邓康宇相似模拟作业实验设计

相似模拟与测试技术

班级： 2013级采矿工程硕士研究生姓名: 邓康宇

学号: 2013200070 指导老师：钱彪

问题描述：

某矿11煤工作面开采技术条件如下：工作面斜长250m，走向推进长度2800m、煤层厚度3.5m～4.5m，煤层倾角8°～10°、平均埋深800m。煤层上山为矩形断面4.5×3.5，采用锚梁网支护。采煤工艺为综合机械化开采，日进尺8米。

煤层的顶底板岩性及有关力学参数见表。

一、根据实际条件进行实验室模拟实验方案设计

研究内容：

1.顶板的初次来压步距、冒落带裂隙带高度及分布形态；

2.煤层上山煤柱的留设。

要求：1、依据实验室的条件，进行相似材料模型试验方案设计；（选研究内容之一进行设计，具体确定模型架、模型结构尺寸、模型材料配比、相似常数、观测项目、测点布置、观测方法、加载方式等）

二、进行相似材料的配比实验。（具体要求见实验计划，每组选定其中一层为实验对象。）

实验报告必须提交内容：1.相似材料试件的相关力学参数；2.简化的强度直线方程；3单轴抗压强度随龄期、温度、湿度、含水率变化曲线

工作面顶底板岩层力学参数表

序号岩性厚度

/m

单向抗压

/mpa

单向抗拉

/mpa

弹性模量

/Gpa

泊松比内聚力

/mpa

内摩擦

角/°

容重

/kN/m3

13 中砂岩12 53-85 5.6 5-8 0.15-0.3 10-40 45-60 24-26 12 砂质泥岩

互层

9 64-115 7.8-9 2-6 0.2-03

10 13-1煤 3.5 12

9 泥岩 5 48-60 5-7

8 粉砂岩8 74-95 8-11 0.4~5 0.16-0.14 3.5-26 25-40 26-28 7 中砂岩 6 78-110 10-15 2.4~6.8 0.15-0.3 15-40 45-60 24-26 6 细砂岩8 66-95 7-12 1.2-2.3 0.25-0.35 3.5-26 20-41 26-28 5 泥岩 6 45-65 5-8.5 0.9~3.5 0.23-0.4 1.5-18 20-35 26-28 4 砂质泥岩7 56 6-12 0.6-4.5 0.25-0.35 4-10 30-40 23-26 3 中砂岩12 120-150 10-15 2.3~3.5 0.25-0.3 5-30 25-50 24-26 2 11煤 4.2 14

1 砂质泥岩 4 35-55 4.5-8.5 0.6-3.6 0.15-0.35- 0.18-18 20-40 26-28

根据实际条件进行实验室模拟实验方案设计

顶板的初次来压步距、冒落带裂隙带高度及分布形态

模拟范围：

某矿11煤工作面开采技术条件如下：工作面斜长250m ，走向推进长度2800m 、煤层厚度3.5m ～4.5m ，煤层倾角8°～10°、平均埋深800m 。煤层上山为矩形断面4.5×4.2，采用锚梁网支护。采煤工艺为综合机械化开采，日进尺8米。（选研究内容之一进行设计，具体确定模型架、模型结构尺寸、模型材料配比、相似常数、观测项目、测点布置、观测方法、加载方式等）

确定模型架：

本实验采用平面应力模型，其模型高度取1.5m ，煤层倾角取8°，其宽度只要保持模型的横向稳定即可，一般为（

5

1

~81）h ，h 为模型高度，则取宽度为0.3m 。其长度对于模拟采场时应大于初次来压加三次周期来压的宽度并加上边界煤柱的宽度，因此模型长度可取2m 。煤层开采高度为4m 。在其前后设置有机玻璃等透明的阻挡物，以防止过多的侧向变形及碎块漏失。

模型材料配比：

似材料模拟实验应满足几何相似、运动相似、边界相似、对应的物理量成比例的要求,模型采用的相似比分别计算得出：

几何相似常数l C =m p l l /=100；

容重相似常数γC =m p γγ/=2500/1500=1.6667； 强度相似常数σC =γC C l ⨯=166.67； 时间相似常数t C =m p t t /=l C =10；

式中m 、p 分别表示原形和模型；l 、γ、t 分别表示长度、容重、时间； 模型相似材料以石英砂、河沙做骨料,以石膏、石灰做胶结材料,以云母做分层材料。

模型的制作：模型的制作过程是先进行相似模拟材料的选择与计算。其中包括：

1、

收集模拟岩层的岩石力学性质资料及柱状图。如下：

工作面顶底板岩层力学参数表

序号 岩性

厚度/m 单向抗压/mpa 单向抗拉/mpa 弹性模量/Gpa 泊松比

内聚力/mpa 内摩擦角/° 容

重/kN/m 3 13 中砂岩 12 53-85 5.6 5-8 0.15-0.3 10-40 45-60 24-26 12 砂质泥岩互层 9

64-115

7.8-9

2-6

0.2-03

10 13-1煤 3.5 12 9 泥岩 5 48-60 5-7 8 粉砂岩 8 74-95 8-11 0.4~5 0.16-0.14 3.5-26 25-40 26-28 7 中砂岩 6 78-110 10-15 2.4~6.8 0.15-0.3 15-40 45-60 24-26 6 细砂岩 8 66-95 7-12 1.2-2.3 0.25-0.35 3.5-26 20-41 26-28 5 泥岩 6 45-65 5-8.5 0.9~3.5 0.23-0.4 1.5-18 20-35 26-28 4 砂质泥岩 7 56 6-12 0.6-4.5 0.25-0.35 4-10 30-40 23-26 3 中砂岩 12 120-150 10-15 2.3~3.5 0.25-0.3 5-30 25-50 24-26 2 11煤 4.2 14

1

砂质泥岩

4

35-55

4.5-8.5

0.6-3.6

0.15-0.35- 0.18-18

20-40

26-28

2、逐层计算相似材料的强度指标。

3、根据所需强度，逐层选择材料配比。

4、计算各层各种材料的用量。

分层湿重G 为：m h b l G γ∙∙∙=，式中l,b,h 分别为模型长，宽，高。

分层干重为：)1(1q G G -=

各种材料用量为：11

-1G A B

W ∙+=

石膏 11

G A B

W ∙+=

石灰 111

1G q A A

A A W ∙∙+++=

）（砂 )1(][12q q W W W -∙∙+=）（石灰石膏水

3q W W ∙=石膏缓凝剂