国家创新项目中期答辩

450
310
14#工C字1 钢
200 200 100 300
200 200 100 300
500
1150
14#工字钢
C1 A1
DB11
A1
A5 A4 A3 A2 A1
C2
B2
14#工字钢 C1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C1 A5 A4
C2
14#工字钢 B1
A3 A2 A1 B2
14#工字钢
200
500
M8 B1
A1
D1
A2
D1
(d) 单轴实验
单轴实验(e)典试型样应破力坏应变曲线 (f) 破坏形态
类单岩轴石压材缩料试单验轴标抗样压制强作度及与实石验蜡过含程量的关系
(a) 模型支护锚杆和锚索
(b) 实验后锚杆及金属网
A1
B1
330
1150
15 20 30 20 30 20 30 20 15
25 25 25 50 25 25 25
370 80 275 20080 205 80 60
150 500335 200 330 450 310
15 20 30 20 30 20 30 20 15
500
150 335
50 50 50 50
菱形金属网 3700×1700
3800
以山西同1.煤818.-821集.86 团细砂四岩 灰粗台色砂到岩矿灰。白1色4，#局层部为5中1204层状顶板巷煤初巷始为支研护断究面对图象， 通过物理试验研究，再现采动过程中煤柱下方巷道顶板冒落破坏过 程，分巷析综上合述地过质程柱状中图围岩内部的应力变化，找出该类顶板冒落破坏
时 累厚 代 (m)
柱 状 1：22102006
23.57
侏
盘
罗区 15.08
系运输
中巷 12.盘89 盘
区区
统
皮回
大
带
6.7巷9
风 巷
同 5.96
组
0.00
51204
21204 21202
平均(m) 岩石 最小8-最12大06工名作称面
岩 1性#煤描柱述
2#煤柱 40m，顶板下沉
φ17.8×4000钢绞线
实验方案设 计
试验系统设 计
实验内容设 计
试验台的选 取与改进
围岩环境的 相似计算
相似材料的 制备
测试系统建 立
模型浇筑
应力环境相 似计算
岩石相似材 料
岩石参数相 似计算
支护相似材 料
应力测量
位移测量
实验设备改进
由于长时间疲劳荷载作用，该实验系统前后加强挡板（靠近 有机玻璃这侧为前）及有机玻璃挡板塑性变形较大，已不适合后 续研究的需要，因此需要重新对其进行设计改造。
板的重量，采用“薄钢板+高抗弯肋”的设计思路，钢板厚度10mm，抗弯肋为14# 工字钢（相邻两肋间利用10mm厚钢板进行加强，以增加其整体性），二者之前同 样采用全缝焊接，详细尺寸如图3-8所示。为了增加后挡板的多用性，在板中部开设
两 根个据切实槽验，需切要槽可内将部任通何过一个A1部、分A2拆、后开B挡进1、行板C巷1和道D开1挖五或种采组场块回填采充3工-，3作各，结A构系彼列此均独为立正，
螺纹钢锚杆 间排距:900×1000
间排距:1300×2000 φ18×1800左旋无纵筋
螺纹钢锚杆 1300 36m，顶板肩角下锚沉杆，排距：2000
1底02臌m3，、2W0炸顶0型×2钢帮板2带0裂×4缝、550 900
坍塌，支护失效 900 900 550
小窑煤柱
1250 400 65°
2600
方 称形，，故边新长系均统为可后B以挡系实板列现和54C种系不列44同5高的度10巷的道3323-9倍0或3 ，采10且场各模44切5拟槽研均究关工于作各，自三水维平及和实垂物直如中图轴3-对9。
25
25
20 40 20 380 20 40 20 445 10 390 10 445
14#工字钢
20 40 20 80 20 80 20 40 20
(1) 透明挡板的选取：将有机玻璃板换成15mm厚度的PC耐力板
(2) 前加强挡板
(3) 后图加3-强5 挡W板YQ1000－I型地下工程综合模拟试验系统
(2) 前加强挡板 尽管PC耐力板在强度方面比原透明挡板有了大幅度提升，但在实验过程中，
其刚度仍然较弱，为此还需增设加强挡板，为了增加模型的可观测面积，前加强
的规律，为该类工程问题的预防和治理提供参考。
试验系统设 计
实验方案设 计
实验内容设 计
试验台的选 取与改进
围岩环境的 相似计算
相似材料的 制备
测试系统建 立
模型浇筑
应力环境相 似计算
岩石相似材 料
岩石参数相 似计算
支护相似材 料
应力测量
数据模拟
位移测量
2013年12月-2014年4月：室内试验研究
挡板采用“厚钢板+方形肋”进行设计，钢板厚20mm，方形肋边长40mm，中部 为空，以便观察模型的变形和破坏过程，肋与钢板采用全缝焊接，模型可观测面
积0.8096m2，占总面积的80.96%，约为原系统的4倍，详细尺寸如图3-6所示， 三维视图和加工完成后实物如图3-7所示。
1-1
2-2
25
150 210 40
1
500
40 210 150
150 210 40 500 40 210 150 1300
40160 40 60
40 160 40 60
310
150 180 20 500 1150
330
1150
500
2
φ20
2
100 150 485
150 160 40
50 100 335
1
330 1300
335 100 50
支护相似材 料
应力测量
位移测量
相似材料的制备
考虑本次物理模拟的主要目的是对模型内围岩应力的变化规律及变形破坏 特征的研究，以抗压强度作为主要指标选取各围岩的模型材料。经过多年的应 用和总结，课题组制备了以河沙为骨料、石蜡为胶结材料的类岩石材料，通过 改变河沙和石蜡的质量比来模拟岩石，取得了较好的成果，因此本课题采用河 沙和石蜡来制备实验所需类岩石材料。
初步设计了4种配比，为100:2、100:4、100:6、100:8，根据国际岩石力学 会(ISRM)试验规程中的要求制作Ф50mm×100mm的标准圆柱试样，用于抗压 强度的测定。利用江都市天源试验机械有限公司生产的TY8000型万能材料试验 机进行单轴抗压强度测试，加载速度0.5mm/min。
模拟中砂根(a岩据) 石。实蜡验对染计于色算煤剂可、以页选岩河、沙细(b、)砂固石岩结蜡三压和种密染岩色层剂，质分量别比(添c)为加试1样黑00成色:6品、:0的蓝混色合和材红料色来染 色剂，加以区分，由于染色剂加入后会提高材料的单轴抗压强度，因此，在计 算结果的基础上酌量减小石蜡的含量，进行加染色剂后的试配实验，最终，选择 1页0岩0:3和.5细:0砂.3岩3(黑(。a))、1010:040:3:0.33(蓝)和100:6:0.33(红)(三b)种10类0:6岩石材料模拟煤、
0.83 0-1.37
煤 12-2#层，局部尖灭。
4.15 砂岩页 灰白色，水平层理发育，局 3.66-9.91 岩互层 部有白色中砂岩，夹煤线。
1.818.-88211.28062工作煤面采1化空4-较2区#大层。，煤层中夹石变
φ18×1700左旋无纵筋 螺3纹#煤钢锚柱杆
排间距：1250×1100
冒落 破坏 过程
支护 形式 匹配
2014年12月：将理论计算、数值模拟和室内试验得出的成果进行归纳总结；
2015年1月-2015年2月：撰写学术论文进行发表；
2015年破2坏月模-2式01分5类年3月：定编量写判研定模究型报告和破结坏题机报理告； 支护技术 2015年4月：成果汇报，课题内容答辩。
顶板稳定性控制技术
煤矿巷道顶板冒落 破坏机理及稳定性控制
汇报人 ：何化栋 小组成员：韩强强、庞涛、何化栋
张书剑、朱谭谭 指导教师：陈坤福 副教授
汇报内容
项目介绍
项目进展及成果 项目遇到困难
项目下一步研究计划 项目已使用经费明细
项目意义
顶板事故在所有煤矿事故中逐渐占据主导地位，其死亡率一直高居不下。
巷道顶板冒落破坏形式多样，机理各异，缺乏全面系统的研究。顶板稳 定性控制技术可移植性差
8.49 中砂岩 0.15-23.94
灰白色到灰色，厚度变化 极大，局部为砂页岩互层。
2.19 0.30-3.73
煤 2182m-1，#层顶，板局下部与11-2合并。 沉、冒落严重
1.686-8.11102.0145工岩砂作互岩面层页
灰色到深灰色，岩性变化复 杂，局部变厚为中砂砂岩， 局部夹煤线。
φ18×1800左旋无纵筋
40
20
60
40
20
60
(a) 三(a)维平视面图图
(b) 1-1剖面 (c) 2-2剖面
(b) 实物图 图3-6 前加强挡板设计图 图3-7 前加强挡板三维图
25 25 25 50 25 25 25 200
370 80 275 80 205 80 60
(3) 后加强挡板 在对后挡板进行设计时，主要考虑其自身重量和多用途性，为了减轻后加强挡
2013年12月-2014年4月：室内试验研究；
222000111444冒 破 形年年年落 坏 态579月月月围 地 环---222岩 质 境000111444支 承 特年年年护 载 性6811月月月不 顶 岩：：：同 板 性试 破数验坏不 应 条值数机同 力 件模据理拟不 构 形处的研同 造 态理力究；学冒 破 机；分落 坏 理析及支 作 机护 用 理推导断 形 分；面 状 析
抗压强度
CE
弹性模量相似比
ε
应变
Cε
应变相似比
γ
容重
(3-3) C Ct Cc CX CE Cc
模型试验相似律计算结果
试验系统设 计
实验方案设 计
实验内容设 计
试验台的选 取与改进
围岩环境的 相似计算
相似材料的 制备
测试系统建 立
模型浇筑
应力环境相 似计算
岩石相似材 料
岩石参数相 似计算
➢ 设计欠缺型：支护设计不合理，造成支护体整体垮落，尤其是在 层状复合顶板，锚杆长度小于不稳定岩层厚度
➢ 挤出推垮型：主要发生在掘进工作面，由于沿巷道走向水平应力 较大，岩体强度底、裂隙发育、整体不稳，挤出岩体推到临时支 护，引起大面积冒顶。
2013年9月：试验方案设计，同时邀请相关领域专家对方案进行评阅修改
表3-1 物理模型参数表示及含义
字母
含义
字母
含义
C L
相似比 长度
f φ
摩擦系数 内摩擦角
C C CL C C CL
(3-1)
δ
位移
c
粘聚力
C CEC
E
弹性模量
C
应力相似比
μ
泊松比
Cγ
容重相似比
σ
应力
CL
几何相似比
(3-2) C 1，C 1，C f 1，C 1
σt
抗拉强度
C
位移相似比
σc
实验内容设 计
试验台的选 取与改进
围岩环境的 相似计算
相似材料的 制备
测试系统建 立
模型浇筑
应力环境相 似计算
岩石相似材 料
岩石参数相 似计算
支护相似材 料
应力测量
位移测量
围岩环境的相似计算
通过模型试验再现实际工程的物理现象是岩土工程中一种非常重要研究手段， 在此过程中，模型材料、形状以及所施加的荷载等参数必须符合一定的规律，这个 规律则为相似准则。根据实际工程，使抗压强度、弹模、重度、泊松比、抗拉及抗 剪强度等主要参数达到相似。定义实际工程P和物理模型M之间同一量纲的物理量 比值为相似比，其他有关参数物理量表示方法见表3-1，各参数满足的相似准则见 式(3-1)~式(3-3)。
煤矿巷道顶板冒落破坏机理
及稳定性控制
2013年4月：国内外文献查询；
2013年5月-2013年8月：煤矿顶板冒落破坏模式调研及分类；
22001133年年91工0月月程：-调2试0研1验3方年案11设月计：物，试理同验模时拟材邀料请购相买关理，论领磨分域具析专加家工对，方测数案试值进模仪拟行器评租阅赁修；改；
图1-1 各类事故死亡人数所占比例
图1-2 单起事故死亡人数柱状图
顶板整体垮落
顶板局部冒落
支护体锈蚀
锚杆失效
棚架充填不密实
项目创新点
在调查研究的基础上基于破坏机理对 冒顶类型进行分类；
根据物理实验建立了顶板冒落破坏的 定量判定模型；
综合各项研究成果提出通用性较强的顶 板稳定性控制技术。
项目进展
200
50 50 50 50 50 50
50
3
(a43三)5(a前(维)d)平加视边133面强300图0切图挡5槽0板435
10 3 10
50
20
435
330
435
50(c)(1b0中)3实00后切物加12槽00图强挡板
挡板变1形300计算结果（利用(bA)N3S-3Y剖S）面
试验系统设 计
实验方案设 计
2013年5月-2013年8月：煤矿顶板冒落破坏模式调研及分类
顶板 冒落 破坏 类型 分析
因素诱导型 支护滞后型 设计欠缺型 挤出推垮型
➢ 因素诱导型：由于局部软弱岩层引起，少部分松动、冒落逐渐扩 大；应力、岩性、蠕变和松弛、局部支护体失效；
➢ 支护滞后型：由于设计、施工等原因致使支护作用见效慢或，如 架棚充填不密实、锚网预紧力施加不及时等