相似材料模拟报告矿压 山科
用相似材料模拟研究矿山压力
。 、
如采 场
作 用 的 指标
口,
、
移 动 和 破 坏 的 基本 作 用 力
对 于 弱 塑 性 岩层
,
选择 相 似材 料 只 要 取
,
气
,
或
Α
、
甲
作 为 主 导 强度 特征 即 可
则
基本 破 坏 形 式 为 剪 切 和 拉 岩 层 的 变 形 与其 弹性 模 量 和 泊 松 比 有
,
拉力
代 表线 性
,
则
甲 于甲
二
5
振∃
%
2%∃ %
∀4 #
,
∀
#
式 ∀ 4 # 即 为 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
6
0
。
∀ 6 # 运 动相 似
模 型 和 原 型 中 对应 点
,
相似 比
,
沿 相 似 轨迹 运 动
的 时 间成 比例
甲
∋∃
∀≅ #
∀ 9 # 动 力比
+
由式 ∀
∃%
% 下
8
4 #
0
可得
然 而 由于 地 质 构 造 千 变万 化
层移 动 时
, ,
,
开 采 过 程 中岩
工石
’
万
∋&
变 形 非 常复杂
。
,
在选 配 相 似 材
,
料
,
要 满 足所 有 指 标 的 相 似条 件 是 很 难的 对 某些 相 似条 件 进 行 简 化
导 意 义 的 普 遍规 律
采动影响下断层附近矿压显现规律的相似模拟试验方案设计
采动影响下断层附近矿压显现规律的相似模拟试验方案设计针对采动影响下断层附近矿压显现规律特殊的问题，现采用相似材料二维加载模拟试验台，以米箩煤矿110302大采高综采面现场地质条件为原型，运用相似模拟试验的方法，研究采场矿压显现规律与围岩活动机理，为确定合理的采场围岩控制技术提供科学依据。
标签：矿压规律；断层；采动影响；相似模拟1 工程概况米箩煤矿位于水城县东南部米箩乡，其110302工作面井下位于一采区三条下山的东翼，工作面开采1#、3#煤层，工作面回采1#、3#煤层。
110302（里段）工作面：走向长为452.5m；倾斜长为166m；可采面积为75115m。
工作面直接顶为平均厚度1.75米的粉砂岩；老顶为平均厚度为199m的飞仙关组灰绿色粉砂岩；直接底板为平均厚度0.3米的灰色泥质粉砂岩；老底为平均厚度1.25m的灰色粉砂岩。
因在110302（里段）工作面出现了断层，所以需要过断层带。
2 试验模型设计2.1 测试所需仪器设备本模拟试验采用相似材料二维加载模拟试验台（相似材料尺寸长×宽×高为4m×0.3m×2m）进行实验，并通过安装在上面的位移传感器、压力传感器和电阻应变片来进行实验的数据采集，运用伺服控制系统、LENOVO系统控制微机、TS3890型静态应变测量處理仪等进行数据的处理。
2.1.1 相关物理学力学参数依据断层附近钻孔和试验资料，1～8号岩层岩石的物理力学参数分别为：粉砂质泥岩原岩的厚度为18.15m，密度为2550kg/m3，抗压强度为13.2MPa；粉砂岩原岩的厚度为1.25m，密度为2500kg/m3，抗压强度为43.5MPa；泥质粉砂岩原岩的厚度为0.3m，密度为2460kg/m3，抗压强度为15.3MPa；3#煤层原岩的厚度为2.3m，密度为1620kg/m3，抗压强度为10.0MPa；泥岩、泥质粉砂岩原岩的厚度为0.7m，密度为2460kg/m3，抗压强度为13.2MPa；1#煤层原岩的厚度为1.4m，密度为1620kg/m3，抗压强度为7.44MPa粉砂岩原岩的厚度为1.75m，密度为2500kg/m3，抗压强度为43.5MPa；飞仙组灰绿色粉砂岩原岩的厚度为127.32m，密度为2500kg/m3，抗压强度为47.5MPa。
矿业工程相似材料模拟技术浅析
验中， 模型的单值条件要与原型的单值条件相似。 二是所有相似的
要使模型 中发生的情况跟原型发生情况相似 ，必须确定模 型与原型间建模所依据的相似准则 。相似准则需满足以下几个 条件 ：
１ ． 几何 相 似 ．１ ２
们可 以找出所研究现象的主要矛盾和次要矛盾 ，分析出影响 主
以把它转换成准则方程 ， 如果不知道其数学方程 ， 但是知道其参
ｌ 相似模 拟理论 基础
１ 相 似 三 定 理 ． １
相似第一定理（ 相似正定理 ） 是对相似数值方面的要求 ， 要求 其数值相等 、 单值条件相似。 相似第一定理说明了相似现象 的基本
中图分类号 ：Ｄ ０ Ｔ 一２
文献标识码 ： Ａ
因次准则方程可以表示为 ： １ １… ， ， ，Ⅵ， ＝ ， ， １ 啊 …啊 ）０或 １，２ ｒ ＝ ｒ１ ， ）ｏ ｌｒ…１ （） ４
矿 山工程 由于受 断层 、 褶皱、 节理等复杂的地质条件 和各种 力学 因素影响较多 ，有些 问题靠理论分析很 难得 出各种影响 因 素问的线性或非线性关 系 ， 即便通过假设或者简化 ， 也经 常由于 太复杂而难以求解 。靠现场实测分析通 常只能得 出个别变量间 的线性关系 ， 于发现或抓住现象 的全部本质 ， 难 很难 向试验条件 范围外的同类现象推广 ，所 以相 似模拟技术靠在实验室 内按相 似原理制作与原型相似 的模型。其在矿山采动过程 中对岩层变 动、 周期压力显现等分析准确可靠 ， 在矿业工程实验 中占有重要 位置 ，相似模拟技术的发展弥补 了理论分析与现场实测方面的 不足。近年来 ， 国的科研 院所进行了大量的地下工程与矿山压 我
性质 ， 主要内容有两方面 ： —是相似现象各 因素对应物理量之比是
Removed_相似材料模拟实验报告
则有8m+0.6m+0.4m+m=0.02304㎏得m=0.002304㎏故风化带中所需硅砂 8m=80.002304=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=0.220.002=810m³⨯⨯⨯3-分层材料总质量为 M=pv=18.0810=0.144㎏⨯⨯3-5、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；。
矿山相似理论实验报告
矿山相似理论实验报告1. 引言矿山相似理论是基于物理相似原理和数学模型建立的一种矿山开采理论。
通过实验研究，可以验证矿山相似理论对于科学合理的矿山规划和生产管理的指导意义。
本实验旨在通过对于矿山开采过程的模拟，验证矿山相似理论的有效性。
2. 实验设计本实验设计了一个矿山开采模型，以验证矿山相似理论的有效性。
实验中，选取了一块地质条件相似的矿山区域进行开采，通过控制不同的开采参数，观察矿山开采过程中的各种指标变化，对比实验结果，验证矿山相似理论的合理性。
2.1 实验设备本实验使用的设备主要包括矿山开采机械设备、传感器、计算机等。
矿山开采机械设备用于模拟矿山开采过程，传感器用于采集开采过程中的各种参数，计算机用于数据处理和分析。
2.2 实验步骤1. 设定矿山开采模型的地质条件并进行数据采集。
2. 设定矿山开采机械设备的参数。
3. 进行矿山开采，并逐步采集各种参数。
4. 通过计算机对实验数据进行处理和分析。
5. 观察实验结果并与矿山相似理论进行对比。
3. 实验结果与分析在本实验中，我们通过对矿山开采过程的模拟实验，得到了各种参数的变化数据。
通过对实验数据的分析，我们可以得到如下结论：1. 矿山开采量与时间的关系呈现出一定的规律性。
在初始开采阶段，矿石的开采量不断增加，但增速逐渐减小，最终趋于稳定。
2. 开采速度和矿石开采量之间存在正相关关系。
开采速度的增加会导致矿石开采量的增加。
3. 开采速度和矿山压力之间存在正相关关系。
开采速度的增加会导致矿山压力的增大。
这些实验结果与矿山相似理论的预期一致。
矿山相似理论认为，在地质条件相似的情况下，矿山的开采过程具有一定的规律性，开采速度和矿石开采量、矿山压力之间存在一定的关系。
4. 结论与展望通过本实验，我们验证了矿山相似理论在矿山开采过程中的有效性。
实验结果与矿山相似理论的预期一致，表明矿山相似理论对于科学合理的矿山规划和生产管理具有指导意义。
然而，本实验还存在一些不足之处。
《11 矿山压力相似材料研究方法》培训课件
《矿山压力与岩层控制》精品课程
第十一章 第 5 页
（1）准备工作为在模拟煤层上铺设模拟基本顶岩层的砌块一 层并加载铁块，如图11.2所示；砌块层一侧利用螺旋千斤顶加 水平力，通过荷重传感器测定载荷；在砌块梁各块中部按设 移测点，利用拉线使测点处于同一水平，测点用测高仪读数； 于工作面开切眼内按设模拟支架。试验装置布置见图11.2，此 模型按线比1:20，容重比0.7计。
§11.3裂隙梁失稳相似模型试验
➢11.3.1 试验目的
试验目的为揭示裂隙梁失稳机理、形态，并熟悉模拟试验所 需测试位移、受力、模拟支架的方法及仪器。
➢ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1.3.2 仪器设备
2.5m长平面模拟试验架1台、相似材料砌块1层、加载铁块2 层、螺旋千斤顶1台、荷重传感器1个、测高仪1台、静态应 变仪1台、模拟支架4个、刚卷尺1个。
§11.2相似模拟试验方法
在利用相似模拟试验来研究开采所引起的矿山压力规律时， 总应多考查一些影响因素，以防漏失某些重要因素。在开始 安排某些实验时，必须寻求一种既能多考查一些影响因素， 又能使试验数量少，而且应具有代表性，以便尽快分析出较
《矿山压力与岩层控制》精品课程
第十一章 第 4 页
准确的结论。这种方法称为正交试验法。
《矿山压力与岩层控制》精品课程
第十一章 第 3 页
➢11.1.2 ∏定理
如果描述一物理现象要有n个物理变量（其中有k个物理量 的因次是独立的，可作为基本测量单位）构成一个因次齐 次方程式，则此方程式可转化为（n-k）个互相独立的无因 次乘积（n-k）组成的方程式，或简言之，可以转化为一个 完整无因次乘积集合之间的关系式。
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矿业工程相似材料模拟技术浅析_武浩翔
σM=γM·hM σP=γP·hP
模型几何相似比例为：N=
hP hM
当模型缩小为 1/N 时，就保持模型原型应力相等，须使模型
重度为原型重度的 N 倍。
γM=ρaM 则：aM=Ng
γP=ρg 离心机转速 n 与模型几何比例 N 的关系：
姨 aM=ω2R
ω=
nπ 30
n=
30 πg R·N＝K 姨N模型与不同时间比例相对应的有关的力比见表 1。
122
武浩翔，宋选民 矿业工程相似材料模拟技术浅析
本刊 E-mail:bjb＠sxinfo．net 综 述
式中：S 为应力比；rn 为原型密度比；rm 为模型视密度。 根据以上 3 个相似准则来模拟相应的参数，一般主要选取 压应力和拉应力作为相似参数，因为二者是影响模型与原型相 似的主要指标。
2 相似材料的选择与模型制作
文献标识码：A
风险评价又称安全评价或危险性评价，是以实现系统安全 为目的，运用系统工程原理和方法，对系统中存在的风险因素进 行辨识与分析，判断事故和职业危害的可能性及严重程度，从而 为制定防范措施和管理决策提供科学依据的活动［1］。我国风险 评价研究起步较晚，基于危险源理论的风险评价在具体行业的 应用还不是很广泛，风险评价方法还具有局限性。因此，进一步 探讨危险源风险评价方法，科学构建评价指标体系，增强危险源 风险评价的客观性和有效性，促进危险源管理体制的改善和管 理质量的提高势在必行。
1 相似模拟理论基础
1.1 相似三定理
相似第一定理（相似正定理）是对相似数值方面的要求，要求
其数值相等、单值条件相似。相似第一定理说明了相似现象的基本
性质，主要内容有两方面：一是相似现象各因素对应物理量之比是
常数，就是相似常数，即相似现象的单值条件相似。动力学的要求
工作面开采矿压显现规律预测的相似模拟研究
图 ３ 压力盒支承压力 曲线 从 图中可 以看 出随工作面 的推进 ： （ ） 工作面前方距离测点 ５ ｍ以外 范围 ， 点的应 力变化不是很 １在 ０ 测 明显 ； 在工作 面前方 ２ — ０ ５ ５ｍ范 围内 ， 随着工作面 的推 进 ， 测点处 应力 逐步上升 ； 在工作 面煤壁前方 ２ ｍ一 ０ ５ １ｍ范 围内， 该段应力逐渐上升 ， 应 力 曲线斜率很大 ， 应力增加很快 ， 受采动影响剧烈 。工作面前方 １ｍ处 ５ 出现支 承压力 峰值 ， 峰值应力集 中系数为 ２ 左右。 ． ７ （） ２ 在工作面前 方 １ｍ一 ｍ段 内， ０ ０ 煤体 内应 力急剧下降 ， 明前方 说 煤 体经历了压缩变形以后 ， 煤层形态开始变为塑性状态 ； 同时说 明煤体 由三向受 压逐渐变 为单 向受压状态 ， 其承载能力急剧下 降。
辑 者 蛳 ｌ 口 压力 ＋ 盒 ｏ 位 懒点 移 ｌ，
８ ０
；
０ ２ ０ ４ Ｏ ６０ ８０
Ｖ
—６ ０
－ ０ ４
－ ０ ２ ：
距 工作 面 距离 ／ ｍ
图 １测点布置图 如图１ 所示 ， 在模 型内煤层 内部 布置一组 （ 个 ） ４ 压力盒 、１ 内布 ｌ煤 置一组 （ 个 ） ２ 压力盒 、 １ １ 煤顶板处布置一排位移测线。压力盒采用 Ｙ Ｓ Ｂ 微型 压力盒 、 变仪 、 应 计算 机全 程 自动采集 数据 ， 位移 测线 采用 采 用 ±２ 级电子经纬仪观测。 ”
１引 言 ．
淮南某 矿 １ 槽 工作面是该矿南翼 首采面 ， ３ 该面的开采顶板 矿压规 律、 采动破 坏规律等 的研究对 于该 区其 它工作 面的设计 开采 、 板 １ 底 ｌ 槽煤影 响规律 等具有 重要 的参考 意义。现场的矿压研 究需要耗费大量 的人力 、 物力 、 财力 ， 现场顶 板的围岩运动情况 ， 且 无法直接看到 。用相 似模拟研究成 本低 、 能看出采 动过 程中围岩的破坏的总体趋势 ， 且 对于 围岩 的控制有指导 意义。 因此 ， 验室相似模拟 为矿压的研究 提供 了 实
相似材料模拟实验总结
1.东峡煤矿大倾角坚硬易燃特厚煤层群综合机械化放顶煤开采技术相似材料模拟实验①地质资料东峡煤矿在37215-2工作面采用综合机械化放顶煤技术对煤6-2中进行开采，该工作面位于1140-1075阶段的1075北一机运石门以南至1075南三机运石门以南330m段。
工作面倾斜上部为34211-5、34213-4工作面采空区，顶部为37215-1工作面采空区，其北部为37214-2回采工作面。
倾斜下部未采动。
37215-2工作面地面标高1460～1540m，工作面标高为1141～1088m。
37215-2工作面走向长度为1134～1103m，平均1118.5m；倾斜长度95～110m，平均105m，煤层倾角32o～47o，其中倾角大于35o的区域占工作面总长度的89.6％。
37215-2工作面煤层厚度11.4～7.83m，平均9.98m，煤层中含1～2层夹矸，夹矸厚度0.07～0.30m，以灰色泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为主，煤以半亮型半暗型为主，暗煤、亮煤次之，煤质较优。
工作面直接顶为炭质泥岩和粉砂岩，岩性松软，厚度为4.31～0.20m，平均1.81m；工作面直接底为炭质泥岩和粉砂质泥岩，厚度0.9～0.07m，平均0.52m。
工作面水文地质条件简单，顶板微含水，回采中局部会有滴水、淋水现象，最大涌水量10m3/h，正常涌水量4m3/h。
实验涉及的主要煤层包括煤6-1下，煤6-2上，煤6-2中，煤岩层参数特征详见图。
图1.1 煤层综合柱状图②材料配比相似材料配比（1:200）2.贵州竹林煤矿高瓦斯突出极软大倾角煤层综采技术可行性研究相似模拟实验矿区内的煤系为二叠系上统龙潭组。
煤系地层中含煤15～22层，可采煤层五层，即1、7、17、18和19号层，局部可采煤层三层，即3、16和30号层。
煤层倾角38°～56°，一般50°左右。
可采煤层平均总厚度为8.51m，两极厚度为2.98～17.20m。
基于微型相似模拟架的矿压实验教学研究
创新教育科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald173实验课程教学是课程教学体系中不可或缺的部分，是学生从“纸上谈兵”到“现场实践”的转变过程。
然而，由于学生的数量多而实验室设备及环境资源不足，导致了实验教学内容的简化和删减，大大抑制了学生的创新探索和动手实践能力。
矿压课程是采矿专业学生的必修课程，其实验教学是必不可少的环节，但由于矿压实验教学课时安排不足、实验内容不完善、教学方式不合理、实验设备资源不足，导致了实验教学的效果不理想，因此，矿压实验课程教学必须另辟蹊径［1，2］。
1 矿压实验教学现状及存在的问题矿压实验教学长期以来没有很好地进行改进与创新，导致过去很多年仍采用传统的岩石物理力学性能测试、支护体设备力学性能测试、常用矿压监测监控设备使用方法及传感器的标定等内容。
随着学生对新知识、新方法的探索需求，这些实验内容已不能完全满足学生的需求。
现阶段矿压实验教学主要存在以下几个方面的问题。
(1)实验条件资源不够完善。
随着矿压实验教学课时的压缩，而矿压测试设备及技术方法不断地更新进步，实验教学内容在不断地增加，现有的实验课时已满足不了要求，因此，对实验课程的教学质量有很大影响；学生人数多，实验成套设备少，导致了实验操作分组不能过细，学生没有充分动手实践的机会，进而将实验实践课程演变成了学生在看实验演示过程，很难有好的教学效果。
(2)实验教学内容不够全面。
之前，矿压实验教学内容主要包含岩石的物理力学性能测试、支护体的类型及力学性质测试、常用矿压观测仪器设备使用方法及标定等。
这些内容都是矿压实验课程必不可少的，但是，部分内容与其他课程实验内容有重叠，如岩石的物理力学性能测试实验与《矿山岩体力学》的实验课程内容重复，矿压观测仪器设备使用方法及标定与《矿山压力监测监控技术》实验课程内容有重叠；此外，原有实验教学内容还欠缺采场矿压岩层移动规律、矿压显现现象以及演变特征观测等内容，故整个实验教学内容不够全面完善。
覆岩垮落及矿山压力显现规律实验指导书
《矿山压力与岩层控制》实验报告班级姓名学号日期覆岩垮落及矿山压力显现规律实验一、实验目的1、了解相似材料模拟实验的基本原理及相似模拟材料配比计算方法；2、掌握采场上覆岩层垮落规律和垮落形态；3、掌握矿压显现与覆岩垮落之间的关系；4、通过物理相似模拟实验掌握煤层开采覆岩“横三区、竖三带”概念。
二、实验特点本实验对学生的理论联系实际及动手能力有较高要求，通过实验现象验证理论知识，通过实际操作掌握监测设备的使用方法，能够运用所学知识进行实验研究，解决具体工程问题，对于提高学生的动手能力和创新能力具有重要作用。
三、实验目标及目的使学生接受初步的采矿工程实践训练，培养学生科学思维能力、实践能力和创新能力，增强综合运用所学知识分析处理采矿工程实际问题的能力，提高工程设计水平，培养科学严谨的工作作风。
通过本次实验，使学生理解和掌握采场上覆岩层移动规律、相似模拟实验原理与方法，能够运用相似材料模拟实验方法，对具体工程实践过程中采场围岩稳定性问题进行研究，提出具体控制方案，培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力。
四、仪器设备1、3m平面相似材料模拟实验架；2、徕卡TS02Power-2全站仪，如图1.1所示；3、百分表（10个），如图1.2所示；4、尺子等。
图1.1 徕卡TS02Power-2全站仪五、实验报告内容1、简述相似材料模拟实验原理。
2、实验材料及性质。
3、确定实验配比，什么是配比号？并说明模型强度与配比号之间的关系。
4、采场上覆岩层移动规律，“横三区”、“竖三带”的范围及与工作面推进的关系（以文字及素描图的形式表述）。
5、通过素描图解释直接顶初次垮落和老顶初次垮落时覆岩的结构和状态。
6、综采工作面初次来压前的征兆和顶板结构形态（画图说明）。
7、采场支架与围岩相互作用关系？8、巷道移动变形测量仪器设备和矿山压力监测仪器设备都有哪些？9、简述锚杆锚索支护原理及优缺点？。
第六章相似材料模型在矿山压力方面的应用
第六章相似材料模型在矿山压力方面的应用相似材料模型在矿山压力方面应用极为广泛.从工程类别分有:井巷、桐室，受采动影响的巷道，采场以及涉及与三下采煤、开采顺序有关的岩层移动方面的模型等.在模型规模上，有技术先进和没备复杂的三维加压的平面应变模型及立体模型，也有各种常用的中型平面应力模型，甚至简易的局部性的模型.第一节简易模型为了探讨说明某些原理的内在规律或局部力学关系，可利用简易的模拟试验方式.对与所探讨的规律关系不大的因素尽可能采取省略、简化的方法，这样可更快、更有针对性地制作模型和求得其规律。
这也是模拟研究中一种经常采用的有效的方法.一、巷遭支护阴力与顶板离层析裂的关系在井下观侧及模拟试验时经常发现巷道顶板出现分层离层与折裂，这是围岩移动导至支架受力的普遍形式.为探索这一矿压显现与岩层强度及支护阻力间的关系，特做成简易的局部相似模型进行试验，如图6一1a所示.图6一t巷道顶板离层折裂的模拟试验a-部相似模型;b-顶板离层折裂，w-巷道觉度，S-佰向可缩量C-据研究，这种顶板离层折裂经常与巷道的切向应力增大有关，而巷道附近的径向应力常为降低带，故在厚20cm的模型侧面上加压作为模拟切向应力，在模型顶面留有活动缩量而不加压，即设径向应力为零，模型底部留出82cm长的外露面作为巷道顶面，用一些连杆对此外露面施加不同的支护阻力，以及在外露面上模拟有锚杆及芜锚杆两种加固方式，然后施加切向应力而求取离层折裂时的极限值.模型受压破裂后的状态如图6一1b所示，试验结果如图6一2所示，从中可见，在分层厚度相同而岩层强度不同即相似材料强度不同时，随着支架阻力增加，该岩层能承受晌极限切向应力也将增加。
然而，当支架阻力增至一定值启，这种影响就不明显了这也说明支架阻力对不同的岩层强度及切向应力状态下有不同的合理值.当岩层强度为85. 6Mpa,而支架支撑力达0.5Mpa时岩层所能承受的极限切向应力可达80 MPa以上.此外，图中还表明了在不同的岩层强度情况下，有锚杆与没有锚杆支护时支护阻力与极限切向应力间的关系，虚线表示加锚杆支护的情况.可见加锚杆是有利的利用这个简易模型还研究了应在什么情况下加打巷道中间立柱。
《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。
9610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：'12r r C r == （模型物量用上标“’”表示）根据实验要求设：'150C ==所以 '1100C σσσ==3、模型几何尺寸：长×高×宽=4000×1500×30 按几何比150，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。
火成岩下开采矿压显现规律的相似模拟研究
火成岩下开采矿压显现规律的相似模拟研
究
随着矿产资源的日益枯竭，矿山开采深度不断加深，矿压问题也越来越突出。
火成岩是一种常见的矿山岩石类型，其开采过程中矿压问题尤为严重。
为了研究火成岩下开采矿压的显现规律，我们进行了相似模拟研究。
我们选取了一种常见的火成岩矿石，制作了相应的模型。
然后，我们在实验室中进行了模拟开采实验。
在实验过程中，我们模拟了不同开采深度、不同开采方式、不同支护方式等多种情况，以探究其对矿压的影响。
实验结果表明，火成岩下开采矿压的显现规律与开采深度、开采方式、支护方式等因素密切相关。
当开采深度较浅时，矿压显现较为轻微，但随着开采深度的增加，矿压问题逐渐加剧。
此外，不同的开采方式也会对矿压产生不同的影响。
例如，采用爆破方式开采时，矿压显现较为明显，而采用机械掘进方式开采时，矿压问题相对较轻。
此外，支护方式也是影响矿压的重要因素。
采用合适的支护方式可以有效减轻矿压问题。
火成岩下开采矿压的显现规律与多种因素密切相关。
通过相似模拟研究，我们可以更好地了解这些规律，为矿山开采提供科学依据，减轻矿压问题的影响，保障矿工的安全。
用相似模拟物理模型研究矿山压力
用相似模拟物理模型研究矿山压力
闫立章
【期刊名称】《矿业安全与环保》
【年(卷),期】2009(036)004
【摘要】在研究矿山压力的过程中,引进了相似模拟的概念,其目的是将井下巷道围岩受采动压力影响的过程用相似模拟材料直观地显现出来,并通过建立物理模型的方式,反映采煤工作面向前推进过程以及顶板围岩形成比"三带"空间的变化规律.实验证明,采动覆岩破裂高度在非充分采动阶段随工作面推进而增大,在充分采动前约为采空区短轴跨度之半,采动覆岩破裂高度受采空区短轴跨度所控制.
【总页数】4页(P20-22,34)
【作者】闫立章
【作者单位】鹤岗矿业集团公司,黑龙江,鹤岗,154100
【正文语种】中文
【中图分类】TD315+.3
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1 相似模型实验设计1.1模型相似比为了很好的模拟30101工作面开采过程中上覆岩层的移动变形过程及地表移动变形过程，确定合理的几何相似比是实验的首要问题。
本相似模拟实验模拟的岩层厚度为240~260m，选择1:200 几何相似比，模型高度为120~130cm，这样既可以很好的模拟上覆岩层的移动变形过程，还可以对地表移动变形过程进行模拟。
根据实验要求和相似原理，确定了模型的相似常数，具体如下（参数下标p 表示原型，下标m 表示模型）：1.2模型制作以砂、石膏、碳酸钙为相似材料制作相似岩组，主要参考实际岩组内岩石的单轴抗压强度，通过配比试验确定各相似岩组的材料配比。
相似岩组的参数及材料配比如表1所示。
另外，用可塑含砂粘土模拟第四系底部粘土，用松散的干砂铺设底部粘土以上土层。
表1 相似岩组的参数及材料配比注：加水量为占总料量的百分比具体的制作方法如下：（1）每铺设一层相似岩组时，先根据相似岩组的尺寸和材料配比，确定各相似材料的用量，并加水搅拌均匀。
（2）底板整体铺设，顶板采用分层铺设，除煤层外每层厚度不超过2cm，必要时在挡板上画出标记线，以保证厚度均匀；（3）每层需压实，层面和断层面需刮平整，并均匀地撒入云母片，以模拟结构面并保证有较好的分层（界）效果。
（4）相似岩组铺设好后，及时拆下挡板，在通风的条件下干燥完全。
（5）用可塑含砂粘土铺设第四纪底部粘土，用松散的干砂铺设底部粘土以上土层。
（6）装图像检测点。
在煤层顶板以15cm的横向间隔，5cm或10cm竖向间隔布置监测点。
测点用φ0.5mm、长为20mm的大头针将黑白相间长10mm的矩形硬纸片锚固在模型表面。
1.3模型的构建模型实验选取3m 平面应力模型架模型的设计高度为1300mm，设计模型尺寸3000×1300×200mm，基岩厚度905mm，松散层厚度370mm。
根据地质资料和岩石的力学参数，设计模型的层位分布。
实验现象和数据采用拍照、素描、测量、记录等多种方式进行采集，实验测试方法如图2所示。
实验过程中采用测试模型支架的载荷值，压力传感器测试支承压力值，采用百分表和光学全站仪测试模型的位移和应变。
图1 试验模型图2 模型试验测试方法2实验结果分析在距离模型左侧边界40cm 处掘出开切眼，开切眼高度2.5cm，宽度4cm，将模型支架至于开切眼内，支架初撑力8189kN，转化成模型支架的载荷值为0.9kg。
随后工作面按照2cm 的循环推进度向前推进，开采高度为2.5cm。
模型共开挖68 次，完成68 个循环，工作面推进136cm。
每一个循环为模型支架移至煤壁并达到初撑力、开挖煤层、测试模型支架工作阻力、前移支架、模型位移测试。
2.1覆岩破断及工作面矿压显现以每个循环的支架工作阻力为纵坐标，以工作面推进距离为横坐标，支架工作阻力与工作面推进距离关系曲线如图3，如图当支架的工作阻力大于基本顶来压判据值表明工作面来压，并综合考虑覆岩活动、裂隙发育和垮落情况即可确定基本顶来压规律。
图3 工作面推进速度与支架工作阻力关系(1) 直接顶大面积垮落工作面从开切眼位置开始向前推进，当工作面推进到22cm（原型值44m），直接顶大面积垮落，垮落高度为8cm，垮落长度为16cm，覆岩结构如图4所示，直接顶大面积垮落后工作面顶板悬伸长度7cm。
模型支架载荷值由0.90kg 上升至1.49kg。
图4 直接顶大面积垮落图5 基本定初次来压(2) 基本顶初次来压直接顶大面积垮落后，工作面推进至26cm（原型值52m），直接顶在支架上方出现倾角65°的倾斜裂隙，裂隙呈闭合状，移架时顶板垮落，垮落长度为6cm，上覆岩层垮落高度没有向上发展。
当工作面推进到30cm（原型值60m），基本顶断裂垮落，垮落高度至12.5cm，上位顶板悬伸长度23cm，左侧垮落角75°，右侧垮落角66°，垮落后覆岩结构如图5 所示。
模型支架载荷值由0.89kg 上升至1.7kg。
结合图5，认为工作面基本顶初次来压，来压步距为60m。
(2) 基本顶周期来压工作面推进至40cm（原型值80m），顶板上方8~16cm 高度范围内的岩层垮落，左侧垮落角63°，右侧垮落角50°，垮落岩层与工作面上覆顶板形成铰接结构，覆岩结构如图6（a）所示。
模型支架载荷值由0.91kg 上升至 1.47kg。
认为此次上覆岩层断裂并垮落是基本顶第 1 次周期来压，周期来压步距为20m。
（a）第1次周期来压（b）第2次周期来压（c）第4次周期来压（d）第6次周期来压（e）第2次周期来压（f）模型中部出现下沉盆地图6 工作面周期来压工作面推进至136cm（原型值272m），上覆岩层垮落，左侧垮落角65°，右侧垮落角70°，模型支架载荷值由0.91kg 上升至 1.51kg。
此时基本顶第11次周期来压，周期来压步距为20m。
此时裂隙已发育至地表，在松散层中裂隙倾角82°，几乎呈垂直。
在地表形成下沉量为 1.01cm、长度为60cm 下沉盆地，如图6（f）所示。
工作面推进过程中经历了工作面初次来压及11 次周期来压，初次来压步距60m，周期来压步距主要集中在16~20m，平均周期来压步距为19.2m。
2.2上覆岩层移动变形特征(1) 上覆岩层移动变形高度在初次来压和周期来压时，上覆岩层发生移动变形逐步向上发展。
初次来压和周期来压过程中上覆岩层发生移动变形高度范围发展见图7，从直接顶初次垮落到基本顶第 1 次周期来压，上覆岩层移动变形发育高度约为20cm，煤层上方10cm 高度处上覆岩层位移量为 2.3cm；从第 2 次周期来压至第 5 次周期来压，上覆岩层移动变形发育高度约为40cm，该高度处上覆岩层位移量为2.0cm；从第6 次周期来压至第8 次周期来压，上覆岩层移动变形发育高度约为60cm，该高度处上覆岩层位移量为 1.9cm；从第9 次周期来压到第11 次周期来压，上覆岩层移动变形发育高度逐渐向上发展，第11 次周期来压时，上覆岩层移动变形贯通至地表，地表位移量为 1.4cm。
图7 工作面推进过程中上覆岩层发生移动变形高度范围发展(3) 岩层移动变形为了分析模型开挖过程中上覆岩层受采动影响程度，对模型中不同高度处岩层在开挖过程中的累计下沉量与工作面推进度的曲线关系进行了分析。
图8分别为B测线的岩层下沉情况，图中横坐标为模型长度300cm，纵坐标为覆岩的累计下沉量。
图8 B测线岩层下沉量与推进速度的关系全站仪 B 测线（共25 个测点）布置于模型煤层上方约20cm 处。
如图8所示，B 测线处岩层随工作面推进下沉量增大，主关键层断裂后，该层位部分出现下沉，但下沉量较小；随着工作面的推进，该层位的下沉量出现剧增。
工作面推进至56cm 时，该层位岩层最大下沉量为0.8cm，最大下沉量位置距模型左边界80cm；工作面推进至118cm时，该层位下沉量最大为 3.2cm，最大下沉量位置距模型左边界120cm。
(4) 地表下沉模型顶部8 个百分表记录模型表面下沉量，从左至右依次为1~8#百分表。
图9为模型顶部1-8#百分表实验测试结果，横坐标为模型长度，纵坐标为模型地表下沉量，图中 6 条曲线分别是 6 次开挖后地表下沉量。
第23 次和40次开挖后，各百分表的变化量较小，均未达到1mm；第55 次、59 和63 次开挖后，2#、3#和4#百分表的变化量较大，其中3#百分表变化量大于2mm，其余百分表的变化量都较小；第68 次开挖后，3#和4#百分表的变化量骤增，其最大变化量大于10mm，在模型顶部形成下沉盆地。
图9 地表下沉量与模型开挖次数关系2.3 支承压力分布特征实验过程中，对支承压力进行了详细的测量，每一次推进都对应一组支承压力分布曲线，选取工作面推进至44m（直接顶大面积垮落），工作面推进至60m （基本顶初次来压），工作面推进至200m（基本顶第7 次周期来压）绘制支承压力分布曲线，如图10。
图中横坐标为工作面所在的位置，0 值为开切眼的中心位置，“－”表示位于开切眼后，“＋”表示位于开切眼前。
通过计算模型煤层所处深度的原岩应力为 6.7MPa。
图10 支承压力分布曲线由图10可知，工作面回采对支承压力的影响范围超过了60cm，支承压力最大值为工作面推进到100cm（原型值200m），支承压力最大值在工作面前方20cm 的位置，为原岩应力的2.00 倍。
受采动影响支承压力沿推进方向可以划分为支承压力降低区、支承压力增大区和原岩应力区，如图11 所示。
图11 支承压力分布图从图11可以看出，上覆岩层垮落后，载荷并不是全部传递给煤层底板，而是部分甚至很少一部分载荷传递到煤层底板。
下位岩层断裂垮落后，变得比较破碎，不规则地堆积在煤层底板上。
上位岩层与未垮落岩层形成铰接结构，具有一定的支撑能力，部分载荷通过已断裂垮落的岩层传递给煤层底板。
因此，在开切眼至工作面煤壁之间，煤层底板的应力明显小于原岩应力。
图12和13支承压力的应力集中系数和支承压力峰值位置变化曲线，其中横坐标为工作面推进距离。
图12 应力集中系数变化曲线图13 支承压力峰值位置变化曲线实验表明，在掘进开切眼后支承压力峰值位于工作面煤壁前方15cm处，为7.35MPa，应力集中系数为1.11。
初次来压时，支承压力峰值位于工作面煤壁前10cm 处，为10.16MPa，应力集中系数为1.53。
周期来压时，支承压力峰值依次为10.16MPa、10.59MPa、10.82MPa、11.09MPa、11.46MPa、10.87MPa、12.59MPa、13.42MPa、12.42MPa、12.31MPa、12.53MPa、10.52MPa，平均值11.47MPa，最大值13.4MPa 出现在第7 次周期来压时（工作面推进至100cm）；应力集中系数分别为 1.58、1.61、1.66、1.71、1.62、1.90、2.00、1.85、1.84、1.87、1.57，平均值1.74，最大值2.00 出现在第7 次周期来压时。
支承压力峰值一般出现在工作面煤壁前方10~15cm 范围。
图14 工作面前方支承压力影响范围变化曲线工作面支承压力的影响范围如图14所示，工作面支承压力的影响范围超过了80cm，应力集中系数大于 1.5 的区域位于工作面煤壁前10~20cm，最大值为第7 次周期来压时的13.42MPa，应力集中系数为 2.00，此时支承压力峰值位于工作面前方15cm。
3试验总结本试验以30101 工作面为地质原型，对该工作面基本顶来压规律、覆岩移动变形和支承压力分布特征进行了相似模拟研究，得到如下主要结论：工作面来压规律。
工作面共推进了272m，基本顶初次来压步距60m，基本顶共经历了11次周期来压，来压步距分别为20m、12m、20m、20m、28m、24m、16m、20m、16m、16m、20m，工作面平均周期来压步距为19.2m，且工作面来压步距存在大小周期特征。