相似材料模擬實驗報告

實驗目的：了解相似材料模擬掩飾的基本原理和基本過程?；驹恚合嗨撇牧夏M實驗是采用與原理物理力學性質相似的材料，按一定的幾何相似常數縮制成試驗模型進行相應的目的的研究的一種試驗方法。采用這種方法模擬覆巖采動過程，研究其變形破壞規(guī)律可以節(jié)省大量的觀測費用，而且結果更加直觀。儀器設備：相似材料模擬實驗臺。實驗步驟：1、了解配比變化對材料的物理力學性質的影響，包括骨膠比、灰膏比和用水量的影響；2、根據試驗要求，按比例配比，制作模擬材料，選定并準備好適應的骨料，膠結料，水等，制作出不同配比的材料試件，并進行編號；3、待試件干燥后，對試件進行強度測試，根據強度相似指標要求，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參數；4、根據模型尺寸，按每分層厚度計算不同配比材料的用量（層厚度為20mm）。實驗數據：1、工作面的設計長度200m，推進尺度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為煤巖物理力學性質指標：巖斷厚度主要巖石容重（kg/m3）抗壓強度風化段10-50泥巖263-5砂巖266-10未風化軟巖帶60-100泥巖2612砂巖263硬巖帶110-240砂質頁巖2610-17砂質頁巖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)實驗設備與材料:實驗臺尺寸200mmx2000mmx2000mm，實驗材料：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：aL二Lh/Lm丄M-模型強度，Lh-模型厚度根據模擬工作面煤層厚度等參數，結合試驗臺幾何尺寸，選幾何相似常數a_=0.01；(3)容度相似常數：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，硅砂試驗材料平均容重為17kg/m3，容重相似常數為ar=26/17=1.5;(4)強度相似常數：a,-原型強度，-模型強度對自重加載實驗模型，容重相似常數與強度相似常數之間應該是關系。據此強度相似常數3、相似材料配比：根據強度相似條件要求，模擬原型各巖段不同巖性巖層強度的模型材料強度見表1-2 原巖及材料強度原型巖石強度Mpa相似材料強度Mpa主要巖石

10以下小于17風化帶泥巖、砂巖、未風化軟巖段砂巖、煤1017風化帶砂巖、未風化軟巖段泥巖、硬巖段部分砂質頁巖、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硬巖段部分砂質頁巖、煤層底板部分砂巖30以上大于50硬巖段部分砂質頁巖、煤層底板部分砂巖根據實驗室實驗材料的技術特征及物理力學性質特征，結合以往實驗風格，選擇砂為骨料，建筑用石灰、石膏為膠結材料進行材料配比實驗，實驗中水與材料比為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性質指標見表1-3配比號硅砂石灰水容重（kg/m3）單軸抗壓強度（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；分層材料用豎計算（20mm為一個分層）風化帶體積0.2x2x0.32x=0.00128m3風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分層材料用量計算V=0.2x2x0.002=8x10一3m3分層材料總質量為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]實驗室溫度、濕度等環(huán)境變化對模型的材料強度的影響，參考時間相似常數，實驗中模擬工作面推進速度2.4cm/h。6、試驗觀測結果分析（1） 頂板巖層活動規(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，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，并進一步破碎，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，物理力學性質不一，在相鄰巖層彎曲變形過程中，在巖層交接處差生剪切應力并發(fā)生剪切變形。當超過剪切強度時，造成剪切破壞，形成離層。工作面回采過程中，隨開采空間擴大，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、直至被壓實閉合，離層得到完整的發(fā)展；（4瀆驗模型在采厚5cm相當于實際5m條件下地表出現(xiàn)最大下沉值為1.1cm,相當于實際1.1m;7實驗照片實驗1相似材料模擬試驗一、實驗目的探掌握相似材料模擬實驗的主要作用、主要方法探了解相似材料模擬試驗的基本理論：三個相似定律探了解相似材料的組成：主料、骨料、膠結物等探了解影響相似材料強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驗的基本步驟探了解相似材料模擬實驗的觀測、數據采集方法二、原理說明相似材料模擬試驗的基本理論：三個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與規(guī)律的理論，由三個基本定律組成。相似第一定律：考察兩個系統(tǒng)所發(fā)生的現(xiàn)象，如果在其所有對應的點上均滿足以下兩個條件，稱此兩現(xiàn)象為相似現(xiàn)象。條件1：相似現(xiàn)象的各對應物理量之比應當是常數，稱為“相似常數”。具體礦壓方面的應用，模型與原型應存在三個方面的相似：幾何相似、運動相似、動力相似。條件2：凡屬相似現(xiàn)象，都可以用同一個基本方程式描述，即模型與原型之間各對應量物理量成一定的比例關系。相似第二定律：認為約束兩相似現(xiàn)象的基本物理方程可以用量綱分析的方法轉換成用相似判據口方程來表達的新方程，即轉換成口方程。兩個相似系統(tǒng)的口方程必須相同。該定律更加廣泛地概括了兩個系統(tǒng)的相似條件。相似第三定律：認為對于同類物理現(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個別現(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、介質條件、邊界條件和初始條件、現(xiàn)象的各種物理量實質上都是由單值條件引出的。主導相似判據是指在系統(tǒng)中具有重要意義的物理常數和幾何性質所組成的判據。依據相似理論，可以利用相似材料進行相似材料模擬實驗研究。相似材料模型法的實質是：用與原型力學性質相似的材料按照幾何相似常數縮制成模型。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)象的本質或機理；或者通過若干模型了解某一因素對井下所產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與相似判據。根據定量模型相似理論，要使模型與實體原型相似，必須滿足各對應量成一定比例關系及各對應量所組成的數學物理方程相同。具體在礦山壓力方面的應用，要保證模型和實體在以下三個方面相似。幾何相似：要求模型與原型各部分的尺寸應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，即滿足：L―HLM式中，aL――長度比；L――廣義長度；H――實體；M――模型。運動相似。要求模型與實體所有各對應點的運動情況相似，即要求各對應點的速度、加速度、運動時間等都成一定比例。所以，要求時間比為常數，即滿足：ta=-H-ttM式中，at――時間比；tH――實體運動時間；tM――模型運動時間。動力相似。要求模型和實體的所有作用力都相似。首先容重比為常數，即滿足：式中，a丫一一容重比；Yh——實體材料容重；Ym――模型材料容重。在重力和內部應力作用下，巖石的變形和破壞過程中的主導相似準則為：一曠二 M-YLYLHH MM各相似常數間滿足下列關系：式中，QH,QM――分別為實體和模型的應力；應力相似常數。三、實驗設備主要設備有三維相似模擬實驗臺、二維相似模擬實驗臺、散體相似模擬實驗臺等。四、實驗內容相似材料模擬實驗的主要用途、方法相似材料模擬試驗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驗的基本步驟、數據采集方法實驗基本步驟如下：1、散體放礦試驗（1）試驗材料的選擇：按照幾何相似的理論，應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：根據所模擬的原型，按照設計的相似比關系，鋪設模型，包括需要放出的礦層及相應的頂板巖石。鋪設過程中，應鋪設一定數量的標志層，或布置標志點。（3）放礦試驗及數據采集：按照放礦試驗的順序進行放礦，主要紀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、運移的發(fā)展過程。試驗過程中應進行相應的素描或使用數碼相機采集影像數據。2、固體相似材料模擬試驗（1）試驗材料的選擇：按照幾何相似的理論，應選擇合理的相似材料（包括骨料、膠結物等），確定合理的水灰比。（2）試驗儀器的準備：根據需要觀測的內容，準備相應的壓力、位移傳感器和水準、經委觀測儀器。（3）模型的鋪設：根據不同巖層的基本條件，按照對應的相似關系，由煤層底板、煤層、頂板巖層的順序，依次鋪設模型；鋪設過程中，根據預先設計的方案，布置相應的傳感器。（4）數據采集系統(tǒng)的連接：由指導教師介紹數據采集系統(tǒng)與傳感器的連接及使用方法。（