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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 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去 然后在模型中開挖巷道或模擬采場(chǎng)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(cè)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 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, 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 找出主要矛盾,并根據(jù)主要矛盾,去確定原型與模型

2、之間的相似關(guān)系和相似準(zhǔn)則,原 與模型相似必須具備下面幾個(gè)條件。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(zhǎng),寬,高等都 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(zhǎng)度,腳標(biāo)M 示模型,以l代表Lh和Lm的比值,稱長(zhǎng)度比尺,則幾何相似要求,以l為常數(shù)。 TOC o 1-5 h z a = L =常數(shù)(1)M因面積是長(zhǎng)度二次方,所以面積比尺為A=a2(2)M因體積是長(zhǎng)度三次方,所以體積比尺為V/ 、H = a 3(3 )M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a l =1,但是由于 方面條件限制。模型又不能做的太大。通常模擬采場(chǎng)用a l

3、 =50100,即原型縮111150 100,模型巷道用aL = 2050;即原型縮小為2050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,即要求各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的速度,加速e 運(yùn)動(dòng)時(shí)間等都成一定比例。設(shè)以lH和lM分別表示原型和模型中對(duì)應(yīng)點(diǎn)完成沿幾何相似 軌跡所需的時(shí)間,以氣代表“H和L的比值,稱為時(shí)間比尺,則運(yùn)動(dòng)相似要求氣為常營 日n動(dòng)力相似要求模型與原型的所有作用力都相似(5)(6)對(duì)于地壓?jiǎn)栴},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 設(shè)以PH,rH ,VH和PM,rM,VM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:匕=rH VHPM = rM - VM則

4、: TOC o 1-5 h z Pr=-h a 3PMrML所以在幾何相似條件下對(duì)重力相似,還要求rH,rM的比尺以r為常數(shù),即以r為視密度 尺。 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 則。:a = -h =常數(shù)(8)M由上述三個(gè)比尺,a L,氣,a r,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)3 應(yīng)力等其它比尺a = h =Ch =上=CMEMr -ha(9)bbMrMLeH旦H式中=eM=日M:b h , ch , eh,%,bM,CM,EM,m,四M(10)(11)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(shí)驗(yàn)方法

5、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, 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)石英砂,石蘭,水泥,碳酸鈣,可賽銀,云母粉,攪拌鍋,量筒。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) 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(chǎng)和上覆巖層的變3 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, 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(qiáng)度指標(biāo)為抗壓和 拉強(qiáng)度,主要變形指標(biāo)為彈性模量和泊松比。根

6、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)度巖層類別強(qiáng)度指標(biāo)變形指標(biāo) 壓(Mpa) 拉 (Mpa)壓E x 104(Mpa)較松軟巖石1040中硬巖石40 80堅(jiān)硬巖石80 150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,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)

7、為:以石膏,水泥,石灰,高嶺土,碳酸鈣,作膠結(jié)物,以河砂或石 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, 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 是否符合規(guī)范要求,其測(cè)定方法可按建筑材料試驗(yàn)規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行測(cè)定。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g-CTH3范圍內(nèi)較合適,因?yàn)橐暶芏?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 短時(shí)間內(nèi)固化,以便

8、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, 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 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(cè)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 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)行大量的相似材料配比 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選擇不同比例尺的相似材料的強(qiáng)度和設(shè)1:201:40壓MpaMpaMpaMpa

9、Mpa較 松 軟 U-I, 有 層中 硬 U-I, 有 層堅(jiān)硬U-I, 有層表3砂子,水泥,石膏相似材料配比表配比號(hào)。壓(Mpa)拉(Mpa)彈性模量E x 102Mpa泊松比備注537試件 7 3 試件干燥711 天,水量為試件 質(zhì)量的%0, 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5:555573637655673737755773837855873937955973表4石子,石灰,石膏相似材料配比表配 比材料配比單向抗壓強(qiáng)度單向抗拉強(qiáng)度視密度備注砂膠膠結(jié)物水份號(hào)比石灰石膏(Mpa)(Mpa)(g/cm 3 )3373: 1米

10、用 石 英 砂3553734374: 1655673(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, 架子兩邊上有孔用以固定模板模型架的尺寸主要決定于長(zhǎng)度比凡,一般長(zhǎng)度26口, 高2.5m寬度7).2m架子兩邊架設(shè)模板,模板用厚度醐木板或金屬板,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

11、 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337355、373、437、455、473、537、555、1/1/1/1/1/1/1/1/1/1/1/1/1/1/1/1/573、1/1/637、1/1/655、1/1/673、1/1/737、1/1/755、1/1/773、1/1/(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

12、大厚度為Zcn。過大使 模型上密下松,過小時(shí)裝填勞動(dòng)量增加,一般為,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(cè)模型裝好后并作出相應(yīng)的工程后,如巷道、采場(chǎng),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(cè)儀對(duì)于結(jié)構(gòu)和圍巖位移的測(cè)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(cè)定,通常都是通過圍巖的變形或應(yīng)變來間接測(cè)定,一般都是 將位移變化轉(zhuǎn)換成電量的變化來測(cè)量的。3.相似材料模型設(shè)計(jì)和制作方法實(shí)例說明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)律模擬條件見衣-6所示表6模擬條件層別層間距m

13、)層 厚(m)米煤方法備注五層煤25202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3-7相似參數(shù)的確定模擬尺寸長(zhǎng)L=250cm寬度b=16cm高度h=150cm長(zhǎng)度比尺:(3-12)根據(jù)模擬條件三層煤距藤m,五層煤離地表23m模擬范圍大致選用L = 100。巖石強(qiáng)度比尺h(yuǎn) = -h- a = x 100 = 180b Y L 1.5式中:Y 口H時(shí)間比尺a = h = Ja = J100 = 10M根據(jù)上面確定的參數(shù)可求模型上相應(yīng)的量L 100 = 0.01L(3-13)(3-14)(3-15)b (3-16)(3-17)b =h = 0.0056bM 180Ht tt

14、= H =-H = 0.1tM10010 H模型上參數(shù)的換算見表7所示,采用砂子和石灰石羔相似材料配比表J3-t表3-7模型上參數(shù)的換算柱 狀 圖ULJ 曰 巖層名稱巖石 厚度ULJ 曰 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11m組成375455中砂巖層2323含云田片,堅(jiān)硬有節(jié)理30437粗礫ULJ曰 巖層2222松散355礫巖泥質(zhì)膠細(xì)337碳質(zhì)頁U-I, 有含植物化石云田局部成煤433五層煤節(jié)理垂直,層理發(fā)育673碳質(zhì)頁U-I, 有較松散433細(xì)砂巖1212板狀層理不發(fā)育337碳質(zhì)頁U-I, 有55節(jié)理明顯437四層煤22節(jié)理發(fā)育673碳質(zhì)頁U-I, 有

15、55含碳重,軟437礫巖細(xì)砂巖互層1010節(jié)理發(fā)育337砂質(zhì)頁U-I, 有節(jié)理明顯537細(xì)砂巖節(jié)理發(fā)育337三層煤層理發(fā)育673碳質(zhì)頁U-I, 有含云田片437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。2大于的巖層, 根據(jù)層理發(fā)展情況,可以分成cm厚的小分層;小于.5cm厚巖層成型困難,而大于cm 厚的巖層時(shí),造成同層上密下疏材質(zhì)不均勻,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Cm,并且每層上做間距cm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(zhǎng)L=250cm,寬度b=16cm,每層高度h=2cm,視密度Y m = 1.5g/cm3,計(jì)算各層材料的數(shù)量,先計(jì)算每層厚的總質(zhì)量砂子的質(zhì)量*砂石灰的質(zhì)量石灰、一 W石羔的質(zhì)量石

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