采矿工程相似材料模拟技术的发展及问题_张羽强
专题综述
采矿工程相似材料模拟技术的发展及问题
张羽强,黄庆享,严茂荣
(西安科技大学,西安710000)
摘 要:采矿相似材料模拟试验是研究矿山压力的主要方法与手段之一。论文在介绍物理相似模拟技术的发展过程的基础上,分析了采矿相似模拟试验技术的发展及存在的主要问题。关键词:采矿相似模拟试验;矿山压力;矿压活动规律
中图分类号:T D82 文献标识码:A 文章编号:1008-8725(2108)01-0001-03
Development and Problems of Mining Similar Simulation
Experiment T echnique
ZHANG Y u -qiang ,HUANG Qing -xiang ,Y AN Mao -rong
(X ian University of Science and T echnology ,X ian 710000,China )
Abstract :The mining similar simulation experiment is one of the main method of rock pressure researches.On basis of expatiating meaning of rock presure and strata displacement regular researches in detail ,the main problem existing in mining similar simulation experiment are discused in this paper.
K ey w ords :mining similar simulation experiment ;rock presure ;strata displacement regular
0 引言
由于采矿地质条件的复杂多变,采矿工程力学问题影响因素众多,而且各矿山的开采技术复杂多变,有些问题单凭计算机数值模拟还得不到令人满意的结果。并不能完整准确的反映具体条件与采矿过程中由于采动而引起的岩层运动,所以物理相似模拟实验凭借在反采动过程中岩层运动的准确可靠方面的优势,依然在采矿工程研究过程占据重要地位。近几年来,相似材料模拟技术的发展在某些方面则能弥补计算机模拟的不足。在我国矿业研究过程中,物理相似模拟研究依然在各科研工作中占据重要地位,煤炭和水工系统已完成大量相似材料试验成果,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。
1 相似材料模拟实验原理
1.1 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,破坏和岩层移动等情况,据分析,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a l =l N Πl M 式中
a l ———原型与模型长度比,一般a l =20～100;L n ———原型广义长度;L m ———模型广义长度。
(2)运动相似
a t =t n Πt m =
a l
式中
a t ———时间比;
t n ———原型运动所需时间;t m ———模型运动所需时间。
(3)动力相似
a δ=r n a l Πr m 式中
a σ———应力比;r n ———原型密度比;r m ———模型视密度。
根据相似准则计算模型上相应的参数,相似模
型同时满足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
收稿日期:2007-10-25;修订日期:2007-11-08
作者简介:张羽强(1977-),男,陕西乾县人,1999毕业于重庆工学院汽车工程专业,现为西安科技大学采矿工程在读硕士研究生,T el :135********,E -mail :z800234@https://www.sodocs.net/doc/711464883.html, 。
第27卷第1期2008年1月 煤 炭 技 术C oal T echnology
V ol 127,N o 11
Jan ,2008
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。
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,亦即材料配比,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。
1.3 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,一般长度为2～6m,高1.5～2.5m,宽0.2～0.8m,架子两边架设模板,模板厚度用3cm木版和金属板,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。
2 相似材料模拟实验技术的发展现状
211 采场相似材料模拟发展概况及达到的水平以我国为例,80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20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-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。随着中国矿业大学绿色开采的提出,岩体采动破坏物理模拟再现技术也应随之发展,从单一岩层作用,到岩层中存在水时的岩层破坏状况,以及岩层采动破坏对水的存在状况的影响,将成为岩体采动破坏物理模拟再现技术的新方向[9]。中国矿业大学为了揭示三软不稳定煤层采动影响下上覆岩层裂隙场分布及演化规律,采用实验室相似模拟的方法,研究了新峰矿务局四矿煤层采动裂隙场的变化规律。通过监测顶底板中应力变化和岩层的位移变化,研究了煤层开采过程中上覆岩层结构形态和岩层移动规律,得出了上覆岩层在采动影响下裂隙场的横向三区和纵向三带的分布范围以及裂隙的发展演化规律,研究结果对该矿瓦斯治理具有重要的指导意义。由此可见,重大建设项目的研究,都要进行相似材料实验[7]。
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70年代中后期及80年代国内、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拟试验装置,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10m×2m×2m的立体模拟试验台、洛阳工程兵部队的0.5m×0.5m×0.2m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多为平面模拟试验。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3个方面[1]:
(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,使得千斤顶压头处的受力大,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。
60年代引入这种实验方法,80年代以来,在煤矿院校和有关院所已成为主要实验手段,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,这种模型的
?2? 煤 炭 技 术 第27卷
深部矿井开采问题与发展前景研究
王宏岩,王 猛
(辽宁工程技术大学资源与环境工程学院,辽宁阜新123000)
摘 要:通过分析深部矿井开采所面临的主要困难,指出深部岩体在高地应力、高地温、高岩溶水压的条件下,导致围岩的力学性质与浅部有很大的区别。提出了现在深井开采中所需解决的几个问题。如何正确认识由于开采深度增加所带来的问题,是解决实际问题的关键。关键词:深部开采;岩爆;矿山压力;高温
中图分类号:T D80 文献标识码:A 文章编号:1008-8725(2008)01-0003-03
T esearch of Deep Mining Q uestion and Development Prospects
WANG H ong -yan ,WANG Meng
(C ollege of Res ource and Environmental Engineering ,Liaoning T echnical University ,Fuxin 123000,China )
Abstract :The finite By analyzing of the deep mining facing major difficulties ,with the condition of the deep rock in high stress ,high ground tem perature ,high pressure ,the mechanics properties of rock are the m ost dif 2ferent from shallow ’s.The several issues were to be faced in deep mining.H ow to correctly understand the problem of deep mining with increasing the depth ,it is key to res olve practical mining.K ey w ords :deep mining ;rockburst ;mine pressure ;high tem perature
0 引言
随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大,浅部资源日益减少,国内外矿山都相继进入深部资源开采阶段。我国已探明的煤炭储量中,埋深在1000m 以下的为2.95万亿t ,占煤炭资源总量的正面和背面敞开,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-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。212 国内外相似模拟实验方法的发展
(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10m 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。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。已经获得国家专利。
(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。
3 结论
地下采矿物理相似模拟,研究地下采矿工程诱
发的地层空间应力场的演变变化规律和岩层活动规律,研究适合采矿物理模拟的应力应变测量手段和测量方式,相似模拟技术的发展能比较准确模拟底下开采过程中岩层的运动规律,为人们解决矿藏开采过程出现的难题提供重要思路,是一项即有理论价值又有实际应用前景的研究课题。参考文献:
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社,1990.[9] 林韵梅.实验岩石力学模拟研究[M].北京:煤炭工业出版社,
1984.
收稿日期:2007-09-27;修订日期:2007-11-08
作者简介:王宏岩(1983-),男,沈阳人,2006年毕业于辽宁工程技术大学矿物资源工程专业,现为辽宁工程技术大学硕士研究生,E -mail :hongyan -lngd @https://www.sodocs.net/doc/711464883.html, 。
第27卷第1期2008年1月 煤 炭 技 术C oal T echnology
V ol 127,N o 11
Jan ,2008