相似材料平面应变矿压模拟装置.pdf

1 9 9 7年第 1 O期 煤矿设计 ， 一 ，／／ 、 相 似 材 料 平 面 应 变 矿 压 横 报 装 置 江 传袅 国 ． 验 萎 蝴 浙 江 大 学 流 体 传 动 厦 控 制 国 家 重 点 实 验 室二 r二 二二 一 。 一 ‘ 摘要为满足采矿工程厦其它岩土工程的需要，用相似材料模拟矿山压力的 椴 一 ● 娄 装 置 。 尸 关 键 词 塑 矿 压 整 苤 ． ／ ／ ‘ 一 我国煤炭资源丰富，地质条件复杂，开采 迫切需耍大尺度高性能的相似材料模拟试验 量大，存在的矿山压力问题很多，而采矿过程 多是凭经验来处理矿压问题，其围岩管理难度 很大 。近 2 0年来，随着 回采工作面液压支架 的使用，无煤柱护巷、锚杆支护和放顶煤等技 术的应用，使研究支架与围岩的相互作用关系 及影响因素更加重要。另外，随着煤矿开采深 度的增加，采场冲击地压及巷道塑性变形已对 煤矿安全生产构成威胁。使用相似材料模拟已 经成为简单、经济、安全、有效地维护采场空 间，查明采矿和岩土工程中各主要因素对矿山 岩石力学 的影响过程及其变化规律，提高我国 煤矿设计与矿压管理水平的重要方法。通过相 似材料模拟试验来研究采动后岩层的变形 、移 动和破坏规律，研究各类支架 与围岩 的相互作 用及支承压力分布等，已成为特殊情况下采矿 生产和岩土工程工作的一部分 。 1 试验装置的选型 目前，用来研究采矿和岩土工程的模型方 法有两大类，一是 立体 模型，二是平 面模型。 平面模型把矿山岩体简化为一个剖面来进行模 拟观察，即把模型假想为对象岩体中垂直地切 出的一个薄片。由于平面模型具有足够的模拟 精度，又便于岩石的应力、应变、变形、位移 和裂隙等 的观测，而得到广泛使用。鉴于我国 的平面应变相似材料模拟试验装置在规格和技 术水平上都远落后于欧美等发达国家，所以 台。调研表明规格为 5 m的平面应变相似材 料模拟试验装置，能在今后相当长的时间内保 持 国内最大规格，并能满足技术发展的需要。 2 试验装置的结构分析 为了使试验装置的主体结构在保证强度、 刚度、稳定性的条件下，简单、轻便、容易观 察和操作，采用了由槽钢、角钢和钢板组成的 框架结构。在模拟倾斜煤层的开采 岩石力学过 程时，采用加装倾斜底板的方式来实现。顶部 和两侧的加载油缸销轴与框架连接，并通过导 向孔来保证油缸伸缩的方向性。在框架底部的 底座钢板上，钻有 4 7个传感器引线孔。为加 强框架结构在厚度方向的强度和刚度，同时考 虑到 试验装置在模拟 规模上有大 中小 三种选 择，在相似材料充填空问的左起 3 m处 右起 2 m处前后 各设 置一根 中柱，如 图 1所示为 C M5 0 0平面应变模 拟试验 台的结 构简 图。它 的中立柱的宽度为 2 8 0 m m，为保证相似材料 的可观察长度到 5 m，取装置正面透明玻璃净 安装 长度为 5 m，试验台的最大净空容积为 5 ． 2 8 2 ． 5 0 ． 3 m 。若要模拟中小型矿压或 局部矿压，可将活动侧推油缸挡板放置在中立 柱处，用加长杆把侧推油缸挡板与右或左侧推 油缸连接起来，即形成 3 2 ． 5 0 ． 3 m3 或 2 2 ． 5 0 ． 3 m3 两种 中等规模的模拟试验装置。 为了便于相似材料的风干和试验过程的观 维普资讯 2 4 煤矿设计 1 9 9 7年第 l 0期 图 1 C M5 0 0平面应变试验 台结 构筒图 1 一 大门； 2 -- 中立柱 ； 3 一小门 ； 4 -- 后挡板 ； 5 一顶压油缸 6 一棚推油缸； 7 一底座； B 一侧护板 察，C M5 0 0平 面应变试 验台的正面采 用有机 玻璃做成 透 明门式结构，分成左右侧两个 门， 其 透明面积分别为 3 2 ． 5 m 和 22 、 5 ，用 铰 销将左右侧 两个 门分别铰连在左 右侧立柱 上。门由钢板和角钢焊接成框架结构，使其具 有很大的刚度，保证在最大加载条件下，门的 最大变形量小于 3 mm，门的框架 中形成几十 个方形网孔，用3 0 m m厚的有机玻璃封闭，在 有机玻璃内侧标上 4 0 4 0 mm 网格线，以便 于直接观察岩层的变形和裂隙尺寸等情况。 为便于装载相 似材料，C MS 0 0平面应变 试验台的后挡板用槽钢叠成，每一根槽钢都可 以单独拆 下。后 挡板外 用活动立 柱作辅 助支 承，以保证在最大加载条件下，后挡板的最大 挠度小于 1 0 mm。 3 加载系统与曩 I 试系统分析 3 1 CM5 0 0平面应 变试验 台加载 系统 目前，我国煤矿井工开采的深度，随时间 的推移，越采越深，千米井逐渐增多，根据煤 矿开采深度 的现状，C M5 0 0平面应变试 验 台 的加载系统按模 拟采深 1 0 0 0 m 设计。选 取几 何相似比为 1 ／ 6 0 ～1 ／ 2 5 ，相似材料的平均容 重为 1 ． 5 t ／ m 3 ，试验装置的容积按下试计算 vn长度 宽度 高度 50． 323 m 1 式中 试 验装置实 际充填相 似材 料的 容积， 。 若按模拟几何相似比 1 ／ 2 5计算，相似材 料的总体积 V应为 V50 ． 3 1 0 0 0 1 ／ 2 5 6 0 m 2 按此模拟深度要求，试验装置中的相似材 料体积欠 V V 0 5 7 m 3 ，即相当于欠相似 材料重量为 G的试验装置加载量，即为 G5 7 m l 、 5 t ／ m3 8 5 ． 5 t 3 这个重量就是试验过程中需要试验装置提供的 模拟载荷，这样大的载荷 只有采用液压加载系 统来实现。根据加载量、试验装置的结构尺寸 和油缸参数，选 取 2 0个顶部竖直油缸，左右 立柱上各装 8 个侧推油缸。 顶部竖直油缸的行程应满足开采 时上覆岩 层的下沉量。 目前，我国综采一次最大采高为 5 m，放顶煤 开采一 次采放总 高度一般 为 8 ～ 1 0 m。按采放 1 0 m计算，上覆岩层垮落后的碎 胀系数平均取 1 ． 2 ，几何相似 比为 1 ／ 2 5 ，则竖 直袖缸的行程 △ L为 △ L≥l 0 1 ． 21 ／ 2 5 0 、 3 3 m 4 由于实际岩层的侧向位移几乎为零，故应 采用较小行程的侧推油缸。 3 ．2 C MS 0 0平面应 变试验 台测试系统 被测信号是多点压应力和多点位移。压力 传感器与相似材料的力学性质相匹配，经分析 计算，选定了输出灵敏度高、工作性能稳定、 量测准确、体积小、防水防潮、与土和相似材 料有 良好 匹配性的箔 电阻式微型压力盒式压力 传感器。为了实现位移的电测，注意到相似模 拟的位移量大和后模板尺寸限制，同时希望测 试系统的二次仪表通用性和归一化，选用量程 为 0 --2 0 0 mm，输 出灵敏度高，线性度好，温 漂小的电阻式位移传感器。二次仪表选用 Y J D 一 2 7 型静态电阻应变仪和 Y Z 一2 2型转换箱， 对多点信号进行同时接收与转换。将 Y J D一2 7 型应变仪与 Y J D一2 7 P C智能接口配套，并通 过专用电缆与计算机 R S一2 3 2 C接 口以 0一 MO D E M方式连接，从而获得一个用计算 机集 中控制和处理韵测试系统。C MS 0 0平面应变 试验 台的测试系统图如图 2所示，它可以进行 ～醴 翁一 维普资讯 1 9 9 7年第 1 0 期 煤矿设计 压力信 位移信 图 2测试系统 实时测量，或定时采集 、储存和处理数据。 4 效果 C M5 0 0平面应变试验 台 自 1 9 9 3年建成 以 来，不断地在为煤矿生产和科研进行着相似材 料模拟试验，均取得了满意的结果。现举例说 明如下 1 1 9 9 3年4 7月承担了 三河尖煤矿 放顶煤工作面顶煤活动规律及放煤工艺的相 似材料模拟研究。该矿当时准备在 7 煤层采 用综放技术，其设备选型和采放工艺都是亟待 解决的问题，而该矿在当地是第一个采用综放 设备 的矿 井，没有 经 验 和参 考 资料。用 CM5 0 0平 面应变 试验 台进行 相 似材 料模 拟， 给出的试验结论是① 三河尖矿 7 1 3 1 工作面 开采过程将出现明显的动压现象，周期来压步 距为 1 4 m；② 在支承压力、上 覆岩层运动和 支架反复支撑作用下，顶煤破碎程度不断发 展，到放煤口块度直径最大为 0 ． 5 m ，可顺利 放出；③ 根据模 拟试 验中的顶煤破 坏和移动 规律、支架载荷等数据，选用 Z F S B 3 6 0 0 ～1 6 ／ 2 8 型放顶煤支架。通过现场试采观测表明， 支架运行状况良好，采放工作顺利，试验结果 与现场实际非常吻合，保证了新工艺新方法的 使用效果。 2 1 9 9 5年 9 1 1月承担了 观台煤矿 2 煤下分层巷道锚梁支护的模拟试验研究 工作。 旨在预测下分层采区平巷的合理位置及 支架载荷的大小，相似材料模拟试验给出的结 论是 ① 在采区边界 实体煤 内 5 7 m左右处 应力系数最高，进入采空侧约 3 m 后，应力 系 数降到0 ． 3 0 ． 1 左右，由此可见，下分层采 区平巷向采空区一方内错 3 m以上为佳 ；② 对 下分层采区平巷提出两种计算支架载荷的方 法，算出最大支架载荷为 q 。 l 8 ． 8 k N ／ m z ，最 小为 q 2 4 ． 7 5 k N／ 。为分层巷道实施锚粱支 护提供了依据。 3 1 9 9 6年4 5月又承担了 观台煤矿 水库下采煤的模拟研究，为现场提交 了水库 下采煤可行性模拟试验研究报告。模拟试验给 出的结论是观台煤矿水库下压煤 8 0 0万 t ， 对这部分煤炭的开采是安全可行的。而后，观 台煤矿根据此结论，进行了试采，现已安全采 出煤炭 4 0万 t ，为现场创造 了较好 的经济 效 益。 1 9 9 6 年 4月通过煤炭工业专利事务中心 检索，国内尚无这种大比例、多功能的平面应 变相似材料模拟试验装置。1 9 9 6年 6月试验 台通过了河北省煤炭厅的鉴定，鉴定意见为 C M5 0 0 平面应变相似材料模拟试验台，在规 格结构、加载系统、测试系统和直观性等方面 处于国内领先水平。 5 结论 C M5 0 0 平面应变试验台在结构上，采用 了 2 ／ 5 、3 ／ 5和 5 ／ 5多种不同模拟尺寸的组合， 实现了既可进行小比例模拟试验，又可进行大 比例的模拟试验；正面采用透明门式结构，便 于观测与观察；加载系统采用了较先进的液压 系统和集中控制台，可同时提供三组不同的顶 压与侧压，能够在岩层移动后长时间稳压和保 压，以利于模拟各类复杂条件下的工程问题； 测试系统用微机控制，可实现实时数据采集、 储存、处理和打印。该试验台既可对煤炭系统 中的采矿问题进行广泛的模拟研究，又可对冶 金、水电等系统中的矿山及岩土工程问题进行 模拟研究 。 几年来，C M5 0 0试 验 台承 担 了一个 又一 个相似材料模拟研究工作，从结构、元器件到 系统等方面都经历了各种考验，并得到不断改 进，使其性能更加完善、更加可靠。尤其是为 现场放顶煤开采和锚粱支护等提供的顶板活动 规律和各种围岩数据，保证了特殊条件下采煤 和煤、岩支护的高产高教，产生了良好的经济 效益和社会赦益。充分利用 C MS 0 0试验台的 技术特点，可更好地服务于采矿工程和岩土工 程。 责任编辑王耀义 维普资讯