相似材料模擬實驗

1、實驗十：相似材料模擬實驗1相似原理相似材料模擬是科學(xué)實驗的一種，它是人們探討和認(rèn)識地壓規(guī)律的途徑之一。用與 然巖石物理力學(xué)性質(zhì)相似的人工材料，按礦山實際原型，遵循一定比例縮小做成的模去 然后在模型中開挖巷道或模擬采場工作，觀察模型的變形，位移，破壞和壓力等情況 據(jù)以分析，推測原型中所發(fā)生的情況，這種方法稱為相似材料模擬方法。它被用來研 采場和巷道的某些地壓問題，例如估計地壓大小，頂?shù)装逑鄬ξ灰?，冒落拱形狀和大?支架對地壓底影響，地下開采對地表底影響，以及影響地壓底各種因素。要使模型中所發(fā)生的情況，能如實反映原型中所發(fā)生的情況，就必須根據(jù)問題的性 找出主要矛盾，并根據(jù)主要矛盾，去確定原型與模型

2、之間的相似關(guān)系和相似準(zhǔn)則，原 與模型相似必須具備下面幾個條件。幾何相似要求模型與原型的幾何形狀相似。為此，必須將原型的尺寸，包括長，寬，高等都 一定比例縮小或放大，以做成模型。設(shè)以Lh和Lm分別代表原型和模型長度，腳標(biāo)M 示模型，以l代表Lh和Lm的比值，稱長度比尺，則幾何相似要求，以l為常數(shù)。 TOC o 1-5 h z a = L =常數(shù)(1)M因面積是長度二次方，所以面積比尺為A=a2(2)M因體積是長度三次方，所以體積比尺為V/ 、H = a 3(3 )M一般來說，模型越大，越能反映原型的實際情況，原型實際上a l =1，但是由于 方面條件限制。模型又不能做的太大。通常模擬采場用a l

3、 =50100，即原型縮111150 100，模型巷道用aL = 2050；即原型縮小為2050運動相似要求模型與原型中，所有各對應(yīng)點的運動情況相似，即要求各對應(yīng)點的速度，加速e 運動時間等都成一定比例。設(shè)以lH和lM分別表示原型和模型中對應(yīng)點完成沿幾何相似 軌跡所需的時間，以氣代表“H和L的比值，稱為時間比尺，則運動相似要求氣為常營 日n動力相似要求模型與原型的所有作用力都相似(5)(6)對于地壓問題，按抓主要矛盾的觀點進行分析，主要是考慮重力作用，要求重力相 設(shè)以PH，rH ,VH和PM，rM，VM分別表示原型與模型對應(yīng)部分的重力，視密度和體積，因:匕=rH VHPM = rM - VM則

4、： TOC o 1-5 h z Pr=-h a 3PMrML所以在幾何相似條件下對重力相似，還要求rH，rM的比尺以r為常數(shù)，即以r為視密度 尺。 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 則。：a = -h =常數(shù)（8）M由上述三個比尺，a L，氣，a r，根據(jù)各對應(yīng)量組成的物理方程式，還可推得位移，應(yīng)3 應(yīng)力等其它比尺a = h =Ch =上=CMEMr -ha（9）bbMrMLeH旦H式中=eM=日M：b h , ch , eh，%,bM，CM，EM，m，四M（10）（11）分別代表原型與模型得應(yīng)力，凝聚力彈性模量，內(nèi)摩擦角，泊松比。2 實驗方法

5、儀器設(shè)備和應(yīng)用材料材料試驗機，相似模型架，靜態(tài)電阻應(yīng)變儀或動態(tài)電阻應(yīng)變儀，X，y函數(shù)記錄儀， 移傳感器，荷重傳感器，天平最大稱量1000g，最小量0.01g，卡尺精度0.02mm，鋼）石英砂，石蘭，水泥，碳酸鈣，可賽銀，云母粉，攪拌鍋，量筒。相似材料配比根據(jù)相似原理，同時滿足所有指標(biāo)相似是非常困難的也是沒有必要的，所以要根據(jù) 究對象確定原型與模型的相似關(guān)系，采礦所研究的對象，主要是采場和上覆巖層的變3 位移和破壞，其受基本作用力為壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，基本破壞形式為剪切和張力破壞， 變形與巖層的彈性模量及泊松比有關(guān)。所以相似配比所提供的主要強度指標(biāo)為抗壓和 拉強度，主要變形指標(biāo)為彈性模量和泊松比。根

6、據(jù)煤礦地層巖石的強度和變形指標(biāo)的范圍選擇不同比例尺的相似材料的強度巖層類別強度指標(biāo)變形指標(biāo) 壓(Mpa) 拉 (Mpa)壓E x 104(Mpa)較松軟巖石1040中硬巖石40 80堅硬巖石80 150相似材料選擇及其性能測定A,相似材料相似材料包括骨料和膠結(jié)物二部分，骨料：砂，鐵粉，重晶石粉，鋁粉，云母粉等 膠結(jié)物：水泥，石膏，石灰，碳酸鈣（白堊土，可賽銀），高嶺土，石蠟，水玻璃等。B，相似材料選擇能使相似材料的強度性能和變形性能與巖石相似；b，力學(xué)性能穩(wěn)定，不易受外界條件的影響；c，改變材料的配比，可使材料的力學(xué)性質(zhì)變動較大；d，模型制作方便，凝固時間短；e，成本低，來源豐富；按上述原則認(rèn)

7、為：以石膏，水泥，石灰，高嶺土，碳酸鈣，作膠結(jié)物，以河砂或石 砂作骨料是合適的，有時為了視密的需要并可采用鐵砂作骨料。C，相似材料性能的測定石膏和水泥必須進行初凝和終凝時間的測定，水泥要測定水泥標(biāo)號，石膏，石灰， 嶺土，碳酸鈣要進行單向抗壓和抗拉強度測定，骨料，河砂和石英砂要進行級配試 是否符合規(guī)范要求，其測定方法可按建筑材料試驗規(guī)程的規(guī)定進行測定。相似材料配比及力學(xué)性質(zhì)的測定A，視密度的選擇：一般相似材料的視密度在g-CTH3范圍內(nèi)較合適，因為視密度 大成型擊實困難，視密度過小使模型材料松散不易成型。B，凝固時間的選擇：相似材料的成型，必須在膠結(jié)劑初凝前完成，成型后要求在 短時間內(nèi)固化，以便

8、脫模。初凝和固化時間決定于相似材料石膏和水泥的初凝時間， 然都不符合要求，必須加緩凝劑或速凝劑以滿足成型要求，一般在1525min內(nèi)初凝 合適，如石膏初凝78min，加入1%動物膠或1%硼砂，可在1520min內(nèi)初凝。C，相似材料配比試驗及測定結(jié)果：相似材料是一種混合物，由砂和膠結(jié)物組成 相似材料的強度取決于膠結(jié)物的強度，而膠結(jié)物的強度取決于砂和膠結(jié)物的比例及膠 物成份的比例，亦即材料配比，所以在模型試驗之前，必須進行大量的相似材料配比 作，對每一種材料的配比都要進行力學(xué)性質(zhì)的測定。見表3 3，3 4，3-5所示。表2選擇不同比例尺的相似材料的強度和設(shè)1:201:40壓MpaMpaMpaMpa

9、Mpa較 松 軟 U-I, 有 層中 硬 U-I, 有 層堅硬U-I, 有層表3砂子，水泥，石膏相似材料配比表配比號。壓(Mpa)拉(Mpa)彈性模量E x 102Mpa泊松比備注537試件 7 3 試件干燥711 天，水量為試件 質(zhì)量的%0， 500g硫酸鹽水 泥，實際標(biāo)號 236,骨料為石英 砂，石膏為2級 配比號537即 砂：水泥：石膏 為5：555573637655673737755773837855873937955973表4石子，石灰，石膏相似材料配比表配 比材料配比單向抗壓強度單向抗拉強度視密度備注砂膠膠結(jié)物水份號比石灰石膏(Mpa)(Mpa)(g/cm 3 )3373： 1米

10、用 石 英 砂3553734374： 1655673(4)相似材料模型架的結(jié)構(gòu)相似材料是裝在模型架上，進行試驗的，而模型架是根據(jù)研究的內(nèi)容和要求設(shè)計的，研 究的內(nèi)容不同，可分為平面模型架和立體模型架兩種，平面模型架可分為水平成層模型架 和可調(diào)試角度的模型架，現(xiàn)在大多數(shù)采用平面模型架，架子的主體是由槽鋼和角鋼組成， 架子兩邊上有孔用以固定模板模型架的尺寸主要決定于長度比凡，一般長度26口， 高2.5m寬度7).2m架子兩邊架設(shè)模板，模板用厚度醐木板或金屬板，因模型架 的高度有限，如模擬處于較深的巖層時，不能完全靠模型材料自重，需要外力載荷，采用

11、 杠桿加壓或千斤頂加壓裝置。立體模型架長2m,寬1m,高度1.72m模板用10cm高的槽鋼，其模型有外加載設(shè)備裝 置，用油壓千斤頂加載并采用杠桿加砣的方法作為穩(wěn)壓裝置。表5砂子碳酸鈣、石蘭相似材料配比表配比號水量視密度337355、373、437、455、473、537、555、1/1/1/1/1/1/1/1/1/1/1/1/1/1/1/1/573、1/1/637、1/1/655、1/1/673、1/1/737、1/1/755、1/1/773、1/1/(5)裝料架設(shè)好模板后，將材料按比例攪拌均勻倒入模型架，然后耙平、壓緊，壓緊程度按所需 的視密度的要求如模擬層狀巖層應(yīng)分層裝填最小厚度為1cm最

12、大厚度為Zcn。過大使 模型上密下松，過小時裝填勞動量增加，一般為，層間用云母粉隔離，裝料前必須計 算好每層的質(zhì)量及分配比例。(6)觀測模型裝好后并作出相應(yīng)的工程后，如巷道、采場，在模型上就會產(chǎn)生各種力學(xué)現(xiàn)象，如 壓力變形、破壞等，可根據(jù)實驗的目的采用相應(yīng)的觀測儀對于結(jié)構(gòu)和圍巖位移的測定。 可用網(wǎng)格法、千分表法，電阻應(yīng)變儀、定時照相等。對支架壓力和巖體應(yīng)力的測定，通常都是通過圍巖的變形或應(yīng)變來間接測定，一般都是 將位移變化轉(zhuǎn)換成電量的變化來測量的。3.相似材料模型設(shè)計和制作方法實例說明制作模型的目的研究某礦距煤層3, 4, 5層煤，開采后圍巖移動規(guī)律模擬條件見衣-6所示表6模擬條件層別層間距m

13、)層 厚(m)米煤方法備注五層煤25202長壁冒落法8號鉆孔柱狀四層煤2長壁冒落法三層煤2長壁冒落法見圖3-7相似參數(shù)的確定模擬尺寸長L=250cm寬度b=16cm高度h=150cm長度比尺：(3-12)根據(jù)模擬條件三層煤距藤m，五層煤離地表23m模擬范圍大致選用L = 100。巖石強度比尺h = -h- a = x 100 = 180b Y L 1.5式中：Y 口H時間比尺a = h = Ja = J100 = 10M根據(jù)上面確定的參數(shù)可求模型上相應(yīng)的量L 100 = 0.01L（3-13）（3-14）（3-15）b （3-16）（3-17）b =h = 0.0056bM 180Ht tt

14、= H =-H = 0.1tM10010 H模型上參數(shù)的換算見表7所示，采用砂子和石灰石羔相似材料配比表J3-t表3-7模型上參數(shù)的換算柱 狀 圖ULJ 曰 巖層名稱巖石 厚度ULJ 曰 巖層特征巖石強度Mpa）模型強度相似材料配比號砂頁巖 互層9090各層由11m組成375455中砂巖層2323含云田片，堅硬有節(jié)理30437粗礫ULJ曰 巖層2222松散355礫巖泥質(zhì)膠細(xì)337碳質(zhì)頁U-I, 有含植物化石云田局部成煤433五層煤節(jié)理垂直，層理發(fā)育673碳質(zhì)頁U-I, 有較松散433細(xì)砂巖1212板狀層理不發(fā)育337碳質(zhì)頁U-I, 有55節(jié)理明顯437四層煤22節(jié)理發(fā)育673碳質(zhì)頁U-I, 有

15、55含碳重，軟437礫巖細(xì)砂巖互層1010節(jié)理發(fā)育337砂質(zhì)頁U-I, 有節(jié)理明顯537細(xì)砂巖節(jié)理發(fā)育337三層煤層理發(fā)育673碳質(zhì)頁U-I, 有含云田片437模型的裝填對每個煤層，要根據(jù)節(jié)理、層理、裂隙情況在模型上做人工裂隙。2大于的巖層， 根據(jù)層理發(fā)展情況，可以分成cm厚的小分層；小于.5cm厚巖層成型困難，而大于cm 厚的巖層時，造成同層上密下疏材質(zhì)不均勻，3層和4層煤的頂板是碳質(zhì)頁巖，節(jié)理， 層理較發(fā)育其分層厚度定為Cm,并且每層上做間距cm的人工裂隙，各小分層間灑以少 量滑石粉或云母粉，不同分層間也要灑少量滑石粉或云母粉，以模擬自然條件的方法，根 據(jù)配比號各小分層厚度及每層所需材料的體積，材料的視密度。計算各層的各種材料的數(shù) 量，按此量混合攪拌均勻，再加水后攪拌，將材料鋪平。擊實至要求的厚度，從加水到壓 實不得超過15-20min計算每層各材料數(shù)量的方法介紹如下已知配比量337,模型長L=250cm,寬度b=16cm,每層高度h=2cm，視密度Y m = 1.5g/cm3，計算各層材料的數(shù)量，先計算每層厚的總質(zhì)量砂子的質(zhì)量*砂石灰的質(zhì)量石灰、一 W石羔的質(zhì)量石