模型试验柔性均布压力加载系统研制及其应用

地质力学模型试验均布压力精确加载是保证试验精度的前提。为此研制了一种新型柔性均布压力加载系统,该系统主要包括液压自动控制系统和柔性均布压力加载装置。液压自动控制系统操作方便,可实现计算机自动控制12路压力精确伺服加、卸载和长期稳压。柔性均布压力加载装置由液压油缸、球铰、刚性推力器和柔性传力橡胶垫块等组成,采用数值方法确定柔性橡胶的厚度为50 mm。该系统应用到表面不平的模型加载中并与刚性加载进行了对比。试验结果表明,柔性均布压力加载系统相对于刚性加载效果显著,模型内应力场均匀程度取决于橡胶传力垫块的邵氏硬度、加载应力大小和距表面深度。邵氏硬度小的橡胶柔性加载模型内应力场更均匀;且模型应力场随加载应力增大趋于均匀。模型内应力场距加载表面越远越均匀,柔性加载使距加载表面130 mm以下应力场基本保持均匀状态。试验表明,柔性均布压力加载系统有利于提高模型试验加载精度,具有广泛的应用前景。     

大断面厚顶煤巷道顶板冒落破坏的上限分析

根据大断面厚顶煤巷道顶板的破坏特性,考虑了顶板围岩应力水平与支护荷载的影响,利用Hoek-Brown强度准则及其相关联的流动法则,构造出厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机构。基于塑性力学中的上限分析方法,结合变分原理,推导得到了大跨度厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机制,并以赵楼煤矿某巷道现场实践为例,分析了不同计算参数对顶板冒落破坏机制的影响。计算研究表明：随着岩体经验参数A、抗拉强度、抗压强度及支护荷载的增加,冒落体尺寸随之增大,而当岩体经验参数B、围岩应力及岩体重度增加时,冒落体尺寸则随之减小;冒落体尺寸代表了巷道顶板安全性能的大小,其尺寸越大,表明使巷道顶板发生冒落破坏所需外力功越多,顶板安全性能也越高;岩体经验参数B、围岩应力水平与支护荷载对顶板围岩破裂机制影响较为显著,参数B决定了冒落体的破裂形状,随着参数B的增加,冒落破裂迹线的曲率不断减小;增大支护阻力是提高顶板稳定性的有效途径,其研究结果可为大断面厚顶煤巷道支护设计提供一定的理论依据。     

隧道施工期超前地质预报实施方法研究

地质信息采集、超前预报与数据解译是隧道超前地质预报中的3个重要环节,首先讨论了超前开挖隧道的地质编录的工作方法,包括风险靶段分级、掌子面地质素描,进而绘制平面地质图,建立三维地质模型,计算不良地质体及含水体在相邻未开挖隧道的出露位置。在此基础上,详细讨论了仪器配合的关键问题,并开发了隧道超前地质预报自动选择程序,可以帮助操作员从中选择不同岩性地区、不同构造发育特点、不同地下水文条件下需要选择的预报方法,并建议了特殊地段的预报方法选择,最后结合工程实例讨论了几种常用的预报方法的数据解译过程中应注意的问题及典型不良地质体的判据。其结果对于隧道超前地质预报工作具有一定的借鉴与指导意义     

柔性均布压力加载装置在模型试验中的应用研究

将研制的新型柔性均布压力加载装置与传统的刚性加载装置分别应用到大型地质力学模型试验中,利用应力不均匀系数? 对其加载效果进行了量化对比分析。试验结果表明,随着加载压力值与距模型表面距离的增加,不均匀系数? 减小,压力分布趋于均匀;在模型试验中采用柔性均布压力加载装置,与刚性加载方式相比,其更有利于加载压力在模型体中均匀扩散,产生均匀的应力场,在该试验条件下采用此装置,模型内距模型表面300 mm处应力场已基本达到均匀的状态,模型初始应力施加完后,其? 仅为0.086,而采用刚性加载方式时其对应的? 则高达0.283;该装置在距模型表面较近时或加载压力较小时亦能产生较好的均布压力加载效果,如加载压力为0.28 MPa时距模型表面150 mm处? 仅为0.174,具有减小边界效应影响范围、提高低应力水平下的模型试验精度的作用。     

深部厚顶煤巷道让压型锚索箱梁支护系统布置方式对比研究

针对深部厚顶煤巷道围岩变形特点,以“先控后让再抗”为支护理念,设计了让压型锚索箱梁支护系统横梁、纵向单梁、纵向双梁及纵横组合4种不同布置方式的支护方案。数值试验结果表明,纵横组合方案具有最好的围岩控制效果,横梁方案支护效果相对较差。对让压型锚索箱梁支护系统的4种方案进行了现场试验,监测结果显示,纵横组合方案作用下的围岩变形量最小,其两帮移近量和顶板沉降量仅为120 mm和90 mm,同时该方案支护反力最大;锚杆、锚索受力与巷道围岩控制效果相对应,且锚索让压环作用明显;设计制作的测力箱梁监测表明,箱型支护梁受力合理协调,材料性能发挥充分。对让压型锚索箱梁支护系统及其不同布置方案的作用机制进行了探讨。综合分析表明,深部厚顶煤巷道中,优先选用让压型锚索箱梁支护系统中的纵横组合与纵向单梁方案,可有效地控制巷道围岩变形,满足支护要求。     

让压型锚索箱梁支护系统组合构件耦合性能分析及应用

对锚索梁支护及组合构件耦合支护研究现状进行了总结分析,指出锚索梁支护系统组合构件耦合支护研究的必要性和意义。以“先控后让再抗”支护理念为指导,研发出高强让压型锚索箱梁支护系统。通过层次分析法得到支护系统各构件权重值,提出了支护系统构件整体性能利用率、耦合效率和围岩控制效果3个指标,进行的13种数值试验对比方案结果表明：Ⅱ12c+? 22锚索、Ⅱ12b+? 22锚索和Ⅱ12a+? 17.8锚索方案对应的支护系统均具有较高的耦合效率;锚索型号对支护系统耦合效率具有较为显著的影响;增大预紧力有助于进一步提高构件整体利用率、耦合效率,改善围岩控制效果。设计制作了测力箱梁,选择Ⅱ12b+? 22锚索方案对应的锚索梁支护系统进行了现场试验,测站监测结果显示,支护系统在掘巷期间的整体性能利用率为54.51%,构件耦合效率达到75.61%,系统各构件达到了同步承载的效果,巷道顶板沉降量和两帮移近量分别为148 mm和180 mm,较好地控制了巷道围岩变形。     

深部厚顶煤巷道围岩变形破坏机制模型试验研究

为研究深部厚顶煤巷道围岩变形破坏特性及其机制,以赵楼煤矿千米深井厚顶煤巷道为工程背景,开展了大比尺地质力学模型试验,对让压型锚索箱梁支护系统作用下的巷道围岩位移、应力演化规律进行的研究表明：巷道顶底板围岩竖向应力释放较两帮剧烈,水平应力释放反之,巷道顶板中部围岩是顶板竖向应力释放的主要部位。通过与现场试验结果对比验证,总结出深部厚顶煤巷道围岩变形破坏的3个主要特征：顶板变形破坏较两帮和底板严重、顶板围岩变形破坏主要发生在煤岩交界面以下的煤体中、巷中是顶板变形破坏的关键部位,并进一步分析了相应机制：顶板煤岩松软破碎、自承能力差、顶板及其巷中竖向应力释放相对更为剧烈、矩形巷道顶板受力状态差等因素,导致顶煤所受径向应力低,碎胀变形剧烈,且弯曲变形、离层严重,顶板受力结构恶化,最终导致顶板控制困难。     

煤巷断层区顶板破断机制分析及支护对策研究

针对断层区煤巷顶板破断问题,分别建立了正断层和逆断层构造区的顶板弹性深梁力学模型,研究了顶板应力分布规律,并以Mohr-Coulomb破坏准则为判据,分析了不同顶板压力、支护强度、跨高比等因素下的顶板破断机制。理论分析表明,顶板深梁最大有效剪应力随跨高比增大而增大;其随跨高比不同而呈现出3种不同破断模式;穿越断层的巷道在断层区域应尽早使用强力支护系统,提高支护强度;穿越正断层的巷道在断层面附近应当提高护表效果。根据理论分析结论提出,在煤巷断层区使用让压型锚索箱梁支护系统,可对顶板围岩进行及时强力支护,实现“先控后让再抗”,既能有效发挥支护系统作用,又能充分发挥围岩自承能力。上述支护对策应用于巨野矿区断层区煤巷支护方案设计中,有效防止了顶板事故的发生,验证了理论分析的正确性。