随着煤炭开采深度的增加,高地应力、复杂地质构造以及巷道围岩松散破碎现象逐渐增加,工字钢+锚网喷或是U型钢+锚网喷的支护方式在面临该类巷道时往往显得力不从心,而约束混凝土支护方式正以其在支护强度、刚度及经济性等方面的优势,在该类巷道中快速推广应用。然而由于地下工程的复杂性及该技术在实际工程中的应用时间较短,相应的施工技术未形成较好的统一,约束混凝土拱架施工质量不高,特别是现场灌注施工中,容易存在灌注不密实等问题,导致约束混凝土拱架难以达到设计强度,影响约束混凝土拱架力学性能的发挥,造成支护强度的不足,从而引发支护结构的破坏。在此背景下,通过室内试验、数值试验、现场试验相结合的方式开展以下研究。(1)开展了核心混凝土外加膨胀剂和早强剂系列试验研究,明确了约束混凝土添加不同量膨胀剂条件下钢管外表面应变特性及核心混凝土与钢管之间的粘结特性;得到了不同早强剂掺量条件下混凝土标准试块早期强度及约束混凝土构件强度随混凝土龄期变化规律。(2)开展了含空腔条件下约束混凝土构件轴压、纯弯及偏压数值与室内试验研究,得到了含空腔约束混凝土构件在不同荷载形式作用下的破坏特征及承载性能弱化机制,提出了强度允许折减率及构件截面空腔率等指标。(3)开展了含空腔约束混凝土构件强化设计方法研究,明确了各强化设计方法对构件的影响规律,得到了适用于不同截面尺寸的最优强化板设计方法。(4)设计了适用于约束混凝土拱架的强化设计方法与高效灌注方法。并在万福煤矿胶带机头硐室支护设计中进行了应用,取得了较好的应用效果。