矿用陶粒混凝土支架设计分析.pdf

第 卷 第 期 年 月昆明冶金高等专科学校学报 收稿日期：基金项目：昆明冶金高等专科学校科研基金项目：深部损伤岩体卸荷数值模拟研究（）；云南省教育厅科学研究基金项目：损伤岩体卸荷裂隙扩展规律多尺度分形分析研究（）。作者简介：刘聪（），男，河北秦皇岛人，副教授，工学硕士，主要从事采矿工程研究。：矿用陶粒混凝土支架设计分析刘聪，邱阳，郭宇丰，王联旭，谭慧（昆明冶金高等专科学校 冶金与矿业学院；建筑工程学院；学生处，云南 昆明 ）摘要：陶粒混凝土作为一种新型材料在土木工程中得到了广泛的应用。设计出梯形棚式钢管陶粒混凝土支架，通过受力分析确定了合理的钢管陶粒混凝土支架截面尺寸。在凤鸣煤矿回风巷中试用近 ，钢管陶粒混凝土支架适合于受动压影响小的巷道，支架重量轻，支护强度大，使用安全，经济效益合理，有一定的推广价值。关键词：陶粒混凝土支架；截面尺寸；经济效益中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（；，）：，：；概述近年来，陶粒作为一种新型材料得到迅速发展与应用。其外壳呈陶质或者釉质，内部结构呈细密蜂窝状微孔，赋予陶粒质轻的特性，是一种优质的人工轻骨料 。陶粒混凝土具有轻质、保温隔热、耐火耐高温以及抗震性、抗渗性良好等优点。李云鹏等 通过现场工业性试验，证实了粉煤灰陶粒混凝土井下巷道支护的可行性。邱阳 着重对陶粒混凝土进行配合比设计计算，并采用正交实验的方法进行强度实验。诸雪青 系统研究了 的物理密度、工作性（可泵送性）、力学性能、耐久性能以及用作自密实 的可行性，并优化了配合比。目前由于钢材价格高和耐腐蚀性差等原因，实力薄弱的中小矿山企业还没有能力承受钢筋混凝土支架，而锚喷支护由于受到围岩条件的限制及造价偏高的原因，尚不能完全解决煤矿支护问题。而钢管陶粒混凝土是由钢管混凝土以及陶粒两种材料复合而成的一种新型材料，具有以上两种材料的优点，是一种能满足矿山支护要求的优良材料，对其研究具有举足轻重的意义 。早在 世纪 年代，矿山就用普通钢筋混凝土材料制作巷道支架，至今在一些矿山巷道中仍然可以看到。但矿山现在已经很少使用钢筋混凝土支架。原因主要是普通钢筋混凝土支架梁、柱构件重达 以上，架设非常困难，容易造成施工事故，逐渐被其他支护形式所替代。作者在查阅大量文献资料的基础上，设计出钢管陶粒混凝土支架，确定了支架形式，建立内力计算的力学模型分析其受力，探讨了支架梁、柱强度和构件尺寸匹配问题，并现场制作钢管陶粒混凝土支架。经济评价发现，矿用陶粒混凝土支架经济效果好，部分解决了支架自重大施工困难的问题，比较适合于受动压影响小比较稳定的巷道，预测使用年限达 以上，使用 以上可以取得较好的经济效益，有一定的推广价值。钢管陶粒混凝土支架设计 支架形式分析目前矿山常用的巷道支护类型按支架力学特点可分为刚性支架和柔性支架两大类，刚性支架主要有木棚式支架、型钢棚式支架、石料砌碹和混凝土翻拱等类型；柔性支架主要有型钢可缩拱形或棚式支架、金属摩擦支架、单体液压支架和锚杆支护等。刚性支架具有承载力大、结构简单、施工方便、成本较低的优点，但在支撑过程中可缩性小，受力不合理，容易受损，较适合支护时间长的巷道。柔性支架具有一定的可缩性，支架受力合理，是现代较理想的支架类型，但也有支架结构复杂，成本高等缺点，较适合受采动影响大的巷道。梯形棚式支架结构简单，制作方便，施工容易，对开掘巷道的毛断面没有特殊要求，因此本次钢管陶粒混凝土支架确定为梯形棚式支架。图 钢管陶粒混凝土支架结构示意 受力分析一般巷道支柱设计承载力为 ，本设计（图）钢管陶粒混凝土单体支柱轴心压力确定为 ；假定梁长为 ，梁受到的均布荷载为 。粗骨料选用 级陶粒，细骨料用普通中砂，水泥用 号普通水泥，自来水，外加剂选用 型（主要成分为 萘磺酸甲醛高缩合物）高效减水剂。陶粒混凝土设计配合比为：，试块强度平均达到 。考虑到支架的经济性和控制自重，钢管柱选用建筑常用的 ，焊接管，钢管外径 ，壁厚 ，理论重量 。钢管梁选用建筑常用的 ，焊接管，矩形钢管，壁厚 ，理论重量 。承载力分析 钢管陶粒混凝土柱的承载力核算）根据 钢 混凝土组合结构设计规程规定，圆钢管混凝土轴心受压构件的承载力计算 公式如下：（）式（）中：为轴心受压构件的稳定系数第 期刘聪，邱阳，郭宇丰，等：矿用陶粒混凝土支架设计分析 （）（）（）（）其中：是构件长细比，对于圆钢管混凝土 ，、为计算系数；为弹塑性失稳的界限长细比；为弹性失稳的界限长细比；、数值与含钢率和钢材牌号有关，可以通过计算和查表确定。一般情况下选用支架钢材为 ，含钢率 ，在 之间，若混凝土强度等级为 ，则 为 或 ；值为 。一般在 之间；因此 按式（）计算：（）式（）中：；（）；（）；（）（以 计）；（）以本次试验的钢管陶粒混凝土支架为例，圆钢管陶粒混凝土柱的稳定系数如表 所示。表 圆钢管陶粒混凝土柱的稳定系数 （）实验钢管陶粒混凝土支架柱的轴向承载力设计值为：（）（）实验钢管陶粒混凝土支架柱破坏承载力计算表 圆钢管陶粒混凝土柱的轴压强度计算系数 陶粒混凝土强度 取 ；钢管强度 取 ，钢管陶粒混凝土轴向强度设计值为 （）（）；钢管陶粒混凝土支架柱的轴心破坏承载力为 。如表 所示。钢管陶粒混凝土梁的承载力核算根据 战时军港抢修早强型钢混凝土组合结构技术规范（）中方钢管混凝土受弯构件，设计公式如下：（）式（）中：为计算构件段范围内的最大弯矩；为构件截面抗弯塑性发展系数，由 ；为构件截面抵抗矩；为轴压屈服局限，（）；为计算系数；（）；为计算系数；（）。计算实验钢管陶粒混凝土支架梁承载力中，已知钢管梁建筑常用的 ，焊接管，矩形钢管，壁厚 ，理论重量 。计算承载力 （）。按均布荷载计算 （），折算为集中荷载 （）；传给柱的轴向压力为 （）。破坏弯矩计算 （）。如表 所示。表 方钢管混凝土受弯构件计算系数 （）昆明冶金高等专科学校学报 年 月 钢管陶粒混凝土支架梁、柱承载力匹配问题由上述钢管陶粒混凝土梁承载力计算可知，梁传给柱的轴向压力仅为 ，小于柱的承载力 。说明梁、柱承载力不匹配。考虑到侧向压力的有利影响，及梁自重等因素，合适的梁截面按 （）、钢管壁厚为 梁的承载力计算。再次计算承载力 （）；按均布荷载计算 （），折算为集中荷载 （）；传给柱的轴向压力为 （）。梁的理论重量包含了钢管和混凝土两部分，钢管重量 ，混凝土重量 。钢管陶粒混凝土支架梁重量约为 ，在允许范围内。如表 所示。表 方钢管混凝土受弯构件计算系数 （）破坏弯矩 为 （），按均布荷载计算 （），折算为集中荷载 （），传给柱的轴向压力为：（）（）?（）较为匹配。通过理论计算分析，合理的钢管陶粒混凝土支架截面尺寸为：柱外径 ，；梁 。柱的轴向压力设计值为 ，极限轴向压力为 ；梁的弯矩承载力设计值为 ，极限弯矩承载力为 。钢管陶粒混凝土支架现场制作根据上述设计分析制作了棚式钢管陶粒混凝土支架。支架梁长；柱长，圆形支架柱：管壁厚 ，钢管直径外 ，重量 ；方形支架梁：管壁厚 ，重量 。陶粒混凝土水泥：普通水泥；陶粒：级；砂：山砂（中级）；粉煤灰：阳宗海电厂 级，参量水泥用量 ；减水剂：型，掺量水泥用量 效果较好；配合比（固定）：。柱脚封板 、（），柱头槽钢封板 、。工艺流程：材料准备钢管加工材料称量混凝土拌制灌装钢管养护支架梁、柱填充及封口。支架养护时间为 ，养护方式为自然养护。图 支架制作施工现场 经济评价目前，矿用的巷道棚式支架形式按材料主要分为木支架和型钢支架。本文研究的棚式支架类型有预应力陶粒砼支架和钢管陶粒混凝土支架，各类支架的成本对比分析表及制作安装定性分析见表 和表。第 期刘聪，邱阳，郭宇丰，等：矿用陶粒混凝土支架设计分析若以 年作为各支架使用年限分析周期进行经济分析：木支架 元；钢支架 元；钢管陶粒砼支架 元；预应力陶粒砼支架 元。由此可知，钢管陶粒砼支架和预应力砼支架在经济方面具有一定的优势。表 各类型支架成本对比分析 支架类型材料及费用人工费 元材料消耗单价金额 元加工架设机械费 元小计 元重量 木支架 元 钢支架 元 钢管陶粒砼支架 预应力陶粒砼支架 成本比值关系：木支架 钢支架 钢管砼支架 表 各类型支架制作安装定性分析 支架类型材料来源支架制作支架安装保养维护使用年限重复使用木支架困难简单容易无小于 年不能钢支架容易中一般需要较长可以钢管砼支架容易复杂困难需要大于 年不能预应力砼支架容易最复杂最困难无较长不能 结语本文以陶粒混凝土替代普通混凝土部分解决了支架自重大施工困难的问题，设计出钢管陶粒混凝土支架，并建立内力计算的力学模型分析其受力。在凤鸣煤矿现场制作在回风巷中试用近 ，证明该类支架自重比普通实心钢筋混凝土支架轻 以上（用陶粒取代粗骨料减少 以上，用高强度陶粒混凝土及支架截面设计空心可减少 左右），施工容易，架设方便。钢管陶粒混凝土支架比较适合于受动压影响小比较稳定的巷道，支护强度大，使用安全，预测使用年限达 以上，经济评价中使用该钢管陶粒混凝土支架达 以上可以取得较好的经济效益，有一定的推广价值。参考文献：李辛庚，闫风洁，岳雪涛，等陶粒混凝土的研究进展 硅酸盐通报，（）：，李云鹏，苏怀瑞，赵善坤，等粉煤灰陶粒混凝土煤矿井下支护试验研究 煤炭工程，（）：邱阳，时思，杨建中，等 矿用钢管陶粒混凝土支架研制 陶粒混凝土强度试验研究 昆明冶金高等专科学校学报，（）：诸雪青粉煤灰陶粒混凝土配合比优化设计及综合应用性能 青岛：青岛理工大学，袁强松矩形钢管微膨胀轻骨料混凝土短柱基本力学性能研究 武汉：武汉科技大学，王宇航，赵玉婷，周绪红，等 圆钢管约束陶粒混凝土短柱的单轴受压试验研究及承载力计算 工业建筑，（）：昆明冶金高等专科学校学报 年 月