一种用于矿井巷道钢筋砼支柱的制作方法.pdf

一种用于矿井巷道钢筋砼支柱的制作方法是将所用钢筋砼支柱设计加工成不同规格标准的若干预制件，包括底座、过渡段、主承载段和主承载接顶段，其中主承载段由若干节组成，相邻两节标准预制件之间通过埋设其中的钢质子母套管相插结。本发明克服了矿井巷道现场浇注支柱在养护阶段被压垮以及地面整体浇注成的支柱重量大难于搬运支设等不足，在确保支柱具有足够承载强度的基础上，综合考虑支柱对巷道高度、围岩压力及围岩强度的适应性，化整为零，分节预制，使其具有强度高、便于装卸、运输与支设等优点。

权利要求书
1.  一种用于矿井巷道钢筋砼支柱的制作方法，其所述制作方法是按下列步骤进行的：
（一）根据巷道设计净断面高度X，确定出用于矿井巷道钢筋砼支柱的总装高度Y，使支柱的总装高度Y等于巷道设计净断面高度X；
（二）所述总装高度Y是由一支柱底座[1]、一支柱过渡段[2]、若干节支柱主承载段[3]和一支柱主承载接顶段[4]构成；
（三）根据普氏冒落拱理论计算出每棵支柱需承受的顶板载荷：

式中：L为巷道跨度，单位m；M为巷道高度，单位m；φ为顶板岩层内摩擦角，单位度； f为巷道顶板岩层的坚固性系数；b为在巷道中布置时相邻两柱中心距，单位m，一般小于4m；γ为顶板岩层的容重，单位kN/m3；λ为支柱强度设计安全系数，一般取3～4；
（四）选定钢筋砼支柱加工所需混凝土标号和钢筋配比参数，根据上述步骤（三）所得钢筋砼支柱承受载荷，由钢筋砼支柱强度验算公式反算钢筋砼支柱的支柱主承载段[3]及支柱主承载接顶段[4]的支柱横截面核心区直径dcor；

式中：N为支柱承受荷载，单位N；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，N/mm2；dcor为支柱横截面核心区直径，单位mm； 纵筋抗压强度设计值，单位N/mm2；fy纵筋抗拉强度设计值，单位N/mm2；为纵筋总面积，单位mm2；为箍筋横截面面积，单位mm2；S为箍筋间距，单位mm；
（五）由上述步骤（四）所得支柱主承载段[3]及支柱主承载接顶段[4]的支柱核心区直径dcor，计算出支柱主承载段[3]及支柱主承载接顶段[4]的支柱直径D：

式中：a为支柱保护外皮厚度，一般取25mm～30mm；
（六）根据巷道底板岩层比压与上述步骤（三）中所得钢筋砼支柱承受载荷计算出支柱底座[1]的直径dC：

式中：dC为支柱底座直径，单位mm2；Q为支柱载荷，单位N；qc为巷道底板比压，单位MPa；
（七）当上述步骤（六）计算所得支柱底座[1]横截面直径与上述步骤（五）计算所得支柱主承载段[3]横截面直径差值不小于200mm时，在支柱底座[1]与支柱主承载段[3]之间设置支柱过渡段[2]，支柱过渡段[2]的支柱直径dG：
 ；
（八）钢筋砼支柱制作时，在支柱底座[1]、支柱过渡段[2]和支柱主承载段[3]上截面中心位置埋设长为55mm的钢管作为母管[5]，在过渡段[2]、主承载段[3]和主承载接顶段[4]下截面中心位置埋设一长度为150mm的钢管作为子管[6]，子套管外露长度50mm，埋入混凝土内长度100mm；
所述母管内径与子管外径差值不大于4mm；钢质子母套管壁厚不小于3mm；
（九）将预制的支柱底座[1]、支柱过渡段[2]、支柱主承载段[3]和支柱主承载接顶段[4]运送到矿井巷道中，根据设计布设，由支柱底座[1]、支柱过渡段[2]、支柱主承载段[3]和支柱主承载接顶段[4]依次插接安装，构成整体矿井巷道钢筋砼支柱。

2.  如权利要求1所述的制作方法，所述支柱底座（1）的高是200～250mm；所述支柱过渡段[2]的高是200～250mm；所述支柱主承载段[3]的高是300～350mm；所述支柱主承载接顶段[4]的高是100mm、150mm或是200mm。

3.  如权利要求1所述的制作方法，所述支柱主承载段[3]分节预制的重量≤80kg。

4.  如权利要求1所述的制作方法，所述钢筋砼支柱的横截面是圆形、矩形和方形中的一种。

5.  如权利要求1所述的制作方法，所述支柱底座[1]的横截面直径与所述支柱过渡段[2]的横截面直径之比≤3:2。

6.  如权利要求1所述的制作方法，所述支柱过渡段[2]的横截面直径与所述支柱主承载段[3]的横截面直径之比≤3:2。

7.  如权利要求1所述的制作方法，所述支柱主承载段[3]的横截面直径与所述支柱主承载接顶段[4]的横截面直径之比是1:1。

8.  如权利要求1所述的制作方法，所述支柱底座[1]与所述支柱主承载段[3]的直径差≤200mm时，不设支柱过渡段[2]。

9.  如权利要求1所述的制作方法，所述支柱总装高度Y与支柱主承载段[3]的直径之比≤12:1。

10.  如权利要求1所述的制作方法，所述支柱底座[1]、支柱过渡段[2]、支柱主承载段[3]和支柱主承载接顶段[4]预制件的保护外皮厚度为25mm～30mm。

说明书一种用于矿井巷道钢筋砼支柱的制作方法
技术领域
本发明涉及一种矿井巷道钢筋砼支柱的制作方法，尤其是将所用钢筋砼支柱设计加工成不同规格标准的若干预制件，包括底座、过渡段、主承载段和主承载接顶段，其中主承载段由若干节组成，相邻两节标准预制件之间通过埋设其中的钢质子母套管插结的一种用于矿井巷道高度、围岩压力及围岩强度变化具有较强适应性的钢筋砼支柱的制作方法。
背景技术
在现有矿井巷道的支护过程中，需要高强度、低成本、不回收的支护构筑物来控制巷道围岩变形及破坏，钢筋砼支柱恰好具备这些特性。
现有矿井巷道所用钢筋混凝土支柱的制作方法有两种：一种是现场整体浇注，这种方法只需要浇注模具和钢筋混凝土材料即可完成，但该方法存在诸多弊端，一是由于矿井巷道内空间狭小，现场浇注工作较为困难；二是浇注制成的支柱初期强度低，由于高应力巷道围岩变形速度快，在支柱干燥养护过程中即被压垮而丧失支护功能；三是现场浇注支柱的横截面一般是按照顶板的压力确定的，常因支柱横截面积不足，在围岩压力作用下插入松软底板岩层而失去支护作用，若采取加大支柱横截面积的方法解决这一问题，会导致制作成本增加；四是浇注模具对巷道高度变化适应性较差，支柱接顶效果不佳。
另一种方法是地面整体浇注法，该方法的制作空间广阔，支柱养护干燥充分，承载能力强，但最严重的不足在于重量大，给支柱的装卸、运输及井下支设造成了极大的困难，在一些环境中是难以克服的，工人劳动强度大，支设工期长，严重影响了矿井采掘的正常进程。
在公开报道的现有技术中，还未能查询到有关矿井巷道钢筋砼支柱的制作方法，迫切需要设计一种新的钢筋砼支柱并加以制作来满足矿井高应力软岩巷道支护中广泛应用的高强度钢筋砼支柱的需求。
发明内容
本发明的目的是针对具体矿井巷道的高度、围岩压力及围岩强度，提供一种适应性较强的用于矿井巷道钢筋砼支柱的制作方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的。
一种用于矿井巷道钢筋砼支柱的制作方法，其所述制作方法是按下列步骤进行的：
（一）根据巷道设计净断面高度X，确定出用于矿井巷道钢筋砼支柱的总装高度Y，使支柱的总装高度Y等于巷道设计净断面高度X；
（二）所述总装高度Y是由一支柱底座[1]、一支柱过渡段[2]、若干节支柱主承载段[3]和一支柱主承载接顶段[4]构成；
（三）根据普氏冒落拱理论计算出每棵支柱需承受的顶板载荷：

式中：L为巷道跨度，单位m；M为巷道高度，单位m；φ为顶板岩层内摩擦角，单位度； f为巷道顶板岩层的坚固性系数；b为在巷道中布置时相邻两柱中心距，单位m，一般小于4m；γ为顶板岩层的容重，单位kN/m3；λ为支柱强度设计安全系数，一般取3～4；
（四）选定钢筋砼支柱加工所需混凝土标号和钢筋配比参数，根据上述步骤（三）所得钢筋砼支柱承受载荷，由钢筋砼支柱强度验算公式反算钢筋砼支柱的支柱主承载段[3]及支柱主承载接顶段[4]的支柱横截面核心区直径dcor；

式中：N为支柱承受荷载，单位N；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，N/mm2；dcor为支柱横截面核心区直径，单位mm； 纵筋抗压强度设计值，单位N/mm2；fy纵筋抗拉强度设计值，单位N/mm2；为纵筋总面积，单位mm2；为箍筋横截面面积，单位mm2；S为箍筋间距，单位mm；
（五）由上述步骤（四）所得支柱主承载段[3]及支柱主承载接顶段[4]的支柱核心区直径dcor，计算出支柱主承载段[3]及支柱主承载接顶段[4]的支柱直径D：

式中：a为支柱保护外皮厚度，一般取25mm～30mm；
（六）根据巷道底板岩层比压与上述步骤（三）中所得钢筋砼支柱承受载荷计算出支柱底座[1]的直径dC：

式中：dC为支柱底座直径，单位mm2；Q为支柱载荷，单位N；qc为巷道底板比压，单位MPa；
（七）当上述步骤（六）计算所得支柱底座[1]横截面直径与上述步骤（五）计算所得支柱主承载段[3]横截面直径差值不小于200mm时，在支柱底座[1]与支柱主承载段[3]之间设置支柱过渡段[2]，支柱过渡段[2]的支柱直径dG：
 ；
（八）钢筋砼支柱制作时，在支柱底座[1]、支柱过渡段[2]和支柱主承载段[3]上截面中心位置埋设长为55mm的钢管作为母管[5]，在过渡段[2]、主承载段[3]和主承载接顶段[4]下截面中心位置埋设一长度为150mm的钢管作为子管[6]，子套管外露长度50mm，埋入混凝土内长度100mm；
所述母管内径与子管外径差值不大于4mm；钢质子母套管壁厚不小于3mm；
（九）将预制的支柱底座[1]、支柱过渡段[2]、支柱主承载段[3]和支柱主承载接顶段[4]运送到矿井巷道中，根据设计布设，由支柱底座[1]、支柱过渡段[2]、支柱主承载段[3]和支柱主承载接顶段[4]依次插接安装，构成整体矿井巷道钢筋砼支柱。
在上述技术方案中进一步的附加技术特征如下。
所述支柱底座的高是200～250mm；所述支柱过渡段的高是200～250mm；所述支柱主承载段的高是300～350mm；所述支柱主承载接顶段的高是100mm、150mm或是200mm。
所述支柱主承载段分节预制的重量≤80kg。
所述钢筋砼支柱的横截面是圆形、矩形和方形中的一种。
所述支柱底座的横截面直径与所述支柱过渡段的横截面直径之比≤3:2。
所述支柱过渡段的横截面直径与所述支柱主承载段的横截面直径之比≤3:2。
所述支柱主承载段的横截面直径与所述支柱主承载接顶段的横截面直径之比是1:1。
所述支柱底座与所述支柱主承载段的直径差≤200mm时，不设支柱过渡段。
所述支柱总装高度Y与支柱主承载段的直径之比≤12:1。
所述支柱底座（1）、支柱过渡段（2）、支柱主承载段（3）和支柱主承载接顶段（4）预制件的保护外皮厚度均取25mm～30mm。
实现上述本发明所提供的一种用于矿井巷道钢筋砼支柱的制作方法，是对具体矿井巷道的高度、围岩压力及围岩强度，设计的一种适应性较强的用于矿井巷道钢筋砼支柱的制作方法，与现有制作支柱的方法相比，其优点与积极效果集中体现如下。
本方法制作的支柱突破了传统的钢混支柱整体浇注的结构模式，克服了矿井巷道现场浇注支柱在养护阶段被压垮以及地面整体浇注成的支柱重量大难于搬运支设等不足，在确保支柱具有足够承载强度的基础上，综合考虑支柱对巷道高度、围岩压力及围岩强度的适应性，化整为零，分节预制，使其具有强度高、便于装卸、运输与支设等积极优点。
本方法制作的支柱底座是根据底板比压设计制作，避免了由于支柱断面小而发生的插底现象；并采用支柱分节之间的钢质子母套管，不仅在组装时具有中心定位的作用，而且在应用上使支柱具备了一定的防侧推抗弯能力，进一步提高了支柱的稳定性。
附图说明
图1是本方法制作的用于矿井巷道钢筋砼支柱的整体结构图。
图2是本方法制作的用于矿井巷道钢筋砼支柱的巷道支护结构效果图。
图3是本方法制作的用于矿井巷道钢筋砼支柱的底座钢筋配置主视结构图。
图4是本方法制作的用于矿井巷道钢筋砼支柱的底座钢筋配置俯视结构图。
图5是本方法制作的用于矿井巷道钢筋砼支柱的过渡段钢筋配置主视结构图。
图6是本方法制作的用于矿井巷道钢筋砼支柱的过渡段钢筋配置俯视结构图。
图7是本方法制作的用于矿井巷道钢筋砼支柱的主承载段钢筋配置主视结构图。
图8是本方法制作的用于矿井巷道钢筋砼支柱的主承载段钢筋配置俯视结构图。
图9是本方法制作的用于矿井巷道钢筋砼支柱的主承载接顶段钢筋配置主视结构图。
图10是本方法制作的用于矿井巷道钢筋砼支柱的主承载接顶段钢筋配置俯视结构图。
图中：1：支柱底座：2：支柱过渡段；3：支柱主承载段；4：支柱主承载接顶段；5：钢质母管；6：钢质子管；7：搬运把手；8：纵筋；9：箍筋；10：锚杆；11：锚索；12：巷帮；13：巷道底板；14：巷道顶板；15：钢筋砼支柱。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
实施上述本发明所提供的一种用于矿井巷道钢筋砼支柱的制作方法，其制作方法步骤如下。
步骤一、根据矿井巷道设计的净断面高度X，并确定出用于矿井巷道钢筋砼支柱的总装高度Y，使矿井巷道钢筋砼支柱总装高度Y与矿井巷道设计净断面的高度X相等，即X=Y。
步骤二、将上述步骤一所述的支柱化整为零，设计加工为若干段标准预制件，标准预制件是由支柱底座1、支柱过渡段2、支柱主承载段3和支柱主承载接顶段4构成。
步骤三、根据矿井巷道钢筋砼支柱的总装设计高度Y，将上述步骤二所述的支柱主承载段3分为若干节设计加工，分节数视巷道实际高度和分节预制件重量，每分节重不大于80kg而制。
步骤四、根据矿用普氏冒落拱理论计算出每棵支柱需承受的顶板载荷Q：

式中：L为巷道跨度，单位m；M为巷道高度，单位m；为顶板岩层内摩擦角，单位度； f为巷道顶板岩层的坚固性系数；b为在巷道中布置时相邻两柱中心距，单位m，一般小于4m；γ为顶板岩层的容重，单位kN/m3；为支柱强度设计安全系数，一般取3～4。
步骤五、选定钢筋砼支柱加工所需混凝土的标号和钢筋的配比参数，为降低支柱标准预制件的重量和减小支柱的横截面积，一般选用砼标号不低于C40。
步骤六、根据上述步骤四所得支柱承受载荷和上述步骤五确定的混凝土的标号及钢筋的配比参数，再由钢筋砼支柱强度验算公式反算出钢筋砼支柱主承载段3及支柱主承载接顶段4横截面的核心区直径：

式中：N为支柱承受荷载，单位N；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，单位N/mm2； dcor为支柱核心区直径，单位mm； 纵筋抗压强度设计值，单位N/mm2； fy纵筋抗拉强度设计值，单位N/mm2；为纵筋总面积，单位mm2；为箍筋横截面面积，单位mm2；S为箍筋间距，单位mm。
步骤七、由上述步骤六所得支柱主承载段3及支柱主承载接顶段4的核心横截面的直径，计算出钢筋砼支柱主承载段3及支柱主承载接顶段4的横截面的直径D：

式中：a为支柱保护外皮厚度，一般取25mm～30mm。
步骤八、根据巷道底板岩层比压与上述步骤四中所得钢筋砼支柱承受载荷计算出支柱底座1的直径dC：

式中： dC为支柱底座直径，单位mm2；Q为支柱载荷，单位N；qc为巷道底板比压，单位MPa。
步骤九、当上述步骤八计算所得支柱底座1的横截面直径与上述步骤七计算所得支柱主承载段3的横截面直径差值≤200mm时，必须在支柱底座1与支柱主承载段3之间设支柱过渡段2，支柱过渡段2的直径dG：
 ；
步骤十、支柱加工时，在支柱底座1、支柱过渡段2和支柱主承载段3上截面中心位置埋设长为55mm的钢管作为母管5，在支柱过渡段2、支柱主承载段3和支柱主承载接顶段4下截面中心位置埋设一根长度为150mm的钢管作为子管6，子套管外露长度50mm，埋入混凝土内长度100mm；所述母管内径与子管外径差值不大于4mm；钢质子母套管壁厚不小于3mm。
步骤十一、在浇注混凝土前，用金属箔胶带将步骤十所述的钢质母管5上下口封闭，严禁混凝土进入其中。
步骤十二、支柱制作加工时，在支柱每一段某一直径对应的两根纵筋纵向中心处分别焊接一根长100mm，1.2吋（φ32mm）钢管，作为搬运把手7。
步骤十三、将上述预制好的支柱底座1、支柱过渡段2、支柱主承载段3和支柱主承载接顶段4运送到矿井巷道中，根据设计布设，由支柱底座1、支柱过渡段2、支柱主承载段3和支柱主承载接顶段4依次插接安装，构成整体矿井巷道钢筋砼支柱。
在上述的具体实施方式中，一般采用支柱底座1的高是200～250mm，采用支柱过渡段2的高是200～250mm，采用支柱主承载段3的高是300～350mm；采用支柱主承载接顶段4的高是100mm、150mm或是200mm。在具体制作时，
一般将支柱主承载段3分节预制的重量控制在≤80kg，以便于装卸运输，钢筋砼支柱的横截面可以制作成圆形，也可以制作成矩形，根据实际情况也可以制作成方形中的一种。在制作完成后，一般情况下，制作的支柱底座1的横截面直径与所述支柱过渡段2的横截面直径之比是≤3:2；制作的支柱过渡段2的横截面直径与所述支柱主承载段3的横截面直径之比也是≤3:2；制作的支柱主承载段3的横截面直径与所述支柱主承载接顶段4的横截面直径之比是1:1。如果
所制作的支柱底座1与所述支柱主承载段3的直径差≤200mm时，不需要设置支柱过渡段2，而且所制作的支柱总装高度Y与支柱主承载段3的直径之比≤12:1。同时要求所制作的支柱底座1、支柱过渡段2、支柱主承载段3和支柱主承载接顶段4的预制件保护外皮厚度为25mm～30mm，以满足支柱的可靠性。
下面通过具体实施例来对本发明的具体实施方式做出进一步的详细说明。
如附图1-10所述，以一个顶板为8.1m厚泥岩、两帮及底板均为煤体、长×宽=4m×2.2m的巷道为例，实施一种用于矿井巷道钢筋砼支柱的制作方法，其制作方法步骤如下。
步骤一、根据巷道净断面高度X=2.2m，确定支柱总装高度Y=X=22000mm。
步骤二、支柱底座1的高度是250mm，支柱过渡段2的高度是250mm，支柱主承载段3的高度是1500mm，共分为5节，每节高度300mm，支柱主承载接顶段4的高度是200mm。
 步骤三、根据普氏冒落拱理论，将各参数代入公式计算出每棵支柱需承受的顶板载荷：

式中L为巷道宽度，4m；M为巷道高度，2.2m；顶板泥岩坚固性系数f =1.3；顶板泥岩内摩擦角；b为混凝土支柱间距，取2.4m；γ为顶板岩层容重，安全系数λ取3。
步骤四、为减轻各分节重量，选用C40混凝土浇注，纵筋选用HRB335螺纹钢筋，箍筋选用普通钢筋。
步骤五、用于矿井巷道钢筋砼支柱主承载段钢筋配置如附图7与附图8所示，查《钢筋混凝土设计规范》得：

计算得：纵筋总面积为，箍筋横截面面积为，箍筋间距为，支柱承受荷载，将各参数代入公式计算得：

步骤六、钢筋砼支柱主承载段3的保护外皮厚度a取25mm，则：

所以，实际确定钢筋砼支柱主承载段3及主承载接顶段4的横截面直径为300mm。其每节重量为：
。
步骤七、通过现场测试巷道底板比压，计算支柱底座1的直径：

故，支柱底座1取得直径实际取600mm。按照附图3与附图4配置钢筋支柱底座1的钢筋，保护外皮厚度取25mm。
步骤八、根据支柱主承载段3的直径与支柱底座1的直径，计算支柱过渡段2的直径：

支柱过渡段2按照附图5与附图6配置钢筋，保护外皮厚度取25mm。
支柱底座1的直径与支柱过渡段2的直径比为，支柱过渡段2与支柱主承载段3的直径之比为。
步骤九、为适应巷道高度变化，将支柱主承载接顶段4高度分别加工为200mm、150mm和100mm三种规格，根据需要选用。其钢筋配置按附图9与附图10所示，保护外皮厚度取25mm。
步骤十、钢质子母套管中母管选用1.2吋（φ32mm）钢管，子管选用1吋钢管（φ25mm）钢管。在浇注混凝土前，用金属箔胶带将母管上下口封闭，避免混凝土进入其中。
步骤十一、搬运把手选用φ32mm的1.2吋钢管。
步骤十二、用C40混凝土浇注预制支柱各分节，干燥养护。
在支柱支设过程中，先将底板浮矸或浮煤清楚干净，然后按照顺序组装支设支柱，根据巷道实际高度调整支柱的主承载段及主承载接顶段的数目，直到与巷道顶板紧密接顶，如支柱顶端与巷道顶板之间有小于10mm的间隙，则应使用木板或木楔加紧背实。在支设过程中必须保持支柱垂直，有利于充分发挥支柱的支护作用。支柱支设效果如附图2所示。