國家創(chuàng)新項目中期答辯

1、煤礦巷道頂板冒落破壞機理及穩(wěn)定性控制匯報人 ：何化棟小組成員：韓強強、龐濤、何化棟 張書劍、朱譚譚指導(dǎo)教師：陳坤福 副教授匯報內(nèi)容項目介紹項目進展及成果項目遇到困難項目下一步研究計劃項目已使用經(jīng)費明細項目意義圖1-1 各類事故死亡人數(shù)所占比例 圖1-2 單起事故死亡人數(shù)柱狀圖頂板事故在所有煤礦事故中逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，其死亡率一直高居不下。巷道頂板冒落破壞形式多樣，機理各異，缺乏全面系統(tǒng)的研究。頂板穩(wěn)定性控制技術(shù)可移植性差頂板整體垮落 頂板局部冒落支護體銹蝕 棚架充填不密實錨桿失效綜合各項研究成果提出通用性較強的頂綜合各項研究成果提出通用性較強的頂板穩(wěn)定性控制技術(shù)。板穩(wěn)定性控制技術(shù)。根據(jù)物理實驗

2、建立了頂板冒落破壞的根據(jù)物理實驗建立了頂板冒落破壞的定量判定模型；定量判定模型；在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上基于破壞機理對在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上基于破壞機理對冒頂類型進行分類；冒頂類型進行分類；項目創(chuàng)新點項目進展2013年4月：國內(nèi)外文獻查詢；2013年5月-2013年8月：煤礦頂板冒落破壞模式調(diào)研及分類；2013年9月：試驗方案設(shè)計，同時邀請相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍Ψ桨高M行評閱修改；2013年10月-2013年11月：試驗材料購買，磨具加工，測試儀器租賃；2013年12月-2014年4月：室內(nèi)試驗研究；2014年5月-2014年6月：試驗數(shù)據(jù)處理；2014年7月-2014年8月：破壞機理的力學(xué)分析及推導(dǎo)；2014年

3、9月-2014年11月：數(shù)值模擬研究；2014年12月：將理論計算、數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗得出的成果進行歸納總結(jié)；2015年1月-2015年2月：撰寫學(xué)術(shù)論文進行發(fā)表；2015年2月-2015年3月：編寫研究報告和結(jié)題報告；2015年4月：成果匯報，課題內(nèi)容答辯。因素誘導(dǎo)型因素誘導(dǎo)型：由于局部軟弱巖層引起，少部分松動、冒落逐漸擴大；應(yīng)力、巖性、蠕變和松弛、局部支護體失效；支護滯后型支護滯后型：由于設(shè)計、施工等原因致使支護作用見效慢或，如架棚充填不密實、錨網(wǎng)預(yù)緊力施加不及時等設(shè)計欠缺型設(shè)計欠缺型：支護設(shè)計不合理，造成支護體整體垮落，尤其是在層狀復(fù)合頂板，錨桿長度小于不穩(wěn)定巖層厚度擠出推垮型擠出推垮型

4、：主要發(fā)生在掘進工作面，由于沿巷道走向水平應(yīng)力較大，巖體強度底、裂隙發(fā)育、整體不穩(wěn)，擠出巖體推到臨時支護，引起大面積冒頂。2013年5月-2013年8月：煤礦頂板冒落破壞模式調(diào)研及分類2013年9月：試驗方案設(shè)計，同時邀請相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍Ψ桨高M行評閱修改40m，頂板下沉102m，頂板裂縫、底臌、炸幫盤區(qū)回風(fēng)巷5 51 12 20 04 421204212022120628m，頂板下沉、冒落嚴重36m，頂板下沉坍塌，支護失效小窯煤柱盤區(qū)皮帶巷盤區(qū)運輸巷81204工作面81202工作面采空區(qū)81206工作面1#煤柱2#煤柱3#煤柱 以山西同煤集團四臺礦14#層51204層狀頂板煤巷為研究對象，通過物

5、理試驗研究，再現(xiàn)采動過程中煤柱下方巷道頂板冒落破壞過程，分析上述過程中圍巖內(nèi)部的應(yīng)力變化，找出該類頂板冒落破壞的規(guī)律，為該類工程問題的預(yù)防和治理提供參考。1.88-2.861.814.150.836.12.198.490-1.3712-2#層，局部尖滅。中砂巖3.66-9.911.68-10.150.30-3.730.15-23.945.966.7912.8923.5715.08灰白色，水平層理發(fā)育，局部有白色中砂巖，夾煤線。砂巖頁巖互層煤煤砂巖頁巖互層煤12-1#層，局部與11-2合并?；疑缴罨疑瑤r性變化復(fù)雜，局部變厚為中砂砂巖，局部夾煤線。14-2#層，煤層中夾石變化較大。灰色到灰白色

6、，局部為中粗砂巖。細砂巖侏羅系中統(tǒng)大同組灰白色到灰色，厚度變化極大，局部為砂頁巖互層。1.88-2.861.810.00巖石名稱巖 性 描 述平均(m)最小-最大柱狀1：200累厚(m)時代巷綜合地質(zhì)柱狀圖 655509009009005501300400181700左 旋 無 縱 筋螺 紋 鋼 錨 桿菱 形 金 屬 網(wǎng)37001700W型 鋼 帶32002204181800左 旋 無 縱 筋螺 紋 鋼 錨 桿間 排 距:900100017.84000鋼 絞 線間 排 距:13002000181800左 旋 無 縱 筋螺 紋 鋼 錨 桿肩 角 錨 桿 ， 排 距 ：200026001250排

7、間 距 ：125011003800巷初始支護斷面圖實驗方案設(shè)計試驗系統(tǒng)設(shè)計試驗臺的選取與改進圍巖環(huán)境的相似計算應(yīng)力環(huán)境相應(yīng)力環(huán)境相似計算似計算巖石參數(shù)相巖石參數(shù)相似計算似計算實驗內(nèi)容設(shè)計相似材料的制備巖石相似材料支護相似材料測試系統(tǒng)建立應(yīng)力測量位移測量數(shù)據(jù)模擬模型澆筑實驗方案設(shè)計試驗系統(tǒng)設(shè)計試驗臺的選取與改進圍巖環(huán)境的相似計算應(yīng)力環(huán)境相應(yīng)力環(huán)境相似計算似計算巖石參數(shù)相巖石參數(shù)相似計算似計算實驗內(nèi)容設(shè)計相似材料的制備巖石相似材料支護相似材料測試系統(tǒng)建立應(yīng)力測量位移測量模型澆筑2013年12月-2014年4月：室內(nèi)試驗研究圖3-5 WYQ1000I型地下工程綜合模擬試驗系統(tǒng) 由于長時間疲勞荷載作用

8、，該實驗系統(tǒng)前后加強擋板（靠近有機玻璃這側(cè)為前）及有機玻璃擋板塑性變形較大，已不適合后續(xù)研究的需要，因此需要重新對其進行設(shè)計改造。實驗設(shè)備改進(1) 透明擋板的選取：透明擋板的選?。簩⒂袡C玻璃板換成15mm厚度的PC耐力板(2) 前加強擋板前加強擋板(3) 后加強擋板后加強擋板(2) 前加強擋板前加強擋板 盡管PC耐力板在強度方面比原透明擋板有了大幅度提升，但在實驗過程中，其剛度仍然較弱，為此還需增設(shè)加強擋板，為了增加模型的可觀測面積，前加強擋板采用“厚鋼板+方形肋”進行設(shè)計，鋼板厚20mm，方形肋邊長40mm，中部為空，以便觀察模型的變形和破壞過程，肋與鋼板采用全縫焊接，模型可觀測面積0.8

9、096m2，占總面積的80.96%，約為原系統(tǒng)的4倍，詳細尺寸如圖3-6所示，三維視圖和加工完成后實物如圖3-7所示。33533033525310330485150210 4050040 21015015060405004016015011501300505011221604020100100100(a) 平面圖 60405002018015016020601-12104050040210150150115013002040602-24040(b) 1-1剖面 (c) 2-2剖面圖3-6 前加強擋板設(shè)計圖(a) 三維視圖 (b) 實物圖圖3-7 前加強擋板三維圖(3) 后加強擋板后加強擋板 在

10、對后擋板進行設(shè)計時，主要考慮其自身重量和多用途性，為了減輕后加強擋板的重量，采用“薄鋼板+高抗彎肋”的設(shè)計思路，鋼板厚度10mm，抗彎肋為14#工字鋼（相鄰兩肋間利用10mm厚鋼板進行加強，以增加其整體性），二者之前同樣采用全縫焊接，詳細尺寸如圖3-8所示。為了增加后擋板的多用性，在板中部開設(shè)兩個切槽，切槽內(nèi)部通過A1、A2、B1、C1和D1五種組塊填充，各結(jié)構(gòu)彼此獨立，根據(jù)實驗需要可將任何一個部分拆開進行巷道開挖或采場回采工作，A系列均為正方形，邊長均為B系列和C系列高度的2倍，且各切槽均關(guān)于各自水平和垂直中軸對稱，故新系統(tǒng)可以實現(xiàn)54種不同的巷道或采場模擬研究工作，三維及實物如圖3-9。1

11、010203-3435330435253103303351504451039010445806080275803701150A1A2A3A4A5B1B2C1C220550501300后擋板45020050050030010020020014#工字鋼14#工字鋼14#工字鋼33(a) 平面圖 1010203-3435330435253103303351504451039010445806080275803701150A1A2A3A4A5B1B2C1C220550501300后擋板45020050050030010020020014#工字鋼14#工字鋼14#工字鋼33 (b) 3-3剖面A1A2A

12、1B1B1D1D150505040208020802040202050505030025252550252525200152030203020302015M8(c) 中切槽A1A1C1C1D1152030203020302015252525502525505050502040208020402020020025 (d) 邊切槽三維視圖 實物圖(a) 前加強擋板 (b) 后加強擋板擋板變形計算結(jié)果（利用ANSYS）實驗方案設(shè)計試驗系統(tǒng)設(shè)計試驗臺的選取與改進圍巖環(huán)境的相似計算應(yīng)力環(huán)境相應(yīng)力環(huán)境相似計算似計算巖石參數(shù)相巖石參數(shù)相似計算似計算實驗內(nèi)容設(shè)計相似材料的制備巖石相似材料支護相似材料測試系統(tǒng)建

13、立應(yīng)力測量位移測量模型澆筑圍巖環(huán)境的相似計算 通過模型試驗再現(xiàn)實際工程的物理現(xiàn)象是巖土工程中一種非常重要研究手段，在此過程中，模型材料、形狀以及所施加的荷載等參數(shù)必須符合一定的規(guī)律，這個規(guī)律則為相似準(zhǔn)則。根據(jù)實際工程，使抗壓強度、彈模、重度、泊松比、抗拉及抗剪強度等主要參數(shù)達到相似。定義實際工程P和物理模型M之間同一量綱的物理量比值為相似比，其他有關(guān)參數(shù)物理量表示方法見表3-1，各參數(shù)滿足的相似準(zhǔn)則見式(3-1)式(3-3)。字母含義字母含義C相似比f摩擦系數(shù)L長度內(nèi)摩擦角位移c粘聚力E彈性模量C應(yīng)力相似比泊松比C容重相似比應(yīng)力CL幾何相似比t抗拉強度C位移相似比c抗壓強度CE彈性模量相似比應(yīng)

14、變C應(yīng)變相似比容重表3-1 物理模型參數(shù)表示及含義LLECC CCC CCC C1111fCCCC，tcEXcCCCCCC (3-1) (3-2) (3-3)模型試驗相似律計算結(jié)果實驗方案設(shè)計試驗系統(tǒng)設(shè)計試驗臺的選取與改進圍巖環(huán)境的相似計算應(yīng)力環(huán)境相應(yīng)力環(huán)境相似計算似計算巖石參數(shù)相巖石參數(shù)相似計算似計算實驗內(nèi)容設(shè)計相似材料的制備巖石相似材料支護相似材料測試系統(tǒng)建立應(yīng)力測量位移測量模型澆筑相似材料的制備 考慮本次物理模擬的主要目的是對模型內(nèi)圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律及變形破壞特征的研究，以抗壓強度作為主要指標(biāo)選取各圍巖的模型材料。經(jīng)過多年的應(yīng)用和總結(jié)，課題組制備了以河沙為骨料、石蠟為膠結(jié)材料的類巖石材料

15、，通過改變河沙和石蠟的質(zhì)量比來模擬巖石，取得了較好的成果，因此本課題采用河沙和石蠟來制備實驗所需類巖石材料。 初步設(shè)計了4種配比，為100:2、100:4、100:6、100:8，根據(jù)國際巖石力學(xué)會(ISRM)試驗規(guī)程中的要求制作50mm100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，用于抗壓強度的測定。利用江都市天源試驗機械有限公司生產(chǎn)的TY8000型萬能材料試驗機進行單軸抗壓強度測試，加載速度0.5mm/min。(a) 石蠟染色劑 (b) 固結(jié)壓密 (c) 試樣成品(d) 單軸實驗 (e) 試樣破壞(f) 破壞形態(tài)單軸壓縮試驗標(biāo)樣制作及實驗過程(a) 100:4 (b) 100:6單軸實驗典型應(yīng)力應(yīng)變曲線類巖石

16、材料單軸抗壓強度與石蠟含量的關(guān)系 根據(jù)實驗計算可以選河沙、石蠟和染色劑質(zhì)量比為100:6:0的混合材料來模擬中砂巖。對于煤、頁巖、細砂巖三種巖層，分別添加黑色、藍色和紅色染色劑，加以區(qū)分，由于染色劑加入后會提高材料的單軸抗壓強度，因此，在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上酌量減小石蠟的含量，進行加染色劑后的試配實驗，最終，選擇100:3.5:0.33(黑)、100:3:0.33(藍)和100:6:0.33(紅)三種類巖石材料模擬煤、頁巖和細砂巖。(a) 模型支護錨桿和錨索 (b) 實驗后錨桿及金屬網(wǎng)模型巷道支護結(jié)構(gòu)實驗方案設(shè)計試驗系統(tǒng)設(shè)計試驗臺的選取與改進圍巖環(huán)境的相似計算應(yīng)力環(huán)境相應(yīng)力環(huán)境相似計算似計算巖石參

17、數(shù)相巖石參數(shù)相似計算似計算實驗內(nèi)容設(shè)計相似材料的制備巖石相似材料支護相似材料測試系統(tǒng)建立應(yīng)力測量位移測量模型澆筑應(yīng)力測量應(yīng)力測量 在應(yīng)力監(jiān)測方面，課題組自行設(shè)計并制作的單元應(yīng)力計能很好的監(jiān)測圍巖內(nèi)部應(yīng)力的變化過程。將聚氨酯板切割成20mm20mm20mm的立方體小塊，在其對角相鄰的三個面貼三個電阻應(yīng)變計(45應(yīng)變花)構(gòu)成單元應(yīng)力計，應(yīng)變花規(guī)格為B120-3CA(柵長柵寬=32mm)，應(yīng)力計結(jié)構(gòu)如圖 了減小應(yīng)變計傳輸線對模型的影響，本課題研究過程中利用0.5mm漆包銅線代替先前常用的排線，最終應(yīng)變計如圖3-16(b)所示，共制作了25個應(yīng)變計，結(jié)合Datataker、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、計算機等組成

18、實時監(jiān)測的應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，如圖(a) 標(biāo)定過程 (b) 標(biāo)定曲線聚氨酯材料彈性模量標(biāo)定(b) 單元應(yīng)力計整體(a) 單元應(yīng)力計個體單元應(yīng)力計應(yīng)力實時監(jiān)測系統(tǒng) 位移測量位移測量 位移測量方面利用課題組自行研發(fā)的數(shù)字照相量測技術(shù)，該技術(shù)通過數(shù)碼相機獲得觀測目標(biāo)的數(shù)字圖像后，經(jīng)PhotoInfor和PostViewer等圖像處理與分析軟件對觀測目標(biāo)的變形破壞特征進行分析研究，能真實再現(xiàn)試驗過程中頂板冒落破壞的全過程。位移實時監(jiān)測系統(tǒng)實驗方案設(shè)計試驗系統(tǒng)設(shè)計試驗臺的選取與改進圍巖環(huán)境的相似計算應(yīng)力環(huán)境相應(yīng)力環(huán)境相似計算似計算巖石參數(shù)相巖石參數(shù)相似計算似計算實驗內(nèi)容設(shè)計相似材料的制備巖石相似材料支護相似材

19、料測試系統(tǒng)建立應(yīng)力測量位移測量模型澆筑模型澆筑模型澆筑 根據(jù)相似理論，計算模型各層厚度及類巖石材料的用量，實驗過程中，根據(jù)各巖層質(zhì)量的大小來控制巖層的厚度，自下往上，共分19層。層號巖性配比顏色厚度/mm寬度/mm深度/mm密度/kg/m3質(zhì)量/kg1細砂巖100:6:0.33(紅)紅色20010502501533.6980.522中砂巖100:6:0沙色20010502501513.0379.433煤100:3.5:0.33(黑)黑色729002501579.9925.604頁巖100:3:0.33(藍)藍色209002501558.527.015中砂巖100:6:0沙色4010502501

20、513.0315.896頁巖100:3:0.33(藍)藍色2010502501558.528.187中砂巖100:6:0沙色4010502501513.0315.898頁巖100:3:0.33(藍)藍色2010502501558.528.189中砂巖100:6:0沙色2810502501513.0311.1210煤100:3.5:0.33(黑)黑色3210502501579.9913.2711中砂巖100:6:0沙色4010502501513.0315.8912頁巖100:3:0.33(藍)藍色2010502501558.528.1813中砂巖100:6:0沙色4010502501513.0315.8914頁巖100:3:0.33(藍)藍色2010502501558.528.1815中砂巖100:6:0沙色4010502501513.0315.8916頁巖100:3:0.33(藍)藍色2010502501558.528.1817中砂巖100:6:0沙色4010502501513.0315.8918頁巖100:3:0.33(藍)藍色2010502501558.528.1819煤100:3.5:0.33(黑)黑色8810502501579.9936.50 根據(jù)表