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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。
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。
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。
p0～p4的一组应变片放在第三个煤柱下，p5～p9的一组应变片放在第五个煤柱下。
p0～p4这一组应变片从开采第一个工作面到开采第四个工作面的压力变化如下图所示，由应力图1可知，在开采第一个工作面时，第三个煤柱的应力分布已发生了变化，但变化很小；当开采到第二个工作面时，第三个煤柱的压力分布又重新发生分布，较第一次分布变化要大；当开采到第三个工作面时，第三个煤柱的压力分布发生了明显的变化，靠近工作面一边的煤柱边缘已产生了塑性区，压力值已降到均值以下，只有残余强度提供支承顶板的力，第二个应变片的压力值显著增加，第三、四、五个应变片的应力值又逐渐向原岩应力值过渡，但比原岩应力值稍高；当开采到第四个工作面时第一组应变片的压力分布值又发生大的变化，出现两个峰值区，两个塑性区，压力分布图呈马鞍形。
第二组应变片置于第五个煤柱下，当回采第三个工作面时，压力分布开始发生变化，对应于每一阶段的应力曲线图和第一组的应力曲线图类似，不同的一点是第二组的应力曲线图的峰值比第一阶段的峰值稍大。
这种不同是由于每个开采条带的宽度不同而引起的（图2）。
根据模拟实验的现场观测和实验数据的分析，可以确定所留煤柱具有足够的稳定性和强度支撑顶板。
但根据应力曲线图也可以断定，就所观测的这两个煤柱都不同程度的出现了塑性区。
但就目前塑性区宽度的测量还没有很好的方法。
塑性区宽度的确定，可按照英国A.H.威尔逊分式计算。
屈服区宽度Y与开采深度H和开采厚度m有关,其关系式为：
Y=0.0049mH，最后可估算得一边塑性区的宽度为5.22m，两边的塑性区的宽度和为10.44m，核区宽度为14.36m。
12345
40.00
80.00
120.00
图1 第三个煤柱的应力分布曲线图 图例： 表示开挖第一个工作面时，第三个煤柱下的压力分布情况； 表示开挖第二个工作面时，第三个煤柱下的压力分布情况； 表示开挖第三个工作面时，第三个煤柱下的压力分布情况； 表示开挖第四个工作面时，第三个煤柱下的压力分布情况；
X 轴的1、2、3、4、5表示五个应变片的编号
1
2
3
4
5
40.00
80.00
120.00
图2 第五个煤柱的应力分布曲线图
图例： 表示开挖第三个工作面时，第五个煤柱下的压力分布情况； 表示开挖第四个工作面时，第五个煤柱下的压力分布情况； 表示开挖第五个工作面时，第五个煤柱下的压力分布情况； 表示开挖第六个工作面时，第五个煤柱下的压力分布情况；
X 轴的1、2、3、4、5表示五个应变片的编号 ② 地表沉陷分析
根据本次所测模型下沉数值，通过换算，得出地表下沉值（表2）。
表2 相似材料模拟实验地表下沉数据一览表
注：表中括号内的数据为表对应的地表测线位置
图3 模拟开挖过程中地表移动曲线
图例： 开采第三个条带工作面时地表的沉陷曲线 开采第五个条带工作面时地表的沉陷曲线 开采第八个工作面时地表的沉陷曲线
开采结束后，最终的地表的沉陷曲线
（2） 实验数据的分析
图3为动态模拟开挖过程中，地表个点的移动曲线，由图可知，地表的最大下沉值wmax=98.6mm ，wmax/2=49.3mm 所对应的点的坐标值为152m ；按照现在一般的规定，下沉值为10mm 的点，定义为边界点，该点在图上对应的坐标值为45m ；得出主要影响半径r=107m ，主要影响角正切值为：
22.2107238===
r H tg β
主要影响范围角：
66=β
最大下沉系数
022.043706.98max ===
H w η
六、 结论
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
350.00
400.00
450.00
500.00
550.00
-100.00
-90.00-80.00-70.00-60.00-50.00-40.00-30.00-20.00-10.000.00
由模拟实验的数据处理结果及成果图分析，得出如下的结论：
①地表下沉平缓，由于边开采宽度协调开采，使得地表下沉盆地平缓，且整个盆地呈
偏态分布，位于开采区边界一侧，下沉盆地怪点位置较正常情况下平缓的多，这种
情况更有利于建筑物的保护。
②最大下沉值为98.6mm（建筑物位置），这种条件下地表沉陷引起的水平变形远远小
于1mm/m，其不会引起地表建筑物的变形破坏。
③最大下沉系数为0.022；
④影响角为660，影响半径为107m。
⑤从第三、第五条带煤柱的应力分布情况分析，煤柱的应力呈平缓驼峰分布，煤柱的
最大应力不超出常规条件下的130%，煤柱的核区大于15m，表明支撑煤柱具有长期
的稳定性和足够的支撑强度。
⑥开采后，形成了自然冒落拱的高度较小，整个上覆岩层，特别是关键层比较稳定，
未出现大的变形，能够有效地控制地表变形裂缝的产生。
（完全按照该内容为优秀，部分内容可做适当删选）。
