凤凰山矿151304工作面相似模拟试验设计.doc

相似模拟试验设计 1 本次试验 以凤凰山矿151304工作面开采条件为背景，研究在151304工作面实际地质条件工作面开采后，变形、移动、垮落的全过程 1.1 相似准则 煤矿开采是一个复杂的系统工程，涉及到诸多因素，要使所有因素都保持相似，很难做到，在工程实际中也没有这个必要。实践经验表明，要进行煤矿开采，相似模拟试验主要考虑以下参数：煤层厚度，岩层厚度，抗压强度，抗拉强度，容重，弹模，时间，泊松比等八个参数，令其方程为： 根据定理，应用量纲分析法，可得出以下5个相似准则： 故要使模型与原型相似，则需满足下列方程： 2 相似材料模拟试验设计 2. 相似材料的选取 相似材料的确定是相似模拟试验中的一个重要环节，选择相似材料一般要求： （1）力学性能稳定，不因大气温度、湿度变化而发生较大的改变； （2）改变配比后，能使其物理力学指标大幅度变化，便于选择使用； （3）材料来源丰富，制作方便，凝固时间短，成本低； （4）相似材料强度、变形均匀，便于测量，且材料本身无毒无害； （5）模型材料与原型材料的变形及破坏特征相符合。 根据经验及本试验所模拟的岩层性质，决定以细河砂为骨料，以水泥和石膏为胶结材料，用四硼酸钠（硼砂）作为缓凝剂。 2. 原型地质条件 原型工作面是以凤凰山矿151304工作面实际地质条件为依据，本工作面倾斜长度： 174.75米。走向长度：一阶段659.91米，面积为115319.27平方分；二阶段539.28米，面积为94239.18平方米，总面积为209558.45平方米。煤层厚度1.40～3.30米，均厚2.07米。煤层倾角2～8°，平均3.5°。 本工作面地面标高在866.5~998.7米，工作面标高在527.0~593.2米。盖山厚度为285～418米，平均340米。 从地表到工作面所有岩层的平均容重为2.5×104N/m3。 2. 相似参数的确定 模型架要求有足够大的刚度，且具有一定的宽度，以保证模型的稳定性。根据现有试验条件，决定在2.5m×0.20m×1.4m（长×宽×高）规格的刚模型架上进行试验，根据选定模型架尺寸及其他条件综合考虑，确定相似系数如下： （1）模型几何相似系数（几何比）： 本次模型试验采用平面应力模型，长度相似系数： 其中： —模型尺寸； —原型尺寸。 （2）时间相似系数： 取时间相似系数为： 其中： —模型过程时间； —原型过程时间。 （3）容重相似系数： 要求模型与原型的所有作用力都相似，考虑重量影响，则： 其中： —模型容重，取1.×104N/m3； —原型容重,取2.5×104N/m3。 （4）其它力学参数相似系数 由相似定理及以上个基本参数的相似系数，可导出如下相似系数： 强度比： 外力比： 弹模比： 泊松比： （5）初始条件及边界条件相似 由于无现场资料，可以近似认为是均质重力场，所以初始应力场是相似的。 3 相似材料配比及用量 参照《矿山压力的相似模拟试验》中的材料配比，通过调整相似材料配比试验，得到了模型的相似材料配比见表。 相似材料是按不同材料配比把各种材料混合而成的，在进行相似模拟试验前，为了了解所选材料的性质以便使模型与原型保持较好的物理力学特性相似，要选取合适的相似材料配比，因此必须进行配比试验。 配比试验步骤如下： （1）将试模内刷上机油备用； （2）按一定比例称量砂子、石膏和水泥，混和搅拌均匀； （3）加入一定量含有硼砂的水，搅拌后，倒入模子； （4）干燥4天左右，将做成试件（10cm×10cm×10cm）放于伺服压力试验机上测定试件的单轴抗压强度。 考虑到配比实验期间误差，同一配比做三个试件，取三个试件抗压强度的平均值作为该材料配比号的抗压强度。 各分层材料总用量由下式计算可得： 式中： —分层材料总用量，kg； —模型架长度，m； —模型架宽度，m； —模型分层厚度，； —材料容重，； 由配比号确定各分层中各种材料的用量，计算公式如下： 砂：：石膏为： 细河砂： 石膏： 水： ： 硼砂： 由以上公式算出模型上各分层的各种材料用量列表，见表。 表模型相似材料配比表 序号 原型 模型 配比号 材料用量 厚度/m 抗压强度/MPa 厚度/cm 抗压强度/Kpa 各层总重/Kg 砂/Kg 石灰/Kg 石膏/Kg 水/Kg 硼砂/g 粉砂岩 24-3 3.00 50.67 3.00 304 346 22.50 16.88 2.25 3.38 2.50 25.00 24-2 3.00 50.67 3.00 304 346 22.50 16.88 2.25 3.38