神東孫家溝煤礦巷道支護模擬實驗

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1概況

池家溝煤礦位于山西省保德縣境內，主要開采8^#煤層，煤層厚度7.05m，頂板為砂質泥巖，底板為細粒砂巖。該礦為盡快建成高產高效礦井，在8^#煤層布置一個綜采工作面，綜采工作面連采道原支護方式為錨桿一錨索聯合支護，巷道寬5.0m，高3.3m，在掘進連巷時遇一長達300m的背斜，在背斜區域內，巷道頂板冒落嚴重，冒高達4~5m，表現為錨桿一錨索支護不久即冒落，冒落巖層呈鱗片狀，嚴重影響工程正常施工。

2模型制作

針對上述問題，在室內進行相似材料模擬試驗，以便確定合理支護方式。本試驗設計了兩個模型，即錨桿一錨索超前支護和工字鋼支架支護。

2.1 模擬條件

（1） 煤層及頂底板巖層力學指標，見表1。

表1 煤層及頂底板巖層力學指標

巖層名稱

厚度/m

巖石強度/MPa

備 注

б_壓

б_拉

砂質泥巖

11.20

44.25

3.38

節理、層理明顯

8^#

7.05

3.62

1.54

復合煤層，夾石1.21m

細粒砂巖

7.67

49.50

4.01

節理、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 模型基本參數確定

（1） 長度比：α_L=L_H/L_M=20

（2） 強度比：α_б=б_H/б_M=ρ_H/ρ_M·αL=36

(3) 時間比：

(4) 煤層及頂底板強度換算：見表2。

表2 煤層及頂底板強度換算表

巖層名稱

巖層厚度

巖層強度/MPa

材料強度/MPa

材料配比

L_H

L _M

σ_壓

σ_拉

σ_壓

σ_拉

砂質泥巖

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）支護方式布置。錨桿一錨索選擇超前支護布置，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 錨桿一錨索支護方式布置。

工字鋼支架支護棚間距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，因為搗固模型具有完整性好，相似材料強度易于保持，位移測量方便等優點。

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理時，采用云母粉和石英砂作為分層界限，節理采用人工在模型上制作成垂直或斜交的節理裂隙，并在界面上放入適量的云母粉和石英砂。

2.4 模型觀測

（1）工字鋼支架支護模型測得頂板下沉量為0.4cm（原型8cm）。頂板完整良好，無破壞痕跡，見圖3。



圖3工字鋼支架支護頂板變化情況

（2）錨桿一錨索超前支護，頂板斷裂高度20cm（原型400cm）。直接頂破壞較嚴重，見圖4。



圖4 錨桿——錨索超前支護頂板破壞情況

3結論

（1）工字鋼支架支護能及時地的支護新暴露的巷道頂板，可使連采機不退機就架設支架，使新掘巷道頂板完整，故在背斜區域采用工字鋼支架支護是可行的。

（2）錨桿一錨索超前支護原支護方式相比，解決了頂板局部隨掘隨冒的缺點，頂板破壞及冒落情況有所好轉。但與工字鋼支架支護相比，頂板斷裂和局部冒落還是較嚴重的，隨著巷道使用的時間的增長，頂板破壞和冒落情況會更加嚴重。

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