相似材料模擬試驗解析

1、實驗十：相似材料模擬實驗1 相 似原 理相似材料模擬是科學(xué)實驗的一種，它是人們探討和認(rèn)識地壓規(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 地 壓 大 小 ，頂 底 板 相 對 位 移 ，冒 落 拱 形 狀 和 大 小 ， 支架對地壓底影響，地下開采對 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

2、實反映原型中所發(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 LH和 LM分別代表原型和模型長度，腳標(biāo) M表 示 模 型 ， L 代 表 LH 和 LM 的 比 值 ， 稱 長 度 比 尺 ， 則 幾 何 相 似 要 求 ， L 為 常 數(shù) 。L LH 常數(shù)( 1)LML22)因面積是長度二次方，所以面積比尺為AHAM因體積是長度三次方，所以體積比尺為3L33)V

3、HVM一般來 說，模 型越大 ，越能反映原型的實際情況，原型實際上 L 1，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 L 50100，即原型縮小1150 100模型巷 道用 L 2050；11即原型 縮小為 20 501.2 運動 相 似要求模型 與原型中，所有各對應(yīng)點的運動情況相似，即 要求各對應(yīng)點的速度，加速度， 運動時間等都成一定比例。設(shè)以 tH 和 tM 分別表示原型和模型中對應(yīng) 點完成沿幾何相似的 軌跡所需的時間，以 t代表tH 和tM 的比值，稱 為時間比尺，則運動相似要求 t為常數(shù)。 即4)常數(shù)1.3 動力 相 似要求模型與原型的所有作用力都相似

4、對于地壓問題，按抓主要矛盾的觀點進行分析，主要是考慮重力作用，要求重力相似 設(shè) 以 PH ,rH,VH 和 PM ,rM ,VM 分別表 示原型 與模型 對應(yīng)部 分的重力 ，視密 度和體 積， 因 為PH rH VH（5）PMrM VM(6)PrH3則 ： LPMrM（7）所以在幾 何相似 條件下 對重力 相似，還 要求 rH ,rM 的 比 尺 r 為常 數(shù) ，即 r 為視 密 度比 尺。rH常數(shù)rM8）由上述三 個比尺 ， L , t, r ，根 據(jù)各對 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CMCHEHrH9）HM（10 ）HM（ 11 ）式中 ： H,

5、CH ,EH , H , H , M ,CM ,EM , M , M 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 實 驗方 法2.1 儀器 設(shè) 備和應(yīng) 用材料材料試驗 機，相 似模型 架，靜 態(tài)電阻應(yīng) 變儀或 動態(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

6、 究 對象確定 原 型與 模型的 相似關(guān) 系，采礦 所研 究 的對象 ，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的主要強度指標(biāo)為抗壓和抗 拉 強度，主 要 變形 指標(biāo)為 彈性模 量和 泊 松比。 根據(jù)煤礦地層巖石的強度和變形指標(biāo)的范圍選擇不同比例尺的相似材料的強度和 變 形指標(biāo)的 范 圍見 表 1 和 2 所 示表 1 煤 礦地層 巖石強 度和 變 形指標(biāo) 范圍巖層類別強度指標(biāo)變形指標(biāo)壓 (Mpa)拉拉 壓 (Mpa)E 104(Mpa

7、)較松軟巖石104015 1151.31.70.2 0.5中硬巖石40 8015 1151.72.50.15 0.25堅硬巖石80 15015 1152.54.50.10.2 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，改 變材 料 的配比 ，可使 材 料的 力學(xué)性 質(zhì)變動 較大 ； d， 模 型

8、制 作 方 便 ， 凝 固 時 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行初凝和終凝時間的測定，水泥要測定水泥標(biāo)號，石膏，石灰，高 嶺土，碳酸鈣要進行單向抗壓和抗拉強度測定，骨料，河砂和石英砂要進行級配試驗 是否符合規(guī)范要求，其測定方法可按建筑材料試驗規(guī)程的規(guī)定進行測定。 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 1.5 1.8 g cm 范 圍 內(nèi) 較

9、 合 適 ， 因 為 視 密度過大成型擊實困難，視密度過小使模型材料松散不易成型。B， 凝固 時 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 短時間內(nèi)固化，以便脫模。初凝和固化時間決定于相似材料石膏和水泥的初凝時間，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 15 25min 內(nèi)初 凝 較 合 適，如石 膏 初凝 7 8min ，加入 1動物 膠或 1 硼砂 ， 可在 15 20min 內(nèi)初凝 。C， 相似 材 料配比 試驗及 測 定結(jié) 果 ：相 似材 料 是一 種 混合 物 ，由砂 和膠結(jié)

10、物 組成 ， 相 似材料的 強 度取 決于膠 結(jié)物的 強度 ， 而膠結(jié) 物的強 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，所以在模型試驗之前，必須進行大量的相似材料配比工 作 ，對每一 種 材料 的配比 都要進 行力 學(xué) 性質(zhì)的 測定。 見 表 3 3，34，3 5 所 示 。表 2 選擇不同比例尺的相似材料的強度和變形指標(biāo)范圍1:201:401:100壓 Mpa拉壓E 10 2 Mpa壓Mpa拉Mpa拉壓E 102Mpa壓Mpa拉壓E 102Mpa1110.5154.40.220.2652.20.200.1050.900.201.3615.80.250.6812.

11、90.250.2711.160.25151515中 硬1111.3655.80.150.6852.90.150.2750.100.15巖 層2.7218.60.251.3614.30.25 0.5411.70.25151515111堅 硬2.7258.50.101.3654.30.100.5451.70.10巖 層5.10115.30.205.517.70.201.0213.100.20151515表3 砂子，水泥，石膏相似材料配比表配比 號壓（Mpa）拉（Mpa）拉壓彈性模量2E 102 Mpa泊松 比備注5373.2700.2971139.30.16試件 rm 1.7g 3 m cm 試件

12、干燥 711 天，水量為試件 質(zhì)量的 110 ， 500g硫酸鹽水 泥，實際標(biāo)號 236，骨料為石英 砂，石膏為 2 級 配比號 537即 砂：水泥：石膏 為 5： 0.3： 0.75553.6000.2371155.30.235732.0340.1181174.00.256372.7980.2341123.30.216552.3250.2241135.50.196731.9440.1091186.50.157372.1180.1781105.10.197551.8900.1571123.50.167731.5500.0981163.70.188372.0600.1831115.00.1885

13、51.7600.1431172.30.228731.4530.0851173.30.199371.2300.1301 959550.6100.1171529730.8800.0621 63實驗一 巖石真密度測定方法表 4 石子，石灰，石膏相似材料配比表配 比 號材料配比單向抗 壓強度 （Mpa）單向抗 拉強度 （Mpa）抗拉強度視密度（ g cm3 ）備 注砂膠 比膠結(jié)物水份石 灰石 膏抗壓強度3373：10.30.7190.3680.04418.351.5采 用 石 英 砂3550.50.5190.2510.023110.91.53730.70.3190.1400.01917.361.543

14、74：10.30.7190.2980.027111.01.54550.50.5190.2080.02518.301.54730.70.3190.1340.018113.31.55375：10.30.7190.1440.02417.441.55550.50.5190.1070.01417.641.55730.70.3190.0741.56376：10.30.7190.1240.01518.241.56550.50.5190.1040.01312001.56730.70.3190.0660.00917.341.54）相似材料模型架的結(jié)構(gòu)相似材料是裝在模型架上，進行試驗的，而模型架是根據(jù)研究的內(nèi)容和

15、要求設(shè)計的，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 L ，一般長度 2 6m， 高 1.5 2.5m，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，實驗一 巖石真密度測定方法因模型架的高度有限，如模擬處于較深的巖層時，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

16、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水量視密度g/cm3壓(MPa)拉MPa彎MPa拉壓彎壓337191.50.2830.0560.1241/5.61/0.44355、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.

17、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 的視密度的要求。如模擬層狀巖層應(yīng)分層裝填， 最小厚度為

18、 1cm；最大厚度為 2cm。過大使 模型上密下松，過小時裝填勞動量增加，一般為 2cm，層間用云母粉隔離，裝料前必須計 算好每層的質(zhì)量及分配比例。（6）觀測實驗一 巖石真密度測定方法模型裝好后并作出相應(yīng)的工程后，如巷道、采場，在模型上就會產(chǎn)生各種力學(xué)現(xiàn)象，如 壓力變形、破壞等，可根據(jù)實驗的目的采用相應(yīng)的觀測儀器， 對于結(jié)構(gòu)和圍巖位移的測定。 可用網(wǎng)格法、千分表法，電阻應(yīng)變儀、定時照相等。對支架壓力和巖體應(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)計和制作方法實例說明3.1 制作模型的目的研究某礦 距煤層 3，4，5 層煤，

19、開采后圍巖移動規(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)L LH 100LM根據(jù)模擬條件三層煤距離 45m,五層煤離地表 123m，模擬范圍大致選用 L 100 巖石強度比尺2.7 100 1801.53-13)式中： H 時間比尺3-14)ttHL 100 10tM實驗一 巖石真密度測定方法根據(jù)上面確定的參數(shù)可求模型上相應(yīng)的量LH3-15)3

20、-16)(3-17)LM100 0.01LHHM H 0.0056 H180tMt1H00 1tH0 0.1tH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 特征巖石強度(Mpa)模型強度相似 材料 配比 號LH (m)LM cm壓拉壓拉砂頁 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)61.79.50.4

21、420.074337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實驗一 巖石真密度測定方法碳質(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23.011.60.1290.038537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 模型的裝填對每個煤層，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 0.5c