基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法技术

本发明专利技术公开了基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，采用平面应力加载实验装置，所述平面应力加载实验装置包括平面模型架、法兰盘、千斤顶和支板，设置的平面应力加载实验装置组装方便，很好的模拟了高水平应力加载条件下，软岩直墙、硬岩直墙内半圆拱巷道的稳定性和结构性破裂发展规律。且基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法采用无支护实验方法和有支护实验方法，且无支护实验方法和有支护实验方法验证了高水平应力下分层支护半圆拱巷道的承载特征和结构性破裂发展规律。

【技术实现步骤摘要】
基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法
本专利技术涉及煤矿业相关
，具体涉及基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法。
技术介绍
我国煤矿已经进入深部开采阶段，虽然很多深部矿井选择在岩性强度较大区域开挖巷道，但随着而来的围岩变形失稳严重、支护失效等问题不断出现。如何掌握深部巷道变形失稳机理、控制破碎围岩稳定性，成为岩石力学研究领域的重点和难点问题之一。早在20世纪初就出现了太沙基理论和普氏压力拱理论，认为覆岩塌落拱内的松动岩体重量为作用在“围岩-支护”结构上的力。1934年新奥法主要创始人L.V.拉布采维茨，认为充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，让支护结构与围岩体形成承载环，而围岩自承能力成为承载环稳定性的决定因素。随着研究深入，越来越多的学者认为围岩发挥自身承载，在巷道稳定性维护中显得越来越重要，而支护只能承担较小部分压力，主要作用是调动围岩自身承载能力。在岩石力学与工程研究中，岩石剪切破坏是较为认可的一种巷道破坏方式，综合考虑围岩等效剪应力τrθ和剪切屈服应力τs，提出依据围岩剪应力集中区域划分围岩“关键支承层”的力学承载范围。于是，可知围岩“关键支承层”的稳定性与否，关系着整个围岩支承层平衡与否，需要“锚注”支护加强该“关键支承层”的围岩抗剪强度，以防发生剪切滑移破坏。为此，我们提出基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，用来掌握深部巷道耦合承载体失稳机理，，使得岩石力学与工程研究更具有工程应用价值。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，包括1)无支护实验方法，2)有支护实验方法，验证了高水平应力下分层支护半圆拱巷道的承载特征和结构性破裂发展规律。为了实现上述目的，本专利技术采用的基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，采用平面应力加载实验装置，所述平面应力加载实验装置包括平面模型架、法兰盘、千斤顶和支板，所述千斤顶的数量不少于六个，且千斤顶的一端均与法兰盘的一端中部固定连接，所述法兰盘通过高强度螺栓固定在平面模型架的上端和两个支板的一侧；所述基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法包括以下步骤：1)无支护实验方法，2)有支护实验方法；在1)无支护实验方法中：a.将软岩直墙1放置到所述平面应力加载实验装置内，软岩直墙的中部贯穿设有半圆拱巷道，形成软岩巷道模拟实验台，该半圆拱巷道为无支护结构；b.均匀应力场中：待各条测线布设完成后，启动千斤顶，使得水平、垂直方向的千斤顶向软岩直墙加载压力；c.待围岩稳定时，由底拱脚测线的应变片，收集测点的环向和径向应变量，接着根据模拟中软岩直墙的弹性模量，获得模拟的环向和径向应力，再根据相似比例获得真实的环向和径向应力，计算出该点等效剪应力；d.侧压系数为1.5的非均匀场中：启动千斤顶，使得水平、垂直方向的千斤顶向软岩直墙加载压力，其他实验条件同上，获得真实的环向、径向应力和等效剪应力；e.侧压系数为2的非均匀场中：启动千斤顶，使得水平、垂直方向的千斤顶向软岩直墙加载压力，其他实验条件同上，获得真实的环向、径向应力和等效剪应力；f.将步骤a中的软岩直墙更换成硬岩直墙，硬岩直墙的中部也贯穿设有半圆拱巷道，形成硬岩巷道模拟实验台，该半圆拱巷道为无支护结构；g.重复步骤b、c、d、e；在2)支护实验方法中：a.将软岩直墙放置到所述平面应力加载实验装置内，软岩直墙的中部贯穿设有半圆拱巷道，形成软岩巷道模拟实验台，该半圆拱巷道外侧依次设有第一支护层、第二支护层和第三支护层；b.重复1)无支护实验方法中的步骤c、d、e、f、g。作为上述方案的进一步优化，所述平面模型架的长度、高度和厚度分别为1.8m、1.2m和0.3m。作为上述方案的进一步优化，所述半圆拱巷道真实的宽度、高度分别为6m、5m，且半圆拱巷道模拟的宽度、高度分别为24cm、20m。作为上述方案的进一步优化，所述步骤b中，水平、垂直方向的千斤顶加载压力分别为41.143MPa、61.715MPa。作为上述方案的进一步优化，所述步骤c中，测点的环向和径向应变量分别为0.618、0.069；弹性模量E等于0.388MPa，测点模拟的环向和径向应力分别为0.240MPa、0.027MPa；测点真实的环向、径向应力和等效剪应力分别为9.0MPa、1.0MPa和5.02MPa。作为上述方案的进一步优化，所述步骤d中，水平、垂直方向的千斤顶加载压力均为61.715MPa；真实的环向、径向应力和等效剪应力分别为11.30MPa、3.00MPa和5.96MPa。作为上述方案的进一步优化，所述步骤e中，水平、垂直方向的千斤顶加载压力分别为82.286MPa、61.715MPa；真实的环向、径向应力和等效剪应力分别为13.5MPa、5.00MPa和6.96MPa。作为上述方案的进一步优化，所述步骤2)有支护实验方法中，半圆拱巷道受到的环向、径向应力和等效剪应力均小于步骤1)无支护实验方法中半圆拱巷道受到的的环向、径向应力和等效剪应力。作为上述方案的进一步优化，所述步骤1)无支护实验方法中，硬岩直墙内半圆拱巷道受到的环向、径向应力和等效剪应力均小于软岩直墙1内半圆拱巷道受到的环向、径向应力和等效剪应力。作为上述方案的进一步优化，所述步骤2)有支护实验方法中，硬岩直墙内半圆拱巷道受到的环向、径向应力和等效剪应力均小于软岩直墙内半圆拱巷道受到的环向、径向应力和等效剪应力。本专利技术的基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，具备如下有益效果：1.本专利技术的基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，设置的平面应力加载实验装置组装方便，很好的模拟了高水平应力加载条件下，软岩直墙、硬岩直墙内半圆拱巷道的稳定性和结构性破裂发展规律。2.本专利技术的基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，步骤1)无支护实验方法验证了：围压保持不变时，软岩直墙相比于硬岩直墙，软岩直墙的破裂范围和塑性流动范围大，软岩直墙的承载能力较低，支护难度较大；当侧压系数增大时，软岩直墙相比于硬岩直墙，软岩直墙承载能力的下降更加明显，软岩直墙中半圆拱巷道的帮部破裂加剧，且收敛明显，底板鼓出，顶板呈现楔形冒落，且冒落高度逐步增加，呈现严重的结构性破坏。3.本专利技术的基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，步骤2)有支护实验方法验证了：软岩直墙、硬岩直墙内的半圆拱巷道破裂不明显，仅软岩直墙内的半圆拱巷道在侧压系数为1.5、2时，出现了两帮收敛、顶板冒落，但不严重；硬岩直墙内的半圆拱巷道在侧压系数为1.5、2时，断面略微收敛。4.本专利技术的基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，步骤2)有支护实验方法中，半圆拱巷道受到的环向、径向应力和等效剪应力均小于步骤1)无支护实验方法中半圆拱巷道受到的环向、径向应力和等效剪应力，验证了高水平应力下分层支护半圆拱巷道的承载特征和结构性破裂发展规律。附图说明图1为本专利技术的软岩直墙与平面应力加载实验装置连接结构示意图；图2为本专利技术的硬岩直墙结构示意图。图中：软岩直墙1、硬岩直墙11、平面模型架2、法兰盘3、千斤顶4、支板5、半圆拱巷道6。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，其特征在于，采用平面应力加载实验装置，所述平面应力加载实验装置包括平面模型架(2)、法兰盘(3)、千斤顶(4)和支板(5)，所述千斤顶(4)的数量不少于六个，且千斤顶(4)的一端均与法兰盘(3)的一端中部固定连接，所述法兰盘(3)通过高强度螺栓固定在平面模型架(2)的上端和两个支板(5)的一侧；所述基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法包括步骤：1)无支护实验方法；在1)无支护实验方法中：a.将软岩直墙(1)放置到所述平面应力加载实验装置内，软岩直墙(1)的中部贯穿设有半圆拱巷道(6)，形成软岩巷道模拟实验台，该半圆拱巷道(6)为无支护结构；b.均匀应力场中：待各条测线布设完成后，启动千斤顶(4)，使得水平、垂直方向的千斤顶(4)向软岩直墙(1)加载压力；c.待围岩稳定时，由底拱脚测线的应变片，收集测点的环向和径向应变量，接着根据模拟中软岩直墙(1)的弹性模量，获得模拟的环向和径向应力，再根据相似比例获得真实的环向和径向应力，计算出该点等效剪应力；d.侧压系数为1.5的非均匀场中：启动千斤顶(4)，使得水平、垂直方向的千斤顶(4)向软岩直墙(1)加载压力，其他实验条件同上，获得真实的环向、径向应力和等效剪应力；e.侧压系数为2的非均匀场中：启动千斤顶(4)，使得水平、垂直方向的千斤顶(4)向软岩直墙(1)加载压力，其他实验条件同上，获得真实的环向、径向应力和等效剪应力；f.将步骤a中的软岩直墙(1)更换成硬岩直墙(11)，硬岩直墙(11)的中部也贯穿设有半圆拱巷道(6)，形成硬岩巷道模拟实验台，该半圆拱巷道(6)为无支护结构；g.重复步骤b、c、d、e。...

【技术特征摘要】
1.基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，其特征在于，采用平面应力加载实验装置，所述平面应力加载实验装置包括平面模型架(2)、法兰盘(3)、千斤顶(4)和支板(5)，所述千斤顶(4)的数量不少于六个，且千斤顶(4)的一端均与法兰盘(3)的一端中部固定连接，所述法兰盘(3)通过高强度螺栓固定在平面模型架(2)的上端和两个支板(5)的一侧；所述基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法包括步骤：1)无支护实验方法；在1)无支护实验方法中：a.将软岩直墙(1)放置到所述平面应力加载实验装置内，软岩直墙(1)的中部贯穿设有半圆拱巷道(6)，形成软岩巷道模拟实验台，该半圆拱巷道(6)为无支护结构；b.均匀应力场中：待各条测线布设完成后，启动千斤顶(4)，使得水平、垂直方向的千斤顶(4)向软岩直墙(1)加载压力；c.待围岩稳定时，由底拱脚测线的应变片，收集测点的环向和径向应变量，接着根据模拟中软岩直墙(1)的弹性模量，获得模拟的环向和径向应力，再根据相似比例获得真实的环向和径向应力，计算出该点等效剪应力；d.侧压系数为1.5的非均匀场中：启动千斤顶(4)，使得水平、垂直方向的千斤顶(4)向软岩直墙(1)加载压力，其他实验条件同上，获得真实的环向、径向应力和等效剪应力；e.侧压系数为2的非均匀场中：启动千斤顶(4)，使得水平、垂直方向的千斤顶(4)向软岩直墙(1)加载压力，其他实验条件同上，获得真实的环向、径向应力和等效剪应力；f.将步骤a中的软岩直墙(1)更换成硬岩直墙(11)，硬岩直墙(11)的中部也贯穿设有半圆拱巷道(6)，形成硬岩巷道模拟实验台，该半圆拱巷道(6)为无支护结构；g.重复步骤b、c、d、e。2.根据权利要求1所述的基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，其特征在于，所述基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，还包括步骤：2)有支护实验方法；在2)有支护实验方法中：a.将软岩直墙(1)放置到所述平面应力加载实验装置内，软岩直墙(1)的中部贯穿设有半圆拱巷道(6)，形成软岩巷道模拟实验台，该半圆拱巷道(6)外侧依次设有第一支护层、第二支护层和第三支护层；b.重复1)无支护实验方法中的步骤c、d、e、f、g。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭瑞，朱建明，欧阳振华，赵启峰，陈莞阳，王一哲，王柳茜，方媚龄，谭林斌，姜士源，董秋琪，邹文栋，
申请(专利权)人：华北科技学院，
类型：发明
国别省市：河北,13