矿山开采的相似模拟实验方法概述

矿山开采的相似模拟实验方法概述一、相似材料模拟实验的原理与方法相似材料模拟实验方法最早的应用大约在十八世纪末十九世纪初，著名地质学家、地质构造模拟实验的先驱JamesHall（1761-1832）最早用模拟模型实验再现了各种构造形态的形成过程，包括用叠层湿粘土作褶皱的模拟。我国地质力学的创始人李四光教授早在1929年就进行了弧形构造的模拟实验研究。相似第一定律考察两个系统所发生的现象，如果在其所有对应点上均满足以下两个条件，则称这两个现象为相似现象。条件甲：相似现象的各对应物理量之比应当是常数，称为“相似常数”。相似材料模拟实验方法要求满足的主要是几何相似，运动相似和动力相似。几何相似运动相似动力相似式中：l、t、M——长度、时间、质量；p——原型；m——模型“；——长度相似常数；——时间相似常数——质量相似常数条件乙：凡属相似现象，均可用同一基本方程式描述。相似第二定律约束两相似现象的基本物理方程可以用量纲分析的方法转换成用相似判据方程来表达的新方程，即转换成方程。两个系统的方程必须相同。相似第三定律相似第三定律又称为相似存在定律，认为：只有具有相同的单值条件和相同的主导相似判据时，现象才互相相似。单值条件为：⑴原型和模型的几何条件相似；⑵在所研究的过程中具有显著意义的物理常数成比例；⑶两个系统的初始状态相似，例如岩体的结构特征；层理、节理、断层、洞穴的分布状况；水文地质情况等等；⑷在研究期间两个系统的初始边界条件相似，例如是平面应力问题还是平面应变问题。矿山工程相似材料模拟实验所选用的材料由骨料、粘结料和添加剂组成。骨料大都采用河沙或石英砂，粘结料采用石膏或石腊，国外也有采用树脂材料。添加剂主要是为装置模型工艺需要而加入的缓凝剂、增强剂等。材料配比的准确是保证模拟实验动力相似的基本条件，装置模型前必须选择各类岩层的模拟材料配比，每更换一次材料（骨料或粘结料）都应进行配比的验证实验。矿山工程相似材料模拟实验的基本过程主要包括以下环节：⑴根据研究或实验课题的基本要求提出实验设计实验设计应包括：实验的目的与任务；选择模拟实验方法，即模型架的类型和尺寸；选择各类实验岩层的材料配比；确定模型铺设工艺；确定实验测试内容，选择实验测试仪器仪表；设计模拟实验过程；⑵相似材料模型的铺设和装置；如图12-14，是实验前对模拟实验的总体设计构图。模型的最下部铺设一排称重传感器（又称支承压力传感器），其上铺设实验岩层，自下而上为2m砂质页岩直接底；3.4m煤层；8m砂岩砂质页岩互层直接顶；6m砂岩老顶；4m砂质页岩；3m砂砾岩；20m砂岩砂质页岩互层；5m砂岩；2m页岩；6m砂质页岩。煤层埋藏深度254m，模型上铺设相当于200m厚度岩层和覆盖层重量的配重铁块。图12-14模拟实验的总体设计构图1—煤层；2—砂质页岩；3—砂岩；4—页岩；5—砾岩；6—页岩砂质页岩互层⑶实验前准备提出实验的具体实施方案，确定实验人员的分工，安装和配置全部实验测试仪表；⑷相似材料模拟实验模拟实验过程应严格按照实验设计和实验前的实施方案进行，模型的开挖要严格按照时间和空间的要求。定期测定实验数据，并对实验过程作出认真实验记录，作相关的实验素描。⑸实验测试原始材料的整理和分析；⑹编写实验研究报告二、长壁采场平面模型模拟实验方法平面模型有两类，一类是平面应力模型，另一类是平面应变模型。图12-15是一架开采急斜煤层的平面应力模型。图12-15平面应力相似材料模型平面应变模型的实质是，要使模型的正面和背面应变为0（即Z方向无变形），这就需要对模型正面和背面进行严格的约束。这类模型有以下一些问题需要进一步解决。⑴模型的正面和背面加上档板后，实验过程就很难照象和录象。而现阶段模拟实验通过实验照片反映研究成果，是一种重要手段，因而在实验过程中往往需要在照象时，将档板打开，但是打开的过程Z方向变形的过程，使原先平面应变的前提受到影响。⑵模型的正面和背面加上档板后，对模型中岩层的沉陷运动产生约束，要保证实验的准确，必须实现档板和模型之间的摩擦力为0。⑶模型的位移测试只有在打开的状况下才能直接量测。图12-16平面模型上方油缸加载加载方式示意图三、长壁采场立体模型模拟实验方法图12-17是