沿空巷道围岩控制技术相似模拟研究.pdf

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1、能源技术与管理2015年第4O卷第1期4EnergyTechnologyandManagementVoI．40No．1doi：10．3969／j．issn．1672-9943．2015．01．002沿空巷道围岩控制技术相似模拟研究郭保华，王辰霖，王龙，席可峰，马擎，陈岩(河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作454010)[摘要]为研究沿空巷道锚杆(索)联合支护效果，结合红岭煤矿15141工作面上巷的现场实际情况，对该巷道围岩稳定性进行了相似模拟试验研究。结果表明，沿空巷道的煤层底板竖向应力呈现非对称双峰分布，其中煤柱区域集中应力较大；采空区及巷道顶底

2、板竖向应力较低、顶板下沉量和底板鼓起量较大；锚杆索联合支护技术可起到锚固围岩的作用，巷道总体变形量小，且可承载超前支承压力作用。研究结论对沿空煤层巷道支护实践有指导意义。[关键词]沿空巷道；围岩应力变化；锚杆(索)支护；相似模拟[中图分类号]TD355~．4[文献标识码]A[文章编号]1672_9943(2015)01-00044)3原理与量纲分析，其他常数确定为：容重相似常0引言数：1．7，应力相似常数ao=34，时间相似常数=相似模拟以相似模拟理论为基础进行的实验、／20。由此可以确定模型的力学参数，进而确定室模拟试验手段，利用事物或现象间存在的相似

3、相似材料的配比。特征，研究自然规律，是一种与理论研究结果进行1．3模型的实验过程对比分析的有效技术手段。该方法适用于难以用模型的原始参数取自红岭煤矿15141工作面理论分析法获取结果的研究对象_l_2]。为研究红岭上巷综合柱状图及实验区域的地质资料。实验区煤矿沿空巷道围岩变形及应力分布演化规律和锚域煤岩力学参数如表1所示。实验过程中首先依杆(索)支护效果，拟采用相似模拟实验方法研究据模型规格计算出各分层材料使用量，然后依据采空区形成、巷道开挖、超前支承压力对沿空锚杆模型尺寸附上模板，将调配好的材料倒人模型架(索)支护巷道稳定性的影响。挡板之间，进行捣同，

4、至所设计的高度。各层之间使用云母粉间隔，待干燥5d后将两侧模板拆掉，1模拟实验方案持续干燥数天后进行模拟开挖并进行观测和记1．1实验模型设计录。模型相似材料配比如表1所示。实验模型采用长、宽、高分别为2500mm、表1实验区域煤岩力学参数及实验模型相似材料配比200mm、1500mnl的钢模型架。该模型的正面和背面都用钢板固定，模型顶部安装液压缸，通过油泵加压来模拟不同的煤层埋深。细粒砂岩8．7OlO6．61．2相似条件的确定砂质泥岩63863．10根据相似定律，对于两个相似的力学系统，二，煤6．0516．0O在任何力学过程中，其相对应物理量满足相似条泥

5、岩2．1O55．80件。几何相似常数按下式计算：砂质泥岩O．8663．1Oa~=lJl粉砂岩2．O3ll1．1式中：为原型与模型长度比，一般泥岩6．4055．80at=20～1O0；f为原型长度参量，m；f为模型长度参细粒砂岩lO．50lO6．6量，em。加载模型顶部的目的是模拟上覆岩层白重，确定模型的几何相似常数即at=20。根据相似采用液压进行加载，加载介质由l4块矩形钢板组基金项目：国家自然科学基金(51109076)；河南理工大学成，加载板与模型材料之间设置8mm厚钢板。超创新型科研团队支持计划(T2013—1)前支承压力在煤层开采后形成，虽然该

6、值随着离2015年2月Feb．，2015郭保华，等沿空巷道围岩控制技术相似模拟研究5煤层的距离增加而趋于缓和，但模拟煤层深度较底板应力演化过程如图2所示。采空区距巷道底小时，上部边界载荷呈不均匀分布，且易受到岩性板中点20m，采空区开挖前，各测点原岩应力为影响。为了尽可能减小岩性的影响，需在模型及加理论值。载重物间安设适当刚性的介质层，使介质层与下覆35遍n30开挖后测点力岩层相互作用以产生符合实际情况的分布压力。25区开挖后测点力在模型顶底板共布置5条观测线，顶板3条，支承压力测点力2O底板2条，各测线问隔5cm，布置顺序从上至下，l510观测点成均匀

7、布置；模型充分干燥后，对制作的模5型预加载，达到上覆岩层相似比例的压力；开挖模一20—100102030距巷道底板中点距离(负值发永在中点左侧)／nt型右侧的煤层，形成采空区；当采空区顶板垮落(a)测点应力值稳定后，开挖巷道；在巷道内布置锚杆(索)联合支护，如图1所示。其中锚杆参数为：直径20mm、标准值开挖后系数预紧力50kN，长度2200mm，顶板锚杆间排距区开挖后系数700mmX700mm，两帮锚杆间排距800mmX支承』力系数R800mm。将锚索布置在巷道顶板中线两侧取代原有锚杆，间距为2100mln。模型中的锚杆、锚索用-20一l001021)

8、30直径约为3mm的铁丝代替。距巷道底板rfJ点距离(负值表示在l}1点左fjJ