神東孫家溝煤礦巷道支護(hù)模擬實(shí)驗(yàn)
1概況
池家溝煤礦位于山西省保德縣境內(nèi)，主要開采8#煤層，煤層厚度7.05m，頂板為砂質(zhì)泥巖，底板為細(xì)粒砂巖。該礦為盡快建成高產(chǎn)高效礦井，在8#煤層布置一個(gè)綜采工作面，綜采工作面連采道原支護(hù)方式為錨桿一錨索聯(lián)合支護(hù)，巷道寬5.0m，高3.3m，在掘進(jìn)連巷時(shí)遇一長達(dá)300m的背斜，在背斜區(qū)域內(nèi)，巷道頂板冒落嚴(yán)重，冒高達(dá)4~5m，表現(xiàn)為錨桿一錨索支護(hù)不久即冒落，冒落巖層呈鱗片狀，嚴(yán)重影響工程正常施工。
2模型制作
針對(duì)上述問題，在室內(nèi)進(jìn)行相似材料模擬試驗(yàn)，以便確定合理支護(hù)方式。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩個(gè)模型，即錨桿一錨索超前支護(hù)和工字鋼支架支護(hù)。
2.1 模擬條件
（1） 煤層及頂?shù)装鍘r層力學(xué)指標(biāo)，見表1。
表1 煤層及頂?shù)装鍘r層力學(xué)指標(biāo)
巖層名稱
厚度/m
巖石強(qiáng)度/MPa
備 注
б壓
б拉
砂質(zhì)泥巖
11.20
44.25
3.38
節(jié)理、層理明顯
8#
7.05
3.62
1.54
復(fù)合煤層，夾石1.21m
細(xì)粒砂巖
7.67
49.50
4.01
節(jié)理、層理明顯
（2） 模型尺寸：1.2m×1.2m×0.2m臥式可加載平面模型架，見圖1。
圖1臥式可加載平面模型架
2.2 模型基本參數(shù)確定
（1） 長度比：αL=LH/LM=20
（2） 強(qiáng)度比：αб=бH/бM=ρH/ρM·αL=36
(3) 時(shí)間比：
(4) 煤層及頂?shù)装鍙?qiáng)度換算：見表2。
表2 煤層及頂?shù)装鍙?qiáng)度換算表
巖層名稱
巖層厚度
巖層強(qiáng)度/MPa
材料強(qiáng)度/MPa
材料配比
LH
L M
σ壓
σ拉
σ壓
σ拉
砂質(zhì)泥巖
11.20
56.0
44.25
3.38
1.229
0.094
937
8#煤層
7.05
35.5
3.62
1.54
0.101
0.043
527
細(xì)粒砂巖
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td="14276">7.67
38.4
49.50
4.10
1.376
0.111
873
注：材料選擇沙子、水泥、石膏。
（5）支護(hù)方式布置。錨桿一錨索選擇超前支護(hù)布置，見圖2。錨桿選用Ф20A3圓鋼錨桿，錨桿長2.0m，錨桿方向與巷道推進(jìn)方向夾角
50°。錨索選用屈服載荷27.0t的鋼交線，中間錨索長度為5.2m，兩幫錨索長6.0m，并以60°傾角分別向兩幫傾斜。
圖2 錨桿一錨索支護(hù)方式布置。
工字鋼支架支護(hù)棚間距1.0m，頂板要求背板。
2.3 模型的成型方式及層理和節(jié)理的模擬
目前模型成型方式有兩種，砌塊模型和搗固模型，本模型采用搗固法，因?yàn)閾v固模型具有完整性好，相似材料強(qiáng)度易于保持，位移測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)。
為使制作模型盡量與原型相似，所以在模擬巖層的層理和節(jié)理時(shí)，采用云母粉和石英砂作為分層界限，節(jié)理采用人工在模型上制作成垂直或斜交的節(jié)理裂隙，并在界面上放入適量的云母粉和石英砂。
2.4 模型觀測(cè)
（1）工字鋼支架支護(hù)模型測(cè)得頂板下沉量為0.4cm（原型8cm）。頂板完整良好，無破壞痕跡，見圖3。
圖3工字鋼支架支護(hù)頂板變化情況
（2）錨桿一錨索超前支護(hù)，頂板斷裂高度20cm（原型400cm）。直接頂破壞較嚴(yán)重，見圖4。
圖4 錨桿——錨索超前支護(hù)頂板破壞情況
3結(jié)論
（1）工字鋼支架支護(hù)能及時(shí)地的支護(hù)新暴露的巷道頂板，可使連采機(jī)不退機(jī)就架設(shè)支架，使新掘巷道頂板完整，故在背斜區(qū)域采用工字鋼支架支護(hù)是可行的。
（2）錨桿一錨索超前支護(hù)原支護(hù)方式相比，解決了頂板局部隨掘隨冒的缺點(diǎn)，頂板破壞及冒落情況有所好轉(zhuǎn)。但與工字鋼支架支護(hù)相比，頂板斷裂和局部冒落還是較嚴(yán)重的，隨著巷道使用的時(shí)間的增長，頂板破壞和冒落情況會(huì)更加嚴(yán)重。
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