相似材料模拟实验

1、实验十：相似材料模拟实验1相似原理相似材料模拟是科学实验的一种，它是人们探讨和认识地压规律的途径之一。用与 然岩石物理力学性质相似的人工材料，按矿山实际原型，遵循一定比例缩小做成的模去 然后在模型中开挖巷道或模拟采场工作，观察模型的变形，位移，破坏和压力等情况 据以分析，推测原型中所发生的情况，这种方法称为相似材料模拟方法。它被用来研 采场和巷道的某些地压问题，例如估计地压大小，顶底板相对位移，冒落拱形状和大， 支架对地压底影响，地下开采对地表底影响，以及影响地压底各种因素。要使模型中所发生的情况，能如实反映原型中所发生的情况，就必须根据问题的性 找出主要矛盾，并根据主要矛盾，去确定原型与模型

2、之间的相似关系和相似准则，原 与模型相似必须具备下面几个条件。几何相似要求模型与原型的几何形状相似。为此，必须将原型的尺寸，包括长，宽，高等都 一定比例缩小或放大，以做成模型。设以Lh和Lm分别代表原型和模型长度，脚标M 示模型，以l代表Lh和Lm的比值，称长度比尺，则几何相似要求，以l为常数。 TOC o 1-5 h z a = L =常数(1)M因面积是长度二次方，所以面积比尺为A=a2(2)M因体积是长度三次方，所以体积比尺为V/ 、H = a 3(3 )M一般来说，模型越大，越能反映原型的实际情况，原型实际上a l =1，但是由于 方面条件限制。模型又不能做的太大。通常模拟采场用a l

3、 =50100，即原型缩111150 100，模型巷道用aL = 2050；即原型缩小为2050运动相似要求模型与原型中，所有各对应点的运动情况相似，即要求各对应点的速度，加速e 运动时间等都成一定比例。设以lH和lM分别表示原型和模型中对应点完成沿几何相似 轨迹所需的时间，以气代表“H和L的比值，称为时间比尺，则运动相似要求气为常营 日n动力相似要求模型与原型的所有作用力都相似(5)(6)对于地压问题，按抓主要矛盾的观点进行分析，主要是考虑重力作用，要求重力相 设以PH，rH ,VH和PM，rM，VM分别表示原型与模型对应部分的重力，视密度和体积，因:匕=rH VHPM = rM - VM则

4、： TOC o 1-5 h z Pr=-h a 3PMrML所以在几何相似条件下对重力相似，还要求rH，rM的比尺以r为常数，即以r为视密度 尺。 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 则。：a = -h =常数（8）M由上述三个比尺，a L，气，a r，根据各对应量组成的物理方程式，还可推得位移，应3 应力等其它比尺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）分别代表原型与模型得应力，凝聚力弹性模量，内摩擦角，泊松比。2 实验方法

5、仪器设备和应用材料材料试验机，相似模型架，静态电阻应变仪或动态电阻应变仪，X，y函数记录仪， 移传感器，荷重传感器，天平最大称量1000g，最小量0.01g，卡尺精度0.02mm，钢）石英砂，石兰，水泥，碳酸钙，可赛银，云母粉，搅拌锅，量筒。相似材料配比根据相似原理，同时满足所有指标相似是非常困难的也是没有必要的，所以要根据 究对象确定原型与模型的相似关系，采矿所研究的对象，主要是采场和上覆岩层的变3 位移和破坏，其受基本作用力为压应力和拉应力，基本破坏形式为剪切和张力破坏， 变形与岩层的弹性模量及泊松比有关。所以相似配比所提供的主要强度指标为抗压和 拉强度，主要变形指标为弹性模量和泊松比。根

6、据煤矿地层岩石的强度和变形指标的范围选择不同比例尺的相似材料的强度岩层类别强度指标变形指标 压(Mpa) 拉 (Mpa)压E x 104(Mpa)较松软岩石1040中硬岩石40 80坚硬岩石80 150相似材料选择及其性能测定A,相似材料相似材料包括骨料和胶结物二部分，骨料：砂，铁粉，重晶石粉，铝粉，云母粉等 胶结物：水泥，石膏，石灰，碳酸钙（白垩土，可赛银），高岭土，石蜡，水玻璃等。B，相似材料选择能使相似材料的强度性能和变形性能与岩石相似；b，力学性能稳定，不易受外界条件的影响；c，改变材料的配比，可使材料的力学性质变动较大；d，模型制作方便，凝固时间短；e，成本低，来源丰富；按上述原则认

7、为：以石膏，水泥，石灰，高岭土，碳酸钙，作胶结物，以河砂或石 砂作骨料是合适的，有时为了视密的需要并可采用铁砂作骨料。C，相似材料性能的测定石膏和水泥必须进行初凝和终凝时间的测定，水泥要测定水泥标号，石膏，石灰， 岭土，碳酸钙要进行单向抗压和抗拉强度测定，骨料，河砂和石英砂要进行级配试 是否符合规范要求，其测定方法可按建筑材料试验规程的规定进行测定。相似材料配比及力学性质的测定A，视密度的选择：一般相似材料的视密度在g-CTH3范围内较合适，因为视密度 大成型击实困难，视密度过小使模型材料松散不易成型。B，凝固时间的选择：相似材料的成型，必须在胶结剂初凝前完成，成型后要求在 短时间内固化，以便

8、脱模。初凝和固化时间决定于相似材料石膏和水泥的初凝时间， 然都不符合要求，必须加缓凝剂或速凝剂以满足成型要求，一般在1525min内初凝 合适，如石膏初凝78min，加入1%动物胶或1%硼砂，可在1520min内初凝。C，相似材料配比试验及测定结果：相似材料是一种混合物，由砂和胶结物组成 相似材料的强度取决于胶结物的强度，而胶结物的强度取决于砂和胶结物的比例及胶 物成份的比例，亦即材料配比，所以在模型试验之前，必须进行大量的相似材料配比 作，对每一种材料的配比都要进行力学性质的测定。见表3 3，3 4，3-5所示。表2选择不同比例尺的相似材料的强度和设1:201:40压MpaMpaMpaMpa

9、Mpa较 松 软 U-I, 有 层中 硬 U-I, 有 层坚硬U-I, 有层表3砂子，水泥，石膏相似材料配比表配比号。压(Mpa)拉(Mpa)弹性模量E x 102Mpa泊松比备注537试件 7 3 试件干燥711 天，水量为试件 质量的%0， 500g硫酸盐水 泥，实际标号 236,骨料为石英 砂，石膏为2级 配比号537即 砂：水泥：石膏 为5：555573637655673737755773837855873937955973表4石子，石灰，石膏相似材料配比表配 比材料配比单向抗压强度单向抗拉强度视密度备注砂胶胶结物水份号比石灰石膏(Mpa)(Mpa)(g/cm 3 )3373： 1米

10、用 石 英 砂3553734374： 1655673(4)相似材料模型架的结构相似材料是装在模型架上，进行试验的，而模型架是根据研究的内容和要求设计的，研 究的内容不同，可分为平面模型架和立体模型架两种，平面模型架可分为水平成层模型架 和可调试角度的模型架，现在大多数采用平面模型架，架子的主体是由槽钢和角钢组成， 架子两边上有孔用以固定模板模型架的尺寸主要决定于长度比凡，一般长度26口， 高2.5m宽度7).2m架子两边架设模板，模板用厚度醐木板或金属板，因模型架 的高度有限，如模拟处于较深的岩层时，不能完全靠模型材料自重，需要外力载荷，采用

11、 杠杆加压或千斤顶加压装置。立体模型架长2m,宽1m,高度1.72m模板用10cm高的槽钢，其模型有外加载设备装 置，用油压千斤顶加载并采用杠杆加砣的方法作为稳压装置。表5砂子碳酸钙、石兰相似材料配比表配比号水量视密度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)装料架设好模板后，将材料按比例搅拌均匀倒入模型架，然后耙平、压紧，压紧程度按所需 的视密度的要求如模拟层状岩层应分层装填最小厚度为1cm最

12、大厚度为Zcn。过大使 模型上密下松，过小时装填劳动量增加，一般为，层间用云母粉隔离，装料前必须计 算好每层的质量及分配比例。(6)观测模型装好后并作出相应的工程后，如巷道、采场，在模型上就会产生各种力学现象，如 压力变形、破坏等，可根据实验的目的采用相应的观测仪对于结构和围岩位移的测定。 可用网格法、千分表法，电阻应变仪、定时照相等。对支架压力和岩体应力的测定，通常都是通过围岩的变形或应变来间接测定，一般都是 将位移变化转换成电量的变化来测量的。3.相似材料模型设计和制作方法实例说明制作模型的目的研究某矿距煤层3, 4, 5层煤，开采后围岩移动规律模拟条件见衣-6所示表6模拟条件层别层间距m

13、)层 厚(m)米煤方法备注五层煤25202长壁冒落法8号钻孔柱状四层煤2长壁冒落法三层煤2长壁冒落法见图3-7相似参数的确定模拟尺寸长L=250cm宽度b=16cm高度h=150cm长度比尺：(3-12)根据模拟条件三层煤距藤m，五层煤离地表23m模拟范围大致选用L = 100。岩石强度比尺h = -h- a = x 100 = 180b Y L 1.5式中：Y 口H时间比尺a = h = Ja = J100 = 10M根据上面确定的参数可求模型上相应的量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模型上参数的换算见表7所示，采用砂子和石灰石羔相似材料配比表J3-t表3-7模型上参数的换算柱 状 图ULJ 曰 岩层名称岩石 厚度ULJ 曰 岩层特征岩石强度Mpa）模型强度相似材料配比号砂页岩 互层9090各层由11m组成375455中砂岩层2323含云田片，坚硬有节理30437粗砾ULJ曰 岩层2222松散355砾岩泥质胶细337碳质页U-I, 有含植物化石云田局部成煤433五层煤节理垂直，层理发育673碳质页U-I, 有较松散433细砂岩1212板状层理不发育337碳质页U-I, 有55节理明显437四层煤22节理发育673碳质页U-I, 有

15、55含碳重，软437砾岩细砂岩互层1010节理发育337砂质页U-I, 有节理明显537细砂岩节理发育337三层煤层理发育673碳质页U-I, 有含云田片437模型的装填对每个煤层，要根据节理、层理、裂隙情况在模型上做人工裂隙。2大于的岩层， 根据层理发展情况，可以分成cm厚的小分层；小于.5cm厚岩层成型困难，而大于cm 厚的岩层时，造成同层上密下疏材质不均匀，3层和4层煤的顶板是碳质页岩，节理， 层理较发育其分层厚度定为Cm,并且每层上做间距cm的人工裂隙，各小分层间洒以少 量滑石粉或云母粉，不同分层间也要洒少量滑石粉或云母粉，以模拟自然条件的方法，根 据配比号各小分层厚度及每层所需材料的体积，材料的视密度。计算各层的各种材料的数 量，按此量混合搅拌均匀，再加水后搅拌，将材料铺平。击实至要求的厚度，从加水到压 实不得超过15-20min计算每层各材料数量的方法介绍如下已知配比量337,模型长L=250cm,宽度b=16cm,每层高度h=2cm，视密度Y m = 1.5g/cm3，计算各层材料的数量，先计算每层厚的总质量砂子的质量*砂石灰的质量石灰、一 W石羔的质量石