岩层控制的实验方法与实测技术复习要点

岩层控制实验与实测技术

矿山压力显现：在矿山压力作用下，引起各种力学现象，如岩体的变形、破坏，支护物的变形、破坏、折损以及在岩体中产生的动力现象，这些由于矿山压力作用使巷硐周围岩体和支护物产生的种种力学现象，叫矿山压力显现。

岩层控制：为使矿山压力显现不影响正常的开采工作和保证生产安全，采取各种技术措施加以控制，包括巷道布置，工作面形成，对巷道及采煤工作面空间进行支护，对软弱的煤、岩体进行加固，用各种方法使巷道或采煤工作面得到卸压，对采空区进行充填，或用人工的方法使采空区顶板按预定方案冒落等一系列的控制技术和方法称为岩层控制。

岩石单轴压缩荷载作用下所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度。

岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度。（劈裂法）

岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度（角模压剪实验）

岩石的强性模量是指岩石在弹性变形阶段其应力与应变变化值之比。

岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力称为岩石的三轴抗压强度。与单轴压缩实验相比，试件除受轴向压力外，还受侧向压力。三轴压轴实验的加载方式有两种，一种是真三轴加载，试件为立方体，六个面均可加压。常规的三轴实验用圆柱体作为试件，除轴向加荷载外，在试件的柱面上施加有侧向载荷。

三轴抗压加载方法：缓慢施加侧向压力到指定值，稳定数分钟，使侧压力保持恒定，变动范围不应超过选定值的±2%。此时可调整电阻应变仪读数使之为零，作为应变测量的起始点。然后再以0.5～1.0MPa/s的稳定加载速率施加纵向载荷直至试件破坏，记下破坏载荷值。卸载后取出试件，记录其破坏状况。必要时可量取破坏面与σ1作用面的夹角θ。

相似材料是由胶结物和填料组合而成，胶结料的力学性质很大程度上决定相似材料的力学性质，其力学性质可分为四类：（相似材料模拟材料相似材力学性质：）

①无机胶结料如石膏、水泥、石灰、碳酸钙、水玻璃等，具有脆性破坏的特点；

②碳氢类石油产品如石腊、凡士林、地蜡、油类等，具有弹塑性和塑性变形的特点；

③合成树脂如环氧树脂、尿素树脂等，其特性变化范围宽，由脆性直至塑性；

④天然胶质产品如松香、沥青等，具有脆性特点。

常用胶结料的特性：石膏强度高，凝固快，在相似材料中能起迅速成型和增加强度的作用，可作为主胶结料；水泥强度更高，压拉比大，故可作为大比例模型的胶结料（具有明显脆性，特点强度大，制作简单，来源广）；其他如碳酸钙（强度低，可作为相似材料中降低强度成分）、高岭土（强度低，材料可塑性低）、石灰强度较低（脆性极明显可以增加相似材料脆性），可作为调节强度及变形性能之用。

1、石膏胶结料

以石膏作为主要胶结料广泛应用的有纯石膏及石膏—砂两种相似材料。

（1）纯石膏或石膏硅藻土材料

这种相似材料取材方便，成型容易，力学指标范围较大，弹性好，广泛用于测定应力的模型。但这种材料一般用于浇注型模型，因为过量的水将导致模型呈多孔结构，在较大的围压下压缩变形过大，不如压实型模型更能模拟各向受压的岩体变形特征。

（2）石膏加填料

根据成型方法可分为浇注型及压实型，目前主要使用压实型成型法。填料通常用：砂子，经试验认为相似材料的内摩擦角甲完全取决于砂粒结构，石膏胶结料对其不起作用。

2、水泥胶结料

优点是强度高，可作1∶10的大比例模型试验。缺点是硬化时间长，而且强度持续增长

3、石腊胶结料

石腊胶结材料有以下优点：

①岩层沿模型全长制作均匀②由于材料处于热态时塑性良好，模型中各层易压平，这就能保证在小比例模型中能较准确地模拟厚度不大的岩层；③制作模型快，只要岩层压平后2-8h，材料凝固，模型就完成了，而且试验完成后，材料还可复用；④不管试验期多长，材料力学性质不受湿度影响而变化

材料的缺点是：

①材料强度及压拉比较低；②在一些情况下弹性模量偏低；③塑性较高。因此不宜用于大比例模型中

4、松香胶结料

一种新的高容重相似材料就是采用这种胶结溶液的。

5、塑料胶结料

这种材料的强度随填料比例的增加而减小。

为使矿压显现尽量少影响正常的开采工作和保证生产安全，就必须采取各种技术措施加以控制，包括巷道的布置、工作面的形成，巷道及回采工作面空洞进行支护，对软弱的煤、岩体进行加固，用各种方法使巷道或工作面得到卸压，对采空区进行充填，或用人为的方法使采空区顶板按预定方案冒落等一系列的控制技术和方法称为岩层控制。

岩层控制研究方法：

1.数学力学分析方法：

对数学方程作简化和数值离散化，编制程序作数值计算，将计算结果与实验结果比较。天然岩体简化处理，假定条件：均质弹性体、塑性体、弹塑粘性体、松散体、块状结构体等，采用相关的力学理论及有限元、边界元等解析方法，并借助于计算机进行分析计算。常用的方法有：有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法等。大型工程计算软件已成为研究工程问题的有力武器。

数值方法的优点是能计算理论分析方法无法求解的数学方程，比实验方法省时省钱，但毕竟是一种近似解方法，适用范围受数学模型的正确性和计算机的性能所限制

缺点：结果远离实际、定性描述、需要提供有关参数、很难考虑复杂多变的因素。

2.实验室的试验研究方法：

在相似理论的指导下建立模拟实验系统，处理和分析实验数据。采用人工材料代替天然岩体，制成模型后进行可采活动的模拟试验。模拟试验方法实际上是是在某种假定理论指导下进行的，将现场复杂多变的因素简化后在实验室内再现，试验成果达到的正确程度也依赖现场实测资料解释，经过不断反复提高模拟试验技术，使模拟试验更有实际意义。

材料分类：相似材料、光学材料、可粘材料、石腊材料等模拟试验。

力学边界条件：可分为平面应力、平面应变及立体模型和离心模型等模拟试验。

存在问题：模型与现场实际不可能完全相似；模拟试验所得成果，只是定性地反映某个或某几个因素的相对变化关系。

3.现场实际观测方法：

该法是根据地下开采活动引起的矿山压力显现的特征，直接在现场进行观测和记录，利用各种仪器，地表量测支架载荷，岩体变形位移，岩体内应力、岩体力学特性数值大小。并从中可以分析得到地质、生产技术因素与矿山压力显现的经验函数关系，由此解决实际生产技术问题。同时，在汇总大量观测数据与调查资料的基础上，将能总结出矿山压力的普通规律，促进矿山压力理论研究的发展。

实验室岩层控制研究的主要方法：

（1） 岩石力学基础性实验和岩体力学的综合研究性实验；

（2）支护体材料的力学性能测试；

（3）采场上覆岩层运动及巷道围岩变形的相似物理模拟实验；

（4） 实测仪器仪表的实验室标定和矿山压力测试方法研究。

相似理论条件：1）几何相似；

2）物理现象相似；

3）初始、边界条件相似；

4）各同名无因次参数相等。

按照一般的物理现象相似的要求，模型与原型之间应满足下列基本相似条件：

（1） 几何相似 ： （2） 运动相似 ：

（3）动力相似：

（4） 应力相似：C p =C r ·C l ，C E =C T ·C l ，C μ=1 （5）外力相似： C p =C γ·C 3

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