相似模拟及测试技术-应用举例

相似模拟及测试技术——4应用举例
表4-1
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 岩性 砂质泥岩 细砂岩 泥岩（砂质泥岩） 粗砂岩 煤 泥岩 中砂岩 粗砂岩 煤 夹矸 煤 夹矸 煤 夹矸 煤 夹矸 煤 夹矸 煤 砂质泥岩
酸刺沟矿6号煤层及其顶底板岩石的物理力学参数
（a）
(a)
(b) 图4-6 工作面推进753mm(22.59m)顶煤全厚初次垮落 (a)-放煤前；(b)-放煤后
(b) 图4-7 工作面推进807mm(24.1m)顶煤 垮落和放出 (a)-放煤前；(b)-放煤后
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割煤14次，推进915mm(27.45m)时，直接顶全厚初次垮落，前后 垮落角分别为58.24°和73.23°，垮落跨度305mm(9.15m)。顶煤 垮落线向前移至煤壁上方，垮落角62.32°，图4-8。放煤后，采 空区垮落顶煤堆积角69.59°，造成部分煤丢失。此时，支架仅承 受极少量碎煤的重力。
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4.1原型条件 原型条件 根据酸刺沟矿提供的钻孔资料和ZK2钻孔取心及井下取样测定的各岩层与煤的 物理力学参数，采用的原型地层结构及各煤岩层的物理力学参数见表4-1所示。 采用的煤层厚度为23m，其中底层3m为高灰煤，不开采，有效煤层厚度为20m。 工作面底层割煤高度4.5m，放顶煤厚度15.5m。煤层的开采深度取6号煤层的 平均深度245m。 4.2 试验装置 根据实验室条件和原型条件，选用实验室现 有的长×高×厚=3000mm×3000mm×200mm的 大型平面应变皮囊充气柔性加载试验装置。 4.3 模型设计 4.3.1 相似比的确定 根据原型和试验装置条件，确定相似比为： α 几何相似比： l = 1 / 30 = 0.033 容重相似比：α γ = 1.7 / 2.5 = 0.68 （岩石） α 应力与弹模相似比： σ , E = 0.033 × 0.68 = 0.0224 图4-3 采全厚（20m）模型全貌照片 3 −5 载荷相似比： α F = α l × α γ = 2.44 × 10 应变与泊松比相似比：α ε = 1 时间相似比：α t = α l = 0.1817
混层 细砂岩 泥岩 粗砂岩 煤 泥岩 中砂岩 粗砂岩 煤 夹矸 煤 夹矸 煤 夹矸 煤 夹矸 煤 夹矸 煤 砂质泥岩
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4.3.3 模型设计 模型的四周和底板用20号槽钢和25mm厚有机玻璃板约束，上面 用皮囊充气加载。在模型的两侧各留100mm（原型3m）宽煤柱， 剩余2800mm，可模拟原型工作面推进84m。模型厚200mm，可 模拟原型工作面宽6m，相当于4架支架宽度。模型高3000mm， 模拟底板厚500mm(原型15m)，煤厚667mm(原型20m)，顶板厚 1708mm（原型51.24m），其余5792mm（原型173.76m）高上覆 岩层重力通过皮囊 充气加载实现。 对667mm（原型20m）厚的煤层采用 一次采全厚，底层割煤高150mm （原型4.5m），放顶煤高517mm （原型15.5m）。模型中支架为两柱式 放顶煤支架，见图4-1所示。
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图4-2 采全厚（20m）模型测点布置
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4.4 试验过程描述 模型制作后，打开凉15d进行加载。加载至设计压力后，放置1d， 进行压力盒和应变仪连线，为全站仪量测选取基点，测取各测点 初读数。 在距离模型一侧边缘100mm(原型3m)处开挖切眼，切眼宽度 210mm(6.3m)，高度150mm(4.5m)，在切眼内放置两柱式放顶煤 液压支架，支架宽200mm（原型4架宽度6.0m），顶梁长度 110mm（原型3.3m），支架长度200mm（原型6.0m），给支架设 定初撑力，进行开采。前两次割煤分别为30mm(原型0.9m)和 27mm(原型0.81m)，随后根据原型情况对割煤深度进行调整，调 整后每次割煤深度54mm（原型1.62m），相当于原型工作面2刀 割煤进度。 秤量每一循环割出的底煤和放出的顶煤，记录支架循环末工作阻 力，测量位移和应力。 当工作面割煤7次，推进537mm(16.11m)时，顶煤开始分层垮落， 垮落厚38mm(1.14m)，顶部跨度351mm(10.55m)，支架后有极少 量煤可以放出，见图4-4所示。 当工作面割煤8次，推进591mm(17.73m)时，顶煤第二、三分层垮 落，垮落时顶部跨度为396mm(11.88m)，顶煤垮落角为57.88°， 见图4-5所示。
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4.3.2 模型材料及其配比 煤与岩层材料：考虑岩体类材料受节理、裂隙等的影响 造成材料宏观上的不连续性，对实验室测定的岩石力学 特性考虑0.7的龟裂系数，然后根据相似理论求得模型 材料的物理力学参数与材料用量，见表4-2所示。 模型中的骨料为汾河砂，通过筛分控制各粒级比例，见 表4-3所示。
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分层用料 河砂/kg 91.8 92.72 396.8 137.25 77.4 31.68 396.94 138.58 110.25 5.04 51.75 7.2 40.5 7.2 101.25 5.04 123 19.2 49.5 183.6 水泥可赛因 石灰/ kg 4.08 4.12 29.76 18.3 15.48 2.38 33.08 13.86 22.05 0.38 10.35 0.54 8.1 0.54 20.25 0.38 24.6 1.44 9.9 8.16 石膏/kg 6.12 6.18 69.44 27.45 10.32 5.54 33.08 13.86 14.7 0.88 6.9 1.26 5.4 1.26 13.5 0.88 16.4 3.36 6.6 12.24 水/ kg 10.2 10.3 49.6 18.3 10.32 3.96 46.31 16.63 14.7 0.63 6.9 0.9 5.4 0.9 13.5 0.63 16.4 2.4 6.6 20.4 硼砂/g 102.1 103 496 183 103.2 39.6 463 166 147 6.3 69 9 54 9 135 6.3 164 24 66 204
(a)
(b) 图4-8 推进915mm(27.45m)直接顶全厚初次垮落时的 顶煤垮落与放出 (a)-放煤前；(b)-放煤后
图4-1 一次采全厚（20m）模型放顶煤支架
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4.3.4 模型的加载与测试 模型的上覆岩层重力采用皮囊充气加载，按照开采深度计算的加载气 压值为0.097MPa。考虑模型两侧槽钢的弹性夹持力所产生的摩擦阻力， 取1.2的摩擦系数，则皮囊的实际充气压力为0.116MPa。 在试验过程中，测试的主要内容有：顶煤顶板的位移分布及其变化， 顶煤顶板中的采动支承应力分布及变化，液压支架的工作阻力及其变 化，顶煤顶板的垮落特征和顶煤的放出率等。其中： ①顶煤顶板的位移分布及其பைடு நூலகம்化采用型号为Nikon Total Station DTM-531E 的全站仪，测定预先设定在模型内的标志点，然后通过数据线将其测 定结果输入到计算机中，进一步处理为原型位移值。模型中的位移测 点布置见图4-2所示。 ②顶煤顶板中的采动支承应力分布及变化采用YJ-5型静动态应变仪采集预 先埋入模型中的BW-4型微型压力盒的电信号数据，然后通过事先标定 的应力-应变曲线得到应力值。模型中的应力测点布置见图4-2所示。 ③液压支架的工作阻力通过接入油路上的压力表来测取。 ④顶煤顶板的垮落角、断裂与垮落距离和垮落高度等采用钢卷尺测取。 ⑤采用磅秤秤取工作面的割煤量和顶煤放出量的方法计算工作面的采出率 和顶煤放出率。 ⑥采用SONY数码相机拍照试验过程中的典型现象。
层厚 /m 3.0 3.06 16.56 6.09 3.45 1.32 13.62 4.89 4.89 0.21 2.31 0.30 1.80 0.30 4.50 0.24 5.49 0.81 2.19 12.0 密度 /kN·m-3 25.8 27.4 25.7 23.6 13.6 25.7 23.8 24.5 13.9 22.7 13.9 22.7 13.3 22.7 13.3 22.7 13.5 22.7 13.3 25.8 抗压强 度/MPa 45.69 56.26 21.75 22.96 18.93 21.75 33.64 36.19 17.36 21.29 17.36 21.29 20.49 21.29 20.49 21.29 8.56 21.29 20.49 45.69 2.86 2.58 2.10 2.55 2.10 2.55 2.41 2.55 2.41 2.55 1.77 2.55 2.41 5.62 5.60 5.58 3.42 3.61 3.42 3.61 3.89 3.61 3.89 3.61 2.29 3.61 3.89 9.19 4705 5845 2297 4240 2297 4240 2693 4240 2693 4240 1522 4240 2693 4984 6.48 6.56 3.85 3.94 3.85 3.94 4.39 3.94 4.39 3.94 2.46 3.94 4.39 4.26 46.74 50.20 39.91 34.84 39.91 34.84 43.06 34.84 43.06 34.84 28.06 34.84 43.06 40.78 3.09 2.26 10.77 3.66 4260 2495 5.30 4.12 38.58 41.49 抗拉强 度/MPa 5.62 5.67 抗剪强 度/MPa 9.19 10.03 弹性模 量/MPa 4984 7807 内聚力 /MPa 10.26 11.46 内摩擦 角/° 40.78 44.48
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（a）
图4-4 工作面推进537mm(16.11m)顶煤开始分层垮落
（b） 图4-5 工作面推进591mm(17.73m)顶煤二、三分层垮落 (a)-放煤前；(b)-放煤后
相似模拟及测试技术——4应用举例 割煤11次，推进753mm(22.59m)时，顶煤全厚初次垮落，如图4-6所示。顶煤 垮落角71.93°，放煤后采空区垮落煤体堆积角75.96°。 割煤12次，推进807mm(24.21m)时，下位顶煤略有垮落，采空区堆积的顶煤向 前倾倒，见图4-7。顶煤垮落角71.85°，放煤后煤体安息角46.31° 。
表4-3 骨料河砂的粒度组成 粒度/mm 比例/% ＜0.2 12 0.2～0.35 22 0.35～0.6 37 0.6～1.25 29
表4-2 模型材料的物理力学参数与材料用量
材料参数 岩层岩性 抗压强 度/MPa 0.72 0.89 0.30 0.32 0.24 0.30 0.53 0.57 0.24 0.30 0.24 0.30 0.24 0.30 0.24 0.30 0.24 0.30 0.24 0.72 配比号 946 946 437 346 364 437 655 555 364 437 364 437 364 437 364 437 364 437 364 946 容重/ g·cm-3 1.7 1.7 1.5 1.5 1.5 1.5 1.7 1.7 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.7 分层厚度 /cm 10 10.2 55.2 20.3 11.5 4.4 45.4 16.3 16.3 0.7 7.7 1 6 1 15 0.8 18.3 2.7 7.3 40 累计厚度 / cm 287.5 279.6 269.4 214.2 193.9 182.4 178 132.6 116.3 100.5 99.8 92.1 91.1 85.1 84.1 69.1 68.3 50 47.3 40