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1 相似模型实验设计1.1模型相似比为了很好的模拟30101工作面开采过程中上覆岩层的移动变形过程及地表移动变形过程，确定合理的几何相似比是实验的首要问题。
本相似模拟实验模拟的岩层厚度为240~260m，选择1:200 几何相似比，模型高度为120~130cm，这样既可以很好的模拟上覆岩层的移动变形过程，还可以对地表移动变形过程进行模拟。
根据实验要求和相似原理，确定了模型的相似常数，具体如下（参数下标p 表示原型，下标m 表示模型）：1.2模型制作以砂、石膏、碳酸钙为相似材料制作相似岩组，主要参考实际岩组内岩石的单轴抗压强度，通过配比试验确定各相似岩组的材料配比。
相似岩组的参数及材料配比如表1所示。
另外，用可塑含砂粘土模拟第四系底部粘土，用松散的干砂铺设底部粘土以上土层。
表1 相似岩组的参数及材料配比注：加水量为占总料量的百分比具体的制作方法如下：（1）每铺设一层相似岩组时，先根据相似岩组的尺寸和材料配比，确定各相似材料的用量，并加水搅拌均匀。
（2）底板整体铺设，顶板采用分层铺设，除煤层外每层厚度不超过2cm，必要时在挡板上画出标记线，以保证厚度均匀；（3）每层需压实，层面和断层面需刮平整，并均匀地撒入云母片，以模拟结构面并保证有较好的分层（界）效果。
（4）相似岩组铺设好后，及时拆下挡板，在通风的条件下干燥完全。
（5）用可塑含砂粘土铺设第四纪底部粘土，用松散的干砂铺设底部粘土以上土层。
（6）装图像检测点。
在煤层顶板以15cm的横向间隔，5cm或10cm竖向间隔布置监测点。
测点用φ0.5mm、长为20mm的大头针将黑白相间长10mm的矩形硬纸片锚固在模型表面。
1.3模型的构建模型实验选取3m 平面应力模型架模型的设计高度为1300mm，设计模型尺寸3000×1300×200mm，基岩厚度905mm，松散层厚度370mm。
根据地质资料和岩石的力学参数，设计模型的层位分布。
实验现象和数据采用拍照、素描、测量、记录等多种方式进行采集，实验测试方法如图2所示。
1、架子的设计原则①分层：以2~3cm为宜，1~5cm之间。
关键层厚度可适当增加厚度（5~10厘米为宜）及强度配比。
若实际中出现特厚的岩层，在模型设计和堆砌时，采用相同配比下人为分层的方法，将其一分为二。
模型顶部岩层可依照实际岩层厚度，影响不大，不用分层铺设。
②强度配比：个人认为可以9：1（骨料与辅料）作为坚硬岩层与松软岩层的分界点。
沙子为骨料，石膏、腻子粉为辅料。
主料的比例影响整体岩层强度，占比越大，模拟层强度越低。
辅料中石膏，是起增强模拟层强度作用，腻子粉增强岩层韧性或弹性③晾干时间：夏天，15-20天。
冬天30天为宜。
无需完全晾干，晾干会使岩层强度增大。
期间，可采用风扇吹干，不建议采用烘烤的方式。
自然风干最好。
若烘烤或吹干，建议烤或吹背面（不照相的一面）。
吹干或烘烤，尤其是烘烤，可使烘烤部位强度、硬度变大。
④层理：相似材料中使用云母片模拟岩层层理。
片状的云母片模拟层理最为适宜。
铺撒量的控制，铺一层，以80%~100%覆盖下部煤岩层为宜。
若铺撒的少，会出现模拟层层理不明现象，层与层连成一体，两层或几层成为一个整体，强度增大，影响矿压显现。
云母片铺撒中，注意在正面紧贴槽钢边缘多撒一些，以便外观上能明显看到层理。
云母片的铺撒决定了模拟层之间层理明显与否，显著影响开挖时离层与否。
⑤锤砸程度：较薄的分层（厚度）下，锤砸的强度可稍大一点。
较厚的分层锤砸强度可相对低些。
⑥实验架两侧刷油或贴硫酸纸。
主要是为了减少模型加载时两侧的夹滞力。
⑦塑料，木块替代，增滑⑧冬天可适当减少水分在配比中的比重。
装填模型时，注意下一分层水灰（水、沙、石膏、腻子粉）混合的时机，混合后会短时间内凝结成块，不利于模型层的均质性。
应注意，在上一分层堆砌与下分层水灰混合的时机。
⑨木屑、铁屑等的使用。
木屑可以降低岩层强度与容重，增强塑性。
铁屑可以降低岩层强度，增强模拟层塑性变形，增加容重。
容重增加，在实验中可提高岩层依靠自重断裂的可能性。
相似材料模拟实验报告实验目的：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：2、相似条件确定岩断风化段厚度 10-50 砂岩未风化软岩带 60-100 110-240砂质页岩油页岩煤层段顶板泥岩煤层底板泥岩 26 26-30 煤砂岩 26 15 26 10-15 3 25-65（多30左右） 26 22 10-40 20-23 泥岩砂岩砂质页岩硬岩带 26 2626 26 6-10 12 3 10-17 主要岩石泥岩容重（kg/m3） 26 抗压强度 3-5 （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=LH/LM ,LM-模型强度，LH-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33均容重为26kg/m，，石灰，石膏，硅砂试验材料平均容重为17kg/m，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。
专利名称：一种相似材料物理模拟实验的压力盒专利类型：实用新型专利
发明人：恽启嘉
申请号：CN202122121371.3
申请日：20210903
公开号：CN215727321U
公开日：
20220201
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种相似材料物理模拟实验的压力盒，包括压力盒机盒，所述压力盒机盒外壁固定连接有数据传输线，且数据传输线的一端固定连接有仪表盘外壳，且仪表盘外壳通过数据传输线与压力盒机盒保持相连。
该相似材料物理模拟实验的压力盒，设置有翻盖在仪表盘外壳的顶部，改变了仪表盘外壳封闭式结构，且铁质圆盘通过磁石环吸附架设在仪表盘外壳的内部，便于铁质圆盘的拆卸，并设置有螺纹柱和紧固螺帽，方便了指针的安装和拆卸，改进后的压力盒便于对仪表盘进行维修，便于拆卸分解式的结构，即使内部零件出现故障，花费较少的时间即可将其进行完全拆卸，若仪表盘是在户外测量时发生故障，也可立即进行修理，不会影响测量进度。
申请人：恽启嘉
地址：225400 江苏省泰州市泰兴市泰兴镇环城东路49号1幢101室
国籍：CN
代理机构：北京天盾知识产权代理有限公司
代理人：宋凌林
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模仿环形山的实验步骤实验目的：通过模仿环形山的实验，了解环形山的形成原理以及各个阶段的特征。
实验材料：1.一盆沙土或者模拟月面表面的材料2.一块直径适中的球体，如篮球或乒乓球3.一块尺寸适中的板材4.水实验步骤：1.在沙土中心取一个小坑，直径与球体相当，深度约为球体直径的一半。
2.将球体放入坑中，球体与沙土表面接触。
3.将沙土均匀铺在球体表面，形成一个薄层。
4.用板材轻轻压实沙土，使其与球体更好地接触。
5.从高度约1m的位置，将水缓缓倒入球体中心。
6.观察实验过程中沙土表面的变化，特别是水流动对沙土的撞击和侵蚀情况。
实验结果：1.最初，水从球体薄层表面中心开始向外扩散，形成一个环状水波。
2.随着水的继续注入，环状水波扩大，水波中心逐渐向外推进，形成一个突出的环形山。
3.水流撞击沙土表面，使其逐渐溅射开来，形成撞击坑。
4.随着水流作用的继续，环形山逐渐增高，坑壁开始向外崩落，形成环形边缘。
5.当水流终止时，环形山呈现一定高度，并在中心留下一个突出的小丘。
分析与讨论：通过模仿环形山的实验，我们可以观察到类似于月球表面环形山的形成过程。
在实验过程中，沙土代表月球表面，球体代表流入的陨石，水代表冲击力。
最初的环状水波代表冲击的初始反应，逐渐形成的突出环形山代表冲击和侵蚀的结果。
在实际的月球表面，环形山的形成主要是由陨石撞击而引起的。
当陨石撞击月球表面时，产生的巨大冲击力造成表面物质向外喷射，并形成一个突出的环状岩石垝。
同时，冲击引起的能量会使环状山岭的坑壁在巨大的力量作用下崩落，并形成边缘。
除了形状和特征上的相似之处，模拟实验还可以帮助我们理解环形山形成的原理。
实验中，水流代表陨石撞击时产生的冲击波，而沙土的撞击溅射则模拟了表面物质的喷射。
通过观察实验过程中沙土的撞击坑和边缘形成，我们可以更好地理解环形山的形成机制。
总结：模仿环形山的实验可以帮助我们更直观地了解环形山的形成过程和特征。
通过实验步骤和结果的观察与分析，我们可以更好地理解环形山形成的原理，以及表面物质的撞击和侵蚀效应。
2010年《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⑴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。
⑵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⑴实验现象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。
⑵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。
①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。
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。
1.1 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H L 和M L 分别代表原型和模型长度，脚标M 表示模型，L α代表H L 和M L 的比值，称长度比尺，则几何相似要求，L α为常数。
常数==MHL L L α （1） 因面积是长度二次方，所以面积比尺为2L MH A A α＝ （2） 因体积是长度三次方，所以体积比尺为3L MH V V α＝ （3） 一般来说，模型越大，越能反映原型的实际情况，原型实际上1=L α，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100~50=L α，即原型缩小1001~501，模型巷道用50~20=L α；即原型缩小为501~201。
1.2 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H t 和M t 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t α代表H t 和M t 的比值，称为时间比尺，则运动相似要求t α为常数。
即常数===L MHt t t αα （4）1.3 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，按抓主要矛盾的观点进行分析，主要是考虑重力作用，要求重力相似设以H H H V r P ,,和M M M V r P ,,分别表示原型与模型对应部分的重力，视密度和体积，因为H H H V r P ⋅= （5）M M M V r P ⋅= (6)则：3L MH M r r P P α⋅= （7） 所以在几何相似条件下对重力相似，还要求M H r r ,的比尺r α为常数，即r α为视密度比尺。
则：常数==MHr r r α （8） 由上述三个比尺，r t L ααα,,，根据各对应量组成的物理方程式，还可推得位移，应变，应力等其它比尺L MHM H M H M H r r E E C C ασσασ⋅====（9） M H φφ= （10） M H μμ= （11）式中：M M M M M H H H H H E C E C μφσμφσ,,,,,,,,,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2.1 仪器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0.01g ，卡尺精度0.02mm ，钢尺。
石英砂，石兰，水泥，碳酸钙，可赛银，云母粉，搅拌锅，量筒。
2.2 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。
①根据煤矿地层岩石的强度和变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②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（白垩土，可赛银），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。
③相似材料配比及力学性质的测定A，视密度的选择：一般相似材料的视密度在 1.5～1.83cmg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15～25min内初凝较合适，如石膏初凝7～8min，加入1％动物胶或1％硼砂，可在15～20min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3－3，3－4，3－5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12（4）相似材料模型架的结构相似材料是装在模型架上，进行试验的，而模型架是根据研究的内容和要求设计的，研究的内容不同，可分为平面模型架和立体模型架两种，平面模型架可分为水平成层模型架和可调试角度的模型架，现在大多数采用平面模型架，架子的主体是由槽钢和角钢组成，架子两边上有孔，用以固定模板，模型架的尺寸主要决定于长度比尺L ，一般长度2－6m ，高1.5～2.5m ，宽度0.08～0.2m ，架子两边架设模板，模板用厚度用3cm 木板或金属板，因模型架的高度有限，如模拟处于较深的岩层时，不能完全靠模型材料自重，需要外力载荷，采用杠杆加压或千斤顶加压装置。
立体模型架长2m，宽1m，高度1.72m，模板用10cm高的槽钢，其模型有外加载设备装置，用油压千斤顶加载并采用杠杆加砣的方法作为稳压装置。
（5）装料架设好模板后，将材料按比例搅拌均匀倒入模型架，然后耙平、压紧，压紧程度按所需的视密度的要求。
如模拟层状岩层应分层装填，最小厚度为1cm；最大厚度为2cm。
过大使模型上密下松，过小时装填劳动量增加，一般为2cm，层间用云母粉隔离，装料前必须计算好每层的质量及分配比例。
（6）观测34模型装好后并作出相应的工程后，如巷道、采场，在模型上就会产生各种力学现象，如压力变形、破坏等，可根据实验的目的采用相应的观测仪器，对于结构和围岩位移的测定。
可用网格法、千分表法，电阻应变仪、定时照相等。
对支架压力和岩体应力的测定，通常都是通过围岩的变形或应变来间接测定，一般都是将位移变化转换成电量的变化来测量的。
3．相似材料模型设计和制作方法实例说明 3.1 制作模型的目的研究某矿 距煤层3，4，5层煤，开采后围岩移动规律 3.2 模拟条件见表3-6所示3.3 相似参数的确定模拟尺寸长L=250cm ；宽度b=16cm ；高度h=150cm ① 长度比尺：100==MHL L L α （3-12） 根据模拟条件三层煤距离45m,五层煤离地表123m ，模拟范围大致选用100=L α。
② 岩石强度比尺1801005.17.2=⨯==L M H M H αγγσσ （3-13） 式中：H γ③ 时间比尺10100====L MHt t t αα （3-14）5根据上面确定的参数可求模型上相应的量HHM L L L 01.0100==（3-15）H HM σσσ0056.0180==（3-16） H HH M t t t t 1.010100===（3-17） 模型上参数的换算见表3-7所示，采用砂子和石灰石羔相似材料配比表见表3-4。
63.4 模型的装填对每个煤层，要根据节理、层理、裂隙情况在模型上做人工裂隙。
大于2cm 厚的岩层，根据层理发展情况，可以分成0.5-2cm 厚的小分层；小于0.5cm 厚岩层成型困难，而大于2cm 厚的岩层时，造成同层上密下疏材质不均匀，由3层和4层煤的顶板是碳质页岩，节理，层理较发育其分层厚度定为1cm ，并且每层上做间距2cm 的人工裂隙，各小分层间洒以少量滑石粉或云母粉，不同分层间也要洒少量滑石粉或云母粉，以模拟自然条件的方法，根据配比号各小分层厚度及每层所需材料的体积，材料的视密度。
计算各层的各种材料的数量，按此量混合搅拌均匀，再加水后搅拌，将材料铺平。
击实至要求的厚度，从加水到压实不得超过15-20min 。
计算每层各材料数量的方法介绍如下已知配比量337，模型长L=250cm,宽度b=16cm ，每层高度h=2cm,视密度3/5.1cm g M =γ，计算各层材料的数量，先计算每层厚的总质量w 。
g h b L V W M M 60005.1216250=⨯⨯⨯=⋅⋅⋅=⋅=γγ砂子的质量砂W实验一 岩石真密度测定方法7 g W 4500436000=⨯=砂 石灰的质量石灰Wg W 450103416000=⨯⨯=石灰 石羔的质量石兰Wg W 1050107416000=⨯⨯=石兰 3.5 模型上观测仪器的设置为了测量回采工作面在回采过程中各层煤顶板和底板围岩的活动情况，在顶板岩层中设置位移的测点，设置位移传感器，在底板设置压力传感器，用应变仪测量应变，换算位移和压力。
3.6 通过模型试验可提供下列参数① 顶板初次跨落步距，周期来压步距。
② 顶板距工作面不同距离时的顶板下沉曲线。
③ 冒落带，裂隙带，弯曲下沉带的宽度和高度。
④ 估算增压区，免压区稳压区的范围。
⑤ 计算支架承受的荷载。
⑥ 观测出支承压力距工作面最大和最小距离。
⑦ 直接顶岩层跨落角，根据跨落角的大小判断是哪种类型的顶板⑧ 观察砌体梁冒落拱的形成。
