相似材料模擬實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)十：相似材料模擬實(shí)驗(yàn)1 相似原理相似材料模擬是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的一種，它是人們探討和認(rèn)識(shí)地壓規(guī)律的途徑之一。用與天然巖石物理力學(xué)性質(zhì)相似的人工材料，按礦山實(shí)際原型，遵循一定比例縮小做成的模型，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。它被用來研究采場和巷道的某些地壓問題，例如估計(jì)地壓大小，頂?shù)装逑鄬?duì)位移，冒落拱形狀和大小，支架對(duì)地壓底影響，地下開采對(duì)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(shí)反映原型中所發(fā)生的情況，就必須根據(jù)問題的性質(zhì)，找出主要矛盾，并根據(jù)主要矛盾，去確定原型與

2、模型之間的相似關(guān)系和相似準(zhǔn)則，原型與模型相似必須具備下面幾個(gè)條件。1.1 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，高等都按一定比例縮小或放大，以做成模型。設(shè)以和分別代表原型和模型長度，腳標(biāo)M表示模型，代表和的比值，稱長度比尺，則幾何相似要求，為常數(shù)。 （1）因面積是長度二次方，所以面積比尺為 （2）因體積是長度三次方，所以體積比尺為 （3）一般來說，模型越大，越能反映原型的實(shí)際情況，原型實(shí)際上，但是由于各方面條件限制。模型又不能做的太大。通常模擬采場用，即原型縮小，模型巷道用；即原型縮小為。1.2 運(yùn)動(dòng)相似要求模型與原型中，所有各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況相似，即要求各

3、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。設(shè)以和分別表示原型和模型中對(duì)應(yīng)點(diǎn)完成沿幾何相似的軌跡所需的時(shí)間，以代表和的比值，稱為時(shí)間比尺，則運(yùn)動(dòng)相似要求為常數(shù)。即 （4）1.3 動(dòng)力相似要求模型與原型的所有作用力都相似對(duì)于地壓問題，按抓主要矛盾的觀點(diǎn)進(jìn)行分析，主要是考慮重力作用，要求重力相似設(shè)以和分別表示原型與模型對(duì)應(yīng)部分的重力，視密度和體積，因?yàn)?（5） (6)則： （7）所以在幾何相似條件下對(duì)重力相似，還要求的比尺為常數(shù)，即為視密度比尺。則： （8）由上述三個(gè)比尺，根據(jù)各對(duì)應(yīng)量組成的物理方程式，還可推得位移，應(yīng)變，應(yīng)力等其它比尺 （9） （10） （11）式中：分別代表原型與模型得應(yīng)力，

4、凝聚力，彈性模量，內(nèi)摩擦角，泊松比。2 實(shí)驗(yàn)方法2.1 儀器設(shè)備和應(yīng)用材料材料試驗(yàn)機(jī)，相似模型架，靜態(tài)電阻應(yīng)變儀或動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀，x，y函數(shù)記錄儀，位移傳感器，荷重傳感器，天平最大稱量1000g，最小量0.01g，卡尺精度0.02mm，鋼尺。石英砂，石蘭，水泥，碳酸鈣，可賽銀，云母粉，攪拌鍋，量筒。2.2 相似材料配比根據(jù)相似原理，同時(shí)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)研究對(duì)象確定原型與模型的相似關(guān)系，采礦所研究的對(duì)象，主要是采場和上覆巖層的變形，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，其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

5、的主要強(qiáng)度指標(biāo)為抗壓和抗拉強(qiáng)度，主要變形指標(biāo)為彈性模量和泊松比。根據(jù)煤礦地層巖石的強(qiáng)度和變形指標(biāo)的范圍選擇不同比例尺的相似材料的強(qiáng)度和變形指標(biāo)的范圍見表1和2所示表1 煤礦地層巖石強(qiáng)度和變形指標(biāo)范圍巖層類別強(qiáng)度指標(biāo)變形指標(biāo)(Mpa)(Mpa)(Mpa)較松軟巖石10401.31.70.20.5中硬巖石40801.72.50.150.25堅(jiān)硬巖石801502.54.50.10.2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(qiáng)度

6、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(dòng)較大；d，模型制作方便，凝固時(shí)間短；e，成本低，來源豐富；按上述原則認(rèn)為：以石膏，水泥，石灰，高嶺土，碳酸鈣，作膠結(jié)物，以河砂或石英砂作骨料是合適的，有時(shí)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(jìn)行初凝和終凝時(shí)間的測定，水泥要測定水泥標(biāo)號(hào)，石膏，石灰，高嶺土，碳酸鈣要進(jìn)行單向抗壓和抗拉強(qiáng)度測定，骨料，河砂和石英砂要進(jìn)行級(jí)配試驗(yàn)是否符合規(guī)范要求，其測定方法可按建筑材料試驗(yàn)規(guī)程的規(guī)定進(jìn)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1

7、.51.8范圍內(nèi)較合適，因?yàn)橐暶芏冗^大成型擊實(shí)困難，視密度過小使模型材料松散不易成型。B，凝固時(shí)間的選擇：相似材料的成型，必須在膠結(jié)劑初凝前完成，成型后要求在很短時(shí)間內(nèi)固化，以便脫模。初凝和固化時(shí)間決定于相似材料石膏和水泥的初凝時(shí)間，顯然都不符合要求，必須加緩凝劑或速凝劑以滿足成型要求，一般在1525min內(nèi)初凝較合適，如石膏初凝78min，加入1動(dòng)物膠或1硼砂，可在1520min內(nèi)初凝。C，相似材料配比試驗(yàn)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(qiáng)度取決于膠結(jié)物的強(qiáng)度，而膠結(jié)物的強(qiáng)度取決于砂和膠結(jié)物的比例及膠結(jié)物成份的比例，亦即材料配比，所以在模型試驗(yàn)之前，必須進(jìn)行大量

8、的相似材料配比工作，對(duì)每一種材料的配比都要進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)的測定。見表33，34，35所示。表2 選擇不同比例尺的相似材料的強(qiáng)度和變形指標(biāo)范圍1:201:401:100MpaMpaMpaMpaMpaMpaMpa較松軟巖層0.511.364.45.80.220.250.260.682.22.90.200.250.100.270.901.160.200.25中硬巖層1.362.725.88.60.150.250.681.362.94.30.150.250.270.540.101.70.150.25堅(jiān)硬巖層2.725.108.515.30.100.201.365.54.37.70.100.200.541

9、.021.73.100.100.20實(shí)驗(yàn)一 巖石真密度測定方法表3砂子，水泥，石膏相似材料配比表配比號(hào)（Mpa）（Mpa）彈性模量Mpa泊松比備注5373.2700.2979.30.16試件試件干燥711天，水量為試件質(zhì)量的，500g硫酸鹽水泥，實(shí)際標(biāo)號(hào)236，骨料為石英砂，石膏為2級(jí)配比號(hào)537即砂：水泥：石膏為5：0.3：0.75553.6000.2375.30.235732.0340.1184.00.256372.7980.2343.30.216552.3250.2245.50.196731.9440.1096.50.157372.1180.1785.10.197551.8900.157

10、3.50.167731.5500.0983.70.188372.0600.1835.00.188551.7600.1432.30.228731.4530.0853.30.199371.2300.1309550.6100.1179730.8800.062表4 石子，石灰，石膏相似材料配比表配比號(hào)材料配比單向抗壓強(qiáng)度（Mpa）單向抗拉強(qiáng)度（Mpa）視密度（）備注砂膠比膠結(jié)物水份石灰石膏3373：10.30.70.3680.0441.5采用石英砂3550.50.50.2510.0231.53730.70.30.1400.0191.54374：10.30.70.2980.0271.54550.50.5

11、0.2080.0251.54730.70.30.1340.0181.55375：10.30.70.1440.0241.55550.50.50.1070.0141.55730.70.30.0741.56376：10.30.70.1240.0151.56550.50.50.1040.0131.56730.70.30.0660.0091.5（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(jìn)行試驗(yàn)的，而模型架是根據(jù)研究的內(nèi)容和要求設(shè)計(jì)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

12、邊上有孔，用以固定模板，模型架的尺寸主要決定于長度比尺，一般長度26m，高1.52.5m，寬度0.080.2m，架子兩邊架設(shè)模板，模板用厚度用3cm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(shí)，不能完全靠模型材料自重，需要外力載荷，采用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(hào)水 量視密度3371.50.2830.0560.1241/5.61/0.44355、0.2020.0360.0811/5.61/0.4373、0

13、.1190.0170.0431/7.01/0.36437、0.2220.040.0971/5.61/0.44455、0.1580.0270.0671/5.91/0.42473、0.0900.0140.0371/6.41/0.41537、0.1970.0300.0751/6.61/0.38555、0.1410.0220.0541/6.61/0.38573、0.0860.0120.0311/7.21/0.36637、0.1640.0220.0551/7.51/0.34655、0.1210.0160.0421/7.41/0.35673、0.0780.0110.0321/7.71/0.41737、0.

14、1350.0180.0401/7.51/0.30755、0.1030.0140.0351/7.41/0.34773、0.0700.0090.0271/7.71/0.39（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；最大厚度為2cm。過大使模型上密下松，過小時(shí)裝填勞動(dòng)量增加，一般為2cm，層間用云母粉隔離，裝料前必須計(jì)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(huì)產(chǎn)生各種力學(xué)現(xiàn)象，如壓力變形、破壞等，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的采用相應(yīng)的觀測儀器，對(duì)于結(jié)構(gòu)和圍巖位

15、移的測定。可用網(wǎng)格法、千分表法，電阻應(yīng)變儀、定時(shí)照相等。對(duì)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(jì)和制作方法實(shí)例說明3.1 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(dòng)規(guī)律3.2 模擬條件見表3-6所示表6 模擬條件層別層間距（m）層 厚(m)采煤方法備 注五 層 煤25202長壁冒落法8號(hào)鉆孔柱狀四 層 煤2長壁冒落法三 層 煤2長壁冒落法見圖3-73.3 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)模擬條件三層煤距離45m,五

16、層煤離地表123m，模擬范圍大致選用。 巖石強(qiáng)度比尺 （3-13）式中： 時(shí)間比尺 （3-14）根據(jù)上面確定的參數(shù)可求模型上相應(yīng)的量 （3-15） （3-16） （3-17）模型上參數(shù)的換算見表3-7所示，采用砂子和石灰石羔相似材料配比表見表3-4。表3-7模型上參數(shù)的換算柱狀圖巖 層名 稱巖 石厚 度巖 層特 征巖石強(qiáng)度(Mpa)模型強(qiáng)度相似材料配比號(hào)砂頁巖互層9090各層由0.711m組成3750.2070.028455中砂巖層2323含云田片，堅(jiān)硬有節(jié)理305.50.2800.030437粗礫 巖層2222松散47.25.00.2640.028355礫巖6.06.0泥質(zhì)膠細(xì)61.79.5

17、0.4420.074337碳質(zhì)頁巖1.11.1含植物化石云田局部成煤37.08.50.2370.047433五層煤2.02.0節(jié)理垂直，層理發(fā)育10.00.055673碳質(zhì)頁巖8.08.0較松散37.011.60.2370.047433細(xì)砂巖1212板狀層理不發(fā)育68.08.50.4980.204337碳質(zhì)頁巖55節(jié)理明顯37.00.2370.047437四層煤22節(jié)理發(fā)育10.08.50.055673碳質(zhì)頁巖55含碳重，軟37.09.50.2370.047437礫巖細(xì)砂巖互層1010節(jié)理發(fā)育61.76.70.5090.081337砂質(zhì)頁巖4.04.0節(jié)理明顯23.011.60.1290.03

18、8537細(xì)砂巖1.01.0節(jié)理發(fā)育62.00.4980.204337三層煤3.03.0層理發(fā)育10.08.50.055673碳質(zhì)頁巖4.04.0含云田片37.00.2370.0474373.4 模型的裝填對(duì)每個(gè)煤層，要根據(jù)節(jié)理、層理、裂隙情況在模型上做人工裂隙。大于2cm厚的巖層，根據(jù)層理發(fā)展情況，可以分成0.5-2cm厚的小分層；小于0.5cm厚巖層成型困難，而大于2cm厚的巖層時(shí)，造成同層上密下疏材質(zhì)不均勻，由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1cm，并且每層上做間距2cm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(hào)各小分層厚度及每層所需材料的體積，材料的視密度。計(jì)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(shí)至要求的厚度，從加水到壓實(shí)不得超過15-20min。計(jì)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，計(jì)算各層材料的數(shù)量