《矿山压力与岩层控制》.doc

《矿山压力与岩层控制》 主编：采矿工程教研室 六盘水师范学院矿业工程系 年 月 日 目录 实验一 二维相似材料模拟实验 1 实验一 二维相似材料模拟实验 一、实验类型 综合性实验。 二、实验目的 相似材料模拟实验是在实验室利用相似材料，依据现场岩层柱状和煤（岩）体力学性质，按照相似材料理论和相似准则制作与现场相似的模型，然后进行模拟开采，在模型开采过程中对由于开采引起的覆岩运动情况以及支承压力分布情况进行不间断观测。总结模型中的实测结果，利用相似准则，求算或反推该条件下现场开采时的围岩运动规律和支承压力分布情况以便为现场实践提供理论依据。 相似材料模拟实验是在《矿山压力与岩层控制》课程理论学习的基础上，通过实验的手段，直观的研究煤层开采引起的覆岩运动和破坏情况、矿山压力的变化规律等。在进行相似材料模拟实验时，尤其是大比例模型实验，当基岩厚度较大时，模型往往只铺设到需要考察和研究的范围为止，其上部岩层不再铺设，而以均布载荷的方式加载模型上边界，所加载荷大小为上部未铺设岩层的重力。 三、实验仪器、设备 相似材料二维加载模拟试验台 四、实验内容 1、根据煤矿地质赋存条件，按地质柱状图制作相似材料配比方案 2、了解影响相似材料强度的主要因素 选择相似材料应当达到的要求是： (1)模型与原型相应部分材料的主要物理、力学性能相似，这样才能将模型上测得的数据换算成原型上求解的数值; (2)力学指标稳定，不因大气温度、湿度变化的影响而改变力学性能; (3)改变配合比后，能使其力学指标有大幅度变化，以便于选择使用; (4)制作方便、凝固时间短、成本低、来源丰富，最好能重复使用; (5)便于设置量测传感器，在制作过程中没有损伤工人健康的粉尘及毒性等。 煤系岩石的力学性质可以划分为脆性的、弹性的和塑性的，这种力学性质随加载条件的变化而变化，对其进行模拟时，就需要通过正确选择相似材料来达到。相似材料是用胶质物和填料组合而成，而胶结料的力学性质在很大程度上决定了相似材料的力学性质。相似材料的力学性质划分类别详见表1。 表1 相似材料力学性质划分类别 类别 名称 力学特点 无机胶质料 水泥、石灰、碳酸钙、水玻璃 脆性破坏 碳氢类石油产品 石蜡、凡士林、地腊、油类 弹塑性、塑性变形 合成树脂 环氧树脂、尿素树脂 变化范围宽、由塑性直至脆性 天然胶质产品 松香、沥青 脆性 根据模拟的对象及模型的比例的不同，可采用不同种类及不同配比的相似材料。实验所用相似材料主要包括两方面的原料：填料（或称骨料）和胶结物。填料多用河沙、云母粉、滑石等，胶结物有石膏、石蜡、碳酸钙、水泥等。对于《矿山压力与岩层控制》课程实验，主要研究内容为模拟上覆岩层的运动，实验中选取的胶结物为石膏，同时加入碳酸钙用以提高其强度，填料为河沙，各分层之间撒一层云母粉起分层作用。模拟对象及模拟比例的不同，可以通过不同配比的相似材料来实现。经试验证明，认为相似材料的内摩擦角完全取决于砂粒结构，石膏胶质料对其不起作用，可通过单独改变石膏胶质料的密度和砂粒结构，独立控制凝聚力和值。 3、按照一定比例配制相似材料，制作较为简单的二维相似材料模型 实验在**m×**m×**m平面实验台上进行，模拟煤层开采覆岩运动规律。按照相似模拟准则，选取模型的几何相似比。 4、掌握试验的研究方法和研究内容 五、实验步骤 1、计算模型配比用料及铺设层次。 实验以某具体煤矿综采工作面开采为原型进行覆岩运动规律研究。进行相似材料模拟实验时，模型和被模拟体的几何形状、质点运动轨迹及质点所受的力相似。根据煤矿地质综合柱状图，分析简化煤层赋存条件，计算模型配比用料及铺设层次，完成表2。 根据确定的材料比例，按下式计算模型各分层材料的总量： （1） 式中，为材料的容重；为模型各分层材料重量；为模型长度；为模型宽度；为模型分层厚度；为材料损失系数。 表2 模型配比用料及铺设层次 层号 岩性 实际厚 度（m） 模拟厚 度（cm） 重复 次数 分层厚 度（cm） 配比号 容重 （g/cm3） 材料用量（kg） 沙子 碳酸钙 石膏 水 R ***岩 …… R3 ***岩 R2 岩 R1 底板 2、按照一定比例配制相似材料 根据每组配比号所需的各种材料重量计算表，严格在台秤上秤取砂子、碳酸钙、石膏的重量，并放在一起搅拌均匀。同时将秤好重量的硼砂，放入称好重量的水中，待融化后加入搅拌料中，进一