一种新型物理相似模拟实验架结构设计.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 一种新型物理相似模拟实验架结构设计 姓名张羽强 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师黄庆享 20080415 论文题目 专业 硕士生 指导教师 一种新型物理相似模拟实验架结构设计 采矿工程 张羽强 签名 猢丑骛 黄庆享 签名 ≤盎蚌 摘要 西安科技大学平面物理相似模拟架自从1 9 6 5 年建成以来，进行了大量的相似模拟 实验，随着时间的发展，其缺点也逐渐暴露出来。由于结构上的缺陷，使制作的相似模 型与设计模型存在一定的差距，对实验结果影响比较大。因此相似模型架在采用相似模 拟技术研究岩层控制上具有重大意义，相似模型和原型的相似程度是实验可靠性的关 键，而合理的物理相似模拟架是进行相似模拟实验的基础、前提。 本文针对西安科技大学平面物理相似模拟架，应用相似理论、结构力学、材料力学 等学科知识，对3 米物理相似模拟架结构进行具体分析。针对相似模拟架槽钢长期受力， 长期使用过程的变形，运用机械原理，机械设计对原有装置的夹固结构重新做了的设计， 采用不在槽钢钻孔的新型夹固方式，使槽钢承受载荷方式更加合理化。并根据采矿发展 现实情况、实验室进行倾斜煤层物理相似模拟实验的装置落后的现实，在相似模型架上 增加倾斜装置，使新的相似模型架多功能化，可进行各种倾斜的煤层相似模拟实验。运 用连杆机构原理设计了合理的连杆倾斜装置，设计了合理的液压回路，通过液压回路系 统控制实验装置的倾斜、回落，保证在模型架在制作模型完成后平稳的回落，不影响模 型内部组织结构，保证相似模拟实验结果的准确性。最后对新型物理相似模拟架进行了 力学分析验证。本论文的研究使相似模拟架在结构上更加合理，使制作的相似模型与理 论设计原型更加相似，实验结果更加准确可靠。 关键词相似模拟；结构设计；平面连杆机构；液压回路；倾斜装置 研究类型应用基础研究 S u b j e c t ；S t r u c t u r eD e s i g no fO n eN e w D e v i c eo fP l a n eP h y s i c a l S i m u l a t i o n S p e c i a l t y M i n i n gE n g i n e e r i n g N a m e Z h a n g Y uq i a n g S u p e r v i s o r H u a n gQ i n gx i a n g A B S T R A C T S i g n a t u r e S i g n a t u r e S i n c ef o u n d e di n19 6 5 ，a tX i ’a l lU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yt h ed e v i c ep l a n e p h y s i c a ls i m u l a t i o nh a sd o n eal o to fp h y s i c a ls i m u l a t ee x p e r i m e n t ．A st i m ep a s s i n gb y ，m f a u l t sc a m eo u tg r a d u a l l y ．B e c a u s eo fs t r u c t u r a ld e t e c t , t h e r ee x i s t s c e r t a i nd i f f e r e n c e s b e “鸭e nS i m u l a t i o nm o d e la n dd e s i g nm o d e l ，r e l a t i v e l ya f f e c t i n gt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s T h e r e f o r e ．t h e r ei sg r e a ti m p o r t a n c eo fa d o p t i n gS i m u l a t i o nm o d e lr e s e a r c h i n gs t r a t ac o n t r o l i I lt h ed e v i c eo fS i m u l a t i o nm o d e l ．T h es i m i l a rd e g r e eb e t w e e ns i m i l a rm o d e la n dp r o t o t y p ei s t h ek e yt oe x p e r i m e n tr e l i a b i l i t y , a n dt h er e a s o n a b l ed e v i c eo fp h y s i c a ls i m u l a t i o ni st h eb a s i s o fp h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t T h i sa r t i c l ei sa i m e da tt h ed e v i c eo fp l a n ep h y s i c a ls i m u l a t i o no fX i ’a nU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y , a p p l y i n gk n o w l e d g eo f S i m i l a rT h e o r y , S t r u c t u r a lM e c h a n i c s ， M a t e r i a lM e c h a n i c s ，e t c ．，s p e c i f i c a l l ya n a l y z i n gt h ec o m p o s i t i o no f3 - m e t r ep h y s i c a ls i m i l a r s i m u l a t i o nd e v i c e ．I nc o n c e r no fl o n g t i m el o a d c a r r y i n ga n dt r a n s f o r m a t i o ni nl o n g t i m e a p p l i a n c eo fc h a n n e ls t e e l ，u s i n gT h e o r yo fM a c h i n e s a n dM e c h a n i s m s 、D e s i g no fM a c h i n e s a n dM e c h a n i s m s ；t or e m a k er e l i a b l ed e s i g no no r i g i n a ls t r u c t u r ef i x i n gm e t h o d ，a d o p t i n gn e w f i x i n gm e t h o do fn od r i l l i n go nt h ec h a n n e ls t e e l ，t om a k el o a d c a r r y i n go ft h ec h a n n e ls t e e l m o r er e a s o n a b l e ．A n di na c c o r d a n c ew i t ht h es i t u a t i o no fm i n i n gd e v e l o p m e n t ，t h ec o n d i t i o n o fi n f e r i o re x p e r i m e n te q u i p m e n to fp h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n to ni n c l i n e ds e a m ，a d d i n g t i l t i n gd e v i c et ot h es i m i l a rs i m u l a t i o nt om u l t i f u n c t i o n a l i z en e w d e v i c eo fp h y s i c a ls i m u l a t i o n , t l l u sf o rv a r i o u ss i m i l a rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fi n c l i n e ds e a m ．U s i n gm e c h a n i s m t od e v i s e r e l i a b l et i l t i n gd e v i c ea n dh y d r a u l i cr e t u mc i r c u i t ，a n dt h o u g hh y d r a u l i cr e t u r nc i r c u i ts y s t e m c o n t r o l l i n gt i l t i n g 、r e t u r n i n go fe x p e r i m e n te q u i p m e n tt o e n s u r es t e a d yr e t u r no lm o d e l i r L s t a l l m e n ta f t e ra c c o m p l i s h i n gt h em a k i n go fm o d e l ，a n dn o tt oa f f e c tt h em o d e l ’Si n t e r n a l s t r u c t u r et og u a r a n t e et h ea c c u r a c yo fs i m i l a rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l t A tl a s t ，p r o v m g I I t h em e c h a n i c a la n a l y s i so ft h en e wd e v i c eo fp h y s i c a ls i m u l a t i o n ，t h er e s e a r c ho ft h i sa r t i c l e m a k et h es t r u c t u r eo ft h en e wi n s t a l l m e n to fp h y s i c a ls i m u l a t i o nm o r er a t i o n a l ，s i m i l a rm o d e l a n dt h e o r e t i c a lm o d e lm o r er e s e m b l e ，a n de x p e r i m e n tr e s u l t sm o r ea c c u r a t ea n dr e l i a b l e ． K e yw o r d s S i m i l a r s i m u l a t i o n S t r u c t u r ed e s i g n P l a n a rl i n k a g e H y d r a u l i c T h e s i s A p p l y i n gB a s eR e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名孝羽磅．日期2 印孑。6 3 ’ 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名第可习谚． 指导教师签名三呈矽 砂D 奢年6 月罗日 1 绪论 1 ．1 研究背景 1 绪论 1 ．1 ．1 物理相似模拟在采矿研究中的重要地位 从2 0 世纪中叶开始，世界能源的消耗速度急剧增加，在今后1 5 年里，全球能源的 需求仍以每年2 ％的速度递增【l l 。其中煤炭是目前全球储量最丰富的化石燃料，不论作为 能源，还是作为化工原料，在促进全球经济发展特别是可持续发展方面，都发挥着极其 重要的作用。煤炭作为我国的主要能源，在国民经济建设中具有重要的战略地位。根据 国土资源部报告统计2 0 0 2 年中国煤炭消耗量1 6 亿t ，2 0 0 5 年中国煤炭消耗量1 9 亿t 1 2 J ， 2 0 3 0 年对煤炭的总需求量将超过2 0 亿t 【3 】，并且直到2 0 5 0 年我国一次能源消费结构中， 煤炭仍将占有5 0 ％以上。在此形势下，煤炭资源的开采无疑成为我国经济稳定、持续、 快速发展的前提条件。 随着社会的发展，人类对自然界的认识越来越深，自然科学技术大力发展，能源探 测技术的改革和发展，越来越多的复杂地质条件下的矿产资源被探测开发，由于地质条 件极其复杂，因而在矿床开采过程中的力学问题对于合理选择采矿方法及其结构参数， 提高开采强度，合理利用矿产资源，保证工人安全作业以及最终提高矿山开采经济效益 都是尤为重要的。 近几年电子计算机在矿床开采中的普遍应用为解决上述复杂问题提供了一种行之 有效的手段，比如，分析工程软件被大量运用到采矿工业 比如A N S Y A 分析软件和F L A C 分析软件的大量应用 ，大大加快了实验研究。然而，由于采矿地质条件的复杂，采矿 学问题多为大变形和非连续变形问题，而目前计算机数值模拟解决非连续大变形问题还 存在局限性，不能完整准确的反映具体条件采矿过程中由于采动而引起的岩层运动。物 理相似模拟凭借其可模拟地层的层理等不连续面，也可按照相似比模拟开挖，特别是模 拟岩层垮落运动等非连续变形，对研究采动过程的岩层运动具有优势，在采矿工程研究 过程中占据重要地位。 近几年来，相似材料模拟理论和技术的也在不断发展中，很多专家教授利用相似模 拟技术开发出相似模拟应用软件，各大高校利用相似模拟技术建立各种相似模拟架，并 被广泛应用于能源矿产开发做各种工程中，同时也促进了相似模拟技术的发展。实践证 明，物理相似模拟技术在采矿、水工、岩土等工程领域已被大量应用，取得了丰硕成果， 在实际工程中的成功应用已充分证明了这种技术的实用性。 西安科技大学矿压实验室为陕西省岩层控制重点实验室，也是教育部重点实验室拥 西安科技大学硕士学位论文 有国内最大的5 米平面模拟实验架，多种形式相似模拟、航道支架实验装置、亚洲唯一 的多功能立式支架实验台和国内大型组合堆体立体相似模拟实验台等，在物理相似模拟 方面取得了重要成就，在国内居于领先水平。随着采矿和岩层控制技术的发展，相似模 拟技术也在也在逐步完善中。随着开采涉及的地质条件越来越复杂，对相似模拟技术要 求也越来越高。 1 ．1 ．2 平面物理相似模型架存在的问题 西安科技大学目前所拥有的系列相似模拟实验架，在一定程度上不能满足当前相似 模拟实验的要求，需要进一步完善。 西安科技大学在采矿物理相似模拟实验方面有着传统优势，采用相似模拟实验为企 业解决了采矿过程中的大量技术难题。随着相似模拟技术的发展，相似模拟实验装置在 适应实验需求的基础上也得到不同程度的完善，但是由于并没有统一的实验装置生产单 位，不同的研究机构在满足自己实验要求的基础上，制作了相应的实验装置。但是在长 期使用过程中，这些实验装置就显现出各自缺点。西安科技大学的物理相似模拟实验装 置也存在着一定的问题 1 由于夹紧结构不合理，长期实验后，槽钢会造成不同程度的弯曲，装架后模 型表面凹凸不平，影响模型的相似性； 2 由于模型表面的不平整，影响测点布置、实验现象的观察和拍照效果； 3 在进行倾斜煤层相似模拟实验时，模型架升降不方便，升降过程不易控制， 往往成型后由于速度控制不当产生震动，损坏模型内部结构，造成实验结构不够准确。 所以需要一种更加合理的物理相似模拟架结构，可以改善槽钢变形问题，能够进行 各种倾角的煤层实验。使实验更加准确可靠。促进相似模拟技术的发展。本文工作对新 型模型架的设计带来的直接意义和间接意义。 1 ．2 研究意义 从过去的研究可以看出虽然人们认识到地应力的存在已有近百年的历史，但从严 格意义上讲，至今还没有真正地掌握其规律，还没有真正摸清地下采矿工程诱发地层空 间应力场的演变变化规律。这使得许多地下采矿工程的设计计算往往缺乏科学的理论依 据，岩层控制与支护手段难以做到有的放矢，最终造成地下采矿过程中煤壁片帮、巷道 冒顶、冲击地压、煤和瓦斯突出等井下灾害和作业人员伤亡的事故还时有发生。因此， 运用地学及相关领域的最新研究成果和现代测试手段，在解决现有物理模型存在问题的 基础上，深入研究地下采矿工程诱发的地层应力场的演化规律和岩层活动规律，无论从 理论本身，还是从工程实践的应用上都具有非常深远的意义，突出体现在以下三个方面 1 掌握地层空间应力场的演变变化规律和岩层活动规律是进行设计和决策科学 2 1 绪论 化、保证地下采矿工程安全和正常生产的前提。采掘活动引起地层空间应力场的演变变 化是客观存在的，只有当设计和决策符合这种应力场重新分布和岩层移动的客观规律 时，才能实现“矿压控制’’和安全生产的目的。 2 掌握地层空间应力场的演变变化规律有利于最大限度地开采地下矿产资源、 减少矿产资源的浪费和损失。地下开采过程中各种防护矿 煤 柱的尺寸是同采掘过程中 的矿压显现紧密联系在一起的，合理地选择矿 煤 柱的形状和尺寸、合理地进行生产布 局，就能提高资源采出率，减少资源的浪费和损失。 3 有利于进一步改善地下开采技术，提高采矿工程的经济效益。地下开采技术 的发展同人们对矿山压力显现规律的逐步认识是密不可分的。从普采工作面的单体支柱 过渡到综采工作面的白移式液压支架，从传统的砌碹支护发展到各种形式的锚喷加固， 每一次地下开采技术的重大改变，无不以人们对矿压显现规律的进一步认识为基础，以 最终获得更好的技术经济效果为结剌5 1 3 J 。 1 ．3 物理相模拟实验原理及国内外研究现状 1 ．3 ．1 物理相似模拟实验原理 相似模拟实验架在制作相似模型中占有重要的地位，而相似模型的制作是根据相似 理论进行的，所以，相似模型架的设计要也要符合相似理论，满足运用相似理论进行相 似模拟实验。 1 相似材料模拟实验基本原理 相似材料模拟是可许实验的一种，这是人们探讨和认识低压规律的途径之一，用与 天然岩石物理力学性质相似的人工材料，按矿山实际原型，遵循一定比例缩小做成模型， 然后在模型中开挖巷道模拟采场工作，观察模型的变形，唯一，破坏和岩层移动等情况， 掘以分析，推测原型中发生的情况，这种方法称为相似材料模拟方法。 要使模型中发射功能的情况能如实反映原型中发生的情况，就必须根据问题的性质，找 出主要矛盾，并根据主要矛盾，确定原型与模型之间的相似关系和相似准则，所以相似 准则要求具备以下几个条件 ①几何相似 口， I ．／I ． 1 ．1 式中 口，一原型与模型长度比； 乇一原型广义长度； 乙一模型广义长度 一般a t 2 0 - 1 0 0 。 3 西安科技大学硕士学位论文 ②运动相似 q 一时间比 乙一原型运动所需时间 乙一模型运动所需时间 ⑨动力相似 1 1 t t ／t m 厄 ，， n 62 土Q I 厶 1 ．2 1 ．3 ％一应力比； 吒一原型密度比； ，埘一模型视密度；一般乙取在1 ．5 ～1 ．8 9 ／c m 3 ，过大容易造成制作模型时夯实困难。 过d , N 使模型材料松散不易成型。 根据相似准则计算模型上相应的参数，相似模型同时满足原由物理力学指标相似是 很困难的，也是没有必要的，根据要解决的问题，应选取影响模型与原型的主要指标作 为相似参数。故选用强度指标压应力和拉应力作为原型和模型相似的主要指标【m 1 3 , 2 2 1 。 2 相似材料的选择 相似材料包括骨料和胶结物两部分骨料砂子、铝粉、云母粉等；胶结物水泥， 石灰、石膏、石蜡等。相似材料的强度取决于胶结物的强度，而胶结物的强度取决于砂 子和胶结物的比例及胶结物成分的比例，即材料配比，所以在模型试验之前，必须进行 大量的相似材料配比工作，对每一种材料的配比都要进行力学性质的测定【lo 】。 3 相似材料模型制作 相似材料是装在模型架上进行试验的，而模型架是根据研究的内容和要求设计的。 模型架可分为平面模型和立体模型架两种。平面模型架可分为水平成层模型架和可调角 度模型架。现在大多数采用平面模型架，架子的主体是由槽钢和角钢组成，架子两边上 有孔，用以固定模板，模型架尺寸主要决定于长度比尺寸，一般长度为2 m 到6 m ，高 1 ．5 m 到2 ．5 m ，宽0 ．2 m 到O ．8 m ，架子两边架设模板，模板厚度用3 e m 木板和金属板， 因模型架的高度有限，模拟足够大深度岩石层时，不能完全靠模型材料自重，需要外 力载荷，采用杠杆加压或千斤顶加压装置。 制作模型过程，所用的材料质量、体积及配比，都是通过和原形比较计算得出的。 所以，如果制作物理相似模型的模型架发生结构变形，比如槽钢弯曲，按设计模型材料 制作成的模型一定达不到设计模型要求，和原型在相似比上存在一定误差，影响实验效 果，实验记录的数据分析并不能准确的体现原型的在采掘过程的岩层变化状态【l 们。 4 1 绪论 1 ．3 ．2 物理相模拟实验国内外研究现状 由于地下岩体是复杂的力学介质，在开采过程中不同位置的围岩会产生不同性质的 变形，还有非连续性的断裂、跨落等过程，这就使理论计算极其困难，现场实测又受人 力、物力及实际条件的限制，这时相似模拟试验就显示出独特的优点，即可以人为的控 制和改变试验条件，从而确定单因素或多因素对矿山压力的影响规律，效应清楚、结果 直观，周期短，成效大，能对影响因素进行重复分析，再与实地观测和理论研究相配合， 相似材料模拟研究已成为岩层控制学中最重要的方法。 早在2 0 0 0 年前，我国古代就有制作、利用模型的记载。但直到1 7 世纪初，人们所 用的模型仅是保持几何相似的简易模型。随着社会生产与工程中问题的日益复杂，数学 解析法己不能完全解决问题，人们转而借助相似试验研究，相似模型的制作和利用在欧 洲得到了快速发展，模型技术也产生了质的飞跃，由以前主要考虑几何相似发展为研究 模型和原型间内在规律的相似。相似模拟试验逐渐成为解决生产、工程问题的有效方法。 早在1 6 0 6 - - 1 6 2 0 年，人们就开始研究和应用相似的概念。到1 6 8 6 年，牛顿 J ．N e w t o n 研究了两个物体运动的相似，确定了两个力学系统相似的准则牛顿准则。1 8 4 8 年， 法国贝特朗 J ．B e r t r a n d 以力学方程的分析为基础，首次确定了相似现象的基本性质 相似第一定理，促进了相似试验的运用，如弗鲁特 W ．F r o u d e 用模型研究了船的航行 特性，雷诺 0 ．R e y n o l d s 用相似准则描述了流体沿管道流动的规律，得到了雷诺准则。 1 8 8 2 年，傅立叶 J ．F o u r i e r 提出了两个冷却球体温度场相似条件。1 9 1l ～1 9 1 4 年，俄国费 捷尔曼 A ．①e 且e p M a H 和美国波根汉 E ．B u c k i n g h a m 先后导出相似第二定理一兀定理。 1 9 2 5 年，爱林费斯特一阿法那赛夫 T ．A ．E r e n f e s t - A f a n n s s i e w a 研究了自然界中任何相似 现象的最普遍情况，证明了第一和第二定理。1 9 3 0 年，苏联的基尔皮契夫 M ．B ．K H P I - I a y e B 和古赫曼 A ．A ．F y x M a r l 提出了第三定理，回答了如何判定两个现象相 似的问题，至此相似理论便形成了较完整的理论体系。随着相似理论体系的形成，相似 模拟试验方法也逐步成为有效的工程研究方法。如今相似试验已广泛应用于许多部门和 学科，如力学、热工学、化工学、空气动力学、岩土工程、采矿工程、地下工程等。 国内外曾对相似材料的组成、性质以及模型制备进行过广泛研究，积累了相当丰富 的资料，针对不同的领域，不同材料及配比的选取及规律已形成量化。如前苏联、西德、 澳大利亚、波兰等国在矿山压力现象的研究中大量采用相似材料模拟方法，促进了该法 的极大发展。这些国家不仅有规模很大的试验、测试设备，先进的平面应变、立体校拟 试验台；也有为检验某科研设想而设计见效快的简易小型试验台。如西德埃森岩石力学 研究中心在面积为2 m 2 m 的巷道模型及长达1 0 m 的采场平面应变模拟试验台上，施 加千余吨外载，取得与井下极为相似的支架与围岩相互作用关系模拟，显示了良好的模 拟技术。前苏联矿山测量研究院从3 0 年代起应用相似模拟方法研究采动后的岩层移动 5 西安科技大学硕士学位论文 情况，结果与现场较为吻合。意大利使用砌块粘合而成的拱坝模型，探讨设计的拱坝安 全稳定程度，取得不错的效果。我国华东水利学院、清华大学等单位在研究围岩与水坝 的相互作用及岩体工程中人工结构方案问题时，广泛采用了整体或砌块石膏模型。此外， 洛阳工程兵部队及武汉水利电力学院等单位，为探索地下硐室的围岩应力分布及破坏形 式，估计其稳定程度，建立了完善的平面应变模拟试验装置。中科院地质力学研究所在 建造高容重勘块模型模拟地质结构、估计边坡的稳定及滑落的破坏机理上做了大量研 究。煤炭系统的高等院校，如中国的阜新、西安、山东、淮南等矿业院校及北京煤炭研 究院均各有所长地发展了矿山压力模拟研究，从相似材料的研究至建立各种平面、立体 的模拟试验台，以及实验数据的自动采集及处理方面均有长足进展【6 , 1 0 , 1 2 ’1 4 】。 随着研究领域的深入，模拟研究范围、对象也不断扩大、复杂，已发展为固、液 气 二相 三相 的模拟。国内外不少研究单位、学者已开展了有关多相模拟实验研究【7 0 , 7 1 , 7 3 J 。 乌克兰科学院曾采用沙、石蜡油、石墨混合物作相似材料模拟发生在泥质岩石层的底膨。 文[ 4 5 ] 采用甘油、熔融石蜡等模拟地幔对流和板块的驱动作用；文[ 4 6 】及[ 4 7 】分别用熔融 的石蜡、糖浆等作为岩石圈，模拟板块碰撞过程中通过重力作用使板块俯冲下插的过程。 文【4 8 】采用石蜡、矿物油、石膏等半塑性混合材料和水分别作为岩石圈和软流圈来模拟 板块俯冲碰撞这一动力学过程。前苏联格维尔茨曼掣“ 】为研究水体下安全采煤，采用主 要成分为与不同数量的锭子油或机油和煤油混合在一起，最大粒度为0 ．2 5 m m 的粉状耐 火粘土模拟隔水层。国内如长江水利水电科学研究酣1 8 J 也以石蜡油做胶凝剂，模拟强度 较低、变形较大的塑性破坏型岩体和泥化夹层。煤炭科学院西安分院研究奥灰承压水开 采时曾作过相关研究。西安科技大学在9 0 年代初以“固一液”相似模拟实验研究水下 开采，石平五、黄庆享教授于2 0 0 0 年承担了陕西省重点实验室建设项目“高精度固液 气三相介质模拟实验装置“ ，于2 0 0 2 年初步建成，为多相模拟实验的开展提供了设备支 持。2 0 0 3 年侯忠杰教授及其研究生张杰等1 1 9 , 2 0 , 2 1 1 在该设备上开展了固液耦合模拟实验， 从薄基岩和富水厚风积沙两方面来研究确定间歇式开采的参数，对基岩层的固液耦合相 似材料的选取、配比及相关参数作了深入的研究。格维尔茨曼 1 9 8 0 对浅埋煤层水体下 采煤进行过研究，利用物理相似模拟试验对采空区上覆岩层贯通裂隙高度进行过确定 【1 7 】，在岩层控制领域，侯忠杰、黄庆享教授【2 2 ，2 4 】在9 3 年进行的大柳塔首采面含潜水沙 土层下开采模拟研究中，探讨了开采引起溃水灾害的可能性。2 0 0 3 年侯忠杰教授及其研 究生张杰【1 9 加】开展了固液耦合模拟实验，模拟了大柳塔1 2 0 3 工作面潜水溃流的过程并 探讨了间歇式开采的可行性。2 0 0 6 年黄庆享教授带领学生在该设备上进行了浅埋煤层隔 水层稳定性的研究。涂敏等【2 3 J 对厚松散层及超薄覆岩煤层防水煤柱开采试验进行了研 究，指出地表隔水层具有再生能力强、抵制导水裂隙带发育的双重作用【5 N l J 6 1 绪论 1 ．4 物理相似模拟实验架的发展及分类 1 ．4 ．1 国内外相似材料模拟发展概况、水平和发展趋势 1 采场相似材料模拟发展概况及达到的水平 相似材料模拟是岩土工程包括矿山岩体力学与工程 矿山压力及其控制 的主要试 验究方法。近年来已经成为国内外进行重大岩体工程可行性研究不可缺少的方法之一。 以我国为例，8 0 年代初清华大学水利系就为葛州坝水库进行过模拟实验，现场勘探了主 要结构面的分布，以在模型中准确体现，实验经费2 0 多万元，我国水利电力系统的大 型工程，都要求将相似材料模拟作为可行性论证的主要研究手段。上海在进行黄浦江底 下隧道的施工中，引进联邦德国的盾构施工时，就委托同济大学对盾构施工过程中围岩 应力一应变及对盾构的作用进行了模拟。上海市在兴建高层建筑中，为研究台风对建筑 物的影响，委托建筑研究院进行模拟实验。由此可见，重大建设项目的研究，都要进行 相似材料实验。 煤矿采场相似材料模拟研究，最早由苏联开始，5 0 年代平面力模型就臻于成熟。库 兹涅佐夫关于铰接岩块的假说，以及“支架一围岩”相互作用的“给定载荷”和“给定 变形“ 理论，就是通过相似材料模拟实验提出的。并在全苏联宽山测量和煤炭研究院等 应用。在德国、波兰、日本、澳大利亚、美国等也得到广泛应用。发展至今已经成为国 外矿业界的一种重要研究手段。我国在1 9 5 8 年率先在中国矿业大学 当时为北京矿业 学院 的矿压实验室建立相似模拟试验架，并逐步扩大到煤炭科学研究院、各煤炭高校 以及冶金、建筑、水利、工程地质等部门。2 0 世纪五、六十年代相似材料物理模拟技术 在国内的应用，主要以利用平面应力相似模拟试验为主，通过平面应力模拟试验架重点 从宏观及定性的角度来研究开采过程上覆岩层的动规律，开采过程同岩层移动之问的相 互关系等问题【4 卜47 。。 对于实际处于三维应力状态的研究对象，采用立体模拟试验较为理想。进入7 0 年 代中后期及8 0 年代以国内、外相继出现了平面应变相似模拟试验架、立体模拟试验架 和平板模拟试验架等多种形式的相似模试验装置，俄罗斯、德国、波兰等国均建有立体 模型。国内的中国矿业大学、山东科技大学，重庆大学，等单位也都建有平面应变模拟 及简易的立体模拟试验装置。如著名的德国 当时为西德 埃森岩石力究中心的l O x 2 x 2 m 的立体模拟试验台、洛阳工程兵部队的0 ．5 x O ．5 x O ．2 m 卧式布置的平面应变试验台、以及 中国矿业大学的立式平面应变相似模拟试验台和平板式模拟试验台等等都是这一时期 建设、并获得广泛应用的实验装置。人们通过相似模拟试验取得了许多先进的研究成果， 如著名的“砌体梁“ 理论、采场上覆岩层“三带“ 形成规律、老顶岩层的断裂规律等 等，在很大程度上都是借助相似模拟试验方法而得出的。但由于已往的相似模拟试验大 7 西安科技大学硕士学位论文 多为平面模拟试。由于平面模型无横向尺寸，因此一些与横向尺寸有关的试验，如短壁 开采、采动与巷道的相互关系等无法进行模拟研究。且由于平面模型的边界条件作了很 大的简化，模拟结果往往也与实际情况存在着较大差异。而现有的立体试验装置也往往 只能进行单一类型的采矿模拟试验。且在模型横向加载、顶部载荷随动性、模型内部应 力、应变和位移测量等方面都存在着许多问题。这些问题突出表现在以下三个方面 ①立体模型无水平方向加力机构的情况下 现有的立体模型大多为这种情况 ，只 是通过水平向约束产生被动的支反力。一方面水平应力受制于垂直载荷，不能实现人为 单独调节；另一方面在材料平面各向同性条件下，两个水平方向的应力相同，不能实现 真正的三轴试验。 ②顶部用千斤顶压刚性板的加载方式，使得千斤项压头处的受力大，而外缘受力 小，加载不均。当加载面处的岩层出现弯曲下沉现象时，加载刚板不能随动，造成下沉 位置处力加不上去，而下沉边缘产生应力集中。这是目前三维及平面物理模拟都存在的 普遍问题。 ③模型内部应力应变、位移测量始终没能很好地解决，传统的压力盒测压等方式 由于传感器尺寸偏大，对模型内部原始应力场的扰动大，不适合用于立体模型的内部参 数测量。 6 0 年代引入这种实验方法，8 0 年代以来，在煤炭院校和有关院所已经为主要实验 手段，在研究采场矿压，三下采煤的许多项目中都应用了这一方法。 但需要指出，至今国内外进行的采场相似材料模拟实验研究，主要还是平面应力模 型，这中模型的J 下面和背面敞开，不能约束垂直于模型主平面的变形，因而其实验结果 与井下实际应力一应变状态有较大差距。较好的模型也只能达到定量实验为课题研究定 性分析服务。鉴于这一状况，多年来在相似模拟实验方法上，国内外有如下发展 ①发展平面应变模型。如联邦德国埃森岩石力学研究中心，研制了l O m 平面应变 模型，这种模型结构复杂、造价高，为了保证实验过程中应力不断变化状态下沿模型平 面的垂直方向变形为零，必需采用伺服机构。 ②三维立体模型。这是国内外主要岩石力学研究机构都致力于这一实验装置为用 立体模拟研究采场矿压创造了条件。 ③我国在放顶煤开采的研究过程中，十分重视相似模拟实验研究，煤科院北京开 采所、中国矿大北研部、河北煤建院采矿系等单位都进行过研究，为发展这一采煤方法 做了可贵的工作。在实际实验中，实验多属于平面模型和简易立体模型。 近年来，能源紧张，采矿业飞速发展，世界各地采矿技术信息的交流越来越频繁， 各种学术报告，需要大量的实验图片来进行说明。所以，相似模拟实验过程中的岩层运 动变化图片的拍摄尤其重要，在做相似模拟实验中，要保持整齐，装置侧面不能有凹凸 不平的地方，以免影响拍摄照片。 8 1 绪论 2 西安科技大学相似材料模拟实验装置在从建校以来得到大力发展。建立了各 种长度平面物理相似模拟实验架，倾斜煤层物理相似模拟架，大型组合堆体相似模拟实 验系统。以及多功能巷道模拟实验台等，为解决我国采矿技术难题做出了重要贡献。 3 采矿相似模拟试验技术的发展与存在的问题 西安科技大学采矿物理相似模拟装置已经使用了2 0 多年，随着采矿业的发展，各 种类型的实验越来越多，在做实验的过程中，发现实验装置有两个方面的问题需要解决 ①长期使用，槽钢弯