相似材料模拟实验报告

本科生科研训练

相似材料模拟实验

姓名：胡立龙

学号： 0809040107

院系：土木与交通学院

班级：灾防08-1班

学时：

成绩：

实验目的：了解相似材料模拟掩饰的基本原理和基本过程。

基本原理：相似材料模拟实验是采用与原理物理力学性质相似的材料，按一定的几何相似常数缩制成试验模型进行相应的目的的研究的一种试验方法。采用这种方法模拟覆岩采动过程，研究其变形破坏规律可以节省大量的观测费用，而且结果更加直观。

仪器设备：相似材料模拟实验台。

实验步骤：

1、了解配比变化对材料的物理力学性质的影响，包括骨胶比、灰膏比和用水量的影响；

2、根据试验要求，按比例配比，制作模拟材料，选定并准备好适应的骨料，胶结料，水等，制作出不同配比的材料试件，并进行编号；

3、待试件干燥后，对试件进行强度测试，根据强度相似指标要求，选定相似材料，按表中形式记录好相似材料配比及主要物理力学参数；

4、根据模型尺寸，按每分层厚度计算不同配比材料的用量（层厚度为20mm）。

实验数据：1、工作面的设计长度200m，推进尺度130m，煤层埋深51m，煤层平均厚度5m，用全部垮落法管理顶板，煤层一次采煤深度5m，表1-1为煤岩物理力学性质指标：

岩断厚度主要岩石容重（kg/m3）抗压强度风化段10-50 泥岩26 3-5

2、相似条件确定

（1）实验设备与材料:实验台尺寸200mm ×2000mm×2000mm ，实验材料：硅砂（Φ =0.1~0.35mm ）、石灰、石膏、软木屑、四硼酸钠等； （2）主要相似 参数：αL =L H /L M ,L M -模型强度，L H -模型厚度 根据模拟工作面煤层厚度等参数，结合试验台几何尺寸，选几何相似常数αL =0.01；

（3）容度相似常数：αL =γH /γM ，γH -原型容重，γM -模型容重工作面不同岩段岩石平均容重为26kg/m 3，，石灰，石膏，硅砂试验材料平均容重为17kg/m 3，容重相似常数为αr =26/17=1.5; （4） 强度相似常数：α，-原型强度，-模型强度

砂岩

26 6-10 未风化软岩

带 60-100 泥岩 26 12 砂岩 26 3 硬岩带

110-240

砂质页岩

26 10-17 砂质页岩 26 10-40 煤

层

段

顶板

油页岩

22 20-23 泥岩 26 10-15 煤层 煤 15 3 底板 砂岩

26

25-65（多30左右）

泥岩

26 26-30

对自重加载实验模型，容重相似常数与强度相似常数之间应该是 关系。据此强度相似常数

3、相似材料配比：根据强度相似条件要求，模拟原型各岩段不同岩性岩层强度的模型材料

强度见表1-2 原岩及材料强度

根据实验室实验材料的技术特征及物理力学性质特征，结合以往实验风格，选择砂为骨料，建筑用石灰、石膏为胶结材料进行材料配比实验，实验中水与材料比为1:9，以四硼酸钠为缓凝剂，缓凝剂在水中的浓度是1-1.5%，选择如下四种配比材料模拟不同岩性的岩层，4种

原型岩石强度Mpa 相似材料强度

Mpa

主要岩石

10以下

小于17

风化带泥岩、砂岩、未风化软岩段砂岩、

煤

10

17

风化带砂岩、未风化软岩段泥岩、硬岩

段部分砂质页岩、煤层顶板部分泥岩 20

33

硬岩段部分砂岩、煤层顶板部分浊页

岩、泥岩、煤层底板部砂岩、泥岩 30

50

硬岩段部分砂质页岩、煤层底板部分砂

岩

30以上

大于50

硬岩段部分砂质页岩、煤层底板部分砂

岩

相似模拟材料的配比及主要物理力学性质指标见表1-3

4、模型制作

制作的模型为工作面走向剖面模型，墙角为0.，模型高度为70cm ，其中第四组松散层厚度8cm 。风化带层厚度32cm ，岩层顶板岩层厚度2cm ，煤层厚度为5cm ，煤层深度51cm ，煤层底板岩段岩层厚度为14cm ； 分层材料用竖计算（20mm 为一个分层） 风化带体积 0.2⨯2⨯0.32⨯=0.00128m ³

风化带相似材料总重量 M=PV=0.00128⨯18=0.02304㎏ 相似材料配比为 硅：石灰：石膏：水=8:0.6:0.4:1 则有 8m+0.6m+0.4m+m=0.02304㎏ 得 m=0.002304㎏ 故风化带中所需硅砂 8m=8⨯0.002304=0.01843㎏；石灰 0.6m=0.0013824㎏；石膏：0.4m=0.0009216㎏；水：m=0.002304㎏ 20mm 分层材料用量计算 V=0.2⨯2⨯0.002=8⨯103-m ³ 分层材料总质量为 M=pv=18.0⨯8⨯103-=0.144㎏

配比

号 硅砂 石灰 水 容重（kg/m 3）

单轴抗压强度

（Pa ） 石膏

A 7 0.5 119 18.1 47-66 0.5

B 7 0.6 119 17.6 30-38 0.4

C 7 0.7 119 17.4 13-19 0.3

D 8

0.6

119

18.0

6-11

0.4

5、开采模拟

工作面从模型右边界35cm位置开切，向左推至左边界35cm位置停采。考虑实验室温度、湿度等环境变化对模型的材料强度的影响，参考时间相似常数，实验中模拟工作面推进速度2.4cm/h。

6、试验观测结果分析

（1）顶板岩层活动规律：模拟工作面岩层底板出现弯曲下沉、断裂、折面垮落。随工作面继续推进，上方岩层也逐渐弯曲下沉，并出现离层、裂缝，从低向高层逐渐发展，随上覆岩层跨落，先垮落堆积的低位岩层被逐渐压实，并进一步破碎，出现同期跨落；

（2）“三带”分布特征

①垮落带：煤层顶板岩层，断裂裂缝密集，顺层开裂充分，煤层采出后，顶板自下而上逐层垮落；

②断裂带：底部靠近垮落带的岩层，层间离层开裂明显，分层性好，垂直或倾斜裂缝发育，且变为断裂裂缝；

③弯曲带：岩层或岩层组中有垂直层面的开裂，但离层是闭合的，垂直裂缝相互独立，不连通；

（3）弯曲带中岩层的离层：由于各岩层岩性差异，物理力学性质不一，在相邻岩层弯曲变形过程中，在岩层交接处差生剪切应力并发生剪切变形。当超过剪切强度时，造成剪切破坏，形成离层。工作面回采过程中，随开采空间扩大，伴随覆岩破坏，离层由下向上逐渐发展。从层间剪切开裂、离层形成与发展、直至被压实闭合，离层得到完整的发展；