《采场矿压相似模拟实验》实验指导书

采场矿压相似(机械)模拟实验
一、实验目的：
1.验证采场推进过程中上覆岩层运动与支撑压力变化的关系。

二、实验内容：
1、了解实验原理与方法。

2、演示实验。

三、实验仪器、设备：
1.采场矿压机械模拟实验台。

四、实验原理：
采场矿压机械模拟实验台主要由模型实验框架（如图1所示）和测控系统（如图2所示）两大部分组成。

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6
10
图1 模型框架示意图
1—控制采高升降机构2—气囊3—老顶4—加载胶囊5—反力框架
6—气囊升降机构7—电磁阀8—进气总管9—框架10—压力变送器
(一)、模拟实验台模型的相似比及台架几何尺寸：
1、模型材料：
模型材料是以聚乙烯和橡胶材料为主，以金属材料为辅的复合材料，聚乙烯和橡胶材料的比重约1克/cm3。

2、模型似条件及相似比：
（1）由量刚分析原理导出实验模型的相似准则。

r C C C σ=⋅ ——（1）
其中：C σ—应力比 r C —容重比 C —几何比 当C 和r C 确定后，C σ可由（1）式得出 （2）相似比确定：
已知：'1
2
r r C r == （模型物量用上标“’”表示）
根据实验要求设：'1
50
C ==
所以 '1
100C σσσ==
3、模型几何尺寸：
长×高×宽=4000×1500×30 按几何比
1
50
，可模拟现场实际尺寸为：200m ×75m ×15m (二)、模型物理场的机械模拟：
1、煤层：煤层是实验中需要开采的部分。

用橡胶气囊模拟煤层，通过机械方法控制气囊的放气模拟煤层的开采（即采场工作面的推进）。

通过压力传感器可检测气囊的压力（即煤层压力）。

气囊的工作原理见图3
图3 橡胶气囊工作原理图
1—气源2—橡胶气囊3—按钮开关4—电磁阀5—节流阀6、压力变送器7-蓄能器
2、老顶：老顶是实验中其力学结构和状态随煤层开采而变化的部分。

采用塑料、橡胶、金属材料加工成具有模拟老顶运动功能和力学结构功能的梁，如图4所示。

图4 老顶模型结构图
1—磁极2—街铁3—橡胶4—双铰折页
用电磁铁机结，通过控制其电源的开断，模拟老顶的裂断；通过橡胶夹层模拟老顶的弯曲；设置在老顶裂断面处的双铰折页，以模拟老顶裂断后其力学结构和运动特征。

3．底板：
用不同硬度的橡胶板复合成模型底板，并在橡板设置一定密度的压力检测孔放置相应的传感器，以测试底板应力分布。

(三)、加载系统：
由相似条件
1
100
C
σ
=，当采场深度为1000m时，
模型的载荷为σ=0.25kg/cm2。

对此范围的载荷压力可使用气压或水压胶囊在反机构的作用下对模型进行加载，如图4所示。

(四)、实验模型框架：
该框架由控制采高升降机构、气囊升降机构、主框架，反力框架四个主要部分组成，如图4所示，通过电机带动丝杆可控制采高升降机构的下降高度，以实现不同采高的要
求，也可控制老顶触矸位置；当研究顶板运动与底板应力分布关系时，可通过气囊升降机构，将气囊的位置升高，以给足够高度的底板空间；反力框架将对三个方向上限制胶囊变形，一个方向对模型加载。

(五)、数据检测与控制系统：
1、数据检测点
（1）煤层压力——140点
（2）底板压力——210点
（3）位移传感器——25点
（4）泵站压力——2点
（5）流量——2点
模拟量输入点共379点
其中，支承压力的检测采用了电阻应变式土压力传感器。

沿工作面推进方向,在煤层与地板之间设置140只土压力传感器。

2、控制输出点
（1）气囊进排气电磁阀——140点
（2）控制采高升降机构电机正、反转—50点
（3）老顶电磁铁——20点
（4）控制加载系统电磁阀—4点
开关量输出点共214点
考虑到15%的余量该实验台共有380+50点的模拟量输入，214+36点的开关量输出，由于输入模拟量和输出开关量大，因此采用先进的集散控制系统（DCS系统）。

该系统集成综合了智能仪表、多功能回络控制器，顺序控制器，可编程控制器的功能，具有先进的数据采集及处理功能、控制策略、图形操作界面和在线实时操作工具，实现实验过程的实时监测，监视、记录、操作、管理及其连续控制，逻辑控制、顺序控制。

五、实验系统的功能：
1、该实验系统能够进行采场推进过程中，上覆岩层运动状态与煤层支承压力变化关系的研究与演示。

2、能够进行采场来压时，支架与顶板状态关系的研究演示。

3、能够进行不同采高时顶板状态与煤层支承压力关系的研究与演示。

4、能够进行顶板运动状态与煤层支承压力以及底板应力分布关系的研究与演示。

六、实验步骤：
1、准备工作。

根据实验模型对监控软件进行系统组态；压力传感器调零；搭建模
拟老顶岩梁；对模拟煤层的气囊充气。

2、模型搭建与传感器标定。

在模拟煤层上铺设搭建好的模拟老顶岩梁；分层铺设砌块如图1所示；分层铺设砌块的同时对地板上设置的压力传感器进行标定。

3、按单方向逐一回采煤层即逐一对模拟煤层的气囊放气，控制模拟老顶的裂断与来压，通过电脑监控支承压力的分布于变化，并对数据进行保存。

七、实验结果计算、绘图和分析：
1、根据实验数据(见数据表)，工作面不同的推进步距绘制支承压力的分布曲线图，
并分析支承压力的分布规律。

2、煤层及煤层开采和老顶(传递岩梁)是怎样模拟的？
3、采用什么方法支承压力进行检测？
4、比较相似材料模拟实验，相似(机械)模拟有什么特点和不同？
5、对实验中模拟方法的适用性及改进途径提出看法。