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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划相似材料配比矿业工程系学生实验报告课程名称矿山压力与岩层控制专业名称11级采矿工程姓名贺成林学号5矿业工程系实验室14年05月27日实验十：相似材料模拟实验1相似原理相似材料模拟是科学实验的一种，它是人们探讨和认识地压规律的途径之一。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的模型，然后在模型中开挖巷道或模拟采场工作，观察模型的变形，位移，破坏和压力等情况，据以分析，推测原型中所发生的情况，这种方法称为相似材料模拟方法。它被用来研究采场和巷道的某些地
2、压问题，例如估计地压大小，顶底板相对位移，冒落拱形状和大小，支架对地压底影响，地下开采对地表底影响，以及影响地压底各种因素。要使模型中所发生的情况，能如实反映原型中所发生的情况，就必须根据问题的性质，找出主要矛盾，并根据主要矛盾，去确定原型与模型之间的相似关系和相似准则，原型与模型相似必须具备下面几个条件。几何相似要求模型与原型的几何形状相似。为此，必须将原型的尺寸，包括长，宽，高等都按一定比例缩小或放大，以做成模型。设以LH和LM分别代表原型和模型长度，脚标M表示模型，?L代表LH和LM的比值，称长度比尺，则几何相似要求，?L为常数。?L?LH?常数LM因面积是长度二次方，所以面积比尺为AH
3、2?LAM因体积是长度三次方，所以体积比尺为VH3?LVM一般来说，模型越大，越能反映原型的实际情况，原型实际上?L?1，但是由于各方面条件限制。模型又不能做的太大。通常模拟采场用?L?50100，即原型缩小1111，模型巷道用?L?2050；即原型缩小为。运动相似要求模型与原型中，所有各对应点的运动情况相似，即要求各对应点的速度，加速度，运动时间等都成一定比例。设以tH和tM分别表示原型和模型中对应点完成沿几何相似的轨迹所需的时间，以即?t代表tH和tM的比值，称为时间比尺，则运动相似要求?t为常数。tH?L?常数tM?t?动力相似要求模型与原型的所有作用力都相似对于地压问题，按抓主要矛盾的
4、观点进行分析，主要是考虑重力作用，要求重力相似设以PH,rH,VH和PM,rM,VM分别表示原型与模型对应部分的重力，视密度和体积，因为PH?rH?VHPM?rM?VM(6)则：rP3?H?LPMrM所以在几何相似条件下对重力相似，还要求rH,rM的比尺?r为常数，即?r为视密度比尺。则：?r?rH?常数rM由上述三个比尺，应力等其它比尺?L,?t,?r，根据各对应量组成的物理方程式，还可推得位移，应变，?HCHEHrH?L?MCMEMrM?H?M?H?M式中：?H,CH,EH,?H,?H,?M,CM,EM,?M,?M分别代表原型与模型得应力，凝聚力，弹性模量，内摩擦角，泊松比。2实验方法仪器
5、设备和应用材料材料试验机，相似模型架，静态电阻应变仪或动态电阻应变仪，x，y函数记录仪，位移传感器，荷重传感器，天平最大称量1000g，最小量，卡尺精度，钢尺。石英砂，石兰，水泥，碳酸钙，可赛银，云母粉，搅拌锅，量筒。相似材料配比根据相似原理，同时满足所有指标相似是非常困难的也是没有必要的，所以要根据研究对象确定原型与模型的相似关系，采矿所研究的对象，主要是采场和上覆岩层的变形，位移和破坏，其受基本作用力为压应力和拉应力，基本破坏形式为剪切和张力破坏，其变形与岩层的弹性模量及泊松比有关。所以相似配比所提供的主要强度指标为抗压和抗拉强度，主要变形指标为弹性模量和泊松比。根据煤矿地层岩石的强度和变
6、形指标的范围选择不同比例尺的相似材料的强度和变形指标的范围见表1和2所示表1煤矿地层岩石强度和变形指标范围相似材料选择及其性能测定A，相似材料相似材料包括骨料和胶结物二部分，骨料：砂，铁粉，重晶石粉，铝粉，云母粉等。胶结物：水泥，石膏，石灰，碳酸钙，高岭土，石蜡，水玻璃等。B，相似材料选择能使相似材料的强度性能和变形性能与岩石相似；b，力学性能稳定，不易受外界条件的影响；c，改变材料的配比，可使材料的力学性质变动较大；d，模型制作方便，凝固时间短；e，成本低，来源丰富；按上述原则认为：以石膏，水泥，石灰，高岭土，碳酸钙，作胶结物，以河砂或石英砂作骨料是合适的，有时为了视密的需要并可采用铁砂作骨
7、料。C，相似材料性能的测定石膏和水泥必须进行初凝和终凝时间的测定，水泥要测定水泥标号，石膏，石灰，高岭土，碳酸钙要进行单向抗压和抗拉强度测定，骨料，河砂和石英砂要进行级配试验是否符合规范要求，其测定方法可按建筑材料试验规程的规定进行测定。相似材料配比及力学性质的测定3gcmA，视密度的选择：一般相似材料的视密度在范围内较合适，因为视密度过大成型击实困难，视密度过小使模型材料松散不易成型。B，凝固时间的选择：相似材料的成型，必须在胶结剂初凝前完成，成型后要求在很短时间内固化，以便脱模。初凝和固化时间决定于相似材料石膏和水泥的初凝时间，显然都不符合要求，必须加缓凝剂或速凝剂以满足成型要求，一般在1
8、525min内初凝较合适，如石膏初凝78min，加入1动物胶或1硼砂，可在1520min内初凝。C，相似材料配比试验及测定结果：相似材料是一种混合物，由砂和胶结物组成，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和胶结物的比例及胶结物成份的比例，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。见表33，34，35所示。表2选择不同比例尺的相似材料的强度和变形指标范围表3砂子，水泥，石膏相似材料配比表1运用正交设计快速确定相似材料配比号1.引言在采矿工程学科中，相似模拟实验是煤矿开采室内研究的重要手段，其具有研究周期短、成本
9、低、成果形象直观等特点，可以对影响因素进行重复分析，在煤层开采过程中的岩层移动与覆岩破坏规律研究中，得到了广泛的应用1。相似模拟实验中模型材料是用与原型力学性质相似的材料，按一定比例关系铺设而成的模型，它具有原型结构的全部或主要特征。大多数试验中相似材料的选择与配比都是针对特定的原型条件，所以相似材料的选择、配比对模型材料的物理力学性质有很大影响，对模型实验的成功与否起着决定性作用2。2.存在问题通过自己参与和与同学讨论，我发现本校在相似材料模拟试验中对于材料的选择与配比存在很大的问题。在材料的选择中，一般使用石英砂、石膏和石灰按照一定的比例混合，致使材料选择过于单一，对于特殊性质的相似材料缺
10、乏研究。在材料配比号的选择中，一般根据现有的辽工大的配比表得出配比号，随着各地地质环境的差异，原有的配比标准很难符合实际需要；即使相同的配比号，运用不同地方的原料做出的模型其力学特性也具有差异。在相似材料的配比号选择中，如果通过改变单一变量的方法去试验，随着变量的增加，试验次数成几何倍数增加，无疑是一项巨大的工程。为了在较短的实验周期内为模型中各岩层找到合适的材料配比，采用正交试验设计进行配比试验，是一种方便、快捷、可靠性高的方法。3.试验过程正交试验方案下面以对煤层的相似材料配比为例，简单介绍一下如何使用正交试验设计快速确定最佳配比号的方法。设原型中煤层的单轴抗压强度为，原型与模型的几何比为
11、100，容重比为，应力比为160，模型中的单轴抗压强度为KPa3。试验中主要考虑石英砂、石灰与石膏含量比和试件含水量三个因素对试验结果的影响，在水中已添加1%的硼砂，所以C因素试件含水量也包含了硼砂的影响。参考已有的材料配比表4，合理设置三个因素的三个水平，因素水平表如表1所示。表1煤层配比试验的因素水平水平1煤层23因素A7:18:19:1B6:47:38:2C1/81/91/10试验中因素水平确定为三因素三水平，根据正交试验原则，选用L9(34)正交表，共九组试验。试验方案如表2所示。表3正交试验方案试验号ABC试验实施根据正交表安排，按照9组不同的配比进行试验。将按一定比例称量的砂子、石
12、膏、石灰和水，搅拌均匀后装入铁质模具，制作尺寸为100mm见方的试件，考虑到配比试验中操作及材料误差导致试件强度离散，同一配比试件制作3个，试件制作过程中捣实，试件表面抹平。将试件在制作完成后两天脱模，风干15天，然后进行单轴压缩试验得到单轴抗压强度。试验结果分析采用综合比较直观分析法对正交试验结果进行分析，如表3所示。计算每个因素的各个水平所对应的试验结果的均值，最小值所对应的水平即为最优水平，从而得到各个因素的最佳水平组合。如果得到的水平组合不在试验方案之中，需要增加试验，结果与原试验最佳方案比较。同时根据各水平试验结果的均值基数按各因素的极差，极差越大说明对试验影响越大。表中j、j、j分
13、别为各因素三个水平下试验结果之和，j、j、j则分别为j、j、j的均值。表3煤层模拟试验结果分析试验号jjjjjj极差ABC试验指标由表中可知，三个因素的极差大小顺序为BAC，表明石灰与石膏含量比对试验结果影响最大，而试件含水量对试验结果影响最小。通过分析可知，三因素的最优水平组合为A3B3C3，而试验方案中没有该组合，需对组合A3B3C3增加试验，其结构与试验方案中最佳组合A3B3C2比较后，选择A3B3C3为最优水平组合，最终确定煤层的配比号为982，含水量为1/10。4.结论通过例子简单介绍了运用正交试验方法准确获取岩层的相似材料配比的方法，且试验周期短，与直接查表得出试验的配比号相比，相
14、似材料更加符合与原型的相似比，有利于提高相似模拟试验的可靠性。参考文献：1刘亮亮,王海龙,刘江波,陈绍杰.低强度相似材料正交配比试验J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),XX,33(2):188-191.2李宝富,任永康,齐利伟,常垒.煤岩体的低强度相似材料正交配比试验研究J.煤炭工程,XX,4:93-95.3杨晓雨,郭保华,李振兴.物理模拟相似材料配比的正交试验研究J.煤矿现代化,XX,4:62-65.4李晓红,卢义玉,康永等.岩石力学实验模拟技术M.北京:科学出版社,XX.目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。
