混凝土支柱力学性能研究及在回撤通道支护中的应用.pdf

分类号分类号 学校代码学校代码 U D C 密密 级级 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文 混凝土支柱力学性能研究及在回撤通道支混凝土支柱力学性能研究及在回撤通道支 护中的应用护中的应用 Study on Mechanical Properties of Pumpable Roof Supports and Their Application in Recovery Room 研研 究究 生生 王志超王志超 导导 师师 康红普康红普 研究员研究员 学科专业学科专业 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向 巷道矿压理论与支护技术巷道矿压理论与支护技术 培养单位培养单位 煤科总院开采设计研究分院煤科总院开采设计研究分院 煤炭科学研究总院 2015 年 5 月 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 本文以何家塔煤矿 50103 工作面预掘回撤通道为工程背景，采用现场调研、实验 室试验和井下试验相结合的方法，开展了混凝土支柱材料的物理力学性能测试，混凝 土支柱力学性能的相似材料模拟试验， 混凝土支柱支护预掘回撤通道的井下试验及矿 压监测，取得以下研究成果 （1）混凝土支柱材料包括混凝土、充填袋及接顶材料。 混凝土单轴抗压强度为 37.23MPa，弹性模量为 26.67GPa，泊松比为 0.16；充填袋布 料的径向、纬向抗拉强度分别为 68kN/m、91.4kN/m，接缝强度仅能达到布料强度的 51；中密度板作为接顶材料，最大压缩率达 45.9。 （2）充填袋对混凝土支柱最大 支护能力没有明显的提升作用，但其力学性能显著影响支柱的残余承载能力；随着混 凝土强度的提高，支柱最大支护能力占混凝土强度的比例也会随之增加，而充填袋对 支柱最大支护能力的提升作用则越来越弱。 （3）混凝土支柱的接顶材料需提供足够的 变形以保证支柱不会因顶板下沉而发生脆性破坏， 同时又不能变形量过大而导致巷道 顶底板移近量过大。 （4）工作面距主回撤通道 60m 以内时，随着工作面的推进，主 回撤通道两侧煤柱应力、帮锚杆受力不断升高，顶板开始缓慢下沉；工作面距回撤通 道 5m6m 时， 工作面剩余煤柱发生失稳， 外侧煤柱应力、 帮锚杆受力很快达到峰值， 并有不同程度下降， 回撤通道内其它支护体的受力开始快速增加， 顶板下沉速度加快； 工作面贯通后，各支护体的受力趋于稳定；切割混凝土支柱对各支护体的受力有一定 影响，但表现出很大差异。 （5）井下试验取得成功，并初步总结出了一套混凝土支柱 施工工艺，显著提高了设备的回撤速度。 关键词关键词预掘回撤通道；混凝土支柱；力学性能；测试；井下试验；矿压显现特征 万方数据 II Abstract This paper takes the pre-driven recovery room of 50103 longwall face in Hejiata mine as engineering background, combined with the s of site investigation, laboratory tests and underground trial, carries out mechanical properties tests of pumpable roof supports and their materials, underground trial of pumpable roof supports applied to pre-driven recovery room and ground pressure monitoring, and achieves the following conclusions 1Materials of pumpable roof supports include concrete, containment bags and roof-contacted stuff. Uniaxial compressive strength, elastic modulus and Poissons ratios of the concrete are 37.23MPa, 26.67GPa and 0.16 respectively; radial and zonal tensile strength of containment bag are 68kN/m and 91.4kN/m respectively, however, seam strength can only reach 51 of the fabric strength; as roof-contacted material, MDFMedium-density fiberboard can reach the maxinmum compression ratio of 45.9. 2Containment bag can not improve the maximum support load of pumpable roof support markedly, but its mechanical properties significantly affect the residual load capacity of pumpable roof support; with the improvement of concrete strength, the proportion of maximum support load accounts for concrete strength will also increase, while the promotion effect of containment bag is getting weaker. 3To prevent brittle failure of supports which could caused by roof subsidence, the roof-contacted part must provide sufficient yielding to permit convergence of roof and floor, but not over yielding where the total convergence will be excessive. 4When the longwall face is 60m away from recovery room, with the advancement of longwall face, the vertical stress in coal pillars on both sides of recovery room and the stress of side bolts continue to increase, and the roof begin slowly subsiding; when the longwall face is 5m6m away from recovery room, the panel fender lose stability, the vertical stress of the outby pillar and the stress of side bolts will peak soon, then decline in varying degrees, while the stress of other supports in recovery room and the velocity of roof subsidence begin to increase rapidly; after the longwall face advances into pre-driven recovery room, the stress of all supports tend to be stable; the removal of pumpable roof supports has some influence on the stress of other supports, but the influence exhibit vary widely on different supports. 5The underground trial is successful, and preliminary summed up a set of construction technology of pumpable roof supports, significantly improved the speed of equipment recovery. Keywords pre-driven recovery room; pumpable roof supports; mechanical properties; tests; underground trial; characteristic of strata behavior 万方数据 III 目目 录录 1 绪论绪论 1 1.1 选题意义选题意义 1 1.2 研究现状研究现状 3 1.2.1 国外研究现状 3 1.2.1.1 混凝土支柱的性能 3 1.2.1.2 现场应用研究 6 1.2.2 国内研究现状 12 1.2.2.1 国内回撤通道支护技术 12 1.2.2.2 国内混凝土支柱的应用 12 1.3 存在问题存在问题 13 1.4 主要研究内容主要研究内容 14 1.5 研究方法和技术路线研究方法和技术路线 14 1.5.1 研究方法 14 1.5.2 技术路线 15 1.6 预期成果预期成果 16 2 混凝土支柱力学性能的实验室试验研究混凝土支柱力学性能的实验室试验研究 17 2.1 混凝土力学性能测试混凝土力学性能测试 17 2.1.1 试验材料 17 2.1.2 抗压强度试验 18 2.1.2.1 试验仪器与设备 18 2.1.2.2 试验过程 19 2.1.3.3 试验结果 20 2.1.3 弹性模量试验 20 2.1.3.1 试验仪器与设备 20 2.1.3.2 试验过程 21 2.1.3.3 试验结果 21 2.2 充填袋力学性能测试充填袋力学性能测试 23 2.2.1 试验材料与试验设备 23 2.2.2 径向抗拉强度 23 2.2.3 纬向抗拉强度 24 2.2.4 接缝抗拉强度 25 2.3 中密度板力学性能测试中密度板力学性能测试 26 2.3.1 试验材料与试验设备 26 2.3.2 试验过程 26 万方数据 IV 2.3.3 试验结果 27 2.4 混凝土支柱相似材料模拟试验研究混凝土支柱相似材料模拟试验研究 28 2.4.1 相似比设计 28 2.4.1.1 充填材料相似 28 2.4.1.2 充填袋材料相似 29 2.4.2 试验过程 29 2.4.2.1 试验设计 29 2.4.2.2 水泥砂浆配合比试验 30 2.4.2.3 充填袋相似材料 30 2.4.2.4 模型柱的制作