2013年9月：试验方案设计，同时邀请相关领域专家对方案进行评阅修改
时 代 累厚 (m) 23.57 侏 罗 系 中 统 大 同 组
盘 区 15.08 运 输 巷 盘 12.89 区 皮 带 6.79 巷
柱 状 1：200 21206
平均(m) 岩石 最小-81206工作面 最大 名称
岩 性 描 述 1#煤柱
煤煤煤煤煤煤煤煤煤 煤煤煤煤煤煤煤煤煤煤煤煤 煤煤煤煤煤煤
2013年5月-2013年8月：煤矿顶板冒落破坏模式调研及分类
顶板 冒落 破坏 类型 分析 因素诱导型 支护滞后型 设计欠缺型 挤出推垮型
因素诱导型：由于局部软弱岩层引起，少部分松动、冒落逐渐扩 大；应力、岩性、蠕变和松弛、局部支护体失效； 支护滞后型：由于设计、施工等原因致使支护作用见效慢或，如 架棚充填不密实、锚网预紧力施加不及时等 设计欠缺型：支护设计不合理，造成支护体整体垮落，尤其是在 层状复合顶板，锚杆长度小于不稳定岩层厚度 挤出推垮型：主要发生在掘进工作面，由于沿巷道走向水平应力 较大，岩体强度底、裂隙发育、整体不稳，挤出岩体推到临时支 护，引起大面积冒顶。
支护相似材 料
应力测量
位移测量
相似材料的制备
考虑本次物理模拟的主要目的是对模型内围岩应力的变化规律及变形破坏 特征的研究，以抗压强度作为主要指标选取各围岩的模型材料。经过多年的应 用和总结，课题组制备了以河沙为骨料、石蜡为胶结材料的类岩石材料，通过 改变河沙和石蜡的质量比来模拟岩石，取得了较好的成果，因此本课题采用河 沙和石蜡来制备实验所需类岩石材料。 初步设计了4种配比，为100:2、100:4、100:6、100:8，根据国际岩石力学 会(ISRM)试验规程中的要求制作Ф50mm×100mm的标准圆柱试样，用于抗压 强度的测定。利用江都市天源试验机械有限公司生产的TY8000型万能材料试验 机进行单轴抗压强度测试，加载速度0.5mm/min。
25 310
445
15 20 30 20 30 20 30 20 15
10
390
C1 14#工字钢
10
445
14#工字钢
20
40
20
80 205 80
25
60
20
40
20
3 80
20
40
20
60
80
20
80
20
40
20
50 25 25 25 200 275 80 205 80
200
500
200 100
排间距：1250×1100
14-2#层，煤层中夹石变 1.81 煤 1.88-2.86 化较大。 81202工作面采空区
灰色到灰白色，局部为中 1.81 细砂岩 粗砂岩。 1.88-2.86
菱形金属网 3700×1700
3800
以山西同煤集团四台矿14#层51204层状顶板煤巷为研究对象， 巷初始支护断面图 通过物理试验研究，再现采动过程中煤柱下方巷道顶板冒落破坏过 巷综合地质柱状图 程，分析上述过程中围岩内部的应力变化，找出该类顶板冒落破坏 的规律，为该类工程问题的预防和治理提供参考。
模拟中砂岩。对于煤、页岩、细砂岩三种岩层，分别添加黑色、蓝色和红色染 色剂，加以区分，由于染色剂加入后会提高材料的单轴抗压强度，因此，在计 算结果的基础上酌量减小石蜡的含量，进行加染色剂后的试配实验，最终，选择 100:6 100:3.5:0.33(黑 100:3:0.33(蓝)和100:6:0.33(红)(b) 三种类岩石材料模拟煤、 (a))、 100:4 页岩和细砂岩。
D1
A2
D1
A1
14#工字钢
C1
150 500 335
150
50
50
50
50
50 50 50 50 300 50 50
3 50 435
200
370
10 435
3 10 330
370
B1
(a) (d) 1300 边切槽 三维视图 (a) 平面图
50 前加强挡板
330
435
(b) (c) 中切槽 1300 实物图 (b) 3-3剖面 挡板变形计算结果（利用ANSYS）
2600
盘 区 回 风 巷
灰色到深灰色，岩性变化复 6.1 砂岩页 杂，局部变厚为中砂砂岩， 81204工作面 1.68-10.15 岩互层 局部夹煤线。 0.83 0-1.37 煤 12-2#层，局部尖灭。
400 65 1250
φ17.8×4000钢绞线 间排距:1300×2000 φ18×1800左旋无纵筋 φ18×1800左旋无纵筋 螺纹钢锚杆 螺纹钢锚杆 间排距:900×1000 肩角锚杆，排距：2000 1300 36m，顶板下沉 W型钢带 坍塌，支护失效 102m，顶板裂缝、 550 900 900 900 550 3200×220×4 底臌、炸帮 小窑煤柱
字母 C L δ E μ ζ ζt ζc ε γ 含义 相似比 长度 位移 弹性模量 泊松比 应力 抗拉强度 抗压强度 应变 容重 字母 f φ c C Cγ CL C CE Cε 含义 摩擦系数 内摩擦角 粘聚力 应力相似比 容重相似比 几何相似比 位移相似比 弹性模量相似比 应变相似比
C C C L C C C L C C C E
图1-1 各类事故死亡人数所占比例
图1-2 单起事故死亡人数柱状图
顶板整体垮落
顶板局部冒落
锚杆失效 支护体锈蚀 棚架充填不密实
项目创新点
在调查研究的基础上基于破坏机理对 冒顶类型进行分类；
根据物理实验建立了顶板冒落破坏的 定量判定模型；
综合各项研究成果提出通用性较强的顶 板稳定性控制技术。
项目进展
支护相似材 料
应力测量
位移测量
围岩环境的相似计算
通过模型试验再现实际工程的物理现象是岩土工程中一种非常重要研究手段， 在此过程中，模型材料、形状以及所施加的荷载等参数必须符合一定的规律，这个 规律则为相似准则。根据实际工程，使抗压强度、弹模、重度、泊松比、抗拉及抗 剪强度等主要参数达到相似。定义实际工程P和物理模型M之间同一量纲的物理量 比值为相似比，其他有关参数物理量表示方法见表3-1，各参数满足的相似准则见 式(3-1)~式(3-3)。 表3-1 物理模型参数表示及含义
1-1
60
1
60
2-2
40 210 150 1150
40 160 40
40 160 40
150
210 40
500
40 210
150
310
25
330
φ20
1150
2
500
2
500
1 50 100 335 330 1300 335 100
100 150 485
150 180 20
50
40 60
20
40 60
(3-1)
C 1 ，C 1 ，C f 1 ，C 1
(3-2)
C Ct 模型试验相似律计算结果
实验方案设 计
试验系统设 计
实验内容设 计
试验台的选 取与改进
围岩环境的 相似计算
相似材料的 制备
测试系统建 立
模型浇筑
岩石相似材 料 应力环境相 似计算 岩石参数相 似计算
435 50
50
20
10
10 20 后加强挡板
25 25 25
335
80
500
200
50
C1 A5 A4 C2
1150
200
275
25 25 25
310
实验方案设 计
试验系统设 计
实验内容设 计
试验台的选 取与改进
围岩环境的 相似计算
相似材料的 制备
测试系统建 立
模型浇筑
岩石相似材 料 应力环境相 似计算 岩石参数相 似计算
300
14#工字钢 B1 A3 A2 A1 B2 14#工字钢
450
15 20 30 20 30 20 30 20 15
500
200
200 100
300
330 450
M8
B1
25 25 25
80
14#工字钢 D1 A1 B1 C1 A5 A4 A3 A2 A1 C2 B2
330
A1
200
1150
A1
实验方案设 计
试验系统设 计
实验内容设 计
试验台的选 取与改进
围岩环境的 相似计算
相似材料的 制备
测试系统建 立
模型浇筑
岩石相似材 料 应力环境相 似计算 岩石参数相 似计算
支护相似材 料
应力测量
位移测量
实验设备改进
由于长时间疲劳荷载作用，该实验系统前后加强挡板（靠近 有机玻璃这侧为前）及有机玻璃挡板塑性变形较大，已不适合后 续研究的需要，因此需要重新对其进行设计改造。
(1) 透明挡板的选取：将有机玻璃板换成15mm厚度的PC耐力板
(2) 前加强挡板
(3) 后加强挡板 图3-5 WYQ1000－I型地下工程综合模拟试验系统
(2) 前加强挡板 尽管PC耐力板在强度方面比原透明挡板有了大幅度提升，但在实验过程中， 其刚度仍然较弱，为此还需增设加强挡板，为了增加模型的可观测面积，前加强 挡板采用“厚钢板+方形肋”进行设计，钢板厚20mm，方形肋边长40mm，中部 为空，以便观察模型的变形和破坏过程，肋与钢板采用全缝焊接，模型可观测面 积0.8096m2，占总面积的80.96%，约为原系统的4倍，详细尺寸如图3-6所示， 三维视图和加工完成后实物如图3-7所示。
°
40m，顶板下沉
φ18×1700左旋无纵筋 3#煤柱 螺纹钢锚杆