【正文】 (3)。應力測量系統(tǒng)如圖 34：圖 34 應力測試系統(tǒng) Stress testing system傳感器埋設要求：(1) 傳感器承壓面朝著擬測應力方向，并與之垂直，同時必須安放平穩(wěn)，保證傳感器在量測過程中承壓面不偏轉(zhuǎn)。DYB 系列土式傳感器原理為：彈性敏感元件是一個周邊固支的圓形簿板，當受力作用時，彈性薄板產(chǎn)生撓曲變形，使粘貼在彈性薄板內(nèi)表面的電阻應變片的阻值改變，從應變儀上得到彈性薄板受力后產(chǎn)生的應變值，根據(jù)事先標定的“應力—應變”曲線即可得到應力值。模型杠桿加載系統(tǒng)如圖 3－3 所示。支反力的作用面積 s 為：? ??設在每塊矩形板上有一個杠桿作用，則 ?sqFmmgKMGOAg1圖 3－2 杠桿加載結(jié)構(gòu) Lever load fabric27 / 87所有力應對 O 點的力矩取得平衡： OKmgGAF????? ???Kmg：則每塊砝碼重 ,故若取 5 塊砝碼 ，kgkg則： m???).917/(所以每個杠桿上需加載塊數(shù)為 5 塊。為防止加載偏心或杠桿因模型被開采而下沉變?yōu)樾敝茫势湟欢搜b有調(diào)節(jié)螺桿以便隨時將杠桿調(diào)平，模型加載示意圖如 22 圖所示 [40]：圖中：F——模型支反力， ；N　　　M——杠桿自重，22 ；kg　　　m——加載重量， 。由于開采形成支承壓力，雖然其隨著遠離煤層而趨向緩和，但由于模擬深度不大，上部邊界載荷分布并非均勻，且受到巖性影響，因此需要在加載重物與模型之間安置具有適當剛度的介質(zhì)層，使介質(zhì)層和下方巖層的相互作用產(chǎn)生合乎實際的壓力重新分布。在模擬煤層的材料中摻入適量的粉煤灰，以降低材料的容重。ir3/kgk由配比號確定各分層中各種材料的用量，計算公式如下：砂：碳酸鈣：石膏 )1(:BA?細河砂： 石膏： 碳酸鈣：iQW1?＝砂 iQW＋－＝石 膏 iQW1AB＋＝碳 酸 鈣水： 硼砂： 9＝水 水硼 砂 ＝ 10由以上公式算出模型上各分層的各種材料用量列表如表 33 下：表 33 材料用量25 / 87Table 33 Material consumption序 號 巖層名稱 模擬 厚度cm模擬強度kpa配比號 砂kg碳酸鈣kg石膏kg水kg 硼砂g1 底板 162 455 2 煤－已 1617 57 855粉煤灰：砂 3：1 3 砂質(zhì)泥巖 180 637 4 煤 已 15 57 855粉煤灰：砂 3：1 5 砂質(zhì)泥巖 1 192 746 6 細砂巖 1 290 646 7 砂質(zhì)泥巖 2 160 737 8 細砂巖 2 270 637 9 中粗粒砂巖 312 537 模型的制作模型的制作按以下步驟進行：①在模板內(nèi)表面涂上機油，并將其安裝固定在模型架兩側(cè)；②根據(jù)上述表格計算出的分層材料用量，分別稱量所需砂、碳酸鈣、石膏的重量，倒入攪拌機內(nèi)，混合攪拌；③向混合料中加入一定量的緩凝劑（硼砂）和水，攪拌均勻；④將配制好的材料倒入模型架，用刮刀抹平，并搗固壓實；⑤邊上模板，邊倒入材料，重復步驟（1）－（4），直至設計高度；⑥干燥一周后，拆掉兩側(cè)模板，繼續(xù)干燥兩周后便可進行開采和觀測。考慮到配比實驗期間誤差，同一配比做三個試件，取三個試件抗壓強度的平圖 31 相似模擬邊界條件 Similar simulation boundary condition均值作為該材料配比號的抗壓強度，配比實驗數(shù)據(jù)如表 3－2 所示。.mrLpa???23 / 87表 31 模型尺寸及相似常數(shù) model size and similar simulation模型尺寸 模擬層數(shù) 幾何相似常數(shù) 容重相似常數(shù) 應力相似常數(shù)2 9 相似材料配比及用量相似材料是按不同材料配比把各種材料混合而成的，在進行相似模擬試驗前，為了了解所選材料的性質(zhì)以便使模型與原型保持較好的物理力學特性相似，要選取合適的相似材料配比，因此必須進行配比試驗。模型兩側(cè)由于干燥收縮和開采引起的開裂與實際不符，但留有較寬大的邊界，所以邊界條件也是近似相似的根據(jù)以上相似理論確定各模型尺寸及相似常數(shù)見表31。對于本試驗主要考慮重力相似，則： ?pmra?其中： ——模型容重；m?　　　 ——原型容重。p② 時間相似系數(shù)：取時間相似系數(shù)為： ?取 at=其中： ——模型過程時間；m——原型過程時間。 模型架及相似系數(shù)的確定模型架要求有足夠大的剛度，且具有一定的寬度，以保證模型的穩(wěn)定性。直接底為一薄層泥巖，遇水易膨脹。之間，煤層東西走向起伏較大，由東向西逐漸上坡。煤厚度一般在 ～ 之間，平均 。 模擬的地質(zhì)條件試驗以平頂山天安八礦己二采區(qū)地質(zhì)條件為模擬原型，沿工作傾向簡化為平面模型。 相似材料的選取相似材料的確定是相似模擬試驗中的一個重要環(huán)節(jié)，選擇相似材料一般要求：①力學性能穩(wěn)定，不因大氣溫度、濕度變化而發(fā)生較大的改變；②改變配比后，能使其物理力學指標大幅度變化，便于選擇使用；③材料來源豐富，制作方便，凝固時間短，成本低；④相似材料強度、變形均勻，便于測量，且材料本身無毒無害；⑤模型材料與原型材料的變形及破壞特征相符合。相似模擬試驗就是要用和原型力學性質(zhì)相似的材料，按照一定的幾何比例模擬巖體及煤層并進行開掘，在滿足相似的邊界及初始條件下，使在相應的時期內(nèi)造成相似的礦山壓力現(xiàn)象。實踐經(jīng)驗表明，要進行煤礦開采，相似模擬試驗主要考慮以下參數(shù)：煤層厚度 M，巖層厚度 H，抗壓強度 ，抗拉c?強度 ，容重 ，彈模 E，時間 t，泊松比 等八個參數(shù)，令其方程為：t???0( ） ＝， ??MHFtc (31)根據(jù) π 定理，應用量綱分析法，可得出以下 5 個相似準則：??????HMEtctc///54321???? (32)故要使模型與原型相似，則需滿足下列方程： ????????pmppm pmcptpctpHtMHHE??? (33)21 / 87 相似材料模擬實驗設計 實驗目的本次試驗目的在于研究煤層開采時上覆巖層結(jié)構(gòu)形態(tài)及側(cè)支承壓力分布特征，包括卸壓區(qū)范圍及峰值大小、位置。第三定理可表述為：在幾何相似系統(tǒng)中，具有相同文字的關系方程式，單值條件相似，且由單值條件組成的相似準數(shù)相等，則此兩現(xiàn)象也是相似的?，F(xiàn)象相似，其綜合方程必須相同” 。1914 年美國學者白金漢()也得到同樣的結(jié)果。相似第一定理可表述為：過程相似則相似準數(shù)不變，相似指標為 1。但由于受生產(chǎn)布局等客觀條件的限制，平煤集團八礦不具備實際觀測的條件，因此，本項研究以平煤天安八礦己二采區(qū)地質(zhì)條件為依據(jù)，以鄰近礦井的實際觀測資料為參照，采用類比與相似材料模擬試驗相結(jié)合的方法，研究八礦己組煤層開采時該條件下側(cè)支承壓力的分布規(guī)律，為今后多煤層采區(qū)巷道布置提供參考。當然相似模型也存在一些局限性，很難對一些現(xiàn)象進行定量分析，它受到模型臺、實驗人員、實驗溫度、相似巖層配比、測驗儀器等影響，同時也很難完全模擬現(xiàn)場現(xiàn)象，因此具有一定的隨機性。模擬實驗可人為控制和改變試驗條件，從而可確定單因素或多因素對礦山壓力影響的規(guī)律，試驗效應清楚直觀，試驗周期短、見效快。巖體模型試驗在國內(nèi)外已經(jīng)獲得了較為廣泛的應用和發(fā)展。國外一些國家對相似材料模型試驗在生產(chǎn)、科研中的應用十分重視。有些問題在計算中不能很好地解決，但通過模型試驗就可很好地解決。???19 / 873 煤層開采相似模擬研究 概述相似材料模型實驗是一種以相似理論為基礎，通過用一定的相似材料構(gòu)造物理參數(shù)與工程相似的模型，來研究實際工程問題的實驗方法。4）采用最小二乘法，分析側(cè)支承壓力分布特征與煤層傾角的關系。時峰值位置僅是 10176。2）隨著角度的增加，應力降低區(qū)范圍減小很明顯，當傾角達到 35176。當煤層傾角大于 20176。利用 DRS 軟件對不同傾角煤層側(cè)支承壓力分布特征進行擬合曲線如圖：圖 213 下側(cè)卸壓區(qū)擬合結(jié)果 Fitting result of pressure relief underside圖 214 上側(cè)最大應力集中系數(shù)擬合曲線 curve of maximum stress concentration factor upside 上側(cè)卸壓區(qū)擬合函數(shù)為：相關系數(shù)為 ，平均相對誤差 ％下側(cè)卸壓區(qū)擬合函數(shù)為：相關系數(shù)為 ，平均相對誤差 ％上側(cè)最大應力集中系數(shù)擬合函數(shù)為：相關系數(shù)為 ，平均相對誤差 ％下側(cè)最大應力集中系數(shù)擬合函數(shù)為：相關系數(shù)為 ，平均相對誤差 ％上側(cè)峰值位置擬合函數(shù)為：圖 215 下側(cè)峰值位置擬合曲線 Fitting curve of peak point underside 圖 216 上側(cè)峰值位置擬合曲線 Fitting curve of peak point ???下 ???下 ?上17 / 87相關系數(shù)為 ，平均相對誤差 ％下側(cè)卸壓區(qū)擬合函數(shù)為：相關系數(shù)為 ，平均相對誤差 ％ 小結(jié)本章主要采用數(shù)值模擬的方法分析傾角對支承壓力分布的影響，結(jié)果表明：1）隨著角度的增加，側(cè)支承壓力峰值呈下降趨勢，且角度越大峰值下降幅度越大；當煤層角度達到 35176。表 23 不同傾角煤層上下側(cè)卸壓范圍結(jié)果Different angle side abutment pressure distribution煤層卸壓范圍/m 最大應力集中系數(shù)/m峰值位置煤層傾角（176。時峰值至煤壁距離僅是 10176。當煤層傾角大于 20176。）Fig 210 Side abutment pressure distribution curve (35176。傾角達到 35176。將模擬不同傾角煤層上下側(cè)支承壓力分布特征列于表 23，由表 23 及圖 211，212 可知，隨著角度的增加側(cè)支承壓力主要產(chǎn)生以下變化：①卸壓區(qū)范圍在減小，煤層傾角為 10176。)應力集中系數(shù)至煤壁距離 （m）同一位置不同角度側(cè)支承壓力分布曲線如圖 211～212。)應力集中系數(shù)至煤壁距離 （m）012340 20 40 60 80 100上 側(cè) 支 承 壓 力下 側(cè) 支 承 壓 力圖 29 側(cè)支承壓力分布曲線 (煤層傾角 30176。)應力集中系數(shù)至煤壁距離 （m）012340 20 40 60 80 100下 側(cè) 等 值 線上 側(cè) 支 承 壓 力應力集中系數(shù)至煤壁距離 （m）13 / 87012340 20 40 60 80 100上 側(cè) 支 承 壓 力下 側(cè) 支 承 壓 力應力集中系數(shù)012340 20 40 60 80 100上 側(cè) 支 承 壓 力上 側(cè) 支 承 壓 力圖 28 側(cè)支承壓力分布曲線(煤層傾角傾角 25176。)012340 20 40 60 80 100 120上 側(cè) 支 承 壓 力下 側(cè) 支 承 壓 力圖 26 側(cè)支承壓力分布曲線（傾角 15176。)圖 27 側(cè)支承壓力分布曲線(煤層傾角 20176。圖 25 側(cè)支承壓力分布曲線（煤層傾角 10176。與煤層傾角為 10176。從煤層傾角為 15176。時側(cè)支承壓力分布與近水平煤層相似，上下側(cè)峰值至煤壁距離在同一位置，峰值大小稍有差異，但不很明顯。轉(zhuǎn)換界面如圖示23：圖 23 AnsysFLAC 轉(zhuǎn)化界面 AnsysFLAC interface11 / 87轉(zhuǎn)換后計算模型如圖24： 計算的結(jié)果及分析 不同傾角側(cè)向支承壓力的模擬結(jié)果工作面推進 150m，選取工作面后方 100m 處切面進行研究，不同角度煤層模擬側(cè)支承壓力分布等值線如圖 25～210。模型采用c++開發(fā)的轉(zhuǎn)換程序建立，首先由ANSYS建立模型并輸出由ANSYS－NWRITE、EWRITE命令導出的節(jié)點文件和單元文件，程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成*.FLAC3D格式文件,然后在FLAC3D使用impgrid導入即可。這就可以按所研究的范圍得到均勻的單元網(wǎng)格劃分：即接近工作面處用小單元，隨著遠離工作面則單元越來越大。根據(jù)以上兩點確定模型研究范圍：走向300m,傾向350，高250m。傾角m Kg/m3 pa pa Mpa 176。參考同礦區(qū)同地層得到該條件下煤巖體物理參數(shù)見表22：巖性描述 層厚 密度 K G C Ψ Ten 備注傾角176。底板為細砂巖呈條帶狀，頂部為深色泥巖，中部夾砂質(zhì)泥巖。己 1617煤層概況：半光亮型焦煤。煤層頂?shù)装迩闆r：直接頂為砂質(zhì)泥巖，～煤線，該層易隨采隨落。煤層傾角一般在9～15176。己 15煤層概況：煤層厚度基本穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，半光亮型焦煤。井田內(nèi)有丁 5戊 9己 1己 1617三組四層可采煤同時開采，其中己 1己 1617煤層平均間距為7m左右。、35176。、25176。、15176。圖 21 數(shù)值模擬