矿山压力及其控制－实.doc

矿山压力及其控制－实验指导书 课时：2个学时 先修课程：煤矿开采学、岩土工程、矿山地质学 实验1 相似材料模拟试验 一、实验目的 掌握相似材料模拟实验的主要作用、主要方法 了解相似材料模拟试验的基本理论：三个相似定律 了解相似材料的组成：主料、骨料、胶结物等 了解影响相似材料强度的因素 掌握模拟岩层的非连续面（如断层、层理、节理等）的方法 了解相似材料模拟实验的基本步骤 了解相似材料模拟实验的观测、数据采集方法 二、原理说明 相似材料模拟试验的基本理论：三个相似定律 相似理论是研究模型与其代表的原型之间相似性质与规律的理论，由三个基本定律组成。 相似第一定律：考察两个系统所发生的现象，如果在其所有对应的点上均满足以下两个条件，称此两现象为相似现象。 条件1：相似现象的各对应物理量之比应当是常数，称为“相似常数”。具体矿压方面的应用，模型与原型应存在三个方面的相似：几何相似、运动相似、动力相似。 条件2：凡属相似现象，都可以用同一个基本方程式描述，即模型与原型之间各对应量物理量成一定的比例关系。 相似第二定律：认为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Ⅱ方程来表达的新方程，即转换成Ⅱ方程。两个相似系统的Ⅱ方程必须相同。该定律更加广泛地概括了两个系统的相似条件。 相似第三定律：认为对于同类物理现象，如果单值量相似，而且由单值量所组成的相似判断在数值上相等，现象才互相相似。该定律解答了怎样才能使现象互相相似。 所谓单值量是指单值条件下的物理量，而单值条件是将一个个别现象从同类现象中区分出来。亦即将现象的通解变成特解的具体条件。而单值条件包括：几何条件、介质条件、边界条件和初始条件、现象的各种物理量实质上都是由单值条件引出的。 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。依据相似理论，可以利用相似材料进行相似材料模拟实验研究。相似材料模型法的实质是：用与原型力学性质相似的材料按照几何相似常数缩制成模型。相似材料模型依其相似程度的不同分为两种：一种是定性模型（也称为原理模拟或机制模拟）。主要目的是通过模型定性地判断原型中发生某种现象的本质或机理；或者通过若干模型了解某一因素对井下所产生的某种典型地压现象的影响。另一种是定量模型。要求主要的物理量都尽量满足相似常数与相似判据。 根据定量模型相似理论，要使模型与实体原型相似，必须满足各对应量成一定比例关系及各对应量所组成的数学物理方程相同。具体在矿山压力方面的应用，要保证模型和实体在以下三个方面相似。 (1)几何相似：要求模型与原型各部分的尺寸应按同样的比例尺缩小或放大，保持几何形状相似，为此需满足长度比为常数，即满足： αL＝ 式中，αL——长度比；L——广义长度；H——实体；M——模型。 (2)运动相似。要求模型与实体所有各对应点的运动情况相似，即要求各对应点的速度、加速度、运动时间等都成一定比例。所以，要求时间比为常数，即满足： 式中，——时间比；——实体运动时间；——模型运动时间。 (3)动力相似。要求模型和实体的所有作用力都相似。首先容重比为常数，即满足： 式中，——容重比； ——实体材料容重；——模型材料容重。 在重力和内部应力作用下，岩石的变形和破坏过程中的主导相似准则为： 各相似常数间满足下列关系： 式中，——分别为实体和模型的应力； ——应力相似常数。 三、实验设备 主要设备有三维相似模拟实验台、二维相似模拟实验台、散体相似模拟实验台等。 图1 散体相似模拟实验台 图2 二维相似模拟实验台（正面） 图3 二维相似模拟实验台（背面，可见位移测量仪器） 图4 三维相似模拟实验台（左侧为压力控制台） 四、实验内容 相似材料模拟实验的主要用途、方法 相似材料模拟试验的原理 相似材料的组成 模拟岩层的非连续面（如断层、层理、节理等）的方法 相似材料模拟实验的基本步骤、数据采集方法 实验基本步骤如下： 1、散体放矿试验 （1）试验材料的选择：按照几何相似的理论，应选择合理尺寸的散体颗粒，用以模拟放矿的过程。 （2）散体模型的铺设：根据所模拟的原型，按照设计的相似比关系，铺设模型，包括需要放出的矿层及相应的顶板岩石。铺设过程中，应铺设一定数量的标志层，或布置标志点。 （3）放矿试验及数据采集：按照放矿试验的顺序进行放矿，主要纪录顶板岩石与矿层分界面的变化过程，了解伪顶、直接顶岩层破坏、垮落、冒落、运移的发展过程。试验过程中应进行相应的素描或使用数码相机采集影像数据。 2、固体相似材料模拟试验 （1）试验材料的选择：按照几何相似的理论，应选择合理的相似材料（包括骨料、胶结物等），确定合理的水灰比。 （2）试验仪器的准备：根据需要观测的内容，准备相应的压力、位移传感器和水准、经委观测仪器。 （3）模型的铺设：根据不同岩层的基本条