浅埋复合顶板切顶卸压自动成巷机理及物理模型实验研究

Based on engineering geological conditions in shallow composite roof,the cutting mechanism of roof pressure relief automatically into a lane and roof cutting short arm beam mechanics theory will be studied. The reasonable shallow buried coal bearing composite roof cut system of engineering short arm beam model will be established for further research on cutting roof pressure relief automatically into a lane law of mine. At the same time，the three-dimensional physical model experiment numerical simulation method will be carried out to reveal the vital factors which exert effects the stress field, displacement field，roadway surface crack propagation and development law. Based on revealing of mechanism of the surrounding rock mass of the roadway with constant resistance and large deformation, the characteristics of the constant resistance large deformation of anchor cable in roof falling impact process and the sliding roof cut down supporting mechanism and stress change rule will be studied, which provide theoretical guidance for constant resistance large deformation anchor rope support parameter design.

本项目以浅埋复合顶板工程地质条件为背景，对切顶卸压自动成巷机理及切顶短壁梁力学理论进行研究。通过建立切顶短壁梁力学模型，为浅埋复合顶板条件下切顶卸压自动成巷矿压显现规律提供理论依据。在此基础上，开展切顶卸压自动成巷无煤柱开采三维物理模型实验和数值模拟分析，研究基于短壁梁理论的切顶卸压技术对巷道围岩应力场和位移场影响规律，以及巷道表面裂纹扩展和发育规律，探究影响切顶效果的主要因素。此外，通过揭示恒阻大变形锚索加固巷道围岩体机理，研究其在顶板切落冲击和顶板切落滑移过程支护机理及应力变化规律，为恒阻大变形锚索支护参数设计方法提供理论指导。

本项目的研究是以中科院何满潮院士引领的第三次矿业技术革命为背景，目的在于针对浅埋复合顶板地质条件，采用理论分析、数值模拟及三维物理模型试验相结合的手段丰富并完善切顶卸压自成巷研究体系，主要进行了以下几项工作：（1）以理论分析为主要手段，建立了浅埋复合顶板条件下切顶短壁梁力学模型，得到了切顶短臂梁应力解和切顶支护阻力理论公式。提出“承压结构”与“卸压结构”概念。对“承压结构”与“卸压结构”运用弹塑性力学理论进行分析，从而对浅埋复合顶板切顶短壁梁力学机理进行了研究。（2）以三维物理模型试验为主要手段，根据相似理论配制了煤层、顶底板岩层等相似材料，研发设计了符合实验应力相似比的恒阻大变形锚索试件。对实验系统进行升级改造，实现了煤层自动开挖，并通过对三维物理模型试验开挖及监测揭示了切顶卸压自成巷围岩位移、应力演化规律，并基于物理模型实验，对比研究了留设煤柱的“121 工法”和无煤柱的“110工法”，对比两种不同工法条件下巷道围岩位移、应力演化规律等。（3）以FLAC3D数值模拟为主要研究手段，对影响顶板切落成巷的不同因素（主要包括不同爆破切缝长度、角度、锚索间距以及煤层厚度等）进行模拟分析，并明确了对切顶效果影响的主控因素，同时将充填沿空留巷与110工法对比分析，进一步完善对切顶卸压沿空留巷的认识。（4）对浅埋复合顶板恒阻大变形锚索支护机理进行研究，结合恒阻大变形锚索的结构特征和力学特性探究恒阻大变形锚索工作机理和恒阻大变形支护-围岩相互作用能量原理。（5）将上述研究结果在柠条塔煤矿进行了现场实践应用，取得了良好的应用效果。在基金委的支持下，通过被资助人及其合作者的努力，本项目得以顺利完成，形成了38篇标注了基金号的已发表的论文、专利4项、专著1部，获得省部级奖励3项，中国煤炭工业协会奖励4项。