相似模擬實驗和數(shù)值模擬在巖土工程中的應用及實際案例VIP

1、相似模擬與模型實驗在巖土工程中的應用相似模擬與其它一樣是社會生產(chǎn)進展的必然產(chǎn)物。由于社會生產(chǎn)的不斷進展，巖上工程所提出的問題日趨復雜和繁瑣。用數(shù)學方式很寶貴到精準的解析解，只能作一些假設與簡化再求解，因此帶來一些誤差。于是人們不能不通過實驗的方式來探求那些靠數(shù)學方式無法研究的復雜現(xiàn)象的規(guī)律性。可是直接的實驗的方式有專門大的局限性，其實驗的結果只能推行到與實驗條件完全相同的實際問題中去，這種實驗方式常常只能得出個別量的表而規(guī)律性關系，難以抓住現(xiàn)象的內在本質。相似模擬正是為解決這些問題而產(chǎn)生的，它不直接的研究自然現(xiàn)象或進程的本身，而是研究與這些自然現(xiàn)象或進程相似的模型，它是理論與實際緊密相結合的科

2、學研究方式，是解決一些比較復雜的生產(chǎn)工程問題的一種有效方式。一、相似模擬與模型實驗的方要研究內容它是研窕自然界相似現(xiàn)象的一門科學。它提供了相似判定的方式。并用于指導模型實驗,整理實驗結果，并把實驗結果用于原型的理論基礎。二、相似常數(shù)設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表示第/個物理量所對應的相似常數(shù)。物理量包括于現(xiàn)象當中。而表示現(xiàn)象的物理量，一樣都不是孤立的，互不關聯(lián)的，而是處在自然規(guī)律所決定的必然關系中，因此說各類相似常數(shù)之間也是彼此關聯(lián)的。在許多的情形下這種關聯(lián)表現(xiàn)為數(shù)學方程的形式。下面舉例說明：設兩個物體受力與運動相似那么它們的質點的

3、運動方程和力學方程都可用同一方程描述，即：原型的運動方程與物理方程懺"f='一dtdt模型的運動方程與物理方程，ds9Gtdv9v=/=mdf”因為兩個物體的現(xiàn)象相似，其對應物理量互成比例，即，聯(lián)合取得ccmv由，能夠說明，各相似常數(shù)不是任意選擇的，它們之間是彼此關聯(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相似物體之間物理量的關系，具體能夠歸納為二點。一、相似現(xiàn)象能夠用完全相同的方程組來表示。二、用來表征這些現(xiàn)象的一切物理量在空間相對應的各點在時刻上相對應的各剎時各自互成必然比例關系。2 .相似第二定理相似第二定理描述了物理體系中各個物理量之間的關系，相似準

4、那么之間的函數(shù)關系。關系式（準那么方程）力（巧，乃2,，»）=。關系式的性質關于彼此相似的現(xiàn)象，關系式相同。乃關系式中的項在模型實驗中有自變項與應變項之分。自變項是由單值條件的物理量所組成的定性準那么，應變項是包括非單值條件的物理量的非定性準那么。假設能做到原型與模型中的自變項相等，由應變4項與自變項之間的關系式能夠取得應變4項，然后推行到原型中去，作為工程設計的各類參數(shù)。3 .相似第三定理相似第三定理是解決兩個同類物理現(xiàn)象知足什么樣的條件才能相似的問題。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、值條件導出的相似準那么的數(shù)值相等。所謂的單值條件是指從一群現(xiàn)象中，依照某一個現(xiàn)象的特性，把那個具體的現(xiàn)象從一群現(xiàn)象中區(qū)分出來的那些條件，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、物理條件、邊界條件和初始條件。4 .相似三定理之間的關系相似第一和第二定理是從現(xiàn)象已經(jīng)相似這一基礎上動身來考慮問題，第必然理說明了相似現(xiàn)象各物理量之間的關系，并以相似準那么的形式表示出來。第二定理指出了各相似準那么之間的關系，便于將一現(xiàn)象的實驗結果推行到其它現(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，而且強調了單值量相似，因此顯于出了科學上的周密性，是組成現(xiàn)象相似的充要條件。是一切模型實驗應遵守的

6、理論指導原那么。可是在一些復雜的現(xiàn)象中，很難確信現(xiàn)象的單值條件，僅能借體會判定何為系統(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那么在數(shù)值上的一致，這使得相似第三定理真正的實行，并因此使模型實驗結果帶來近似的性質。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，模型與原型的全數(shù)物理量相等，物理本質一致，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。僅因為對應量都遵循相同的方程式，具有數(shù)學上的相似性。五、相似準那么的導出方式相似準那么的導出方式有三種：定律分析法，方程分析法和因次分析法。從理論上說,三種方式能夠取得一樣的結果，只是用不同

7、的方式對物理現(xiàn)象作數(shù)學上的描述?？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上的,通過剔除次要因素,從而推算出數(shù)量足夠的，反映現(xiàn)象實質的乃項。這種方式的缺點上：1）流于就事論事，看不顯現(xiàn)象的轉變進程和內在聯(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，因此關于未能把握其全數(shù)機理的，較為復雜的物理現(xiàn)象，運用這種方式是不可能的，乃至無法找到近似解3）常常有一些物理定理，關于所討論的問題表而上看去關系不緊密，但又不宜于妄加剔除，而必需通過實驗找出各個定律間的制約關系，決定其重要因素，這實際問題的解決帶來不便。優(yōu)

8、勢：關于模型制作有指導性意義。方程分析法：依照已知現(xiàn)象的微分或積分方程推出乃項。此方式的的優(yōu)勢：1）結構周密，能反映顯現(xiàn)象的本質，故可望取得問題的靠得住性結論2）分析程序明確步驟易于檢查3）各類成份的地位一覽無遺，有利于推斷，比較和校驗缺點：對現(xiàn)象的機理不清楚，沒有成立方程的問題，無法解決因次分析法：是依照正確選定參量，通過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)關系式，并據(jù)此進行相似現(xiàn)象的推行。因次分析法的優(yōu)勢，關于一切機理尚未完全弄清，規(guī)律也未充分把握的現(xiàn)象來講，尤其明顯。它能幫忙人們快速地通過相似性實驗核定所選參量的正確性，并在此基礎上不斷加深人們對現(xiàn)象機理和規(guī)律性的熟悉。以上

9、各類方式，日前應用最普遍的是因次分析法，可是也不排除將各類方式結合利用的可能性。六、相似準那么導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式作等效轉變，轉化為具有相同因次的物理量兩兩作比值，求出相似準那么萬2）方程分析法通常的方程分析法有：相似轉換法和積分類比法相似轉換法的步驟寫顯現(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)象寫出進行相似轉換求出相似準那么開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，除其它各項 進行積分類比轉換，求出相應的準那么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 列出相似準那么的表達式 依照方程兩邊因次相等列出物理量參數(shù)的方程K個 設物理量有M個，任選其中的M-K個物理量為已知量 將這M-K個物理量，依次用M-K個單位向量代入方程，取得M-K組解 把這M-K組解代入相似準那么的表達式中，能夠得出M-K個獨立的相似準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代替。其運算步驟再也不此重復。2 .證明指數(shù)分析法解出的獨立乃項的普遍代表意義

11、例設某現(xiàn)象由5個物理量Al,A2,A3,A4,A5組成，這5個大體物理的獨立因次為L,M,N物理量的表達式=；123,4,5相似準那么的表達式7r=ArxA2yA3zA4l,A5v因為幾項為零，故有關于LaX+a2Y+ayZ-aAU+a5V=0關于MZ7,X+/72r+/73Z+Z75V=O關于T/1X+/2r+/3Z+/4t/+/5V=0固定U,V這兩個參數(shù)，設U=0,V=1那么能夠得出一組解，設為X=X1,Y=YbZ=Z1,但假設設U=0,V=N那么方程得出另一組解，設為X=X2,Y=Y2,Z=Z2這兩組解之間存在著如下關系，即：X=X2Yl=K2Zl=Z2NZN由上式可知，那個相似準那么

12、和前一個相似準那么只差方次關系，又因為相似準那么能夠通過加、減、乘、除、棄運算等進行彼此變換，故這兩個相似準那么實為同一個無因次量群,設U=l,V=0那么能夠得出一組解，設為X=X3,Y=Y3,Z=Z3,但假設設U=l,V=1那么方程得出另一組解，設為X=X4,Y=Y4,Z=Z4這兩組解之間存在著如下關系，即：X4=故U=l,V=1的相似準那么能夠用U=0,V=1和U=LV=0的相似準那么表示，因此說U=0,V=1和U=l,V=0的相似準那么能夠表示U,V為任何實數(shù)的相似準那么。3 .三種方式解題1）定律分析法己知一個簡支梁受有大小為4KN/M均布荷載，簡支梁的跨度為4M,截面的高為0.5M,

13、寬為0.4M,跨中截而的最大正應力為480KN/Mz,求當梁的跨度為2M,截面尺寸相同受均布荷載為2KN/M時的跨中截而的最大正應力?？缰袕澗氐墓阶畲笳龖?2及解：由最大正應力公式能夠推出M=3因此乃=-C由）=7tm得又因為截面的尺寸相同因此能夠簡化為名一="66,因此5=”用5=60KN/M2ql22）方程分析法以彈性力學中的極坐標的平而應力問題為例說明1 .寫顯現(xiàn)象的大體微分方程1）靜力學平穩(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61iP+空夕-%2。>-+叫而1-夕3）物理方程_2（l+）.Ep<?4）邊界條件（2個）p=6J+“ri另外一個類似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©別離表示長度相似常數(shù)，應變相似常數(shù)和位移相似常數(shù)說明?不為單值條件，且為無因次量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，另一個類似）財1drf65。+上+_r=odp9pd（pfp9p幾何方程（只寫一個，其它類似）婷.4P”物理方程（只寫一個，其它類似）4 4（3-4%）邊界條件（只寫一個）P=斗+%14）進行相似轉化將有關的相似系數(shù)代入得對平穩(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（從另外的一個方程也能夠取得那個結果）對幾何方程q一加為了維持與原方程的一致，可得2=1C'u（從另外的二個方程也能夠取得那個結

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

17、次M、L、T此問題獨立的相似準那么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此問題的彈性力學解析解為5=-二-cosA無力相似準那么與原問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采相似模擬實驗報告1 .相似模擬實驗的目的依照橫向課題近距離煤層群上行復采薄煤層可行性研究的研究需要，并結合現(xiàn)場的實際要求，針對山西汾西礦業(yè)中盛煤礦的煤層地質賦存條件，進行近距離煤層群上行開采的三維相似材料模擬實驗。要緊研究目的是： 分析10#煤開采對上部9#、7#煤層的阻礙，判定上部煤層的整體性及可采性。 測定10#煤開采進程中上部煤層的應力轉變規(guī)律和位移轉變，分析極近距離煤層群上行開采的卸壓特點。實驗時刻：3D相似模型于2020年11月日開始鋪設，歷時日完成，2020年11月日進行模擬開挖實驗。要緊實驗設

22、備：3D模擬實驗分7V14數(shù)據(jù)自動搜集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處置系統(tǒng)位移計和應力傳感器（壓力盒和直角應變花）照相機實驗原型大體條件：實驗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2層，結構簡單，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，結構簡單，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，局部達兩層，結構簡單。頂板一樣為泥巖，底板為泥巖或細粒砂巖，屬全區(qū)穩(wěn)固可采煤層。該煤層于原礦區(qū)內已大部采空，僅西南部有小部份未開采地段。復采煤層特點見表1所示。表1復采煤層特點表煤層號煤層用度（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層泥巖或細粒砂巖全區(qū)可采煤層綜合柱狀圖如圖1所示。地旗時

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灰色泥巖及砂質對巖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?；鹨粚又屑毣飻硯r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（對三尺）4.80-7.83深灰色泥巖及碎場泥巖0.85-2.6210#煤層七尺）-2相似模擬實驗模型相似比本實驗采納中國礦業(yè)大學（北京）的三維實驗臺，實驗臺尺寸為：長X寬X高為3000mmX200mmX1800mmo設幾何相似比為ol=50：1,設容重比為必尸：1,要求模擬與實體所有各對應點的運動情形相似，即要求各對應點的速度、加速度、運動時刻等都成必然比例。因此,要求時刻比為常數(shù)，即：4=7%=式中：生一時刻相似比。實驗采納平面應變條件，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。模擬巖石的力學性質依如實驗目的，選擇實驗方案。本實驗要緊研究采場煤體變形及其上覆巖層的運移和應力的轉變規(guī)律和無煤柱條件下卷道變形規(guī)律和頂板受力分析。研究現(xiàn)場實測的地質資料，依照煤巖層的散布，詳細地整理了中盛煤礦各煤層頂、底板巖層物理力學性質的實測數(shù)據(jù)，詳細情形見下表。表2模擬巖層物理力學性質表巖性容重抗壓強度Mpa中粒砂巖泥質砂巖47石灰?guī)r7#煤14泥巖27

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

29、g/cm?第四層石灰?guī)r的模型的抗壓強度及容重為：cr(.W4=56/80=/M4=2.73/=l.71g/cm5第五層砂質泥巖的模型抗壓強度及容重為：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度及容重為：bcL/7=27./80=7M7=1.63g/cm第八層7#煤模型的抗壓強度及容重為：bM8=14/80=0.175MPa/iW8=1.4/=O.875g/cm3第九層石灰?guī)r模型的抗壓強度及容重為：altf9=8o=MPa/1W9=1.69g/cm3第十層砂質泥巖模型的抗壓強度及容

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度及容重為：bl”產(chǎn)80=/A/1I=1.67g/cm5表S相似模擬實驗材料配比表層位巖性模擬抗壓強度(MPa)模擬容重(g/cm5)配比號配比材料骨料：膠結料石灰/石在(石灰/土)覆巖11中粒砂巖10泥質砂巖9石灰?guī)r87#煤7泥巖6石灰?guī)r5砂質泥巖4石灰?guī)r39#煤2泥巖110#煤2.4相似實驗材料的制備依照汾西礦業(yè)中盛煤礦煤巖層的實際地質資料，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料。骨料在材料中所占的比重較大，是膠結料膠結的對象，其物理力學性質對相似材料的性質有重要的阻礙。件料

31、要緊有細砂、石英砂、巖粉等，本實驗竹料采納細砂。膠結料是決定相似材料性質的主導成份，其力學性質在專門大程度上決定了相似材料的力學性質，經(jīng)常使用的膠結材料要緊有石膏、水泥、碳酸鈣、石灰、高嶺上、石蠟、鋸末等。依如實驗及地質成份，本實驗膠結料采納石灰和石膏。不同膠結料與竹料混合組成不同種類的相似材料，其力學性能不同。依照已計算出的模型的力學參數(shù)，選定竹料及膠結料進行配比實驗，為了精準選定與計算參數(shù)一致的配比，通過了多次配比實驗，做出了各類配比表，最后選擇出知足實驗要求的一種，見表3。表4模型鋪設分層材料用量表層號巖性層厚(cm)分層及厚度(cm)分層密度(Kg/)每分層質S:(Kg)分層總總質量(

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泥質砂巖165X16309石灰?guī)r84X2169087tt煤IX8757泥巖62X316306石灰?guī)r82X417105砂質泥巖168X216304石灰?guī)r168X2171039口煤IX8752泥巖4X16301107煤4IX875合計上覆巖層厚度約為640m,應力為16Mpa：依照模型的尺寸，和預定比例，實際加載壓力為：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模板向外凸起，架子中部可用豎向小槽鋼加固，模型架的長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、水泥可裝在一個攪拌容器內，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，然后夯實，以維持所要求的容重，壓緊后的高度應大體符合計算時的分層高度。分層間撒一層云母以模擬層面，每一分層的制作工作應在20min內完成。（5）風干：通常在制模后一天開始風干，風干后，開始采煤。（6）加重：由于考慮到地層很深，而所要研究的問題僅涉及煤巷周圍一部份圍巖，可施加而力的方式來代替研究范圍之外的巖石自重。監(jiān)測點布置模型鋪設總高度120.5cm,在老頂上方依次鋪設干砂、鐵板、槽鋼，通過液壓油缸對槽鋼加壓，并通過鐵板、干砂均勻傳遞載荷。材料水灰比：材料：水=100：8鋪設模型時，每鋪設4cm厚度材料后，進行夯實。圖93D相似模擬實驗臺各巖層之間加鋪云母粉。圖10為3D相似模

35、擬實驗臺，標準尺寸為長義寬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（圖9中位于左側的為操縱臺）調劑：模型底部由兩部份組成（見圖10）：圖中陰影部份組成的活動區(qū)和活動區(qū)之外的固定區(qū)，固定區(qū)由鋼板制成，而活動區(qū)尺寸為180X100cm,由90條長100cm寬2cm的活動鋼板組成，活動鋼板雙側有螺栓能夠拆卸，鋪設模型時將全數(shù)活動鋼板裝上，模擬開挖時依次卸下活動鋼板，就能夠夠從模型底部挖出煤體，而且同時保留固定區(qū)的煤體，因此該模型加倍真實地模擬實際的開采進程。該模型的唯一缺點是無法直接目視觀測。安裝各類傳感器時，均以活動區(qū)為