相似材料模拟实验

2010 年年 开采损害学实验开采损害学实验 一 实验名称 蒲白矿务局马村矿西固镇下煤层开采 二 实验目的 本次实验以马村矿西固镇下煤层开采为模拟对象 本次实验的主要目的是 测定煤柱所受压力及其煤柱的稳定性和地表的沉陷情况 三 主要实验仪器 设备 XKY021 型应变桥智能数据采集仪 电脑 YHD 50 型位移计 BW 型箔式微型压力盒 数 据转换仪 P20R 17 型预调平衡箱 YJD 17 型静动态电阻应变仪 四 实验模型采用的相似条件及原理 相似条件 根据模拟开采长度和煤层的埋深 本次的实验采用 3m 长 2 5m 高 20cm 宽的模型 架 模拟煤层的埋深为 238 7m 从地表至煤层底板共 29 个岩层 其中有些岩层厚度较小 或有的岩层和相邻岩层的岩性相近按同一岩层计算 模型比例 1 150 模型顶板高度为 1 6m 模型材料的配比原理 模型材料配比的理论根据是相似三大定律 其中运动学相似在本次模拟中很显然满足 不再加以赘述 根据以上要求 本次实验所采用的主要材料如下 主料 砂 辅料 大白粉 熟石膏 云母 水 其中煤层的配比时要加入粉煤灰 由于模型材料的主料是砂 辅料占比重较少 不影响模型材料的比重 所以 除煤层外 其它各层的比重均按 1600kg m3计算 根据以上相似比计算公式和各岩层的岩石物理力学性质 可计算出模拟实验各岩层相 似材料配比具体见表 1 表 1 模拟实验各岩层相似材料配比 注 其中煤的配比中 需加入 17 28kg 的粉煤灰 五 模拟实验现象及数据分析 实验现象 岩层高度模型尺寸各层质量 Kg 编 号岩层名称层高合计 配比 型号高 cm 宽 cm 长 m 沙石膏大白 粉 15黄土7886 2391952499 24 99244 928 砂质泥岩9 18 中细粒砂岩2 9014 泥岩7 51 19 5993713112 323 7448 736 中粒砂岩2 10 砂质泥岩5 8913 中粒砂岩11 50 19 4983713110 934 169 707 12泥岩39 4539 4592826224 644 99219 968 细粒砂岩5 24 泥岩3 6311 细粒砂岩6 32 15 198461085 334 2676 4 10砂质泥岩6 366 36937434 561 1522 688 9泥岩6 836 83928543 20 963 84 8细粒砂岩4 044 04846325 61 281 92 7泥岩4 714 71928325 920 5762 304 细粒砂岩3 10 煤0 60 6 细粒砂岩2 79 6 49846434 131 7072 56 砂质泥岩1 55 煤0 94 5 泥岩1 90 4 39928325 920 5762 304 细粒砂岩3 73 泥岩2 00 4 中细粒砂岩5 17 10 9837759 732 245 227 炭质泥岩0 40 煤0 80 3 泥岩3 10 4 3928325 920 5762 304 煤4 37 泥岩0 3 2 炭质泥岩0 55 5 22928417 280 7683 072 1石英砂岩74615 3 203 128 527 34411 02 在开采过程中下沉数据和煤柱应力的记录应考虑气温的变化所引起的模型支架钢梁的 伸缩对测量数据的影响 所以本次实验规定在中上午 11 00 记录数据 且在开采过程中记 录模型岩层所发生的变化 数据分析 模拟实验数据分析 可分为两大部分 煤柱稳定性 煤柱所受应力分析和地表沉陷分 析 通过分析确定煤柱的稳定性 分布的合理性及控制覆岩变形破坏程度的能力 煤柱稳定性 煤柱所受应力数据分析 煤柱应力采用两组共 10 个应变块测定 采用应变桥智能数据采集仪采集 以数据库的 形式保存 p0 p4 的一组应变片放在第三个煤柱下 p5 p9 的一组应变片放在第五个煤柱 下 p0 p4 这一组应变片从开采第一个工作面到开采第四个工作面的压力变化如下图所示 由应力图 1 可知 在开采第一个工作面时 第三个煤柱的应力分布已发生了变化 但变化 很小 当开采到第二个工作面时 第三个煤柱的压力分布又重新发生分布 较第一次分布 变化要大 当开采到第三个工作面时 第三个煤柱的压力分布发生了明显的变化 靠近工 作面一边的煤柱边缘已产生了塑性区 压力值已降到均值以下 只有残余强度提供支承顶 板的力 第二个应变片的压力值显著增加 第三 四 五个应变片的应力值又逐渐向原岩 应力值过渡 但比原岩应力值稍高 当开采到第四个工作面时第一组应变片的压力分布值 又发生大的变化 出现两个峰值区 两个塑性区 压力分布图呈马鞍形 第二组应变片置于第五个煤柱下 当回采第三个工作面时 压力分布开始发生变化 对应于每一阶段的应力曲线图和第一组的应力曲线图类似 不同的一点是第二组的应力曲 线图的峰值比第一阶段的峰值稍大 这种不同是由于每个开采条带的宽度不同而引起的 图 2 根据模拟实验的现场观测和实验数据的分析 可以确定所留煤柱具有足够的稳定性和 强度支撑顶板 但根据应力曲线图也可以断定 就所观测的这两个煤柱都不同程度的出现 了塑性区 但就目前塑性区宽度的测量还没有很好的方法 塑性区宽度的确定 可按照英 国 A H 威尔逊分式计算 屈服区宽度 Y 与开采深度 H 和开采厚度 m 有关 其关系式为 Y 0 0049mH 最后可估算得一边塑性区的宽度为 5 22m 两边的塑性区的宽度和为 10 44m 核区宽度为 14 36m 76 75 5 74 974 874 6 12345 40 00 80 00 120 00 79 75 74 2 73 4 72 54 88 84 89 52 56 83 79 74 73 2 图 1 第三个煤柱的应力分布曲线图 图例 表示开挖第一个工作面时 第三个煤柱下的压力分布情况 表示开挖第二个工作面时 第三个煤柱下的压力分布情况 表示开挖第三个工作面时 第三个煤柱下的压力分布情况 表示开挖第四个工作面时 第三个煤柱下的压力分布情况 X 轴的 1 2 3 4 5 表示五个应变片的编号 12345 40 00 80 00 120 00 79 6 78 3 76 8 76 75 4 77 76 2 75 374 9 74 5 55 89 80 5 7675 6 54 90 82 1 93 53 6 图 2 第五个煤柱的应力分布曲线图 图例 表示开挖第三个工作面时 第五个煤柱下的压力分布情况 表示开挖第四个工作面时 第五个煤柱下的压力分布情况 表示开挖第五个工作面时 第五个煤柱下的压力分布情况 表示开挖第六个工作面时 第五个煤柱下的压力分布情况 X 轴的 1 2 3 4 5 表示五个应变片的编号 地表沉陷分析 根据本次所测模型下沉数值 通过换算 得出地表下沉值 表 2 表 2 相似材料模拟实验地表下沉数据一览表 测量序 号 表号 初 值 第 一次 第二 次 第三 次 第四 次 第五 次 第六 次 第七 次 第八 次 第九 次 表 1 0 0000000000 表 2 40 0 8 5 8 5 8 5 8 9 9 5 9 5 9 5 9 5 9 5 表 3 105 0 20 3 20 3 20 3 25 9 30 5 36 6 39 5 40 5 40 5 表 4 149 0 30 4 30 4 30 4 36 4 41 2 41 9 42 3 47 3 47 25 表 5 195 0 29 5 29 5 29 5 40 1 49 3 53 9 55 1 63 8 63 75 表 6 231 0 25 4 25 4 25 4 36 8 43 2 49 7 53 2 59 3 59 25 表 7 243 0 7 4 11 2 16 24 6 51 3 68 9 74 5 86 9 86 85 表 8 293 0 5 2 6 4 8 8 20 6 43 6 59 6 66 3 72 7 72 65 表 9 318 5 00 3 9 5 1 18 3 21 6 48 7 64 4 72 5 72 5 表 10 345 0000 8 9 19 2 44 3 55 1 83 4 98 6 表 11 399 0000 4 12 1 29 5 41 5 79 8 95 7 表 12 455 00000 4 20 36 2 72 85 8 表 13 520 00000 415 9 28 9 36 89 6 注 表中括号内的数据为表对应的地表测线位置 图 3 模拟开挖过程中地表移动曲线 图例 开采第三个条带工作面时地表的沉陷曲线 开采第五个条带工作面时地表的沉陷曲线 开采第八个工作面时地表的沉陷曲线 开采结束后 最终的地表的沉陷曲线 2 实验数据的分析 图 3 为动态模拟开挖过程中 地表个点的移动曲线 由图可知 地表的最大下沉值 wmax 98 6mm wmax 2 49 3mm 所对应的点的坐标值为 152m 按照现在一般的规定 下沉值为 10mm 的点 定义为边界点 该点在图上对应的坐标值为 45m 得出主要影响半径 r 107m 主 要影响角正切值为 0 0050 00100 00150 00200 00250 00300 00350 00400 00450 00500 00550 00 100 00 90 00 80 00 70 00 60 00 50 00 40 00 30 00 20 00 10 00 0 00 0 9 5 30 5 41 2 49 3 43 2 51 3 43 6 21 6 19 2 12 1 4 4 0 9 5 40 5 47 25 63 75 59 25 86 85 72 65 72 5 98 6 95 7 85 8 89 6 0 9 5 40 5 47 3 63 8 59 3 86 9 72 7 72 5 83 4 79 8 72 49 5 0 0 8 5 20 3 30 4 29 5 25 4 16 0 8 8 5 1 0 00 00 00 0 22 2 107 238 r H tg 主要影响范围角 66 最大下沉系数 022 0 4370 6 98 max H w 六 结论 由模拟实验的数据处理结果及成果图分析 得出如下的结论 地表下沉平缓 由于边开采宽度协调开采 使得地表下沉盆地平缓 且整个盆地 呈偏态分布 位于开采区边界一侧 下沉盆地怪点位置较正常情况下平缓的多 这种情况更有利于建筑物的保护 最大下沉值为 98 6mm 建筑物位置 这种条件下地表沉陷引起的水平变形远远 小于