounding Rock Stability for Gateway
根据鹤岗南山矿 -255 机道支护现场收集的资 料可见，钢管混凝土支架安装 3 个月后，巷道变形 逐渐趋于稳定，钢管混凝土支架没有明显变形。选 取其中五个巷道断面做变形观测，观测结果表明： 两帮收敛位移小于 20mm ，顶底板相对位移小于 20mm，具体效果如图 5 和图 6 所示。
8000 6000
重量 27.57kg/m。 接头套管Φ 168×10mm 无缝钢管， 单位重量 31.68kg/m。支架间距 800mm，锚喷支护 与 U 型钢支架支护状态下相同。支架断面见图 4。 钢管混凝土支架支护每米巷道的材料成本如下表 2。
264 ⌒1
1100
⌒1
Fra Baidu bibliotek
264
接头套管 φ 194×12mm
Fig2 The original supporting damage