大比例巷道锚杆支护相似模拟试验研究

发布时间：2017-10-11 14:35

  本文关键词：大比例巷道锚杆支护相似模拟试验研究

  更多相关文章： 相似模拟试验台 力学性能 监测系统 局部区域 声发射 支护阻力

【摘要】：本文运用煤炭科学研究总院研制的锚杆支护模型试验台,采用实验室试验与相似模拟试验相结合的方法,开展了顶板模型与模拟锚杆支护材料物理力学性能实验,并系统介绍了试验监测系统,最后对两架不同类型顶板模型进行了相似模拟试验,取得以下研究成果：(1)试验台能够对尺寸2600mm×2000mm×1000mm的顶板模型进行几何相似比为1：2的相似试验,试验台液压加载系统能实现真三轴加载,垂直向最大加载能力为15000kN；(2)开发出一套适合大比例巷道锚杆支护模型试验台相似实验用的模拟锚杆支护材料。(3)开发出一套大比例巷道相似模拟试验的监测系统,包括锚杆受力、钢带受力、顶板下沉与离层、模型内部应变变化、模型内部裂隙变化动态监测、模型底部裂缝变化等。(4)由两架不同类型顶板模型相似模拟试验,得出结论如下：①顶板内部发育有大量微小节理裂缝与层理面时,顶板最终抵抗变形破坏能力大大降低,顶板纵向裂缝扩展受顶板大范围离层、原生裂缝张开与延伸多因素协同作用影响,向顶部延伸距离大大减小；②模型二呈现多种形式、大范围、整体破坏,模型破坏在预留裂缝及层理面基础上逐步扩展延伸,采用支护手段控制原生裂隙扩展与层理面张开,是此类顶板支护成败的关键。模型一呈现单一形式、小范围、局部区域破坏,控制顶板理论弱面的产生、扩展及延伸,是此类顶板支护成败的关键；③声发射准确监测到底部初始裂缝产生的位置、扩展路径及向顶部延伸高度,并能够及时、客观的反映模型内部破坏产生的时机以及破坏的严重程度；④对于完整性好的顶板,锚杆只对破坏区域局部顶板围岩起作用,锚杆支护的作用主要是控制理论弱面的产生及扩展延伸；对于完整性较差的顶板,顶板在原生裂隙与层理面的基础上逐步破坏,锚杆支护的作用是将顶板加固呈一个整体进行承载,控制顶板的进一步变形破坏,锚杆个体与整体支护作用得到充分发挥。⑤钢带对整体逐步变形的顶板作用不明显,对下沉变化极不均匀的顶板,钢带随顶板整体变形,能够迅速增大支护阻力,抑制顶板进一步变形破坏⑥锚杆、钢带在顶板不协调变形破坏作用下随顶板整体变形,能够及时的增大支护阻力,抑制顶板不协调变形破坏的进一步扩展。
【关键词】：相似模拟试验台 力学性能 监测系统 局部区域 声发射 支护阻力
【学位授予单位】：煤炭科学研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD353.6
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-31
• 1.1 选题意义10-11
• 1.2 研究现状11-27
• 1.2.1 相似三定理11-12
• 1.2.2 地质力学模拟相似条件12-13
• 1.2.3 国外研究现状13
• 1.2.4 国内研究现状13-27
• 1.2.4.1 模型试验台研究现状13-17
• 1.2.4.2 煤矿巷道相似模拟试验研究17-27
• 1.3 存在的问题27-28
• 1.4 主要研究内容28
• 1.5 研究方法和技术路线28-30
• 1.5.1 研究方法28-29
• 1.5.2 技术路线29-30
• 1.6 预期成果30-31
• 2 大比例巷道锚杆支护相似模型试验台31-39
• 2.1 大比例巷道锚杆支护相似模型试验台31-32
• 2.2 承载系统32-34
• 2.2.1 纵向主体承载框架32-33
• 2.2.2 水平反力框架33
• 2.2.3 水平反力框架升降系统33
• 2.2.4 试验台与地面连接系统33-34
• 2.3 液压加载系统34-36
• 2.3.1 液压加载系统构成34-36
• 2.3.2 液压加载系统加载能力36
• 2.4 远程控制台36-37
• 2.5 本章小结37-39
• 3 巷道顶板和锚杆支护相似材料及其力学性能试验39-60
• 3.1 相似比设计39-40
• 3.2 顶板模型设计及其力学性能试验40-51
• 3.2.1 顶板模型设计40-43
• 3.2.1.1 原型巷道顶板40-41
• 3.2.1.2 模型巷道顶板设计41-43
• 3.2.2 顶板模型材料配比43-44
• 3.2.3 设计顶板模型力学性能试验44-50
• 3.2.3.1 抗压强度试验44-46
• 3.2.3.2 弹性模量、泊松比试验46-49
• 3.2.3.3 模型试验结束后取样力学性能试验49-50
• 3.2.4 水泥砂浆配比材料相似性50-51
• 3.3 锚杆支护材料设计与力学性能试验51-59
• 3.3.1 锚杆杆体设计与力学性能试验51-54
• 3.3.1.1 锚杆杆体设计51-52
• 3.3.1.2 锚杆杆体力学性能试验52-54
• 3.3.2 模拟钢带设计与力学性能试验54-56
• 3.3.2.1 模拟钢带设计54
• 3.3.2.2 铝钢带力学性能试验54-56
• 3.3.3 模拟托盘、螺母设计56-57
• 3.3.3.1 模拟托盘设计56
• 3.3.3.2 模拟螺母设计56
• 3.3.3.3 螺母、托盘与锚杆匹配性试验56-57
• 3.3.4 模拟经纬网设计57-58
• 3.3.5 模拟支护材料相似性58-59
• 3.4 本章小结59-60
• 4 锚杆支护顶板模型制作及模型试验方案60-77
• 4.1 顶板模型制作方法60-64
• 4.1.1 顶板模型铺设装置60-61
• 4.1.2 模型制作工艺流程61-62
• 4.1.3 模型制作步骤62-64
• 4.2 锚杆支护材料安装64-67
• 4.2.1 预留锚杆孔与离层孔64-65
• 4.2.2 锚杆锚固65-67
• 4.2.3 支护材料安装67
• 4.3 试验监测系统67-74
• 4.3.1 锚杆受力监测67-68
• 4.3.2 钢带受力监测68-69
• 4.3.3 顶板下沉监测69-70
• 4.3.4 顶板离层监测70-71
• 4.3.5 模型内部应变变化监测71-73
• 4.3.5.1 应变块制作71-72
• 4.3.5.2 应变块数据采集72
• 4.3.5.3 应变块布置72-73
• 4.3.6 模型裂隙监测73-74
• 4.3.6.1 摄像头模型底部裂隙监测73
• 4.3.6.2 声发射内部裂隙监测73-74
• 4.3.6.3 模型南北侧面裂缝监测74
• 4.4 模型试验加载方案及边界条件74-75
• 4.5 本章小结75-77
• 5 锚杆支护顶板相似模型试验结果及分析77-132
• 5.1 模型一试验结果及分析77-101
• 5.1.1 试验加载过程77-79
• 5.1.2 监测结果79-101
• 5.1.2.1 模型外部裂缝变化规律79-82
• 5.1.2.2 模型内部裂隙声发射监测82-94
• 5.1.2.3 顶板下沉94-95
• 5.1.2.4 顶板离层95-96
• 5.1.2.5 锚杆受力96-97
• 5.1.2.6 锚杆变形97-98
• 5.1.2.7 钢带应力变化98-101
• 5.2 模型二试验结果及分析101-120
• 5.2.1 试验加载过程101-103
• 5.2.2 监测结果103-120
• 5.2.2.1 模型外部裂缝扩展变化103-107
• 5.2.2.2 模型内部裂隙声发射监测分析107-110
• 5.2.2.3 顶板下沉110-113
• 5.2.2.4 顶板离层113-114
• 5.2.2.5 锚杆受力114-117
• 5.2.2.6 锚杆变形117-118
• 5.2.2.7 钢带应力变化118-120
• 5.3 两个模型试验对比分析120-130
• 5.3.1 模型变形破坏规律分析121-127
• 5.3.1.1 底部裂缝随加载逐步变化对比121-122
• 5.3.1.2 模型南北侧面裂缝对比分析122-123
• 5.3.1.3 模型内部裂缝扩展对比123-124
• 5.3.1.4 顶板下沉124-126
• 5.3.1.5 顶板离层对比分析126-127
• 5.3.2 支护构件受力变形分析127-130
• 5.3.2.1 锚杆受力分析127-129
• 5.3.2.2 锚杆变形对比分析129
• 5.3.2.3 钢带应变变化对比分析129
• 5.3.2.4 支护构件支护作用129-130
• 5.4 本章小结130-132
• 6 结论与展望132-135
• 6.1 主要结论132-133
• 6.2 创新点133
• 6.3 展望133-135
• 参考文献135-138
• 致谢138-139
• 在读期间发表的学术论文139

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本文编号：1013067