直墙半圆拱形钢管混凝土支架力学性能实验及应用

０ 引言
随着采深的增加和开采条件的日益复杂， 锚杆锚
收稿日期： ２ ０ １ ３－ ０ ９－ １ ２ ；修回日期： ２ ０ １ ３－ １ １－ １ ９
索已难以解决深井软岩巷道支护， Ｕ型钢等可缩性支 架在支护实践中也经常出现支护不稳定等问题， 主要
基金项目：国家自然科学基金重点项目（ ５ １ １ ３ ４ ０ ２ ５ ） ；高等学校博士学科点专项科研基金（ ２ ０ １ ０ ０ ０ ２ ３ １ １ ０ ０ ０ ９ ） ；中央高校基本科研业务费专项资金项 ２ ０ １ ０ Ｙ Ｌ ０ ３ ） ；中国矿业大学（ 北京） 博士研究生拔尖创新人才培育基金资助（ ０ ０ ８ ０ ０ ０ １ ５ ｚ ６ ４ ３ ） 目（ 作者简介：高延法（ １ ９ ６ ２ —） ， 男， 山东泰安人， １ ９ ９ １年毕业于武汉水利水电学院岩土工程专业， 教授， 博士生导师， 主要从事岩石力学和巷道支护研究 工作。
１ １ ２ １ ３ ４ Ｇ Ａ ＯＹ ａ ｎ ｆ ａ ，ＷＡ Ｎ ＧＪ ｕ ｎ ，Ｈ Ｕ Ａ Ｎ ＧＷａ ｎ ｐ ｅ ｎ ｇ ，Ｃ Ｈ Ｅ ＮＢ ｉ ｎ ｇ ｈ ｕ ｉ ，ＷＡ Ｎ ＧＬ ｉ ａ ｎ ｇ ，ＷＡ Ｎ ＧＣ ｈ ａ ｏ
（ １ ．Ｃ ｈ ｉ ｎ ａＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙｏ ｆ Ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ＆Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ１ ０ ０ ０ ８ ３ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ．Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｑ ｉ ｎ ｇ ｄ ａ ｏ ２ ６ ６ ５ １ ０ ，Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ３ ．Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇＨ ｕ ａ ｙ ｕＥ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇＣ ｏ ． ，Ｌ ｔ ｄ ． ，Ｓ ｉ ｎ ｏ Ｃ ｏ ａ ｌ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇＧ ｒ ｏ ｕ ｐ ，Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ１ ０ ０ １ ２ ０ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ４ ．Ｇ ｅ ｏ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇＤ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍ ｅ ｎ ｔ （ Ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ ）Ｃ ｏ ． ，Ｌ ｔ ｄ ． ，Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ１ ０ ０ １ ０ ２ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｙｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔｉ ｓｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄｔ ｏｃ ｏ ｍ ｐ ａ ｒ ｅｔ ｈ ｅｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅｏ ｆｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｇ ｈ ｔ ｗ ａ ｌ ｌｓ ｅ ｍ ｉ ｃ ｉ ｒ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｆ ｉ ｌ ｌ ｅ ｄｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｔ ｕ ｂ ｅ ｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｄｔ ｈ ａ ｔ ｏ ｆ Ｕ ｓ ｈ ａ ｐ ｅ ｄｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ，ｓ ｏ ａ ｓ ｔ ｏ ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ，ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ａ ｄｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ｙ ， ｆ ｏ ｒ ｒ ｏ ａ ｄ ｗ ａ ｙ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｇ ｈ ｔ ｗ ａ ｌ ｌ ｓ ｅ ｍ ｉ ｃ ｉ ｒ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ．Ｉ ｎｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎｏ ｆ ｔ ｈ ｅｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｆ ｉ ｌ ｌ ｅ ｄｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｔ ｕ ｂ ｅｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｒ ｅｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｄａ ｎ ｄａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ，ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ａ ｓ ｔ ｅ ｄｂ ｅ ｎ ｄｏ ｎｔ ｈ ｅａ ｎ ｔ ｉ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｗｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｔ ｕ ｂ ｅ ｓ ，ａ ｓ ｗ ｅ ｌ ｌ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍ ｉ ｘ ｉ ｎ ｇ ｒ ａ ｔ ｉ ｏｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｃ ６ ０ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ，ａ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｈ ｏ ｗ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｆ ｉ ｌ ｌ ｅ ｄｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｔ ｕ ｂ ｅ ｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ｈ ａ ｓ ｏ ｕ ｔ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｌ ｏ ａ ｄ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ．Ｇ ｕ ｉ ｄ ｅ ｄｂ ｙｔ ｈ ｅｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ，ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｇ ｈ ｔ ｗ ａ ｌ ｌｓ ｅ ｍ ｉ ｃ ｉ ｒ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｆ ｉ ｌ ｌ ｅ ｄｓ ｔ ｅ ｅ ｌｔ ｕ ｂ ｅ ｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄａ ｎ ｄａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ１ １ ０ ０ｈ ｏ ｒ ｉ ｚ ｏ ｎ ｔ ａ ｌ ｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅｒ ｏ ａ ｄ ｗ ａ ｙｏ ｆ Ｈ ｕ ａ ｆ ｅ ｎ ｇｃ ｏ ａ ｌ ｍ ｉ ｎ ｅａ ｎ ｄｔ ｈ ｅ４ ５ ０ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｎ ｅ ｗｅ ａ ｓ ｔ ｗ ｉ ｎ ｇｈ ｉ ｇ ｈｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｒ ｏ ａ ｄ ｗ ａ ｙｏ ｆ Ｄ ａ ｓ ｈ ｕ ｃ ｕ ｎｃ ｏ ａ ｌ ｍ ｉ ｎ ｅ ．Ｔ ｈ ｅｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ｅｓ ｈ ｏ ｗ ｓｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｆ ｉ ｌ ｌ ｅ ｄｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｔ ｕ ｂ ｅ ｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ｈ ａ ｓ ｇ ｏ ｏ ｄｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ｉ ｎ ｇｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ａ ｎ ｄｉ ｓ ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｉ ｏ ｒ ｔ ｏｔ ｈ ｅＵ ｓ ｈ ａ ｐ ｅ ｄｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈｔ ｈ ｅｓ ａ ｍ ｅｐ ｒ ｏ ｆ ｉ ｌ ｅ ．Ｉ ｔ ｉ ｓ ａ ｌ ｓ ｏｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅｆ ｏ ｏ ｔ ｃ ｏ ｒ ｎ ｅ ｒ ｓｏ ｆ ｔ ｈ ｅｃ ｌ ｏ ｓ ｅ ｄｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｇ ｈ ｔ ｗ ａ ｌ ｌ ｓ ｅ ｍ ｉ ｃ ｉ ｒ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｒ ｅｗ ｅ ａ ｋｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓａ ｎ ｄｎ ｅ ｅ ｄｔ ｏｂ ｅｉ ｍ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｄ ． Ｋ ｅ ｙｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ：ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｆ ｉ ｌ ｌ ｅ ｄｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｔ ｕ ｂ ｅｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ；ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｇ ｈ ｔ ｗ ａ ｌ ｌ ｓ ｅ ｍ ｉ ｃ ｉ ｒ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ；ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｙｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ；ｒ ｏ ａ ｄ ｗ ａ ｙｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ
。钢管混凝土支架作为一种新的支护架
型， 是将空钢管热煨成巷道断面形状， 焊接各种附属 件， 在井下安装并灌注混凝土而成， 具有支护能力强且 施工安装简单等优点， 目前被越来越多地应用于深井 软岩 巷 道 中， 已解决了全国 ２ ０多 个 煤 矿 支 护 难 题
［ ４ － ８ ］
。
许多学者 对 于 钢 管 混 凝 土 支 架 的 承 载 力 计 算、 力学性能实 验、 结构设计与现场应用等问题做了较
Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｎＭｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｙｏ ｆ Ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｇ ｈ ｔ ｗ ａ ｌ ｌ Ｓ ｅ ｍｉ ｃ ｉ ｒ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｆ ｉ ｌ ｌ ｅ ｄＳ ｔ ｅ ｅ ｌ Ｔ ｕ ｂ ｅＳ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｄｉ ｔ ｓ Ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
９－ １ １ ］ 为深入的研究 ［ ， 并得到了一 些 重 要 成 果。直 墙
半圆拱形断 面 具 有 诸 多 优 点， 是巷道支护中最常用 的断面形状， 但钢管混凝土支架目前的实验研究多
１ ２－ １ ３ ］ 集中于圆形断面 ［ ， 而对于常用的直墙半圆拱形
支架结构缺 乏 实 验 研 究； 对于直墙半圆拱形钢管混 凝土支架与同断面 Ｕ型钢支架承载力差别无实验数 据， 同时对于 无 缝 钢 管 热 煨 后 的 材 料 力 学 性 能 变 化 实验研究较少。 本文设 计 了 直 墙 半 圆 拱 形 钢 管 混 凝 土 支 架 与 Ｕ ２ ９型钢支架力学性能对比实验。对钢管混凝土支 ２ ９型 架做了承载力分析、 位移分析与应变分析， 对Ｕ 钢支架做了承载力分析。同时对热煨后的钢管原材 料做了抗拉 实 验 分 析， 对钢管核心混凝土做了抗压 强度实验分析。 在实验结果指导下对华丰矿 － １ １ ０ ０水平大巷动 压巷道和大淑村矿 － ４ ５ ０水平新东翼皮带巷高应力巷 道做了直墙半圆拱形钢管混凝土支架支护设计并进行 应用， 实践表明钢管混凝土支架适合动压或高应力集 中巷道支护， 支护效果明显优于 Ｕ型钢支架支护。
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第 １期 高延法，等： 直墙半圆拱形钢管混凝土支架力学性能实验及应用
７
原因是地压增大导致围岩自承载力下降， 锚杆锚索主 动支护力不足， Ｕ型钢支架支护反力有限， 难以抵抗围 岩压力
［ １ － ３ ］
在钢管混凝土支架 力， 在支架上下设 ２块弧形承压板， 侧帮段设 ４对水平拉杆， 如图 ２所示。承压板选用大 型槽钢热煨弯曲成弧形， 拉杆选用 ８根 ５ ８ｍ ｍ的 Ｑ ２ ３ ５圆钢； 同时， 为防止支架在加压过程中可能向两 侧倾斜， 在实验台两侧加上 ２根槽钢进行加固。 在支架顶部集中加载， 加载力作用于顶部承压板， 以期钢管混凝土支架通过承压板均匀受力。
直墙半圆拱形钢管混凝土支架力学性能实验及应用
高延法１，王 军１，黄万朋２，陈冰慧１，王 亮３，王 超４
（ １ ． 中国矿业大学，北京 １ ０ ０ ０ ８ ３ ； ２ ． 山东科技大学，山东 青岛 ２ ６ ６ ５ １ ０ ； ３ ． 中煤国际工程集团 北京华宇工程有限公司，北京 １ ０ ０ １ ２ ０ ； ４ ． 大地工程开发（ 集团） 有限公司，北京 １ ０ ０ １ ０ ２ ）
摘要：为研究直墙半圆拱形断面巷道面临的支护难题， 设计了直墙半圆拱形钢管混凝土支架与 Ｕ型钢支架力学性能对比实验； 实 ６ ０混凝土配 验全面测试并分析了钢管混凝土支架的承载力、 位移与应变， 同时分析了热煨弯曲对钢管原材料抗拉性能的影响及 Ｃ 合比合理性； 实验证明钢管混凝土支架具有突出的承载优势。在实验指导下， 对华丰矿 － １ １ ０ ０水平大巷动压巷道和大淑村矿 － ４ ５ ０ 水平新东翼皮带巷高应力集中巷道做了直墙半圆拱形钢管混凝土支架支护设计并应用， 实践证明钢管混凝土支架支护效果明显， 同时也发现直墙半圆拱形封闭支架的底角为薄弱点， 并进行了改进与结构强化。 优于同断面 Ｕ型钢支架， 关键词：钢管混凝土支架；直墙半圆拱断面；力学性能实验；巷道支护 Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ７ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ２－ ７ ４ １ Ｘ ． ２ ０ １ ４ ． ０ １ ． ０ ０ ２ 中图分类号：Ｕ４ ５ 文献标志码：Ａ 文章编号： １ ６ ７ ２－ ７ ４ １ Ｘ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １－ ０ ０ ０ ６－ ０ ７