開(kāi)采損害學(xué)課程講義-1

第7章相似材料模擬方式概述重點(diǎn)：①相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的大體原理；②相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用范圍；相似材料模型鋪設(shè)方式；④觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置及數(shù)據(jù)搜集、處置方式；⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析評(píng)判方式。與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究相較，模擬研究方式有以下優(yōu)勢(shì)：1)模擬研究是在特定條件下，作了必然的簡(jiǎn)化，研究重點(diǎn)問(wèn)題，簡(jiǎn)單易行；2)模擬研究能夠研究在實(shí)際觀測(cè)中很難實(shí)施的工作。如峻峭山區(qū)的觀測(cè)工作，巖3)模擬研究能夠依照不同的開(kāi)采方案，進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，以確信最優(yōu)的開(kāi)采方式。而實(shí)際開(kāi)采中的觀測(cè)只能在特定的時(shí)刻地址進(jìn)行。與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究相較，模擬研究方式有以下缺點(diǎn)：1)采動(dòng)地表巖層的移動(dòng)變形破壞是受地質(zhì)構(gòu)造、采礦方式、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)、水文條件等復(fù)雜因素的阻礙。而若是模擬的模型簡(jiǎn)化構(gòu)造的不妥，會(huì)致使錯(cuò)誤的結(jié)論；2)模擬的巖體參數(shù)的選擇與原巖狀態(tài)中的巖體參數(shù)有必然的不同，除此之外，由于模擬的模型一樣不能取的專門(mén)大，模擬實(shí)驗(yàn)的邊界效應(yīng)很難確信。一樣僅作一些定性的研究，要緊研究開(kāi)采引發(fā)巖層與地表移動(dòng)變形的要用其它的方式進(jìn)行配合和檢查。相似材料模擬實(shí)驗(yàn)相似材料模擬分析大體原理對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行模擬的研究的依據(jù)是相似學(xué)說(shuō)，相似學(xué)說(shuō)對(duì)相似現(xiàn)象的大體性質(zhì)及被研究現(xiàn)象之間的相似特點(diǎn)是用以下三個(gè)相似定理來(lái)表述：而相似指標(biāo)即表示相似原理與模型之間應(yīng)知足的比例關(guān)系。相似判據(jù)那么表示原型與模型內(nèi)各大體物理量之間應(yīng)知足的比例關(guān)系。量綱分析的方式轉(zhuǎn)換成用相似判據(jù)方程來(lái)表達(dá)的新方程，即轉(zhuǎn)換成方程。兩個(gè)相似系統(tǒng)的方程必需相同。”3)第三相似定律——相似逆定律。相似逆定律以為：只有具有相同的單值條件和相同的主導(dǎo)相似判據(jù)時(shí)，現(xiàn)象才相互相似。單值條件相同是指：該系統(tǒng)激活條件相似；在被研究進(jìn)程中具有全然意義的物理常數(shù)成正比例；該系統(tǒng)初始狀態(tài)相似；在整個(gè)研究進(jìn)程中，該系統(tǒng)邊界條件相似。主導(dǎo)相似判據(jù)是指在系統(tǒng)中具有重要意義的物理常數(shù)和幾何性質(zhì)所組成的判據(jù)。單值條件和相似判據(jù)1.單值條件和相似判據(jù)模型與原型各部份的尺寸應(yīng)按一樣的比例縮小或放大，即知足：|m(7-1)llAa常數(shù)。Aa常數(shù)。V—在設(shè)計(jì)模型時(shí)，關(guān)于二維應(yīng)力模型，只要求維持平面尺寸的幾何相似，不要求厚度3.物理相似=1在相似模型中，其操縱作用的物理常數(shù)往往因模型中所需要解決的問(wèn)題不同而異。下面介紹各類問(wèn)題中對(duì)選擇相似材料有操縱作用的物理常數(shù)。(1)研究彈性范圍內(nèi)圍巖的應(yīng)力和變形a)不考慮自重時(shí)要緊的物理相似常數(shù)表達(dá)為：a=p|m(7-2)a=aE(7-3)b)考慮自重時(shí)，要緊的物理相似常數(shù)表達(dá)為：pp(7-4)在彈性范圍內(nèi)，原型與模型都應(yīng)知足微分平穩(wěn)方程。知足該方程的相似指標(biāo)為：a(7-5)同時(shí)也應(yīng)知足：a=a。E(2)研究圍巖的破壞進(jìn)程a)要緊的相似常數(shù)除知足上述應(yīng)力與變形的條件外，在這種問(wèn)題中還應(yīng)知足強(qiáng)度相似的要求。嚴(yán)格地講，應(yīng)當(dāng)使模型材料與原型材料的強(qiáng)度曲線相似。但這一要求往往很難完全知足。通常多采納簡(jiǎn)化的方法，即取摩爾圓的包絡(luò)線為直線。()c()ac()cm知足a=pcC()t()與at()tm 0與a=p00m(7-7)b)要緊相似指標(biāo)與相似判據(jù)aaMa=1ap(7-8)p=mppmm(7-9)[]=lm.ym.[]cmlycppp(7-10)[]=lm.ym.[]tmlytppp(7-11)[C]=lm.ym.[C]mlyppp(7-12)摩擦角是無(wú)量綱的，因此在模型與原型中a=1即：0=0。0mp(3)研究圍巖在長(zhǎng)期開(kāi)采條件下的破壞進(jìn)程除應(yīng)知足第(1)、(2)類問(wèn)題外，另一個(gè)要緊的物理量是時(shí)刻。一樣地講，時(shí)刻相似常數(shù)at與幾何相似常數(shù)al間的關(guān)系為：a=atl(7-13)當(dāng)涉及蠕變問(wèn)題時(shí)，從理論上，應(yīng)使原型材料與模型材料二者的蠕變進(jìn)程相似。事實(shí)上，不論對(duì)原型材料仍是對(duì)模型材料，在這方面都缺乏足夠的數(shù)據(jù)。因此，相似的要求幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。一些專家通過(guò)實(shí)驗(yàn)近似的解決了這一難題。4.初始狀態(tài)對(duì)巖體來(lái)講，最重要的初始狀態(tài)是它的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。為此就需要模擬：(1)巖體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；(2)結(jié)構(gòu)面的散布特點(diǎn)；(3)結(jié)構(gòu)面上的力學(xué)性質(zhì)。在模擬各類不持續(xù)結(jié)構(gòu)面時(shí)，第一應(yīng)當(dāng)區(qū)別哪些對(duì)所研究的問(wèn)題有決定性意義。往往一并考慮在巖石本身的力學(xué)性質(zhì)之內(nèi)，可采取降低不持續(xù)面所在巖石彈性模量與強(qiáng)理論上，在原型與模型中，結(jié)構(gòu)體的形狀與大小應(yīng)維持與整體模型相同的幾何相似關(guān)系。但從變形角度來(lái)看，不論模型塊體接觸如何緊密，其間隙老是大于按原型縮制的要求，這就可能致使整個(gè)體系的變形過(guò)大。為了維持原型與模型在整體上的變形相似，常常不能不適本地減小模型中不持續(xù)面的頻率。5.邊界條件相似模型的邊界條件應(yīng)與原型盡可能一致。形。。因此用外部加載方式研究問(wèn)題時(shí)，模擬的范圍至少應(yīng)大于開(kāi)挖空間的三倍。相似材料1.選擇相似材料①相似材料的要緊力學(xué)性質(zhì)與模擬的巖層或結(jié)構(gòu)相似；②材料力學(xué)性能穩(wěn)固，改變材料配比，可調(diào)整材料的某些性質(zhì)以適應(yīng)相似條件的需③制作方便，本錢(qián)低，來(lái)源豐碩。骨料要緊有：砂子、粘土；作骨料和分層材料的云母粉；用于增大相似材料容重的鐵粉；用于減小材料容重的軟木屑、爐渣等輕骨料；用于吸收混合物中多余水與降低相似材料的彈性模量的硅藻土；改善材料熱傳導(dǎo)性的鋁粉。膠結(jié)材料要緊有：熟石灰、水泥、增加材料脆性的石灰、作為膠結(jié)劑的樹(shù)脂、使膠結(jié)石英砂取得結(jié)實(shí)的脆性的水玻璃和用來(lái)降低材料強(qiáng)度的碳酸鈣。依照模擬對(duì)象與所采納的幾何相似常數(shù)不同，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于巖石力學(xué)模型上的夠分為以下類型：(1)模擬混凝土壩的相似材料；(2)模擬巖石的相似材料；(3)模擬地質(zhì)構(gòu)造的相似材料。模擬巖石的相似材料通常有：以石膏為要緊膠結(jié)物的相似材料、石膏鉛丹砂漿相似材料和以環(huán)氧樹(shù)脂為膠結(jié)物的相似材料。以石膏為要緊膠結(jié)物的相似材料目前利用的最為普遍。徑的砂子。2.進(jìn)行相似材料配比實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行相似材料實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將填料和膠結(jié)物按必然的配比稱量好，混合在一路，攪拌均勻。然后按總料量的比例或按主膠結(jié)物的比例，加入必然量溶有緩凝劑的水，攪勻后做成相似材料試件。加入緩凝劑的目的在于使相似材料混合物的初凝和終凝時(shí)刻延長(zhǎng)。在用石膏作為主膠結(jié)物的相似材料中，一樣用硼砂或動(dòng)物膠作緩凝劑。相似材料試件做晾干才能測(cè)定其力學(xué)性質(zhì)。試件干燥時(shí)刻一樣為3~10d。試件干燥后就可進(jìn)行強(qiáng)度和變形性質(zhì)的測(cè)定。試件能夠做成圓柱形、方柱形、立方(1)抗壓強(qiáng)度的測(cè)定將試件放在小型實(shí)驗(yàn)機(jī)上，緩慢均勻地加載，直到試件破壞。依如實(shí)踐破壞時(shí)的最大荷載和試件尺寸，按下式計(jì)算抗壓強(qiáng)度：PR=cFR=9Pch(7-14)(7-15)(2)抗拉強(qiáng)度的測(cè)定采納細(xì)棒對(duì)徑辟拉法測(cè)定抗拉強(qiáng)度。將圓柱形試件橫放在小型壓力機(jī)上，并在試件徑向方向的上下方各放置一根細(xì)棒，在壓力機(jī)均勻施加的荷載作用下，試件被劈開(kāi)，如22ar81r83b從彈性力學(xué)分析知，試件受力時(shí)，圓盤(pán)(試件橫斷面)中心上下(r為試件半徑)以上，但試件的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大得多(10~100倍)。因此，盡管受力點(diǎn)和靠近受(7-16)(7-16)R=tdh3.繪制相似材料配比圖表在大量的系統(tǒng)的配比實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)綜合、整理制成配比圖表。表為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京研究生部巖層移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室制作的相似材料配比表，表為遼寧工程技術(shù)大學(xué)制作的4.制作模型的工藝進(jìn)程依如實(shí)驗(yàn)的要求，可制作不同尺寸的平面或立體模型。目前相似模擬實(shí)驗(yàn)大多采納表相似材料配比表相似相似材料重度膠結(jié)物加水量加砂量材料物碳酸鈣(占總料量的1(占水量的比1度表相似材料配比表緩凝劑采用2%動(dòng)物膠的水溶>2%~%~36%~%配比號(hào)RTRC相似材料N/cm310-2RcRt模型設(shè)計(jì)模型設(shè)計(jì)包括：搜集研究地域的地質(zhì)柱狀圖、巖石物理力學(xué)性質(zhì)和開(kāi)采打算等有關(guān)地質(zhì)采礦資料，確信與研究任務(wù)相適應(yīng)的模型比例尺和重度比，擬定模型鋪設(shè)、觀測(cè)和開(kāi)采方案，和備料和實(shí)驗(yàn)人員安排。(2)計(jì)算相似材料用量a型比例為1:100，重度比為，按式(7-10)~(7-11)計(jì)算，那么相似材料的物理力學(xué)性[R]=lm.ym.[R]=10.66400=38.4N/cm2cmlycp100pp[R]=lm.ym.[R]=10.6618=3.7N/cm2tmlytp100ppm進(jìn)行調(diào)整。c)依照確信的材料比例，按下式確信各分層材料的總量：m(7-17)每一分層中各類材料的重量按選中的比例進(jìn)行計(jì)算。加水量緩和凝劑用量與配比實(shí)模型的鋪設(shè)(1)裝好模型架，鋪設(shè)好最下部的模板；(2)將每一分層所需要的各類材料別離稱好，倒入攪拌機(jī)中攪拌均勻；將所需的水(含緩凝劑)倒入攪拌機(jī)中，與材料混合攪勻；用金屬棍子在膠皮上來(lái)回滾壓，把材料壓實(shí)；(4)為保證初始條件相似，在剛鋪好的每一分層巖層中，用刻刀按必然距離切割裂(5)一直往上鋪設(shè)，護(hù)板隨之增高，直到所需高度為止。1.模型的開(kāi)采模型鋪設(shè)完畢，拆除護(hù)板模型干燥幾天與相似材料試件干燥時(shí)刻相近。模型開(kāi)采之前應(yīng)將所有的觀測(cè)儀器和工具都安置好。模型開(kāi)采按時(shí)刻比例進(jìn)行。要嚴(yán)格按比例操縱開(kāi)采厚度，開(kāi)采工具一樣用雙鋸條中間夾木條組成，由木條的厚度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)開(kāi)采厚度調(diào)整。2.模型的觀測(cè)模型觀測(cè)的方式有插針?lè)?、反射儀法、顯微鏡法、攝影法和透鏡法等。這些方式能測(cè)出測(cè)點(diǎn)兩個(gè)方向的位移。也有效鋼板尺、百分表觀測(cè)測(cè)點(diǎn)的位移，但這些方式只能測(cè)出一個(gè)方向的位移。另外，也可用7V07數(shù)據(jù)自動(dòng)巡回監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，配合位移計(jì)和掃描箱進(jìn)行觀測(cè)。此系統(tǒng)可安設(shè)200多個(gè)測(cè)點(diǎn)，能自動(dòng)地進(jìn)行數(shù)據(jù)的搜集和處置。下面簡(jiǎn)要介紹最常應(yīng)用的透鏡法[8]。利用透鏡法進(jìn)行模型觀測(cè)的具體做法是：拆去護(hù)板后，在模型地表和反面巖層內(nèi)插設(shè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)由燈絲有一尖角的特制小燈泡和燈座組成。在模型反面一側(cè)架設(shè)角鋼用以觀測(cè)確實(shí)是按幕上燈絲的影像展點(diǎn)獲取。L為透鏡主平面至幕的距離。依照相似三角形定理有：lL(7-18)距倒數(shù)及物距倒數(shù)之和，即11FLl(7-19)(7-20)將式(7-20)代入式(7-18)得：FALFFALF(7-21)F(7-22)在實(shí)際工作中，F(xiàn)值盡管可通過(guò)光學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，但L值較長(zhǎng)精準(zhǔn)測(cè)量較為困難，故上式利用不便。在成立模型架時(shí)，一樣都使幕與模型架平面平行，因此其間距D為一已(7-23)將式(7-23)代入式(7-22)，得：F(7-24)在幕的方格紙上讀出位移量(垂直分量和水平分量)后按式(7-24)、(7-22)能夠求得模型上測(cè)點(diǎn)的位移量(wm、um)。據(jù)此，由下式計(jì)算實(shí)地上的下沉量(wp)及水平移動(dòng)量wwwpmluplum(7-25)(7-26)透鏡法觀測(cè)位移事實(shí)上確實(shí)是模型開(kāi)采前后在幕的方格紙上按燈絲影像展點(diǎn)，從而點(diǎn)組成的幕上下沉或水平移動(dòng)值的測(cè)定誤差m12121.4mm，當(dāng)=20時(shí)，由式A(7-26)計(jì)算的ma=士。也確實(shí)是說(shuō)，模型上每取得一個(gè)數(shù)據(jù)的誤差為，若是模型比例尺在30~40之間較適合。同時(shí)改變透鏡的質(zhì)量和燈泡的亮度能提高觀測(cè)精度。相似材料模擬法在采礦工程中的應(yīng)用實(shí)例[52](1)了解煤層頂?shù)装鍓毫ι⒉家?guī)律；(2)討論斷層煤柱的留設(shè)問(wèn)題3.模型采納的相似條件時(shí)刻相似常數(shù)a=a=10，容重相似常數(shù)a=1.54，彈性模量、應(yīng)力、抗拉tly對(duì)斷層按幾何相似條件單獨(dú)模擬，斷層面上C、0值的相似常數(shù)應(yīng)當(dāng)取與巖石[(]=lM.yM.[(]0=0MlyMMHHHlmm實(shí)現(xiàn)斷層面的模擬，待鋪到必然高度，抽出鐵片，在斷面間灌滿各類粒徑砂子和適量的云母粉。4.相似材料的配比相似材料的配比見(jiàn)表5.測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試方式(1)測(cè)點(diǎn)布置圖所示，為了測(cè)出斷層上下盤(pán)及煤柱中的應(yīng)力散布，在煤層開(kāi)采中布置了一條壓力為了監(jiān)測(cè)煤柱的變形和破壞情形，在煤柱中布置了一條位移測(cè)線I；在底板巖層中沿鉛垂方向布置了一條位移測(cè)線Ⅳ(每一個(gè)測(cè)點(diǎn)沿水平方向錯(cuò)開(kāi)5m)；為了取得斷層在開(kāi)采進(jìn)程中的活動(dòng)規(guī)律，別離在斷層兩盤(pán)布置了兩條位移測(cè)線Ⅱ、Ⅲ。(2)測(cè)試方式表相似材料配比表98765432砂頁(yè)巖細(xì)砂巖砂頁(yè)巖石灰?guī)r煤砂頁(yè)巖石