相似材料模拟实验报告

实验目的：了解相似材料模拟掩饰的基本原理和基本过程。 基本原理：相似材料模拟实验是采用与原理物理力学性质相似的材料，按一定的几何相似常数缩制成试验模型进行相应的目的的研究的一种试验方法。采用这种方法模拟覆岩采动过程，研究其变形破坏规律可以节省大量的观测费用，而且结果更加直观。 仪器设备：相似材料模拟实验台。 实验步骤：

1、了解配比变化对材料的物理力学性质的影响，包括骨胶比、灰膏比和用水量的影响； 2、根据试验要求，按比例配比，制作模拟材料，选定并准备好适应的骨料，胶结料，水等，制作出不同配比的材料试件，并进行编号；

3、待试件干燥后，对试件进行强度测试，根据强度相似指标要求，选定相似材料，按表中形式记录好相似材料配比及主要物理力学参数；

4、根据模型尺寸，按每分层厚度计算不同配比材料的用量（层厚度为20mm）。 实验数据：1、工作面的设计长度200m，推进尺度130m，煤层埋深51m，煤层平均厚度5m，用全部垮落法管理顶板，煤层一次采煤深度5m，表1-1为煤岩物理力学性质指标：

2、相似条件确定 岩断 风化段 厚度 10-50 砂岩 未风化软岩带 60-100 110-240 砂质页岩 油页岩 煤 层 段 顶板 泥岩 煤层 底板 泥岩 26 26-30 煤 砂岩 26 15 26 10-15 3 25-65（多30左右） 26 22 10-40 20-23 泥岩 砂岩 砂质页岩 硬岩带 26 26 26 26 6-10 12 3 10-17 主要岩石 泥岩 容重（kg/m3） 26 抗压强度 3-5 （1）实验设备与材料:实验台尺寸200mm×2000mm×2000mm，实验材料：硅砂（Φ =0.1~0.35mm）、石灰、石膏、软木屑、四硼酸钠等；

（2）主要相似 参数：αL=LH/LM ,LM-模型强度，LH-模型厚度

根据模拟工作面煤层厚度等参数，结合试验台几何尺寸，选几何相似常数αL=0.01； （3）容度相似常数：αL=γH/γM ，γH -原型容重，γM-模型容重工作面不同岩段岩石平

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均容重为26kg/m，，石灰，石膏，硅砂试验材料平均容重为17kg/m，容重相似常数为αr=26/17=1.5;

（4） 强度相似常数：α，-原型强度，-模型强度

对自重加载实验模型，容重相似常数与强度相似常数之间应该是 关系。据此强度相似常数

3、相似材料配比：根据强度相似条件要求，模拟原型各岩段不同岩性岩层强度的模型材料

强度见表1-2 原岩及材料强度 原型岩石强度Mpa 相似材料强度Mpa 10以下 10 20 30 30以上 小于17 17 33 50 大于50 主要岩石 风化带泥岩、砂岩、未风化软岩段砂岩、煤 风化带砂岩、未风化软岩段泥岩、硬岩段部分砂质页岩、煤层顶板部分泥岩 硬岩段部分砂岩、煤层顶板部分浊页岩、泥岩、煤层底板部砂岩、泥岩 硬岩段部分砂质页岩、煤层底板部分砂岩 硬岩段部分砂质页岩、煤层底板部分砂岩

根据实验室实验材料的技术特征及物理力学性质特征，结合以往实验风格，选择砂为骨料，建筑用石灰、石膏为胶结材料进行材料配比实验，实验中水与材料比为1:9，以四硼酸钠为缓凝剂，缓凝剂在水中的浓度是1-1.5%，选择如下四种配比材料模拟不同岩性的岩层，4种相似模拟材料的配比及主要物理力学性质指标见表1-3 配比号 A B C D 硅砂 7 7 7 8 石灰 0.5 0.6 0.7 0.6 水 119 119 119 119 容重（kg/m） 单轴抗压强度（Pa） 18.1 17.6 17.4 18.0 47-66 30-38 13-19 6-11 3石膏 0.5 0.4 0.3 0.4 4、模型制作 .

制作的模型为工作面走向剖面模型，墙角为0，模型高度为70cm，其中第四组松散层厚度8cm。风化带层厚度32cm，岩层顶板岩层厚度2cm，煤层厚度为5cm，煤层深度51cm，煤层底板岩段岩层厚度为14cm；

分层材料用竖计算（20mm为一个分层） 风化带体积 0.2?2?0.32?=0.00128m3

风化带相似材料总重量 M=PV=0.00128?18=0.02304㎏ 相似材料配比为 硅：石灰：石膏：水=8:0.6:0.4:1 则有 8m+0.6m+0.4m+m=0.02304㎏ 得 m=0.002304㎏

故风化带中所需硅砂 8m=8?0.002304=0.01843㎏；石灰 0.6m=0.0013824㎏；石膏：0.4m=0.0009216㎏；水：m=0.002304㎏

20mm分层材料用量计算 V=0.2?2?0.002=8?10 分层材料总质量为 M=pv=18.0?8?10

?3?3m3

=0.144㎏

5、开采模拟

工作面从模型右边界35cm位置开切，向左推至左边界35cm位置停采。考虑实验室温度、湿度等环境变化对模型的材料强度的影响，参考时间相似常数，实验中模拟工作面推进速度2.4cm/h。

6、试验观测结果分析

（1）顶板岩层活动规律：模拟工作面岩层底板出现弯曲下沉、断裂、折面垮落。随工作面继续推进，上方岩层也逐渐弯曲下沉，并出现离层、裂缝，从低向高层逐渐发展，随上

覆岩层跨落，先垮落堆积的低位岩层被逐渐压实，并进一步破碎，出现同期跨落； （2）“三带”分布特征

① 垮落带：煤层顶板岩层，断裂裂缝密集，顺层开裂充分，煤层采出后，顶板自下而上逐层垮落；

② 断裂带：底部靠近垮落带的岩层，层间离层开裂明显，分层性好，垂直或倾斜裂缝发育，且变为断裂裂缝；

③ 弯曲带：岩层或岩层组中有垂直层面的开裂，但离层是闭合的，垂直裂缝相互独立，不连通；

（3）弯曲带中岩层的离层：由于各岩层岩性差异，物理力学性质不一，在相邻岩层弯曲变形过程中，在岩层交接处差生剪切应力并发生剪切变形。当超过剪切强度时，造成剪切破坏，形成离层。工作面回采过程中，随开采空间扩大，伴随覆岩破坏，离层由下向上逐渐发展。从层间剪切开裂、离层形成与发展、直至被压实闭合，离层得到完整的发展；

（4）实验模型在采厚5cm，相当于实际5m条件下，地表出现最大下沉值为1.1cm，相当于实际1.1m； 7 实验照片

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＝

LHLM

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：

?t?tHtM

式中，?t——时间比；tH——实体运动时间；tM——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：

????H?M

式中，??——容重比；?H ——实体材料容重；?M——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：

?H?HLH??M?MLM

各相似常数间满足下列关系：

??????L

式中，?H,?M——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。

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件，按照对应的相似关系，由煤层底板、煤层、顶板岩层的顺序，依次铺设模型；铺设过程中，根据预先设计的方案，布置相应的传感器。

（4）数据采集系统的连接：由指导教师介绍数据采集系统与传感器的连接及使用方法。

（5）模型开挖与数据采集：按照预先设计的程序，在模型中进行开挖工作；每步开挖后进行数据采集工作。

五、实验注意项

1）试验在实验室指导老师的帮助下完成，需要提前申请； 2 ) 实验中注意保护测量仪器设备，防止损坏； 3）使用完毕后要进行必要的清理维护。 六、思考题

1）影响相似材料强度的主要因素是什么？ 2）模拟岩层的非连续面的方法是什么？ 3）相似材料模拟实验数据采集方法是哪些？ 七、实验报告

阐述相似材料模拟实验的主要用途、方法及原理，叙述相似材料的组成及实验步骤，记录实验结果。

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