[摘要] 1 绪论1 1 选题的背景沿空留巷技术自 70 年代引进我国以来
1 绪论
1.1 选题的背景
沿空留巷技术自 70 年代引进我国以来，我国学者围绕该技术做了大量的相关研究。其中巷旁支护的稳定性最为重要，它的稳定性保证即使保证巷道的稳定性。巷道的破坏主要是顶板下沉的破坏，因此巷旁支护的好坏是看能否有效控制顶板的下沉以致发生破坏，巷旁支护体的研究主要为强度和稳定性。所以，对巷旁支护体的强度和稳定性研究越多，解决的难题就越多。其结果不仅能解决煤矿在现场工作中的实际问题，这样还能提高煤炭企业在整个大环境市场中的竞争力与可持续发展，不仅有利于提高煤炭企业的效率和资源利用率，还可以实现向绿色采矿、科学采矿的奋斗目标。沿空留巷发展较早，到现在已有很长一段时间，随着沿空留巷技术在煤矿的应用，已经出现了很多种支护形式，随着时代的进步，支护形式也在不断的发生变化。在使用开始阶段的支护形式有木朵、密集柱、矸石等支护形式。每种支护形式都有其优点和缺点，木朵的优点为稳定性高、支护劳动量小，缺点为变形量大、墙体达到规定强度较慢、墙体强度较小、预留巷道的效果差、不能有效隔绝采空区、材料消耗大，适用于薄和中厚煤层。密集支柱支护的优点为变形量小、早期强度大、巷道顶板宽度小、可以很好切顶，缺点为变形量小、支护强度小，稳定性差、不能有效隔绝采空区、材料用量大，适用于薄和中厚煤层。矸石带巷旁支护的优点为节省原材料的使用、有较好的稳定性，缺点为变形量大、早期支护强度小、墙体变形量大、劳动强度大、不能有效隔绝采空区，适用于顶板韧性较大的薄煤层。由于混凝土技术的发展，传统的巷旁支护材料的使用越来越少，现阶段使用较多的材料为混凝土材料。现阶段由于混凝土技术的发展应用较多的隔离墙技术主要是：高水充填护巷技术、现浇混凝土成墙技术、预制块砌墙技术等。其中高水充填材料护巷技术，优点是远距离输送、快速凝固、易于泵送。缺点是墙体材料强度低、材料用量大、不能就地取材、材料成本高、高水材料的配比要求很严、设备管线复杂占用大量地下空间。施工方面形成的墙体太厚，在采空区侧临时支护和工作人员实施作业时存在安全隐患，又不适合高效回采工作面。现浇混凝土成墙技术优点是就地取材，材料成本低。缺点是地面干拌和现场施工多次粉尘污染，尤其是巷道内粉尘过大既影响工作人员身体健康又存在安全隐患。另一方面，混凝土输送距离有限，施工辅助材料成本高，工作人员劳动强度大，而且墙体强度上升需要一定的时间。因此，泵送混凝土充填沿空留巷环节多，占用大量地下空间，施工复杂，柔模和辅助材料成本高，不能满足高效快速回采。预制砌块人工砌筑沿空留巷巷旁支护隔离墙的优点是不需要专用设备，工艺简单，前期支护阻力大，增阻速度快，切顶效果好，同时在混凝土预制过程中可控性大，因此强度要求可以的到保证。缺点是繁重劳动量需要更多人员，且施工速度很慢。
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1.2 研究的意义
通过对结构的大体积混凝土砌块的研究，得出砌块质量和砌块承载力之间相对应的关系。首先解决了大体积砌块的承载力问题，为沿空留巷巷旁隔离墙的稳定性和沿空留巷围岩结构的稳定性提供依据；其次还解决了大砌块质量大的问题，使施工劳动量减小，隔离墙综合成本降低。并且解决了现浇隔离墙的一些缺点，如人员用量大、施工粉尘大等。使隔离墙的施工更加便捷快速，并且适合复杂的地质条件和快速回采。另外对预应力装配隔离墙中大体积砌块受力性能的研究，能使混凝土的强度的到充分利用，并且大体积砌块的强度和重量的协调能使隔离墙施工效率大大提高。综上所述，本课题的研究，对解决预应力装配隔离墙支护问题具有重要的实用价值和显着的经济和安全效益，因此对沿空留巷隔离墙支护技术的发展应用有重要意义。
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2 混凝土强度理论及灰色系统理论与 GM(1，1)模型的建立
混凝土的受压性能比受拉性能好，因此在应用和研究中主要围绕在混凝土的抗压性能方面。目前就尺寸变化对砌块抗强度的影响，国内外学者通过大量的实验进行了相关研究，但是针对立方体混凝土的研究尺寸主要集中在 70mm-450mm 之间，大于 450mm 的立方体砌块的抗压强度研究较少。本文根据立方体混凝土砌块研究中的不足，利用灰色GM（1,1）建模预测方法针对大尺寸立方体砌块强度进行研究，重点研究的是根据已知小尺寸的混凝土砌块强度预测未知尺寸大小对混凝土砌块强度影响，为大尺寸立方体混凝土砌块在沿空留巷中的应用提供可靠的应用依据。
2.1 混凝土强度理论
混凝土在应用中主要使用期抗压强度，因此在混凝土的应用中抗压强度的质量检测和控制就是结构稳定性保障的重要依据，是主要的力学参数。混凝土在应用中都有相关规范，以保证混凝土的安全使用，关于在我国针对混凝土的规范中，规定混凝土的抗压强度采用标准试块抗压得到的强度值，标准试块为尺寸边长为 150mm 的立方体试块，在 20 士 2℃的标准温度和 95%以上的标准湿度的环境下养护，养护 28 天后根据标准试验方法对试块进行强度检测，得到标准的混凝土立方体抗压强度值[27]。混凝土是由多种材料混合组成的复合材料，由于组成材料的力学性能有很大差异，导致组成的混凝土材料有很大的不确定性，使各种材料之间不可避免存在很多空隙可裂缝。因此混凝土材料的强度和变形性能较为复杂，受各种因素的影响较多。混凝土的强度不仅与组成材料有关，还与其在受力过程有关。由于混凝土材料的力学性能与很多因素有关，因此在检测混凝土的强度时，必须统一标准，仅有一个变量存在下检测。
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2.2 灰色理论在混凝土中的应用
灰色系统理论目前在各个行业都有应用，它并非针对的是某一行业的理论，研究各个行业的预测、未知信息确定等问题，比如农业，统计，环境，建筑，军事，地质等各个领域都可以利用灰色理论解决相关问题，并且随着相关研究的不断深入，灰色系统理论的应用范围也在不断的扩大，基本上在社会科学、自然科学上的各个领域都可以利用。其中各个领域中的土木工程领域就研究较多，如桥梁、隧道、岩土、建筑、材料等等各方面都有研究。其中李晓敏[37]、杨军平[38]、张东方[39]、张臣[40]、李北星[41]、姜曼骁[42]等研究者在混凝土材料方面做了一些研究，如混凝土的抗压强度、抗抗剪强度、冻融循环、抗渗、抗冻等方面，通过灰色系统理论在混凝土材料上的应用研究，为对混凝土材料的认识提供了一种新方法、一条新思路。在利用灰色理论对混凝土材料进行灰色预测的各个研究中。其中，李北星研究了在恶略环境养护下组成材料加入量不同和外加剂加入量不同引起的混凝土砌块强度的变化，在论文研究中制备了水灰比、外加剂不同的混凝土试块作为研究对象，并将制作的砌块在加速侵蚀的环境下养护，最后测出砌块的抗压强度；并且根据灰色理论和抗压强度的对比，得出灰色关联理论可以很好的解决试件抗压强度与水灰比、外加剂的影响关系，并且可以得出各个不同因素对抗压强度的影响，以及影响大小的排序。通过对比发现灰色理论在混凝土材料性能研究上的适应性，能够很好的解决混凝土材料的相关问题，该论文根据相关试块的研究建立了不同影响因此在加速侵蚀的环境下的强度规律。还有马传亮根据混凝土的早期强度预测出 28 天的抗压强度，提高混凝土的利用效率。论文通过早期的混凝土强度值建立灰色 GM(1，1)模型，并对后期强度的变化进行了预测。通过预测值与实验值的对比，灰色 GM(1，1)模型理论能很好的对混凝土早期强度进行预测，也在此证明灰色理论在混凝土应用上的适应性并且预测结果符合精度要求。根据以上研究者依据灰色理论在混凝土材料上的相关研究，并且在很多方面都做了研究，其中最主要的证明就是灰色系统理论可以很好的应用在混凝土材料上并且进行研究，不管是从影响混凝土强度因素的关联分析上还是在单一因素影响强度的预测上，利用灰色理论在混凝土材料方面的研究都在不断的加深。但是还是有一些问题没有得到相关研究再利用灰色理论方面。比如水泥标号、水灰比大小、砂的含水率、水的加入量、外加剂的加入量等等一些因素都还没有进行相关研究，因此利用灰色理论在混凝土方面的研究是在不断深入但研究还不够全面；其中就本文研究的立方体大尺寸混凝土砌块中尺寸对砌块强度的影响研究还没有涉足。本文就是利用小尺寸立方体砌块的强度值通过灰色建模对大尺寸立方体砌块进行预测，研究单一因素对立方体混凝土砌块的强度影响，在这些方面还有待学者们的探索。
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3 基于 GM(1，1)模型的大尺寸立方体砌块抗压强度研究.... 24
3.1 混凝土强度试验数据及其原始数据的处理...... 24
3.2 立方体混凝土砌块 GM（1，1）模型的建立及预测 ........ 26
3.3 大尺寸混凝土砌块达到极限承载力之后的破坏强度........ 32
3.4 本章小结........ 33
4ANSYS 模拟理论与模型的确定......... 35
4.1ANSYS 模拟理论.... 35
4.2 模型的选取.... 39
4.3 本章小结........ 41
5 不同结构砌块模拟结果分析..... 42
5.1 球形内腔不充填砌块质量与抗压强度的关系分析............ 42
5.2 球形内腔泡沫混凝土充填砌块质量与抗压强度的关系分析..... 45
5.3 立方体内腔不充填砌块质量与抗压强度的关系分析........ 48
5.4 立方体内腔泡沫混凝土充填砌块质量与抗压强度的关系分析.......... 50
5.5 方形孔充填砌块质量与抗压强度的关系分析........... 53
5.6 圆形孔充填砌块质量与抗压强度的关系分析........... 56
5.7 不同块型混凝土砌块的质量与抗压强度关系曲线对比.... 58
5.8 本章小结........ 59
5 不同结构砌块模拟结果分析
大尺寸砌块质量与抗压强度的关系受很多因素的影响，例如砌块空心形式选择、空心尺寸的选择、空心是否充填等因素的影响。本章借助 ANSYS 有限原分析软件分析不同结构形式的大尺寸砌块在质量减少过程中对抗压承载力的影响，得出 1000mm×1000mm×1000mm 立方体砌块不同结构形式砌块质量与受压强度关系，为大尺寸砌块在沿空留巷巷旁支护装配隔离墙使用中砌块质量的减小提供依据。
5.1 球形内腔不充填砌块质量与抗压强度的关系分析
图 5.1-图 5.14 为半径从 0.1-0.4m 的球形内腔在最大塑性应变达到 0.002m 时的塑性应变和塑性应力云图。最大塑性应变相同的情况下，不同球形半径对应的抗压强度不同。本文混凝土密度取 2400kg/m3，最终得出强度随砌块质量的变化，如图 5.15。在质量与强度的关系中，立方体砌块的质量在 2400kg-2100kg 减小的过程中，砌块抗压强度明显减小，在后期砌块强度随砌块质量减少较慢。质量在 2400-2300kg 之间砌块球形孔半径变大时在内部产生应力其中导致受压破坏，但在 2300-2100kg 之间砌块球形孔半径变大时，内腔壁厚度减小，导致混凝土受拉破坏而使砌块受压强度明显减小。5.2 球形内腔泡沫混凝土充填砌块质量与抗压强度的关系分析图 5.16-图 5.29 为半径从 0.1-0.4m 球形内腔内充填石灰泡沫混凝土在最大塑性应变达到 0.002m 时的塑性应变和塑性应力云图。最大塑性应变相同的情况下，不同球形半径对应的抗压强度不同。本文混凝土密度取 2400kg/m3，石灰泡沫混凝土密度取1000kg/m3，最终得出强度随砌块质量的变化，如图 5.30。
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结论
本文在解决大尺寸砌块的质量与强度的问题中，以尺寸为 1000mm 的立方体混凝土砌块中球形空心、正方体空心以及充填泡沫混凝土空心砌块为研究对象，利用灰色系统理论和 ANSYS 软件模拟等手段对尺寸为 1000mm 的立方体混凝土砌块的受压力学性能进行了探究研究，并得到以下结果：①为了解决尺寸为 1000mm 的立方体砌块在沿空留巷巷旁隔离墙支护中砌块质量大的问题。文章利用 ANSYS 模拟的方法对空心砌块、空心充填砌块、贯穿充填砌块等不同结构形式、不同空心尺寸的砌块进行了质量与强度的探索研究。通过对空心以及空心充填砌块的对比发现：贯穿孔充填混凝土砌块质量减小对砌块的抗压性能影响较小，并且贯穿孔尺寸的变化对抗压强度的影响是线性的，相对实心混凝土砌块，圆形贯穿孔充填砌块中质量减小 45%而强度减只小了 30%，在方贯穿空充填砌块中质量减小 50%而强度只减小 40%。②为了解决立方体大尺寸混凝土砌块在尺寸变化过程中的尺寸效应规律以及对应尺寸的强度值。本文利用灰色理论系统对小尺寸砌块的抗压强度数据进行平均缓冲、加权缓冲、几何缓冲等处理，通过原始数据灰色处理的 18 组数据进行 GM（1,1）建模预测，根据预测情况可知：立方体混凝土砌块尺寸在 70mm 到 250mm 增大过程中，随着尺寸增大抗压强度减小较慢；从 250mm 到 350mm 增大过程中，立方体砌块受压强度急剧减小；在尺寸大于 350mm 的砌块中尺寸在增大过程中抗压强度减少较小。其中 C30 普通混凝土的立方体砌块在尺寸为 600mm、800mm、1000mm、1200mm 和 1500mm 时的抗压强度分别为24.16Mpa、24.08Mpa、24.03Mpa、23.99Mpa 和 23.95Mpa。③大尺寸混凝土砌块在抗压强度达到极限值之后由于混凝土砌块存在边界效应而是砌块中部还未破坏，为了解决未破坏部分还能加的承载力。文章利用实验结果和砌块模拟结果进行分析与计算。分析可知，大尺寸砌块在达到极限强度后中部存在近似圆柱体形状的混凝土未发生破坏，并且随着砌块尺寸的增大圆柱体地面面积增大，最后使大尺寸砌块残余承载力增大。其中 C30 普通混凝土的立方体砌块在尺寸为 600mm、800mm、1000mm、1200mm 和 1500mm 时的残余承载力分别为 2609.3KN、4623.4KN、7209KN、10363.7KN 和 16166.3KN。
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参考文献（略）
