相似模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬在巖土工程中的應(yīng)用及實(shí)際案例

1、相似模擬與模型實(shí)驗(yàn)在巖土工程中的應(yīng)用相似模擬與其它一樣是社會(huì)生產(chǎn)進(jìn)展的必然產(chǎn)物。由于社會(huì)生產(chǎn)的不斷進(jìn)展，巖上工程所提出的問(wèn)題日趨復(fù)雜和繁瑣。用數(shù)學(xué)方式很寶貴到精準(zhǔn)的解析解，只能作一些假設(shè)與簡(jiǎn)化再求解，因此帶來(lái)一些誤差。于是人們不能不通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)探求那些靠數(shù)學(xué)方式無(wú)法研究的復(fù)雜現(xiàn)象的規(guī)律性?？墒侵苯拥膶?shí)驗(yàn)的方式有專門大的局限性，其實(shí)驗(yàn)的結(jié)果只能推行到與實(shí)驗(yàn)條件完全相同的實(shí)際問(wèn)題中去，這種實(shí)驗(yàn)方式常常只能得出個(gè)別量的表而規(guī)律性關(guān)系，難以抓住現(xiàn)象的內(nèi)在本質(zhì)。相似模擬正是為解決這些問(wèn)題而產(chǎn)生的，它不直接的研究自然現(xiàn)象或進(jìn)程的本身，而是研究與這些自然現(xiàn)象或進(jìn)程相似的模型，它是理論與實(shí)際緊密相結(jié)合的科

2、學(xué)研究方式，是解決一些比較復(fù)雜的生產(chǎn)工程問(wèn)題的一種有效方式。一、相似模擬與模型實(shí)驗(yàn)的方要研究?jī)?nèi)容它是研窕自然界相似現(xiàn)象的一門科學(xué)。它提供了相似判定的方式。并用于指導(dǎo)模型實(shí)驗(yàn),整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果用于原型的理論基礎(chǔ)。二、相似常數(shù)設(shè)C表示相似常數(shù)，X表示原型中的物理量，£表示模型中的物理量，那么：生=玉其中g(shù)表示第/個(gè)物理量所對(duì)應(yīng)的相似常數(shù)。物理量包括于現(xiàn)象當(dāng)中。而表示現(xiàn)象的物理量，一樣都不是孤立的，互不關(guān)聯(lián)的，而是處在自然規(guī)律所決定的必然關(guān)系中，因此說(shuō)各類相似常數(shù)之間也是彼此關(guān)聯(lián)的。在許多的情形下這種關(guān)聯(lián)表現(xiàn)為數(shù)學(xué)方程的形式。下面舉例說(shuō)明：設(shè)兩個(gè)物體受力與運(yùn)動(dòng)相似那么它們的質(zhì)點(diǎn)的

3、運(yùn)動(dòng)方程和力學(xué)方程都可用同一方程描述，即：原型的運(yùn)動(dòng)方程與物理方程懺"f='一dtdt模型的運(yùn)動(dòng)方程與物理方程，ds9Gtdv9v=/=mdf”因?yàn)閮蓚€(gè)物體的現(xiàn)象相似，其對(duì)應(yīng)物理量互成比例，即，聯(lián)合取得ccmv由，能夠說(shuō)明，各相似常數(shù)不是任意選擇的，它們之間是彼此關(guān)聯(lián)的。三、相似三定理1 .相似第必然理相似第必然理是指出兩個(gè)相似物體之間物理量的關(guān)系，具體能夠歸納為二點(diǎn)。一、相似現(xiàn)象能夠用完全相同的方程組來(lái)表示。二、用來(lái)表征這些現(xiàn)象的一切物理量在空間相對(duì)應(yīng)的各點(diǎn)在時(shí)刻上相對(duì)應(yīng)的各剎時(shí)各自互成必然比例關(guān)系。2 .相似第二定理相似第二定理描述了物理體系中各個(gè)物理量之間的關(guān)系，相似準(zhǔn)

4、那么之間的函數(shù)關(guān)系。關(guān)系式（準(zhǔn)那么方程）力（巧，乃2,，»）=。關(guān)系式的性質(zhì)關(guān)于彼此相似的現(xiàn)象，關(guān)系式相同。乃關(guān)系式中的項(xiàng)在模型實(shí)驗(yàn)中有自變項(xiàng)與應(yīng)變項(xiàng)之分。自變項(xiàng)是由單值條件的物理量所組成的定性準(zhǔn)那么，應(yīng)變項(xiàng)是包括非單值條件的物理量的非定性準(zhǔn)那么。假設(shè)能做到原型與模型中的自變項(xiàng)相等，由應(yīng)變4項(xiàng)與自變項(xiàng)之間的關(guān)系式能夠取得應(yīng)變4項(xiàng)，然后推行到原型中去，作為工程設(shè)計(jì)的各類參數(shù)。3 .相似第三定理相似第三定理是解決兩個(gè)同類物理現(xiàn)象知足什么樣的條件才能相似的問(wèn)題。第一條件：由于相似現(xiàn)象服從同一的自然規(guī)律，因此，可被完全相同的方程能所描述第二條件：具有相同的文字方程式，其單值條件相似，而且從單

5、值條件導(dǎo)出的相似準(zhǔn)那么的數(shù)值相等。所謂的單值條件是指從一群現(xiàn)象中，依照某一個(gè)現(xiàn)象的特性，把那個(gè)具體的現(xiàn)象從一群現(xiàn)象中區(qū)分出來(lái)的那些條件，單值條件中的物理量又稱為單值量。單值條件包括幾何條件、物理?xiàng)l件、邊界條件和初始條件。4 .相似三定理之間的關(guān)系相似第一和第二定理是從現(xiàn)象已經(jīng)相似這一基礎(chǔ)上動(dòng)身來(lái)考慮問(wèn)題，第必然理說(shuō)明了相似現(xiàn)象各物理量之間的關(guān)系，并以相似準(zhǔn)那么的形式表示出來(lái)。第二定理指出了各相似準(zhǔn)那么之間的關(guān)系，便于將一現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推行到其它現(xiàn)象。相似第三定理直接同代表具表現(xiàn)象的單值條件相聯(lián)系，而且強(qiáng)調(diào)了單值量相似，因此顯于出了科學(xué)上的周密性，是組成現(xiàn)象相似的充要條件。是一切模型實(shí)驗(yàn)應(yīng)遵守的

6、理論指導(dǎo)原那么?？墒窃谝恍?fù)雜的現(xiàn)象中，很難確信現(xiàn)象的單值條件，僅能借體會(huì)判定何為系統(tǒng)最要緊的參量，或盡管明白單值量，可是很難做到模型和原型由單值量組成的某些相似準(zhǔn)那么在數(shù)值上的一致，這使得相似第三定理真正的實(shí)行，并因此使模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)近似的性質(zhì)。一、同類相似與異類相似同類相似是指相似的物體是同類物質(zhì)，模型與原型的全數(shù)物理量相等，物理本質(zhì)一致，區(qū)別在于各物理量的大小比例不同。異類相似是指相似的物體不同類。僅因?yàn)閷?duì)應(yīng)量都遵循相同的方程式，具有數(shù)學(xué)上的相似性。五、相似準(zhǔn)那么的導(dǎo)出方式相似準(zhǔn)那么的導(dǎo)出方式有三種：定律分析法，方程分析法和因次分析法。從理論上說(shuō),三種方式能夠取得一樣的結(jié)果，只是用不同

7、的方式對(duì)物理現(xiàn)象作數(shù)學(xué)上的描述?？墒亲鳛槿N不同的方式，又有各自的適用條件。1.三種方式的介紹定律分析:這種方式是成立在全數(shù)現(xiàn)象的物理定律已知的基礎(chǔ)上的,通過(guò)剔除次要因素,從而推算出數(shù)量足夠的，反映現(xiàn)象實(shí)質(zhì)的乃項(xiàng)。這種方式的缺點(diǎn)上：1）流于就事論事，看不顯現(xiàn)象的轉(zhuǎn)變進(jìn)程和內(nèi)在聯(lián)系，故作為一種方式，缺乏典型意義2）由于必需找出所有的物理定理，因此關(guān)于未能把握其全數(shù)機(jī)理的，較為復(fù)雜的物理現(xiàn)象，運(yùn)用這種方式是不可能的，乃至無(wú)法找到近似解3）常常有一些物理定理，關(guān)于所討論的問(wèn)題表而上看去關(guān)系不緊密，但又不宜于妄加剔除，而必需通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出各個(gè)定律間的制約關(guān)系，決定其重要因素，這實(shí)際問(wèn)題的解決帶來(lái)不便。優(yōu)

8、勢(shì)：關(guān)于模型制作有指導(dǎo)性意義。方程分析法：依照已知現(xiàn)象的微分或積分方程推出乃項(xiàng)。此方式的的優(yōu)勢(shì)：1）結(jié)構(gòu)周密，能反映顯現(xiàn)象的本質(zhì)，故可望取得問(wèn)題的靠得住性結(jié)論2）分析程序明確步驟易于檢查3）各類成份的地位一覽無(wú)遺，有利于推斷，比較和校驗(yàn)缺點(diǎn)：對(duì)現(xiàn)象的機(jī)理不清楚，沒(méi)有成立方程的問(wèn)題，無(wú)法解決因次分析法：是依照正確選定參量，通過(guò)因次分析法考察各參量的因次，求出和乃定理一致的函數(shù)關(guān)系式，并據(jù)此進(jìn)行相似現(xiàn)象的推行。因次分析法的優(yōu)勢(shì)，關(guān)于一切機(jī)理尚未完全弄清，規(guī)律也未充分把握的現(xiàn)象來(lái)講，尤其明顯。它能幫忙人們快速地通過(guò)相似性實(shí)驗(yàn)核定所選參量的正確性，并在此基礎(chǔ)上不斷加深人們對(duì)現(xiàn)象機(jī)理和規(guī)律性的熟悉。以上

9、各類方式，日前應(yīng)用最普遍的是因次分析法，可是也不排除將各類方式結(jié)合利用的可能性。六、相似準(zhǔn)那么導(dǎo)出方式的解題步驟三種方式的解題步驟定律分析法的步驟分析現(xiàn)象，抓住要緊矛盾，排除次要因素寫出要緊矛盾的物理表達(dá)式作等效轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)化為具有相同因次的物理量?jī)蓛勺鞅戎?，求出相似?zhǔn)那么萬(wàn)2）方程分析法通常的方程分析法有：相似轉(zhuǎn)換法和積分類比法相似轉(zhuǎn)換法的步驟寫顯現(xiàn)象的大體微分方程寫出全數(shù)的單值條件，并令其二現(xiàn)象相似將微分方程按不同現(xiàn)象寫出進(jìn)行相似轉(zhuǎn)換求出相似準(zhǔn)那么開(kāi)積分類比法的步驟寫顯現(xiàn)象的大體微分方程和全數(shù)的單值條件用方程的任一項(xiàng)，除其它各項(xiàng) 進(jìn)行積分類比轉(zhuǎn)換，求出相應(yīng)的準(zhǔn)那么3）因次分析法因次分析法一樣分

10、為兩種：指數(shù)分析法和矩陣分析法。這兩種方式的大體原理一樣，運(yùn)算步驟稍有不同。指數(shù)分析法要緊用于現(xiàn)象的物理量較少的情形，而矩陣分析法要緊用于現(xiàn)象物理量較多的情形。指數(shù)分析法 列出相似準(zhǔn)那么的表達(dá)式 依照方程兩邊因次相等列出物理量參數(shù)的方程K個(gè) 設(shè)物理量有M個(gè)，任選其中的M-K個(gè)物理量為已知量 將這M-K個(gè)物理量，依次用M-K個(gè)單位向量代入方程，取得M-K組解 把這M-K組解代入相似準(zhǔn)那么的表達(dá)式中，能夠得出M-K個(gè)獨(dú)立的相似準(zhǔn)那么矩陣分析法矩陣分析法與指數(shù)分析法的大體原理一樣，矩陣分析法把線性方程組的求解用矩陣的求解來(lái)代替。其運(yùn)算步驟再也不此重復(fù)。2 .證明指數(shù)分析法解出的獨(dú)立乃項(xiàng)的普遍代表意義

11、例設(shè)某現(xiàn)象由5個(gè)物理量Al,A2,A3,A4,A5組成，這5個(gè)大體物理的獨(dú)立因次為L(zhǎng),M,N物理量的表達(dá)式=；123,4,5相似準(zhǔn)那么的表達(dá)式7r=ArxA2yA3zA4l,A5v因?yàn)閹醉?xiàng)為零，故有關(guān)于LaX+a2Y+ayZ-aAU+a5V=0關(guān)于MZ7,X+/72r+/73Z+Z75V=O關(guān)于T/1X+/2r+/3Z+/4t/+/5V=0固定U,V這兩個(gè)參數(shù)，設(shè)U=0,V=1那么能夠得出一組解，設(shè)為X=X1,Y=YbZ=Z1,但假設(shè)設(shè)U=0,V=N那么方程得出另一組解，設(shè)為X=X2,Y=Y2,Z=Z2這兩組解之間存在著如下關(guān)系，即：X=X2Yl=K2Zl=Z2NZN由上式可知，那個(gè)相似準(zhǔn)那么

12、和前一個(gè)相似準(zhǔn)那么只差方次關(guān)系，又因?yàn)橄嗨茰?zhǔn)那么能夠通過(guò)加、減、乘、除、棄運(yùn)算等進(jìn)行彼此變換，故這兩個(gè)相似準(zhǔn)那么實(shí)為同一個(gè)無(wú)因次量群,設(shè)U=l,V=0那么能夠得出一組解，設(shè)為X=X3,Y=Y3,Z=Z3,但假設(shè)設(shè)U=l,V=1那么方程得出另一組解，設(shè)為X=X4,Y=Y4,Z=Z4這兩組解之間存在著如下關(guān)系，即：X4=故U=l,V=1的相似準(zhǔn)那么能夠用U=0,V=1和U=LV=0的相似準(zhǔn)那么表示，因此說(shuō)U=0,V=1和U=l,V=0的相似準(zhǔn)那么能夠表示U,V為任何實(shí)數(shù)的相似準(zhǔn)那么。3 .三種方式解題1）定律分析法己知一個(gè)簡(jiǎn)支梁受有大小為4KN/M均布荷載，簡(jiǎn)支梁的跨度為4M,截面的高為0.5M,

13、寬為0.4M,跨中截而的最大正應(yīng)力為480KN/Mz,求當(dāng)梁的跨度為2M,截面尺寸相同受均布荷載為2KN/M時(shí)的跨中截而的最大正應(yīng)力?？缰袕澗氐墓阶畲笳龖?yīng)力公式.2及解：由最大正應(yīng)力公式能夠推出M=3因此乃=-C由）=7tm得又因?yàn)榻孛娴某叽缦嗤虼四軌蚝?jiǎn)化為名一="66,因此5=”用5=60KN/M2ql22）方程分析法以彈性力學(xué)中的極坐標(biāo)的平而應(yīng)力問(wèn)題為例說(shuō)明1 .寫顯現(xiàn)象的大體微分方程1）靜力學(xué)平穩(wěn)方程。+"+顯_f=0dppd（pp'1dS5r270G+0=0pd（pdpp2）幾何方程_"-弧V,C-:Pcr6pr%Wc6=CECEJQ分=&qu

14、ot;一二一寓）CE乙或二1多馬一，-_q%三"工U/"=一二=1=/=,一。一5葭J£/p"心£西”一。一5%8購(gòu)61iP+空夕-%2。>-+叫而1-夕3）物理方程_2（l+）.Ep<?4）邊界條件（2個(gè)）p=6J+“ri另外一個(gè)類似2 .寫出全數(shù)的單值條件，并令其二現(xiàn)象相似1）幾何單值條件相似式中：q金©別離表示長(zhǎng)度相似常數(shù)，應(yīng)變相似常數(shù)和位移相似常數(shù)說(shuō)明?不為單值條件，且為無(wú)因次量2）物理單值條件相似Ep-7=Ce-"-CEpP式中：Crcp別離表示泊松比相似常數(shù)，彈性模量相似常數(shù)和容重相似常數(shù)3）位移邊界

15、條件相似6_I5式中：%表示應(yīng)力的相似常數(shù)，Cg為而力的相似常數(shù)3 .將微分方程按不同現(xiàn)象寫出第二現(xiàn)象的靜力平穩(wěn)方程（只寫一個(gè)，另一個(gè)類似）財(cái)1drf65。+上+_r=odp9pd（pfp9p幾何方程（只寫一個(gè)，其它類似）婷.4P”物理方程（只寫一個(gè)，其它類似）4 4（3-4%）邊界條件（只寫一個(gè)）P=斗+%14）進(jìn)行相似轉(zhuǎn)化將有關(guān)的相似系數(shù)代入得對(duì)平穩(wěn)方程c；'6pc；' p dcp這了保證與原型方程的一致，必需使得C8C8C8=Cp即qqq（從另外的一個(gè)方程也能夠取得那個(gè)結(jié)果）對(duì)幾何方程q一加為了維持與原方程的一致，可得2=1C'u（從另外的二個(gè)方程也能夠取得那個(gè)結(jié)

16、果）對(duì)物理方程=仁仁-應(yīng)-與）C£乙為了維持與原方程的一致，可得從另外的二個(gè)方程也能夠取得那個(gè)結(jié)果對(duì)邊界條件限Q=cj（3/+%m）為了維持與原方程的一致，可得5）求出相似準(zhǔn)那么££=一;一"7=小iuruf-££9=7F1E6E83='=%與彈性力學(xué)的直角坐標(biāo)系下的相似準(zhǔn)那么的比較可知是一樣的，這同時(shí)也說(shuō)明了相似準(zhǔn)那么與坐標(biāo)系的選取沒(méi)有任何關(guān)系。3）因次分析法設(shè)有半平面體，在其直邊界上受有集中力，取單位厚度的部份來(lái)考慮，阻礙力F作用點(diǎn)正下方h深處的正應(yīng)力6的參量有F與邊界法線成角夕，設(shè)單位厚度上所受有力為F,埋深解：取大體因

17、次M、L、T此問(wèn)題獨(dú)立的相似準(zhǔn)那么m=4-3=lP000AlA2A3A4110-101-2-20依照因次和諧原那么得Al+A2=0-Al+A3=0-2A1-A2=O固定Al=l那么能夠取得A2=-lA3=l因此尸=£6h2F此問(wèn)題的彈性力學(xué)解析解為5=-二-cosA無(wú)力相似準(zhǔn)那么與原問(wèn)題的解維持了一致性戶LAC3D 3.00Step 794 Model Perspective 12:58:39 Thu Jun 09 2005Center: X:-2l32e-014 Y:2731e+001Z: 65256+001 Dist: 4.3986+002Rotation:X: 50.000Y:

18、 0.000Zi O.CXX)Mag.: 1.25Ang.: 22.500SurtaceMagfac = O.OOOe+OOOInterface LocationsZ1Z2Z3泊Z5DItasca Consulting Group. Inc. Minneapofcs. MN USAHe圖i井筒模擬圖戶IAC3D 3.00Step 794 Model Perspective 13X)652 Thu Jun 09 2005CenterX: -2.132eX)14Y: 1.87464-001Z:-7.244e+001Dist4.398e-002Rotation:X: 50.000Y: 0.000Z:

19、 0.000Mag.: 1.95Ang.: 22.500Block Contour of SZZ Stress6.2274e005 to 60000&+005 6.0000e-005to-5.5000e+005 5.5000e005 to-5.000064.005 5.0000e005to-4.5000e+005 4.5000e*005 to 4.0000e+005 4.0000e005to-3.5000e+005 3.5000e005to-3.0000&+005 3.00*005 to 25000e.005 -25000e005to-2.0000e+005 -20000e40

20、05 to-1.5000e+005 -1.5000e005to-1.000(te+005 -1.0000e-005to-5.(X)00&+004 5.0000e-004to-6.9826e«)1Intend = 5.0e+004Itasca Consulting Groip, Inc.Minnejolis. MN USAmT -iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiIIIIIHIIIIIMB1 riiiiIIIIIIIIIIHIllimum|«|«HIIIHIIIIIIMMIIII,. ; r I | M| MM MM|llMUIIIIIIIIIIU

21、lllllllllllliniiiiTiiiIIHHTTTT圖2z方向受力圖中盛上行開(kāi)采相似模擬實(shí)驗(yàn)報(bào)告1 .相似模擬實(shí)驗(yàn)的目的依照橫向課題近距離煤層群上行復(fù)采薄煤層可行性研究的研究需要，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際要求，針對(duì)山西汾西礦業(yè)中盛煤礦的煤層地質(zhì)賦存條件，進(jìn)行近距離煤層群上行開(kāi)采的三維相似材料模擬實(shí)驗(yàn)。要緊研究目的是： 分析10#煤開(kāi)采對(duì)上部9#、7#煤層的阻礙，判定上部煤層的整體性及可采性。 測(cè)定10#煤開(kāi)采進(jìn)程中上部煤層的應(yīng)力轉(zhuǎn)變規(guī)律和位移轉(zhuǎn)變，分析極近距離煤層群上行開(kāi)采的卸壓特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)刻：3D相似模型于2020年11月日開(kāi)始鋪設(shè)，歷時(shí)日完成，2020年11月日進(jìn)行模擬開(kāi)挖實(shí)驗(yàn)。要緊實(shí)驗(yàn)設(shè)

22、備：3D模擬實(shí)驗(yàn)分7V14數(shù)據(jù)自動(dòng)搜集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處置系統(tǒng)位移計(jì)和應(yīng)力傳感器（壓力盒和直角應(yīng)變花）照相機(jī)實(shí)驗(yàn)原型大體條件：實(shí)驗(yàn)原型為山西汾西礦業(yè)中盛煤礦7#、9#、10#煤層。1、7#煤層位于太原組中部，L與K3石灰?guī)r之間，下距9#煤層26.30m,平均22.60m。煤層厚1.95m,平均Lllm“一樣含01層夾石，局部達(dá)2層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬不穩(wěn)固的局部可采煤層。頂板一樣為泥巖，底板多為中粒砂巖。2、9#煤層位于太原組下部，下距10#煤層7.83m,平均6.45m。煤層厚01.10m,平均0.90m,不含夾石，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，該煤層可采范圍散布于井田中東部，可采面積2.139km2,屬較穩(wěn)固的局部可采煤

23、層。頂板為石灰?guī)r，底板一樣為泥巖。3、10#煤層位于太原組下部，下距11#煤層13.82m,平均11.20m。煤層厚2.62m,平均1.86m。一樣含01層夾石，局部達(dá)兩層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。頂板一樣為泥巖，底板為泥巖或細(xì)粒砂巖，屬全區(qū)穩(wěn)固可采煤層。該煤層于原礦區(qū)內(nèi)已大部采空，僅西南部有小部份未開(kāi)采地段。復(fù)采煤層特點(diǎn)見(jiàn)表1所示。表1復(fù)采煤層特點(diǎn)表煤層號(hào)煤層用度（m）最小最大煤層間距（m）最小最大夾石層數(shù)頂板巖性穩(wěn)定程度底板巖性可采程度平均平均70-1層泥巖不穩(wěn)定局部2層中粒砂巖局部可采00n石灰?guī)r較穩(wěn)定U泥巖局部可采in0-1層泥巖穩(wěn)定IV局部2層泥巖或細(xì)粒砂巖全區(qū)可采煤層綜合柱狀圖如圖1所示。地旗時(shí)

24、代層摩柱狀產(chǎn)層心狀&注布炭系C太原組Ct1.00-9.50K八/Xn/Kr灰色中粒眇巖72（腰修）”r5'5"10.60-0.904#煤層（灰四尺）為主米煤層5.00-6.50灰色泥巖及沙質(zhì)龍巖0.607.005#燈層灰三尺）10.0-11.0MXM“Q*、V灰色泥巖、中都有,層中粒砂巖.灰部為泥巖及沙楨泥巖<0-2.006#煤層（拄它子）8.00-9.00灰色泥巖及砂質(zhì)對(duì)巖4.00-6.00IIJ_1_1_1_L凡石灰?guī)r0.101.957#幽層腰寇）中央一層0.468夾石3.00-5.00灰色中粒眇巖及輪斷泥巖4.00-6.0011:121.11Ki石灰?guī)r8.

25、00-9.008#深灰色泥巖及砂頃龍巖.中福火一層中細(xì)伙敵巖層上部有二層塊線.斷煤）210.3日M.7.56-9.50IIK?石灰?guī)r0.909#煤層（對(duì)三尺）4.80-7.83深灰色泥巖及碎場(chǎng)泥巖0.85-2.6210#煤層七尺）-2相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨票缺緦?shí)驗(yàn)采納中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）的三維實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸為：長(zhǎng)X寬X高為3000mmX200mmX1800mmo設(shè)幾何相似比為ol=50：1,設(shè)容重比為必尸：1,要求模擬與實(shí)體所有各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情形相似，即要求各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的速度、加速度、運(yùn)動(dòng)時(shí)刻等都成必然比例。因此,要求時(shí)刻比為常數(shù)，即：4=7%=式中：生一時(shí)刻相似比。實(shí)驗(yàn)采納平面應(yīng)變條件，各巖層

26、在相似模型中的厚度為:LM = LH laL =2000/50=40. 0mm：L33 =900 50=18. 0mm：LW5 = Lll5 /aL =8000/50=160. 0mm：L“7 = LH7/=3000/50-60. 0mm；LW9 = LHJaL =4000/50=80. 0mm ；LMn = 4“ /4=10000/50=200. 0mmL.o =/a, =6400/50=128. 0mm：Lu. = L;/4 /a, =8000/50=160. 0mm： Htl *T LLmg = Aa。/4 =4000/50=80. 0mm；La/8 = LW8 /a£=111

27、0/50=22. 0mm：La/I0 = L/I() / aL =8000 50=160. 0mm ：Lv/12 = L/n2 / ctL = 1 OOOO/5O=2OO.Omm1205.2mm其中M12為最上部覆巖。Ml為最下部10#煤。模擬巖石的力學(xué)性質(zhì)依如實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，選擇實(shí)驗(yàn)方案。本實(shí)驗(yàn)要緊研究采場(chǎng)煤體變形及其上覆巖層的運(yùn)移和應(yīng)力的轉(zhuǎn)變規(guī)律和無(wú)煤柱條件下卷道變形規(guī)律和頂板受力分析。研究現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地質(zhì)資料，依照煤巖層的散布，詳細(xì)地整理了中盛煤礦各煤層頂、底板巖層物理力學(xué)性質(zhì)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，詳細(xì)情形見(jiàn)下表。表2模擬巖層物理力學(xué)性質(zhì)表巖性容重抗壓強(qiáng)度Mpa中粒砂巖泥質(zhì)砂巖47石灰?guī)r7#煤14泥巖27

28、石灰?guī)r砂質(zhì)泥巖37石灰?guī)r569#煤14泥巖2710口煤142.3模型巖石的強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算逐層計(jì)算模型巖石的強(qiáng)度指標(biāo)，由在二50,%二得%=。尸80c由主導(dǎo)相似準(zhǔn)那么可推導(dǎo)出原型與模型之間強(qiáng)度參數(shù)的轉(zhuǎn)化關(guān)系式，即:式中：b,一單軸抗壓強(qiáng)度依照上方的資料，能夠求出煤質(zhì)和不同頂板巖層模型的單軸抗壓強(qiáng)度名.及容重力,為:第一層10#煤模型的抗壓強(qiáng)度及容重為：cr(.M1=l4/80=/W1=1.4/=O.875g/cm3第二層泥巖模型的抗壓強(qiáng)度及容重為：klW2=27/80=/M2-1.63g/cm5第三層9#煤的模型抗壓強(qiáng)度及容重為：時(shí)3=14/80=2.17kg/cm：=/w3=1.4/=0.875

29、g/cm?第四層石灰?guī)r的模型的抗壓強(qiáng)度及容重為：cr(.W4=56/80=/M4=2.73/=l.71g/cm5第五層砂質(zhì)泥巖的模型抗壓強(qiáng)度及容重為：6c1/5=37/80=1.63g/cm3第六層石灰?guī)r的模型的抗壓強(qiáng)度及容重為：口“6二8。=Z,w6=2.73/=l.71g/cm3第七層泥巖的模型抗壓強(qiáng)度及容重為：bcL/7=27./80=7M7=1.63g/cm第八層7#煤模型的抗壓強(qiáng)度及容重為：bM8=14/80=0.175MPa/iW8=1.4/=O.875g/cm3第九層石灰?guī)r模型的抗壓強(qiáng)度及容重為：altf9=8o=MPa/1W9=1.69g/cm3第十層砂質(zhì)泥巖模型的抗壓強(qiáng)度及容

30、重為：口m0二47/80=/jW10=L63g/cm5第十一層中粒砂巖模型的抗壓強(qiáng)度及容重為：bl”產(chǎn)80=/A/1I=1.67g/cm5表S相似模擬實(shí)驗(yàn)材料配比表層位巖性模擬抗壓強(qiáng)度(MPa)模擬容重(g/cm5)配比號(hào)配比材料骨料：膠結(jié)料石灰/石在(石灰/土)覆巖11中粒砂巖10泥質(zhì)砂巖9石灰?guī)r87#煤7泥巖6石灰?guī)r5砂質(zhì)泥巖4石灰?guī)r39#煤2泥巖110#煤2.4相似實(shí)驗(yàn)材料的制備依照汾西礦業(yè)中盛煤礦煤巖層的實(shí)際地質(zhì)資料，選擇組成相似模擬材料的成份，相似模擬材料要緊由兩種成份組成一骨料和膠結(jié)料。骨料在材料中所占的比重較大，是膠結(jié)料膠結(jié)的對(duì)象，其物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)相似材料的性質(zhì)有重要的阻礙。件料

31、要緊有細(xì)砂、石英砂、巖粉等，本實(shí)驗(yàn)竹料采納細(xì)砂。膠結(jié)料是決定相似材料性質(zhì)的主導(dǎo)成份，其力學(xué)性質(zhì)在專門大程度上決定了相似材料的力學(xué)性質(zhì)，經(jīng)常使用的膠結(jié)材料要緊有石膏、水泥、碳酸鈣、石灰、高嶺上、石蠟、鋸末等。依如實(shí)驗(yàn)及地質(zhì)成份，本實(shí)驗(yàn)?zāi)z結(jié)料采納石灰和石膏。不同膠結(jié)料與竹料混合組成不同種類的相似材料，其力學(xué)性能不同。依照已計(jì)算出的模型的力學(xué)參數(shù)，選定竹料及膠結(jié)料進(jìn)行配比實(shí)驗(yàn)，為了精準(zhǔn)選定與計(jì)算參數(shù)一致的配比，通過(guò)了多次配比實(shí)驗(yàn)，做出了各類配比表，最后選擇出知足實(shí)驗(yàn)要求的一種，見(jiàn)表3。表4模型鋪設(shè)分層材料用量表層號(hào)巖性層厚(cm)分層及厚度(cm)分層密度(Kg/)每分層質(zhì)S:(Kg)分層總總質(zhì)量(

32、Kg)配比(Kg)每分層用砂量(Kg)每分層用灰量(Kg)每分層用存量(Kg)每分層用水量<Kg)覆巖202X101500900180011中粒砂巖205X41670200410泥質(zhì)砂巖165X16309石灰?guī)r84X2169087tt煤IX8757泥巖62X316306石灰?guī)r82X417105砂質(zhì)泥巖168X216304石灰?guī)r168X2171039口煤IX8752泥巖4X16301107煤4IX875合計(jì)上覆巖層厚度約為640m,應(yīng)力為16Mpa：依照模型的尺寸，和預(yù)定比例，實(shí)際加載壓力為：o/aLak16/(*)=制作模型的步驟本模型的架子的主體，是由24號(hào)槽鋼和用鋼組成,架子兩邊有孔

33、，以便固定模板，模板用厚1厘米的鋼模板制成，為了避免裝填材料時(shí)模板向外凸起，架子中部可用豎向小槽鋼加固，模型架的長(zhǎng)度保證圍巖尺寸為巷道尺寸的10倍以上。(1)上模板：將模型后面模板全數(shù)上好，前面邊砌模型邊上模板。(2)配料：按已計(jì)算好的各分層材料所需量，把水泥、石膏、沙子、緩凝劑及水用天平、量杯稱好：其中沙子、石膏、水泥可裝在一個(gè)攪拌容器內(nèi)，但需將水泥倒在石灰上面,以避免與沙子中所含的水分化合而凝固，緩凝劑融解后可放入已經(jīng)稱量好的水中，并攪拌均勻使無(wú)沉淀。其中，模擬煤層加墨汁，使其變黑，以便區(qū)別。(3)攪拌：先將干料拌勻，再加入含緩凝劑的水中，并迅速攪拌均勻，避免凝塊。(4)裝模：將攪拌均勻的

34、材料倒入模型內(nèi)，然后夯實(shí)，以維持所要求的容重，壓緊后的高度應(yīng)大體符合計(jì)算時(shí)的分層高度。分層間撒一層云母以模擬層面，每一分層的制作工作應(yīng)在20min內(nèi)完成。（5）風(fēng)干：通常在制模后一天開(kāi)始風(fēng)干，風(fēng)干后，開(kāi)始采煤。（6）加重：由于考慮到地層很深，而所要研究的問(wèn)題僅涉及煤巷周圍一部份圍巖，可施加而力的方式來(lái)代替研究范圍之外的巖石自重。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置模型鋪設(shè)總高度120.5cm,在老頂上方依次鋪設(shè)干砂、鐵板、槽鋼，通過(guò)液壓油缸對(duì)槽鋼加壓，并通過(guò)鐵板、干砂均勻傳遞載荷。材料水灰比：材料：水=100：8鋪設(shè)模型時(shí)，每鋪設(shè)4cm厚度材料后，進(jìn)行夯實(shí)。圖93D相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)各巖層之間加鋪云母粉。圖10為3D相似模

35、擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為長(zhǎng)義寬X高二300X200X180cm,模型周圍采納槽鋼封鎖，作為位移邊界條件；模型上部采納油缸施加壓力模擬上覆巖層的載荷，壓力的大小由操作操縱臺(tái)（圖9中位于左側(cè)的為操縱臺(tái)）調(diào)劑：模型底部由兩部份組成（見(jiàn)圖10）：圖中陰影部份組成的活動(dòng)區(qū)和活動(dòng)區(qū)之外的固定區(qū)，固定區(qū)由鋼板制成，而活動(dòng)區(qū)尺寸為180X100cm,由90條長(zhǎng)100cm寬2cm的活動(dòng)鋼板組成，活動(dòng)鋼板雙側(cè)有螺栓能夠拆卸，鋪設(shè)模型時(shí)將全數(shù)活動(dòng)鋼板裝上，模擬開(kāi)挖時(shí)依次卸下活動(dòng)鋼板，就能夠夠從模型底部挖出煤體，而且同時(shí)保留固定區(qū)的煤體，因此該模型加倍真實(shí)地模擬實(shí)際的開(kāi)采進(jìn)程。該模型的唯一缺點(diǎn)是無(wú)法直接目視觀測(cè)。安裝各類傳感器時(shí)，均以活動(dòng)區(qū)為