开采损害学课程讲义-1

第7章相似材料模拟方式概述重点：①相似材料模拟实验的大体原理；②相似材料模拟实验的应用范围；相似材料模型铺设方式；④观测点设置及数据搜集、处置方式；⑤实验结果分析评判方式。与现场观测研究相较，模拟研究方式有以下优势：1)模拟研究是在特定条件下，作了必然的简化，研究重点问题，简单易行；2)模拟研究能够研究在实际观测中很难实施的工作。如峻峭山区的观测工作，岩3)模拟研究能够依照不同的开采方案，进行反复实验，以确信最优的开采方式。而实际开采中的观测只能在特定的时刻地址进行。与现场实测研究相较，模拟研究方式有以下缺点：1)采动地表岩层的移动变形破坏是受地质构造、采矿方式、岩体的物理力学性质、水文条件等复杂因素的阻碍。而若是模拟的模型简化构造的不妥，会致使错误的结论；2)模拟的岩体参数的选择与原岩状态中的岩体参数有必然的不同，除此之外，由于模拟的模型一样不能取的专门大，模拟实验的边界效应很难确信。一样仅作一些定性的研究，要紧研究开采引发岩层与地表移动变形的要用其它的方式进行配合和检查。相似材料模拟实验相似材料模拟分析大体原理对物理现象进行模拟的研究的依据是相似学说，相似学说对相似现象的大体性质及被研究现象之间的相似特点是用以下三个相似定理来表述：而相似指标即表示相似原理与模型之间应知足的比例关系。相似判据那么表示原型与模型内各大体物理量之间应知足的比例关系。量纲分析的方式转换成用相似判据方程来表达的新方程，即转换成方程。两个相似系统的方程必需相同。”3)第三相似定律——相似逆定律。相似逆定律以为：只有具有相同的单值条件和相同的主导相似判据时，现象才相互相似。单值条件相同是指：该系统激活条件相似；在被研究进程中具有全然意义的物理常数成正比例；该系统初始状态相似；在整个研究进程中，该系统边界条件相似。主导相似判据是指在系统中具有重要意义的物理常数和几何性质所组成的判据。单值条件和相似判据1.单值条件和相似判据模型与原型各部份的尺寸应按一样的比例缩小或放大，即知足：|m(7-1)llAa常数。Aa常数。V—在设计模型时，关于二维应力模型，只要求维持平面尺寸的几何相似，不要求厚度3.物理相似=1在相似模型中，其操纵作用的物理常数往往因模型中所需要解决的问题不同而异。下面介绍各类问题中对选择相似材料有操纵作用的物理常数。(1)研究弹性范围内围岩的应力和变形a)不考虑自重时要紧的物理相似常数表达为：a=p|m(7-2)a=aE(7-3)b)考虑自重时，要紧的物理相似常数表达为：pp(7-4)在弹性范围内，原型与模型都应知足微分平稳方程。知足该方程的相似指标为：a(7-5)同时也应知足：a=a。E(2)研究围岩的破坏进程a)要紧的相似常数除知足上述应力与变形的条件外，在这种问题中还应知足强度相似的要求。严格地讲，应当使模型材料与原型材料的强度曲线相似。但这一要求往往很难完全知足。通常多采纳简化的方法，即取摩尔圆的包络线为直线。()c()ac()cm知足a=pcC()t()与at()tm 0与a=p00m(7-7)b)要紧相似指标与相似判据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)摩擦角是无量纲的，因此在模型与原型中a=1即：0=0。0mp(3)研究围岩在长期开采条件下的破坏进程除应知足第(1)、(2)类问题外，另一个要紧的物理量是时刻。一样地讲，时刻相似常数at与几何相似常数al间的关系为：a=atl(7-13)当涉及蠕变问题时，从理论上，应使原型材料与模型材料二者的蠕变进程相似。事实上，不论对原型材料仍是对模型材料，在这方面都缺乏足够的数据。因此，相似的要求几乎是不可能实现的。一些专家通过实验近似的解决了这一难题。4.初始状态对岩体来讲，最重要的初始状态是它的结构状态。为此就需要模拟：(1)岩体结构特点；(2)结构面的散布特点；(3)结构面上的力学性质。在模拟各类不持续结构面时，第一应当区别哪些对所研究的问题有决定性意义。往往一并考虑在岩石本身的力学性质之内，可采取降低不持续面所在岩石弹性模量与强理论上，在原型与模型中，结构体的形状与大小应维持与整体模型相同的几何相似关系。但从变形角度来看，不论模型块体接触如何紧密，其间隙老是大于按原型缩制的要求，这就可能致使整个体系的变形过大。为了维持原型与模型在整体上的变形相似，常常不能不适本地减小模型中不持续面的频率。5.边界条件相似模型的边界条件应与原型尽可能一致。形。。因此用外部加载方式研究问题时，模拟的范围至少应大于开挖空间的三倍。相似材料1.选择相似材料①相似材料的要紧力学性质与模拟的岩层或结构相似；②材料力学性能稳固，改变材料配比，可调整材料的某些性质以适应相似条件的需③制作方便，本钱低，来源丰硕。骨料要紧有：砂子、粘土；作骨料和分层材料的云母粉；用于增大相似材料容重的铁粉；用于减小材料容重的软木屑、炉渣等轻骨料；用于吸收混合物中多余水与降低相似材料的弹性模量的硅藻土；改善材料热传导性的铝粉。胶结材料要紧有：熟石灰、水泥、增加材料脆性的石灰、作为胶结剂的树脂、使胶结石英砂取得结实的脆性的水玻璃和用来降低材料强度的碳酸钙。依照模拟对象与所采纳的几何相似常数不同，目前国内外应用于岩石力学模型上的够分为以下类型：(1)模拟混凝土坝的相似材料；(2)模拟岩石的相似材料；(3)模拟地质构造的相似材料。模拟岩石的相似材料通常有：以石膏为要紧胶结物的相似材料、石膏铅丹砂浆相似材料和以环氧树脂为胶结物的相似材料。以石膏为要紧胶结物的相似材料目前利用的最为普遍。径的砂子。2.进行相似材料配比实验在进行相似材料实验时，先将填料和胶结物按必然的配比称量好，混合在一路，搅拌均匀。然后按总料量的比例或按主胶结物的比例，加入必然量溶有缓凝剂的水，搅匀后做成相似材料试件。加入缓凝剂的目的在于使相似材料混合物的初凝和终凝时刻延长。在用石膏作为主胶结物的相似材料中，一样用硼砂或动物胶作缓凝剂。相似材料试件做晾干才能测定其力学性质。试件干燥时刻一样为3~10d。试件干燥后就可进行强度和变形性质的测定。试件能够做成圆柱形、方柱形、立方(1)抗压强度的测定将试件放在小型实验机上，缓慢均匀地加载，直到试件破坏。依如实践破坏时的最大荷载和试件尺寸，按下式计算抗压强度：PR=cFR=9Pch(7-14)(7-15)(2)抗拉强度的测定采纳细棒对径辟拉法测定抗拉强度。将圆柱形试件横放在小型压力机上，并在试件径向方向的上下方各放置一根细棒，在压力机均匀施加的荷载作用下，试件被劈开，如22ar81r83b从弹性力学分析知，试件受力时，圆盘(试件横断面)中心上下(r为试件半径)以上，但试件的抗压强度比抗拉强度大得多(10~100倍)。因此，尽管受力点和靠近受(7-16)(7-16)R=tdh3.绘制相似材料配比图表在大量的系统的配比实验基础上，通过综合、整理制成配比图表。表为中国矿业大学北京研究生部岩层移动实验室制作的相似材料配比表，表为辽宁工程技术大学制作的4.制作模型的工艺进程依如实验的要求，可制作不同尺寸的平面或立体模型。目前相似模拟实验大多采纳表相似材料配比表相似相似材料重度胶结物加水量加砂量材料物碳酸钙(占总料量的1(占水量的比1度表相似材料配比表缓凝剂采用2%动物胶的水溶>2%~%~36%~%配比号RTRC相似材料N/cm310-2RcRt模型设计模型设计包括：搜集研究地域的地质柱状图、岩石物理力学性质和开采打算等有关地质采矿资料，确信与研究任务相适应的模型比例尺和重度比，拟定模型铺设、观测和开采方案，和备料和实验人员安排。(2)计算相似材料用量a型比例为1:100，重度比为，按式(7-10)~(7-11)计算，那么相似材料的物理力学性[R]=lm.ym.[R]=10.66400=38.4N/cm2cmlycp100pp[R]=lm.ym.[R]=10.6618=3.7N/cm2tmlytp100ppm进行调整。c)依照确信的材料比例，按下式确信各分层材料的总量：m(7-17)每一分层中各类材料的重量按选中的比例进行计算。加水量缓和凝剂用量与配比实模型的铺设(1)装好模型架，铺设好最下部的模板；(2)将每一分层所需要的各类材料别离称好，倒入搅拌机中搅拌均匀；将所需的水(含缓凝剂)倒入搅拌机中，与材料混合搅匀；用金属棍子在胶皮上来回滚压，把材料压实；(4)为保证初始条件相似，在刚铺好的每一分层岩层中，用刻刀按必然距离切割裂(5)一直往上铺设，护板随之增高，直到所需高度为止。1.模型的开采模型铺设完毕，拆除护板模型干燥几天与相似材料试件干燥时刻相近。模型开采之前应将所有的观测仪器和工具都安置好。模型开采按时刻比例进行。要严格按比例操纵开采厚度，开采工具一样用双锯条中间夹木条组成，由木条的厚度调整，实现开采厚度调整。2.模型的观测模型观测的方式有插针法、反射仪法、显微镜法、摄影法和透镜法等。这些方式能测出测点两个方向的位移。也有效钢板尺、百分表观测测点的位移，但这些方式只能测出一个方向的位移。另外，也可用7V07数据自动巡回监测系统，配合位移计和扫描箱进行观测。此系统可安设200多个测点，能自动地进行数据的搜集和处置。下面简要介绍最常应用的透镜法[8]。利用透镜法进行模型观测的具体做法是：拆去护板后，在模型地表和反面岩层内插设测点。测点由灯丝有一尖角的特制小灯泡和灯座组成。在模型反面一侧架设角钢用以观测确实是按幕上灯丝的影像展点获取。L为透镜主平面至幕的距离。依照相似三角形定理有：lL(7-18)距倒数及物距倒数之和，即11FLl(7-19)(7-20)将式(7-20)代入式(7-18)得：FALFFALF(7-21)F(7-22)在实际工作中，F值尽管可通过光学实验测定，但L值较长精准测量较为困难，故上式利用不便。在成立模型架时，一样都使幕与模型架平面平行，因此其间距D为一已(7-23)将式(7-23)代入式(7-22)，得：F(7-24)在幕的方格纸上读出位移量(垂直分量和水平分量)后按式(7-24)、(7-22)能够求得模型上测点的位移量(wm、um)。据此，由下式计算实地上的下沉量(wp)及水平移动量wwwpmluplum(7-25)(7-26)透镜法观测位移事实上确实是模型开采前后在幕的方格纸上按灯丝影像展点，从而点组成的幕上下沉或水平移动值的测定误差m12121.4mm，当=20时，由式A(7-26)计算的ma=士。也确实是说，模型上每取得一个数据的误差为，若是模型比例尺在30~40之间较适合。同时改变透镜的质量和灯泡的亮度能提高观测精度。相似材料模拟法在采矿工程中的应用实例[52](1)了解煤层顶底板压力散布规律；(2)讨论断层煤柱的留设问题3.模型采纳的相似条件时刻相似常数a=a=10，容重相似常数a=1.54，弹性模量、应力、抗拉tly对断层按几何相似条件单独模拟，断层面上C、0值的相似常数应当取与岩石[(]=lM.yM.[(]0=0MlyMMHHHlmm实现断层面的模拟，待铺到必然高度，抽出铁片，在断面间灌满各类粒径砂子和适量的云母粉。4.相似材料的配比相似材料的配比见表5.测点布置及测试方式(1)测点布置图所示，为了测出断层上下盘及煤柱中的应力散布，在煤层开采中布置了一条压力为了监测煤柱的变形和破坏情形，在煤柱中布置了一条位移测线I；在底板岩层中沿铅垂方向布置了一条位移测线Ⅳ(每一个测点沿水平方向错开5m)；为了取得断层在开采进程中的活动规律，别离在断层两盘布置了两条位移测线Ⅱ、Ⅲ。(2)测试方式表相似材料配比表98765432砂页岩细砂岩砂页岩石灰岩煤砂页岩石