相似材料模擬實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私庀嗨撇牧夏M掩飾的基本原理和基本過程?；驹恚合嗨撇牧夏M實(shí)驗(yàn)是采用與原理物理力學(xué)性質(zhì)相似的材料，按一定的幾何相似常數(shù)縮制成試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行相應(yīng)的目的的研究的一種試驗(yàn)方法。采用這種方法模擬覆巖采動(dòng)過程，研究其變形破壞規(guī)律可以節(jié)省大量的觀測費(fèi)用，而且結(jié)果更加直觀。儀器設(shè)備：相似材料模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)步驟：1、了解配比變化對(duì)材料的物理力學(xué)性質(zhì)的影響，包括骨膠比、灰膏比和用水量的影響；2、根據(jù)試驗(yàn)要求，按比例配比，制作模擬材料，選定并準(zhǔn)備好適應(yīng)的骨料，膠結(jié)料，水等，制作出不同配比的材料試件，并進(jìn)行編號(hào)；3、待試件干燥后，對(duì)試件進(jìn)行強(qiáng)度測試，根據(jù)強(qiáng)度相似指標(biāo)要求，選定相似材料，按表中形式記錄好相似材料配比及主要物理力學(xué)參數(shù)；4、根據(jù)模型尺寸，按每分層厚度計(jì)算不同配比材料的用量（層厚度為20mm）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：1、工作面的設(shè)計(jì)長度200m，推進(jìn)尺度130m，煤層埋深51m，煤層平均厚度5m，用全部垮落法管理頂板，煤層一次采煤深度5m，表1-1為煤巖物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)：巖斷厚度主要巖石容重（kg/m3）抗壓強(qiáng)度風(fēng)化段10-50泥巖263-5砂巖266-10未風(fēng)化軟巖帶60-100泥巖2612砂巖263硬巖帶110-240砂質(zhì)頁巖2610-17砂質(zhì)頁巖2610-40

煤頂板層煤頂板層煤層段底板油頁巖2220-23泥巖2610-15煤153砂巖2625-65（多30左右）泥巖2626-302、相似條件確定(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料:實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸200mmx2000mmx2000mm，實(shí)驗(yàn)材料：硅砂(①=0.1?0.35mm)石灰、石膏、軟木屑、四硼酸鈉等；(2)主要相似參數(shù)：aL二Lh/Lm丄M-模型強(qiáng)度，Lh-模型厚度根據(jù)模擬工作面煤層厚度等參數(shù)，結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)幾何尺寸，選幾何相似常數(shù)a_=0.01；(3)容度相似常數(shù)：a=YH/YM，Yh-原型容重，YM-模型容重工作面不同巖段巖石平均容重為26kg/m3，，石灰，石膏，硅砂試驗(yàn)材料平均容重為17kg/m3，容重相似常數(shù)為ar=26/17=1.5;(4)強(qiáng)度相似常數(shù)：a,-原型強(qiáng)度，-模型強(qiáng)度對(duì)自重加載實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，容重相似常?shù)與強(qiáng)度相似常數(shù)之間應(yīng)該是關(guān)系。據(jù)此強(qiáng)度相似常數(shù)3、相似材料配比：根據(jù)強(qiáng)度相似條件要求，模擬原型各巖段不同巖性巖層強(qiáng)度的模型材料強(qiáng)度見表1-2 原巖及材料強(qiáng)度原型巖石強(qiáng)度Mpa相似材料強(qiáng)度Mpa主要巖石

10以下小于17風(fēng)化帶泥巖、砂巖、未風(fēng)化軟巖段砂巖、煤1017風(fēng)化帶砂巖、未風(fēng)化軟巖段泥巖、硬巖段部分砂質(zhì)頁巖、煤層頂板部分泥巖2033硬巖段部分砂巖、煤層頂板部分濁頁巖、泥巖、煤層底板部砂巖、泥巖3050硬巖段部分砂質(zhì)頁巖、煤層底板部分砂巖30以上大于50硬巖段部分砂質(zhì)頁巖、煤層底板部分砂巖根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)材料的技術(shù)特征及物理力學(xué)性質(zhì)特征，結(jié)合以往實(shí)驗(yàn)風(fēng)格，選擇砂為骨料，建筑用石灰、石膏為膠結(jié)材料進(jìn)行材料配比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中水與材料比為1:9，以四硼酸鈉為緩凝劑，緩凝劑在水中的濃度是1-1.5%，選擇如下四種配比材料模擬不同巖性的巖層，4種相似模擬材料的配比及主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1-3配比號(hào)硅砂石灰水容重（kg/m3）單軸抗壓強(qiáng)度（Pa）石膏A70.511918.147-660.5B70.611917.630-380.4C70.711917.413-190.3D80.611918.06-110.44、模型制作制作的模型為工作面走向剖面模型，墻角為0.，模型高度為70cm,其中第四組松散層厚度8cm。風(fēng)化帶層厚度32cm，巖層頂板巖層厚度2cm，煤層厚度為5cm，煤層深度51cm，煤層底板巖段巖層厚度為14cm；分層材料用豎計(jì)算（20mm為一個(gè)分層）風(fēng)化帶體積0.2x2x0.32x=0.00128m3風(fēng)化帶相似材料總重量M=PV=0.00128x18=0.02304kg相似材料配比為硅：石灰：石膏：水=8:0.6:0.4:1則有8m+0.6m+0.4m+m=0.02304g得m=0.002304g故風(fēng)化帶中所需硅砂8m=8x0.002304=0.01843kg;石灰0.6m=0.0013824kg;石膏：0.4m=0.0009216kg;水:m=0.002304kg20mm分層材料用量計(jì)算V=0.2x2x0.002=8x10一3m3分層材料總質(zhì)量為M=pv=18.0x8x10-3=0.144kg5、開采模擬工作面從模型右邊界35cm位置開切，向左推至左邊界35cm位置停采?？紤]實(shí)驗(yàn)室溫度、濕度等環(huán)境變化對(duì)模型的材料強(qiáng)度的影響，參考時(shí)間相似常數(shù)，實(shí)驗(yàn)中模擬工作面推進(jìn)速度2.4cm/h。6、試驗(yàn)觀測結(jié)果分析（1） 頂板巖層活動(dòng)規(guī)律：模擬工作面巖層底板出現(xiàn)彎曲下沉、斷裂、折面垮落。隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，上方巖層也逐漸彎曲下沉，并出現(xiàn)離層、裂縫，從低向高層逐漸發(fā)展，隨上覆巖層跨落，先垮落堆積的低位巖層被逐漸壓實(shí)，并進(jìn)一步破碎，出現(xiàn)同期跨落；（2） “三帶”分布特征垮落帶：煤層頂板巖層，斷裂裂縫密集，順層開裂充分，煤層采出后，頂板自下而上逐層垮落；斷裂帶：底部靠近垮落帶的巖層，層間離層開裂明顯，分層性好，垂直或傾斜裂縫發(fā)育，且變?yōu)閿嗔蚜芽p；彎曲帶：巖層或巖層組中有垂直層面的開裂，但離層是閉合的，垂直裂縫相互獨(dú)立，不連通；（3）彎曲帶中巖層的離層：由于各巖層巖性差異，物理力學(xué)性質(zhì)不一，在相鄰巖層彎曲變形過程中，在巖層交接處差生剪切應(yīng)力并發(fā)生剪切變形。當(dāng)超過剪切強(qiáng)度時(shí)，造成剪切破壞，形成離層。工作面回采過程中，隨開采空間擴(kuò)大，伴隨覆巖破壞，離層由下向上逐漸發(fā)展。從層間剪切開裂、離層形成與發(fā)展、直至被壓實(shí)閉合，離層得到完整的發(fā)展；（4瀆驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓珊?cm相當(dāng)于實(shí)際5m條件下地表出現(xiàn)最大下沉值為1.1cm,相當(dāng)于實(shí)際1.1m;7實(shí)驗(yàn)照片實(shí)驗(yàn)1相似材料模擬試驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康奶秸莆障嗨撇牧夏M實(shí)驗(yàn)的主要作用、主要方法探了解相似材料模擬試驗(yàn)的基本理論：三個(gè)相似定律探了解相似材料的組成：主料、骨料、膠結(jié)物等探了解影響相似材料強(qiáng)度的因素探掌握模擬巖層的非連續(xù)面（如斷層、層理、節(jié)理等）的方法糠了解相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的基本步驟探了解相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的觀測、數(shù)據(jù)采集方法二、原理說明相似材料模擬試驗(yàn)的基本理論：三個(gè)相似定律相似理論是研究模型與其代表的原型之間相似性質(zhì)與規(guī)律的理論，由三個(gè)基本定律組成。相似第一定律：考察兩個(gè)系統(tǒng)所發(fā)生的現(xiàn)象，如果在其所有對(duì)應(yīng)的點(diǎn)上均滿足以下兩個(gè)條件，稱此兩現(xiàn)象為相似現(xiàn)象。條件1：相似現(xiàn)象的各對(duì)應(yīng)物理量之比應(yīng)當(dāng)是常數(shù)，稱為“相似常數(shù)”。具體礦壓方面的應(yīng)用，模型與原型應(yīng)存在三個(gè)方面的相似：幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似。條件2：凡屬相似現(xiàn)象，都可以用同一個(gè)基本方程式描述，即模型與原型之間各對(duì)應(yīng)量物理量成一定的比例關(guān)系。相似第二定律：認(rèn)為約束兩相似現(xiàn)象的基本物理方程可以用量綱分析的方法轉(zhuǎn)換成用相似判據(jù)口方程來表達(dá)的新方程，即轉(zhuǎn)換成口方程。兩個(gè)相似系統(tǒng)的口方程必須相同。該定律更加廣泛地概括了兩個(gè)系統(tǒng)的相似條件。相似第三定律：認(rèn)為對(duì)于同類物理現(xiàn)象，如果單值量相似，而且由單值量所組成的相似判斷在數(shù)值上相等，現(xiàn)象才互相相似。該定律解答了怎樣才能使現(xiàn)象互相相似。所謂單值量是指單值條件下的物理量，而單值條件是將一個(gè)個(gè)別現(xiàn)象從同類現(xiàn)象中區(qū)分出來。亦即將現(xiàn)象的通解變成特解的具體條件。而單值條件包括：幾何條件、介質(zhì)條件、邊界條件和初始條件、現(xiàn)象的各種物理量實(shí)質(zhì)上都是由單值條件引出的。主導(dǎo)相似判據(jù)是指在系統(tǒng)中具有重要意義的物理常數(shù)和幾何性質(zhì)所組成的判據(jù)。依據(jù)相似理論，可以利用相似材料進(jìn)行相似材料模擬實(shí)驗(yàn)研究。相似材料模型法的實(shí)質(zhì)是：用與原型力學(xué)性質(zhì)相似的材料按照幾何相似常數(shù)縮制成模型。相似材料模型依其相似程度的不同分為兩種：一種是定性模型(也稱為原理模擬或機(jī)制模擬)。主要目的是通過模型定性地判斷原型中發(fā)生某種現(xiàn)象的本質(zhì)或機(jī)理；或者通過若干模型了解某一因素對(duì)井下所產(chǎn)生的某種典型地壓現(xiàn)象的影響。另一種是定量模型。要求主要的物理量都盡量滿足相似常數(shù)與相似判據(jù)。根據(jù)定量模型相似理論，要使模型與實(shí)體原型相似，必須滿足各對(duì)應(yīng)量成一定比例關(guān)系及各對(duì)應(yīng)量所組成的數(shù)學(xué)物理方程相同。具體在礦山壓力方面的應(yīng)用，要保證模型和實(shí)體在以下三個(gè)方面相似。幾何相似：要求模型與原型各部分的尺寸應(yīng)按同樣的比例尺縮小或放大，保持幾何形狀相似，為此需滿足長度比為常數(shù)，即滿足：L―HLM式中，aL――長度比；L――廣義長度；H――實(shí)體；M――模型。運(yùn)動(dòng)相似。要求模型與實(shí)體所有各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況相似，即要求各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的速度、加速度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等都成一定比例。所以，要求時(shí)間比為常數(shù)，即滿足：ta=-H-ttM式中，at――時(shí)間比；tH――實(shí)體運(yùn)動(dòng)時(shí)間；tM――模型運(yùn)動(dòng)時(shí)間。動(dòng)力相似。要求模型和實(shí)體的所有作用力都相似。首先容重比為常數(shù)，即滿足：式中，a丫一一容重比；Yh——實(shí)體材料容重；Ym――模型材料容重。在重力和內(nèi)部應(yīng)力作用下，巖石的變形和破壞過程中的主導(dǎo)相似準(zhǔn)則為：一曠二 M-YLYLHH MM各相似常數(shù)間滿足下列關(guān)系：式中，QH,QM――分別為實(shí)體和模型的應(yīng)力；應(yīng)力相似常數(shù)。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要設(shè)備有三維相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、二維相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、散體相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)等。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的主要用途、方法相似材料模擬試驗(yàn)的原理相似材料的組成模擬巖層的非連續(xù)面（如斷層、層理、節(jié)理等）的方法相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的基本步驟、數(shù)據(jù)采集方法實(shí)驗(yàn)基本步驟如下：1、散體放礦試驗(yàn)（1）試驗(yàn)材料的選擇：按照幾何相似的理論，應(yīng)選擇合理尺寸的散體顆粒，用以模擬放礦的過程。（2）散體模型的鋪設(shè)：根據(jù)所模擬的原型，按照設(shè)計(jì)的相似比關(guān)系，鋪設(shè)模型，包括需要放出的礦層及相應(yīng)的頂板巖石。鋪設(shè)過程中，應(yīng)鋪設(shè)一定數(shù)量的標(biāo)志層，或布置標(biāo)志點(diǎn)。（3）放礦試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集：按照放礦試驗(yàn)的順序進(jìn)行放礦，主要紀(jì)錄頂板巖石與礦層分界面的變化過程，了解偽頂、直接頂巖層破壞、垮落、冒落、運(yùn)移的發(fā)展過程。試驗(yàn)過程中應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的素描或使用數(shù)碼相機(jī)采集影像數(shù)據(jù)。2、固體相似材料模擬試驗(yàn)（1）試驗(yàn)材料的選擇：按照幾何相似的理論，應(yīng)選擇合理的相似材料（包括骨料、膠結(jié)物等），確定合理的水灰比。（2）試驗(yàn)儀器的準(zhǔn)備：根據(jù)需要觀測的內(nèi)容，準(zhǔn)備相應(yīng)的壓力、位移傳感器和水準(zhǔn)、經(jīng)委觀測儀器。（3）模型的鋪設(shè)：根據(jù)不同巖層的基本條件，按照對(duì)應(yīng)的相似關(guān)系，由煤層底板、煤層、頂板巖層的順序，依次鋪設(shè)模型；鋪設(shè)過程中，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的方案，布置相應(yīng)的傳感器。（4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的連接：由指導(dǎo)教師介紹數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與傳感器的連接及使用方法。（