超前液压支架群组-锚固耦合支护力学特性研究及实验验证

简介

为了研究超前液压支架群组与锚杆(索)耦合支护围岩的力学特性,采用中厚板理论对围岩力学特性进行描述,结合能量泛函对等效支架群组支撑力和锚杆(索)作用进行描述,建立超前液压支架群组-锚固耦合支护围岩力学模型,引入罚函数对模型边界条件进行约束,基于Hamilton原理变分获得系统控制方程。依据山西阳泉集团平舒公司温家庄煤矿15106工作面回采巷道超前支护参数,运用Ritz法对模型求解,获得锚固支护、等强支护、非等强支护三种策略下顶板变形量、弯矩、应力分布情况。通过对比3种支护策略下支护效果表明:超前液压支架群组耦合支护下顶板最大位移相对比锚固支护降低36.87%、弯矩降低35.85%、应力降低47.81%,耦合支护能够有效的维护顶板的稳定性;非等强耦合支护相对比等强耦合支护顶板最大位移降低10.29%、弯矩降低12.2%、应力降低29.53%,证明了非等强耦合支护策略对维护围岩稳定的有效性,进而提出超前液压支架群组-锚固耦合“连续渐变”非等强支护策略。采用辽宁省教育厅矿山沉陷灾害防治重点实验室设计的三维相似模拟实验台进行物理实验分析,验证“连续渐变”非等强耦合支护策略的有效性,并将实验结果与理论结果对比分析,等强支护位移最大误差7.2 mm,最大应力误差0.48 MPa,非等强耦合支护位移最大误差5.9 mm,应力最大误差0.19 MPa,考虑实验的复杂性认为误差在控制量范围内,验证所建立的超前液压支架群组-锚固耦合支护围岩力学模型的准确性和揭示耦合支护力学特性的有效性。最后,在温家庄煤矿15106工作面对“连续渐变”非等强支护策略进行现场应用实验,验证研究结果的有效性,研究结果为深部矿井围岩的安全稳定维护和智能化支护控制提供理论支撑。