本发明涉及煤矿业相关技术领域，具体涉及基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法。
背景技术
我国煤矿已经进入深部开采阶段，虽然很多深部矿井选择在岩性强度较大区域开挖巷道，但随着而来的围岩变形失稳严重、支护失效等问题不断出现。如何掌握深部巷道变形失稳机理、控制破碎围岩稳定性，成为岩石力学研究领域的重点和难点问题之一。早在20世纪初就出现了太沙基理论和普氏压力拱理论，认为覆岩塌落拱内的松动岩体重量为作用在“围岩-支护”结构上的力。1934年新奥法主要创始人l.v.拉布采维茨，认为充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，让支护结构与围岩体形成承载环，而围岩自承能力成为承载环稳定性的决定因素。随着研究深入，越来越多的学者认为围岩发挥自身承载，在巷道稳定性维护中显得越来越重要，而支护只能承担较小部分压力，主要作用是调动围岩自身承载能力。
在岩石力学与工程研究中，岩石剪切破坏是较为认可的一种巷道破坏方式，综合考虑围岩等效剪应力τrθ和剪切屈服应力τs，提出依据围岩剪应力集中区域划分围岩“关键支承层”的力学承载范围。于是，可知围岩“关键支承层”的稳定性与否，关系着整个围岩支承层平衡与否，需要“锚注”支护加强该“关键支承层”的围岩抗剪强度，以防发生剪切滑移破坏。
为此，我们提出基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，用来掌握深部巷道耦合承载体失稳机理，，使得岩石力学与工程研究更具有工程应用价值。
技术实现要素：
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，包括1)无支护实验方法，2)有支护实验方法，验证了高水平应力下分层支护半圆拱巷道的承载特征和结构性破裂发展规律。
为了实现上述目的，本发明采用的基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，采用平面应力加载实验装置，所述平面应力加载实验装置包括平面模型架、法兰盘、千斤顶和支板，所述千斤顶的数量不少于六个，且千斤顶的一端均与法兰盘的一端中部固定连接，所述法兰盘通过高强度螺栓固定在平面模型架的上端和两个支板的一侧；
所述基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法包括以下步骤：1)无支护实验方法，2)有支护实验方法；
在1)无支护实验方法中：
a.将软岩直墙1放置到所述平面应力加载实验装置内，软岩直墙的中部贯穿设有半圆拱巷道，形成软岩巷道模拟实验台，该半圆拱巷道为无支护结构；
b.均匀应力场中：待各条测线布设完成后，启动千斤顶，使得水平、垂直方向的千斤顶向软岩直墙加载压力；
c.待围岩稳定时，由底拱脚测线的应变片，收集测点的环向和径向应变量，接着根据模拟中软岩直墙的弹性模量，获得模拟的环向和径向应力，再根据相似比例获得真实的环向和径向应力，计算出该点等效剪应力；
d.侧压系数为1.5的非均匀场中：启动千斤顶，使得水平、垂直方向的千斤顶向软岩直墙加载压力，其他实验条件同上，获得真实的环向、径向应力和等效剪应力；
e.侧压系数为2的非均匀场中：启动千斤顶，使得水平、垂直方向的千斤顶向软岩直墙加载压力，其他实验条件同上，获得真实的环向、径向应力和等效剪应力；
f.将步骤a中的软岩直墙更换成硬岩直墙，硬岩直墙的中部也贯穿设有半圆拱巷道，形成硬岩巷道模拟实验台，该半圆拱巷道为无支护结构；
g.重复步骤b、c、d、e；
在2)支护实验方法中：
a.将软岩直墙放置到所述平面应力加载实验装置内，软岩直墙的中部贯穿设有半圆拱巷道，形成软岩巷道模拟实验台，该半圆拱巷道外侧依次设有第一支护层、第二支护层和第三支护层；
b.重复1)无支护实验方法中的步骤c、d、e、f、g。
作为上述方案的进一步优化，所述平面模型架的长度、高度和厚度分别为1.8m、1.2m和0.3m。
作为上述方案的进一步优化，所述半圆拱巷道真实的宽度、高度分别为6m、5m，且半圆拱巷道模拟的宽度、高度分别为24cm、20m。
作为上述方案的进一步优化，所述步骤b中，水平、垂直方向的千斤顶加载压力分别为41.143mpa、61.715mpa。
作为上述方案的进一步优化，所述步骤c中，测点的环向和径向应变量分别为0.618、0.069；弹性模量e等于0.388mpa，测点模拟的环向和径向应力分别为0.240mpa、0.027mpa；测点真实的环向、径向应力和等效剪应力分别为9.0mpa、1.0mpa和5.02mpa。
作为上述方案的进一步优化，所述步骤d中，水平、垂直方向的千斤顶加载压力均为61.715mpa；真实的环向、径向应力和等效剪应力分别为11.30mpa、3.00mpa和5.96mpa。
作为上述方案的进一步优化，所述步骤e中，水平、垂直方向的千斤顶加载压力分别为82.286mpa、61.715mpa；真实的环向、径向应力和等效剪应力分别为13.5mpa、5.00mpa和6.96mpa。
作为上述方案的进一步优化，所述步骤2)有支护实验方法中，半圆拱巷道受到的环向、径向应力和等效剪应力均小于步骤1)无支护实验方法中半圆拱巷道受到的的环向、径向应力和等效剪应力。
作为上述方案的进一步优化，所述步骤1)无支护实验方法中，硬岩直墙内半圆拱巷道受到的环向、径向应力和等效剪应力均小于软岩直墙1内半圆拱巷道受到的环向、径向应力和等效剪应力。
作为上述方案的进一步优化，所述步骤2)有支护实验方法中，硬岩直墙内半圆拱巷道受到的环向、径向应力和等效剪应力均小于软岩直墙内半圆拱巷道受到的环向、径向应力和等效剪应力。
本发明的基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，具备如下有益效果：
1.本发明的基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，设置的平面应力加载实验装置组装方便，很好的模拟了高水平应力加载条件下，软岩直墙、硬岩直墙内半圆拱巷道的稳定性和结构性破裂发展规律。
2.本发明的基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，步骤1)无支护实验方法验证了：围压保持不变时，软岩直墙相比于硬岩直墙，软岩直墙的破裂范围和塑性流动范围大，软岩直墙的承载能力较低，支护难度较大；当侧压系数增大时，软岩直墙相比于硬岩直墙，软岩直墙承载能力的下降更加明显，软岩直墙中半圆拱巷道的帮部破裂加剧，且收敛明显，底板鼓出，顶板呈现楔形冒落，且冒落高度逐步增加，呈现严重的结构性破坏。
3.本发明的基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，步骤2)有支护实验方法验证了：软岩直墙、硬岩直墙内的半圆拱巷道破裂不明显，仅软岩直墙内的半圆拱巷道在侧压系数为1.5、2时，出现了两帮收敛、顶板冒落，但不严重；硬岩直墙内的半圆拱巷道在侧压系数为1.5、2时，断面略微收敛。
4.本发明的基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，步骤2)有支护实验方法中，半圆拱巷道受到的环向、径向应力和等效剪应力均小于步骤1)无支护实验方法中半圆拱巷道受到的环向、径向应力和等效剪应力，验证了高水平应力下分层支护半圆拱巷道的承载特征和结构性破裂发展规律。
附图说明
图1为本发明的软岩直墙与平面应力加载实验装置连接结构示意图；
图2为本发明的硬岩直墙结构示意图。
图中：软岩直墙1、硬岩直墙11、平面模型架2、法兰盘3、千斤顶4、支板5、半圆拱巷道6。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，采用平面应力加载实验装置，平面应力加载实验装置包括平面模型架2、法兰盘3、千斤顶4和支板5，平面模型架2的长度、高度和厚度分别为1.8m、1.2m和0.3m，千斤顶4的数量不少于六个，且千斤顶4的一端均与法兰盘3的一端中部固定连接，法兰盘3通过高强度螺栓固定在平面模型架2的上端和两个支板5的一侧，设置的平面应力加载实验装置组装方便，很好的模拟了高水平应力加载条件下，软岩直墙1、硬岩直墙11内半圆拱巷道6的稳定性和结构性破裂发展规律；
基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法包括以下步骤：1)无支护实验方法，2)有支护实验方法；
在1)无支护实验方法中：
a.将软岩直墙1放置到平面应力加载实验装置内，软岩直墙1的中部贯穿设有半圆拱巷道6，半圆拱巷道6真实的宽度、高度分别为6m、5m，且半圆拱巷道6模拟的宽度、高度分别为24cm、20m，形成软岩巷道模拟实验台，该半圆拱巷道6为无支护结构；
b.均匀应力场中：待各条测线布设完成后，启动千斤顶4，使得水平、垂直方向的千斤顶4向软岩直墙1加载压力，且加载压力分别为41.143mpa、61.715mpa；
c.待围岩稳定时，由底拱脚测线的应变片，收集测点的环向和径向应变量分别为0.618、0.069，接着根据模拟中软岩直墙1的弹性模量e等于0.388mpa，获得模拟的环向和径向应力分别为0.240mpa、0.027mpa，再根据相似比例获得真实的环向和径向应力分别为9.0mpa、1.0mpa，根据公式：
环向、轴向、径向应力σθ、σz、σr来表示；
在广义平面应变问题中，σi有；
由等效应力与等效剪切应力之间关系，结合式(2-1)可知复杂应力下等效剪应力表达式为，
式中，τi为等效剪应力，mpa；计算出等效剪应力为5.02mpa；
d.侧压系数为1.5的非均匀场中：启动千斤顶4，使得水平、垂直方向的千斤顶4向软岩直墙1加载压力均为61.715mpa，其他实验条件同上，获得真实的环向、径向应力和等效剪应力分别为11.30mpa、3.00mpa和5.96mpa；
e.侧压系数为2的非均匀场中：启动千斤顶4，使得水平、垂直方向的千斤顶4向软岩直墙1加载压力分别为82.286mpa、61.715mpa，其他实验条件同上，获得真实的环向、径向应力和等效剪应力分别为13.5mpa、5.00mpa和6.96mpa；
f.将步骤a中的软岩直墙1更换成硬岩直墙11，硬岩直墙11的中部也贯穿设有半圆拱巷道6，形成硬岩巷道模拟实验台，该半圆拱巷道6为无支护结构；
g.重复步骤b、c、d、e；
步骤1)无支护实验方法中，硬岩直墙11内半圆拱巷道6受到的环向、径向应力和等效剪应力均小于软岩直墙1内半圆拱巷道6受到的环向、径向应力和等效剪应力，步骤1)无支护实验方法验证了：围压保持不变时，软岩直墙1相比于硬岩直墙11，软岩直墙1围岩的破裂范围和塑性流动范围大，软岩直墙1的承载能力较低，支护难度较大；当侧压系数增大时，软岩直墙1相比于硬岩直墙11，软岩直墙1承载能力的下降更加明显，软岩直墙1中半圆拱巷道6的帮部破裂加剧，且收敛明显，底板鼓出，顶板呈现楔形冒落，且冒落高度逐步增加，呈现严重的结构性破坏；
软岩直墙1由砂质泥岩层、粉砂岩层、中粗砂岩层、砂质泥岩层、中粗砂岩层、砂质泥岩层和粉砂岩层按照从下向上的顺序叠合而成，硬岩直墙11由粉砂岩层、中粗砂岩层、砂质泥岩层、中粗砂岩层、砂质泥岩层、粉砂岩层和砂质泥岩层按照从下向上的顺序叠合而成；
在2)支护实验方法中：
a.将软岩直墙1放置到平面应力加载实验装置内，软岩直墙1的中部贯穿设有半圆拱巷道6，形成软岩巷道模拟实验台，该半圆拱巷道6外侧依次设有第一支护层、第二支护层和第三支护层；
b.重复1)无支护实验方法中的步骤c、d、e、f、g；
表1软岩直墙与硬岩直墙破裂范围对照表
参见表1，本发明的基于深部不同岩性巷道复合承载体梯次支护的试验方法，软岩直墙1与硬岩直墙11破裂范围，得出，在步骤2)有支护实验方法中，硬岩直墙11内半圆拱巷道6受到的环向、径向应力和等效剪应力均小于软岩直墙1内半圆拱巷道6受到的环向、径向应力和等效剪应力，步骤2)有支护实验方法验证了：软岩直墙1、硬岩直墙11内的半圆拱巷道6破裂不明显，仅软岩直墙1内的半圆拱巷道6在侧压系数为1.5、2时，出现了两帮收敛、顶板冒落，但不严重，硬岩直墙11内的半圆拱巷道6在侧压系数为1.5、2时，断面略微收敛。
步骤2)有支护实验方法中，半圆拱巷道6受到的环向、径向应力和等效剪应力均小于步骤1)无支护实验方法中半圆拱巷道6受到的环向、径向应力和等效剪应力，验证了高水平应力下分层支护半圆拱巷道6的承载特征和结构性破裂发展规律。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。