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采场矿压相似(机械)模拟实验一、实验目的：1.验证采场推进过程中上覆岩层运动与支撑压力变化的关系。
二、实验内容：1、了解实验原理与方法。
2、演示实验。
三、实验仪器、设备：1.采场矿压机械模拟实验台。
四、实验原理：采场矿压机械模拟实验台主要由模型实验框架（如图1所示）和测控系统（如图2所示）两大部分组成。
9610图1 模型框架示意图1—控制采高升降机构2—气囊3—老顶4—加载胶囊5—反力框架6—气囊升降机构7—电磁阀8—进气总管9—框架10—压力变送器(一)、模拟实验台模型的相似比及台架几何尺寸：1、模型材料：模型材料是以聚乙烯和橡胶材料为主，以金属材料为辅的复合材料，聚乙烯和橡胶材料的比重约1克/cm3。
2、模型似条件及相似比：（1）由量刚分析原理导出实验模型的相似准则。
r C C C σ=⋅ ——（1）其中：C σ—应力比 r C —容重比 C —几何比 当C 和r C 确定后，C σ可由（1）式得出 （2）相似比确定：已知：'12r r C r == （模型物量用上标“’”表示）根据实验要求设：'150C ==所以 '1100C σσσ==3、模型几何尺寸：长×高×宽=4000×1500×30 按几何比150，可模拟现场实际尺寸为：200m ×75m ×15m (二)、模型物理场的机械模拟：1、煤层：煤层是实验中需要开采的部分。
用橡胶气囊模拟煤层，通过机械方法控制气囊的放气模拟煤层的开采（即采场工作面的推进）。
通过压力传感器可检测气囊的压力（即煤层压力）。
气囊的工作原理见图3图3 橡胶气囊工作原理图1—气源2—橡胶气囊3—按钮开关4—电磁阀5—节流阀6、压力变送器7-蓄能器2、老顶：老顶是实验中其力学结构和状态随煤层开采而变化的部分。
采用塑料、橡胶、金属材料加工成具有模拟老顶运动功能和力学结构功能的梁，如图4所示。
浅析相似模拟实验在采矿工程的应用发展摘要：本文阐述了相似模拟实验的基本概念及在采矿工程实际应用的优缺点。
并基于某矿放顶煤相似模拟实验研究的个人见解。
最后总结相似模拟实验未来在采矿工程中的发展方向。
关键词：相似模拟；采矿工程；发展方向1相似模拟实验的基本概念相似模拟实验是以相似理论、因次分析作为依据的实验室研究方法，广泛应用于水利采矿地质铁道等部门。
用与原型力学性质相似的材料按一定比例缩制成实验模型，在模型上开挖成各类工程，通过对工程过程（如长壁采场的工作面推进过程）的模拟，实验观察和研究工程围岩体的变形、移动破坏，以及作用于支护结构上力的过程就是相似模拟实验的实质[1]。
2在采矿工程实际应用中的优缺点优点：这种研究方法具有直观、简便、经济、快速以及实验周期短等优点。
而且能够根据需要，通过固定某些参数，改变另一些参数来研究巷道围岩应力和采矿工作面附近支撑压力在空间与时间上的分布规律和变化情况以及某些参数对岩体压力的影响，这在现场条件下是难以实现的[2]。
缺点：模拟实验有一定的局限性，这是因为岩体的力学性质以及地压活动规律比较复杂，完全、准确地模拟它们较难做到。
当然，模型毕竟不是原型，不可能也没有必要在一切方面都做到相似，应当根据所研究的内容确定相似条件，而相似模拟实验的成功关键在于抓住研究问题的本质，以相似理论为依据，采用先进的试验设备和严谨的科学态度，从模型实验的结果来推测在原型可能出现的力学现象[3]。
另外，目前，模拟技术还不够完善。
有些模型实验是基于某些假设上，如果在模拟研究中做了一些不当的修改，或者某些基本因素达不到相似条件，就难以由模型实验结果去推断原型可能出现的地压现象。
这样，现场实测和实验室模拟的综合研究就是非常重要。
3基于某矿放顶煤相似模拟实验研究的个人见解3.1相似模拟实验的目的及意义顶煤放出研究的辅助方法有很多种，直观又较真实反映综放工作面顶煤放出规律的方法是相似模拟试验。
国内外从事采矿科学研究的学者和专家，都非常重视相似模拟的研究，通过现场观测分析，再辅助相似模拟试验，创造性地提出了许多顶煤放出新理论和新成果，为综放开采的发展奠定了基础。
基于相似材料模拟的煤层群分组上行开采研究相似材料模拟是一种常见的工程模拟方法，常常应用于煤层群上行采矿过程的数值模拟研究中。
本文将通过对煤层群上行开采的相似材料模拟方法的研究，探索煤层群的分组开采方法，为实际生产提供参考依据。
一、研究背景近年来，随着煤矿采矿技术的不断发展，上行采矿已成为了一种常见的采矿方式。
在这种采矿方式中，煤层的上行开采通常是根据地层特征，将煤层群进行分组，然后在每个组中按照一定顺序进行上行开采。
在实际生产中，煤层群的分组开采往往需要考虑到多种因素，如煤层的结构、物理力学性质、采煤机等设备的工作状态等。
而这些因素往往是相互关联的、难以独立考虑的，因此需要进行数值模拟以辅助分析。
相似材料模拟是一种常见的数值模拟方法，其原理是选取具有相似物理性质的材料作为试验材料，通过试验得到一组数据，再将数据通过相似理论推广到实际工程中。
该方法已被广泛应用于建筑结构、地下工程等领域。
二、煤层群分组开采的相似材料模拟方法1. 材料选择煤岩是一种常见的岩层，其与煤体的性质密切相关。
因此，在煤层群上行开采的相似材料模拟中，可选取类似于煤岩的材料进行试验。
例如，可以选择硅砂和聚合物作为试验材料。
硅砂具有较高的抗压强度、硬度和良好的耐磨性，可以模拟煤层的结构，体现煤层的固结性质。
而聚合物则具有良好的可塑性和黏滞性，可以模拟煤层的流变性质。
2. 试验设计采用相似材料模拟进行煤层群分组开采的试验需要考虑到试验参数的合理性，包括试验模型的比例设计、煤层群的组数、采煤机的开采速度等。
试验模型的比例设计是衡量试验数据能否推广到实际工程的关键因素。
在煤层群分组开采的试验中，通常将试验模型比例和真实煤层的比例控制在2:1左右。
通过试验，可得到不同组煤层在不同采煤机开采速度下的采煤效率、采煤机工作状态、煤岩破碎情况等数据。
3. 数据处理和结果分析通过试验得到的数据需要进行处理和分析，以提取出有效信息。
例如，可以通过回归分析得到各组煤层在不同采煤机开采速度下的采煤效率的数据，得到最适宜的开采速度。
采矿工程相似材料及模型试验研究王展【摘要】根据某矿工程地质条件,选用河砂、石灰和石膏为相似材料,进行了相似材料力学性质配比实验和平面物理模型试验。
研究结果表明：所用相似材料能够反映原型材料力学性质;平面模型试验再现了综放工作面覆岩运动和破坏的情景,覆岩冒落过程与工程实际相符较好。
%According to the geological conditions of a mine engineering,selected the river sand,lime and gypsum as similar materials,made similar materials mechanical properties proportioning test and plane physical model test.The results showed that： the used similar materials could reflect the prototype mechanical properties,the plane model test reproduction of fully mechanized caving face overlying strata movement and failure scenarios,cover rock caving process and engineering practice accorded very good.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2011(037)032【总页数】2页(P108-109)【关键词】相似材料;配比实验;模型试验;冒落拱【作者】王展【作者单位】江苏省徐州市广播电视大学铜山分校,江苏徐州221116【正文语种】中文【中图分类】TU458.40 引言采矿工程遇到的岩体由于形成的漫长历史年代中产生的层理节理，或在工程开挖影响下，发生不同程度破裂，采用连续介质数值模型不能很好地模拟分析潜在的岩块滑动、转动，也很难进行覆岩破裂过程变化的模拟;而相似物理模型试验能较好地再现力学破裂机理等特点，在基本满足相似原理的条件下，能避开数学和力学上的困难，较真实、全面、直观、准确地反映采场岩层的破裂、冒落和移动规律，以及岩体工程的整体力学特征、变形趋势及稳定性特点，在研究综放工作面覆岩运动及破坏规律方面具有显著的优势[1-4]。
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。
第26卷第6期 辽宁工程技术大学学报 2007年12月 V ol.26 No.6 Journal of Liaoning Technical UniversityDec. 2007收稿日期：2006-05-07基金项目:国家自然科学基金资助项目（50374042）作者简介：侯殿昆（1976-），男，内蒙古 集宁人，副教授，主要从事露天采矿技术教学、设计等方面的研究。
本文编校：于永江文章编号：1008-0562(2007)06-0813-03露天矿排土场相似材料模型实验研究侯殿昆1，宗成军2，宋秀琴1（1.内蒙古科技大学 资源与安全工程学院，内蒙古 包头014010; 2. 阜新衡天矿业设备安全检测有限责任公司, 辽宁 阜新 123000）摘 要：为了对元宝山露天矿排土场边坡稳定性作出客观评价，采用相似材料模型实验的方法对排土场进行物理模拟。
结果表明：随着排土工作线发展，荷载增加，测点的位移和应力变化特征为：应力趋向负值，出现拉应力，岩体在变形，并且容易破坏，同时位移明显增大。
该结论为元宝山露天矿排土场下一步排土方案、边坡监测方案和边坡整治防滑措施的制定提供决策依据。
关键词：露天边坡；相似材料；拉应力中图分类号： TD 804 文献标识码：AStudy on similar material model experiment of open-pit mine dumpHOU Dian- kun 1，ZONG Cheng-jun 2，SUN Xiu-qin 1（1.College of Resource and Safety Engineering, Inner Mongolia Universityof Science and Technology, Baotou 014010,China;2.Fuxin Hengtian Mine Equipments Safe Test.,ltd, Fuxin 123000, China ）Abstract ：In order to make an objective evaluation of the slope stability of yuanbaoshan Open-pit Mine dump, similar material model experimental method is adopted for dump physical simulation. The results show that, with the development of dump active line and the load increase, the measuring point displacement and stress characteristics are: stress trends to negative value and tensile stress and deformation rock body appears in the rock, and the rock body easily damages, while displacement has notably increased. The conclusion provides basis for decision-making for the next dumping scheme and slope monitoring program and slope anti-slide measures. Key words ：open-pit slope ；similar material ；tensile stress0 引 言元宝山露天矿西排土场是1#、2#排土机排土场，也是目前排弃的唯一外排土场。
排弃物从上到下大致分为三个平台堆放，主要为河流冲积成因的砾石和少量粘土，未碾压。
实测排土台阶高度12～30 m ，坡面角为45°～60°。
2#排土机沿225机道向东北方向排弃，2004年开始了第二块段580～620平盘的排弃工作。
排土场沿山坡丘陵建设，地势为南高北低，地形较复杂，地形高差变化大，225机道排土机目前排弃方向与山体倾伏方向一致，现排弃区内较大的冲沟有四条，排土场基底为黄土层、N 3玄武岩。
随着排土台阶的建设和发展， 2002年4月在新移设的机头下部山体上出现了很多裂缝而且相互连通；2004年2#排土机在610水平排弃时，在排土场北部610平盘出现多条宽度、长度不等的裂缝，裂缝基本为东西方向，同时下部基底黄土层出现多条南北方向裂缝和黄土隆起，经滑坡监测，排土场有明显的下沉和向北、向东水平移动，存在大面积滑坡的可能性。
而其下方为良田和灌溉水渠，一旦发生滑坡，会造成较大损失；更重要的是排土机价值昂贵， 进口设备自重大，在作业过程中要保证其绝对安全。
如果出现滑坡，排土机损坏，修复和购进周期长，会造成露天矿停产，经济损失巨大。
为此，由平煤集团元宝山露天矿和辽宁工程技术大学合作对西排土场边坡稳定性进行专题研究，通过研究，揭示滑坡机理，对排土场边坡稳定性作出客观评价，为元宝山露天矿西排土场下一步排土方案、边坡监测方案和边坡整治防滑措施的制定提供决策依据，以达到排土机安全作业、灌溉水渠设施和农田安全之目标[1-4]。
1 相似指标 根据相似准则计算模型上相应的参数，相似模型同时满足原型的所有物理力学指标相似是很困难的，也是没有必要的，根据要解决的问题，应选取影响模型与原型的主要指标，故选用强度指辽宁工程技术大学学报 第26卷814标压应力和拉应力（间接考虑变形指标、弹性模量和泊松比）作为原型和模型相似的主要指标。
各岩土层换算指标见表1。
表1 岩层指标换算 Tab.1 conversion of rock stratum data 岩 石 强 度 模 型 强 度岩 层 名 称 H σ/MPa M σ/kPa配比号玄 武 岩113.0 324.71 337泥岩 0.126 0.48 655 粘 土 0.0180.078732 模型测试与分析元宝山露天矿排土场相似材料模型见图1，该模型排土过程根据相似准则，由225机道向右侧分5次排土，每次排土步距50 m ，倾角30°最终排土边界距P 26号钻孔10 m 。
在每次排土前后对排土场边坡进行位移和应力观测，位移和应力观测数据见表2。
表2 位移和应力观察数据Tab.2 observation data of displacement and stress排土位置 测量 数据第1次排土场距P 26号孔105cm 第2次排土场距P 26号孔80 cm 第3次排土场距P 26号孔55cm 第4次排土场距P 26号孔30cm 第5次排土场距P号孔5 cm位移/µε 0 0 89 458 1452 1# 应力/µε 0 0 -10 -54 -148 位移/µε 0 0 125 322 751 2# 应力/µε 0 0 6 24 -4 位移/µε 0 0 87 295 887 3# 应力/µε 0 0 10 104 -18 位移/µε 0 0 64 185 184 4# 应力/µε 0 12 26 245 127 位移/µε 124 395 684 ------ ------ 5# 应力/µε 25 46 88 321 384 位移/µε 68 287 ------ ------ ------- 6#应力/µε46 98 164 166 165各测点位移和应力在排土过程中的变化情况见图2和图3。
图1 元宝山露天矿排土场相似材料模型Fig.1 similar materal model of Yuanbaoshan Open-pit Mine dump应力应变值/µε 图3应力在排土场过程中的变化曲线 Fig.3 change curve of stress in the dump排土量/m 3位移应变值/µε 图2位移在排土过程中的变化曲线Fig.2 change curve of displacement in the dumping process第6期 侯殿昆，等：露天矿排土场相似材料模型实验研究 815由图2可以看出，在第1次排土后，只有6#和5#位移测点发生移动变化，第2次排土后，所有测点都发生位移变化，第4次排土后，3#、2#、1#位移测点变化趋势加剧。
由图3可以看出，在每1次排土后，6#、5#、4#应力测点发生变化。
第2次排土后，所有应力测点都发生了变化，而1#应力测点为负值，说明1#测点附近易于破坏，第5次排土后，4#、3#、2#、1#应力测点变化速率加剧，而且应力变化趋向负值，说明4#、3#、2#、1#应力测点附近易于破坏[5-6]。
由实测模型得出：当第5次排土后，在4#和3#测点之间（P26号钻孔右侧50 cm ）出现挤压破坏，见图4，在2#和1#测点之间（P18钻孔左侧2.5 cm 处）出现张拉破坏，见图5。
3 结 论通过相似材料模拟试验，揭示了随排土工作线发展，荷载增加，测点的位移和应力变化特征：应力趋向负值，出现拉应力，岩体在变形，并且容易破坏；同时位移明显增大。
当排弃至Ⅴ位置时，在排土场坡脚和P 18钻孔附近出现裂缝，并伴随有隆起现象。
模拟没有发现泥岩和玄武岩变形，没有出现整体大滑坡。
模拟结果基本上符合实际，但是，由于粉土和粉质粘土强度太小，难以找到按相似理论要求的相似材料，所以没有模拟出沿粉质粘土明显滑动的效果。
这也是今后要 研究的问题。
参考文献：[1] 黄润秋,张卓元,王士天.高边坡稳定性的系统工程地质研究[M].成都：成都电子科技大学出版社,1991.[2] 夏才初,孙宗欣.工程岩体节理力学[M].上海：同济大学出版社,2002. [3] 时卫民,叶晓明,郑颖人. 阶梯形边坡的稳定性分析[J]. 岩石力学与工程学报,2002,21(5):698-701.[4] 蒋斌松,蔡美峰,都 浩. 平面滑动边坡稳定性的解析计算[J]. 岩石力学与工程学报,2004,23(1):91-94.[5] 郑颖人,赵尚毅. 有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J]. 岩石力学与工程学报,2004,23(19):3 381-3 388.[6] 王东，袁景.边坡稳定性分析中不确定方法的评价[J].辽宁工程技术大学学报,2005,24(2):13-15.图4 挤压变形Fig.4 extruding deformation图5拉张裂缝 Fig.5 tensile fracture。
