相似材料模擬實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)十：相似材料模擬試驗(yàn)1相似原理相似材料模擬是科學(xué)試驗(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，遵照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(chǎng)工作，觀測(cè)模型的變形，位移，破壞和壓力等狀況，據(jù)以分析，推測(cè)原型中所發(fā)生的狀況，這種措施稱為相似材料模擬措施。它被用來(lái)研究采場(chǎng)和巷道的某些地壓?jiǎn)栴}，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，以及影響地壓底多種原因。要使模型中所發(fā)生的狀況，能如實(shí)反應(yīng)原型中所發(fā)生的狀況，就必須根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)，找出重要矛盾，并根據(jù)重要矛盾，去確定原型與模型之間的相似關(guān)系和相似準(zhǔn)則，原型與模型相似必須具有下面幾種條件。1.1幾何相似規(guī)定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(zhǎng)，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(zhǎng)度，腳標(biāo)M表達(dá)模型，代表和的比值，稱長(zhǎng)度比尺，則幾何相似規(guī)定，為常數(shù)。（1）因面積是長(zhǎng)度二次方，因此面積比尺為（2）因體積是長(zhǎng)度三次方，因此體積比尺為（3）一般來(lái)說(shuō)，模型越大，越能反應(yīng)原型的實(shí)際狀況，原型實(shí)際上，不過(guò)由于各方面條件限制。模型又不能做的太大。一般模擬采場(chǎng)用，即原型縮小，模型巷道用；即原型縮小為。1.2運(yùn)動(dòng)相似規(guī)定模型與原型中，所有各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀況相似，即規(guī)定各對(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。設(shè)以和分別表達(dá)原型和模型中對(duì)應(yīng)點(diǎn)完畢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)相似規(guī)定為常數(shù)。即（4）1.3動(dòng)力相似規(guī)定模型與原型的所有作用力都相似對(duì)于地壓?jiǎn)栴}，按抓重要矛盾的觀點(diǎn)進(jìn)行分析，重要是考慮重力作用，規(guī)定重力相似設(shè)以和分別表達(dá)原型與模型對(duì)應(yīng)部分的重力，視密度和體積，由于（5）(6)則：（7）因此在幾何相似條件下對(duì)重力相似，還規(guī)定的比尺為常數(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)量構(gòu)成的物理方程式，還可推得位移，應(yīng)變，應(yīng)力等其他比尺（9）（10）（11）式中：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試驗(yàn)措施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，同步滿足所有指標(biāo)相似是非常困難的也是沒(méi)有必要的，因此要根據(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，重要是采場(chǎng)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)。因此相似配比所提供的重要強(qiáng)度指標(biāo)為抗壓和抗拉強(qiáng)度，重要變形指標(biāo)為彈性模量和泊松比。①根據(jù)煤礦地層巖石的強(qiáng)度和變形指標(biāo)的范圍選擇不一樣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10~401.3～1.70.2～0.5中硬巖石40～801.7～2.50.15～0.25堅(jiān)硬巖石80～1502.5～4.50.1~0.2②相似材料選擇及其性能測(cè)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，變化材料的配比，可使材料的力學(xué)性質(zhì)變動(dòng)較大；d，模型制作以便，凝固時(shí)間短；e，成本低，來(lái)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(cè)定石膏和水泥必須進(jìn)行初凝和終凝時(shí)間的測(cè)定，水泥要測(cè)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(cè)定，骨料，河砂和石英砂要進(jìn)行級(jí)配試驗(yàn)與否符合規(guī)范規(guī)定，其測(cè)定措施可按建筑材料試驗(yàn)規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行測(cè)定。③相似材料配比及力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定A，視密度的選擇：一般相似材料的視密度在1.5～1.8范圍內(nèi)較合適，由于視密度過(guò)大成型擊實(shí)困難，視密度過(guò)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)劑初凝前完畢，成型后規(guī)定在很短時(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，顯然都不符合規(guī)定，必須加緩凝劑或速凝劑以滿足成型規(guī)定，一般在15～25min內(nèi)初凝較合適，如石膏初凝7～8min，加入1％動(dòng)物膠或1％硼砂，可在15～20min內(nèi)初凝。C，相似材料配比試驗(yàn)及測(cè)定成果：相似材料是一種混合物，由砂和膠結(jié)物構(gòu)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)物成分的比例，亦即材料配比，因此在模型試驗(yàn)之前，必須進(jìn)行大量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(cè)定。見表3－3，3－4，3－5所示。表2選擇不一樣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0.51～1.36～4.4～5.80.22～0.250.26～0.68～2.2～2.90.20～0.250.10～0.27～0.90～1.160.20～0.25中硬巖層1.36～2.72～5.8～8.60.15～0.250.68～1.36～2.9～4.30.15～0.250.27～0.54～0.10～1.70.15～0.25堅(jiān)硬巖層2.72～5.10～8.5～15.30.10～0.201.36～5.5～4.3～7.70.10～0.200.54～1.02～1.7～3.100.10～0.20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7～11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5：0.3：0.75553.6000.2375.30.235732.0340.1184.00.256372.7980.2343.30.216552.3250.2245.50.196731.9440.1096.50.157372.1180.1785.10.197551.8900.1573.50.167731.5500.0983.70.188372.0600.1835.00.188551.7600.1432.30.228731.4530.0853.30.199371.2300.1309550.6100.1179730.8800.062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3550.50.50.2510.0231.53730.70.30.1400.0191.54374：10.30.70.2980.0271.54550.50.50.2080.0251.54730.70.30.1340.0181.55375：10.30.70.1440.0241.55550.50.50.1070.0141.55730.70.30.0741.56376：10.30.70.1240.0151.56550.50.50.1040.0131.56730.70.30.0660.0091.5（4）相似材料模型架的構(gòu)造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)容和規(guī)定設(shè)計(jì)的，研究的內(nèi)容不一樣，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，目前大多數(shù)采用平面模型架，架子的主體是由槽鋼和角鋼構(gòu)成，架子兩邊上有孔，用以固定模板，模型架的尺寸重要決定于長(zhǎng)度比尺，一般長(zhǎng)度2－6m，高1.5～2.5m，寬度0.08～0.2m，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，如模擬處在較深的巖層時(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(zhǎng)2m，寬1m，高度1.72m，模板用10c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、、、、0.1190.0170.0431/7.01/0.36437、、、、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、、、、0.1350.0180.0401/7.51/0.30755、、、、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規(guī)定。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(guò)大使模型上密下松，過(guò)小時(shí)裝填勞動(dòng)量增長(zhǎng)，一般為（6）觀測(cè)模型裝好后并作出對(duì)應(yīng)的工程后，如巷道、采場(chǎng)，在模型上就會(huì)產(chǎn)生多種力學(xué)現(xiàn)象，如壓力變形、破壞等，可根據(jù)試驗(yàn)的目的采用對(duì)應(yīng)的觀測(cè)儀器，對(duì)于構(gòu)造和圍巖位移的測(cè)定?？捎镁W(wǎng)格法、千分表法，電阻應(yīng)變儀、定期攝影等。對(duì)支架壓力和巖體應(yīng)力的測(cè)定，一般都是通過(guò)圍巖的變形或應(yīng)變來(lái)間接測(cè)定，一般都是將位移變化轉(zhuǎn)換成電量的變化來(lái)測(cè)量的。3．相似材料模型設(shè)計(jì)和制作措施實(shí)例闡明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)采煤措施備注五層煤252025202長(zhǎng)壁冒落法8號(hào)鉆孔柱狀四層煤2長(zhǎng)壁冒落法三層煤2長(zhǎng)壁冒落法見圖3-73.3相似參數(shù)確實(shí)定模擬尺寸長(zhǎng)L=250cm；寬度b=16cm；高度h=150cm①長(zhǎng)度比尺：（3-12）根據(jù)模擬條件三層煤距離45m,五層煤離地表123m，模擬范圍大體選用=2\*GB3②巖石強(qiáng)度比尺（3-13）式中：=3\*GB3③時(shí)間比尺（3-14）根據(jù)上面確定的參數(shù)可求模型上對(duì)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(yè)巖互層9090各層由0.7~11m3750.2070.028455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)61.79.50.4420.074337碳質(zhì)頁(yè)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，層剪發(fā)育10.00.055673碳質(zhì)頁(yè)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(yè)巖55節(jié)理明顯37.00.2370.047437四層煤22節(jié)剪發(fā)育10.08.50.055673碳質(zhì)頁(yè)巖55含碳重，軟37.09.50.2370.047437礫巖細(xì)砂巖互層1010節(jié)剪發(fā)育61.76.70.5090.081337砂質(zhì)頁(yè)巖4.04.0節(jié)理明顯23.011.60.1290.038537細(xì)砂巖1.01.0節(jié)剪發(fā)育62.00.4980.204337三層煤3.03.0層剪發(fā)育10.08.50.055673碳質(zhì)頁(yè)巖4.0