矿山压力及其控制实验Word下载.docx
《矿山压力及其控制实验Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《矿山压力及其控制实验Word下载.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
条件2：
凡属相似现象，都可以用同一个基本方程式描述，即模型与原型之间各对应量物理量成一定的比例关系。
相似第二定律：
认为约束两相似现象的基本物理方程可以用量纲分析的方法转换成用相似判据Ⅱ方程来表达的新方程，即转换成Ⅱ方程。
两个相似系统的Ⅱ方程必须相同。
该定律更加广泛地概括了两个系统的相似条件。
相似第三定律：
认为对于同类物理现象，如果单值量相似，而且由单值量所组成的相似判断在数值上相等，现象才互相相似。
该定律解答了怎样才能使现象互相相似。
所谓单值量是指单值条件下的物理量，而单值条件是将一个个别现象从同类现象中区分出来。
亦即将现象的通解变成特解的具体条件。
而单值条件包括：
几何条件、介质条件、边界条件和初始条件、现象的各种物理量实质上都是由单值条件引出的。
主导相似判据是指在系统中具有重要意义的物理常数和几何性质所组成的判据。
依据相似理论，可以利用相似材料进行相似材料模拟实验研究。
相似材料模型法的实质是：
用与原型力学性质相似的材料按照几何相似常数缩制成模型。
相似材料模型依其相似程度的不同分为两种：
一种是定性模型（也称为原理模拟或机制模拟）。
主要目的是通过模型定性地判断原型中发生某种现象的本质或机理；
或者通过若干模型了解某一因素对井下所产生的某种典型地压现象的影响。
另一种是定量模型。
要求主要的物理量都尽量满足相似常数与相似判据。
根据定量模型相似理论，要使模型与实体原型相似，必须满足各对应量成一定比例关系及各对应量所组成的数学物理方程相同。
具体在矿山压力方面的应用，要保证模型和实体在以下三个方面相似。
（1）几何相似：
要求模型与原型各部分的尺寸应按同样的比例尺缩小或放大，保持几何形状相似，为此需满足长度比为常数，即满足：
αL＝
式中，αL——长度比；
L——广义长度；
H——实体；
M——模型。
（2）运动相似。
要求模型与实体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。
所以，要求时间比为常数，即满足：
式中，
——时间比；
——实体运动时间；
——模型运动时间。
（3）动力相似。
要求模型和实体的所有作用力都相似。
首先容重比为常数，即满足：
——容重比；
——实体材料容重；
——模型材料容重。
在重力和内部应力作用下，岩石的变形和破坏过程中的主导相似准则为：
各相似常数间满足下列关系：
——分别为实体和模型的应力；
——应力相似常数。
三、实验设备
主要设备有三维相似模拟实验台、二维相似模拟实验台、散体相似模拟实验台等。
直接顶岩层
煤层
模型架
图1散体相似模拟实验台
图2二维相似模拟实验台（正面）
图3二维相似模拟实验台（背面，可见位移测量仪器）
图4三维相似模拟实验台（左侧为压力控制台）
四、实验内容
相似材料模拟实验的主要用途、方法
相似材料模拟试验的原理
相似材料的组成
模拟岩层的非连续面（如断层、层理、节理等）的方法
相似材料模拟实验的基本步骤、数据采集方法
实验基本步骤如下：
1、散体放矿试验
（1）试验材料的选择：
按照几何相似的理论，应选择合理尺寸的散体颗粒，用以模拟放矿的过程。
（2）散体模型的铺设：
根据所模拟的原型，按照设计的相似比关系，铺设模型，包括需要放出的矿层及相应的顶板岩石。
铺设过程中，应铺设一定数量的标志层，或布置标志点。
（3）放矿试验及数据采集：
按照放矿试验的顺序进行放矿，主要纪录顶板岩石与矿层分界面的变化过程，了解伪顶、直接顶岩层破坏、垮落、冒落、运移的发展过程。
试验过程中应进行相应的素描或使用数码相机采集影像数据。
2、固体相似材料模拟试验
按照几何相似的理论，应选择合理的相似材料（包括骨料、胶结物等），确定合理的水灰比。
（2）试验仪器的准备：
根据需要观测的内容，准备相应的压力、位移传感器和水准、经委观测仪器。
（3）模型的铺设：
根据不同岩层的基本条件，按照对应的相似关系，由煤层底板、煤层、顶板岩层的顺序，依次铺设模型；
铺设过程中，根据预先设计的方案，布置相应的传感器。
（4）数据采集系统的连接：
由指导教师介绍数据采集系统与传感器的连接及使用方法。
（5）模型开挖与数据采集：
按照预先设计的程序，在模型中进行开挖工作；
每步开挖后进行数据采集工作。
五、实验注意项
1）试验在实验室指导老师的帮助下完成，需要提前申请；
2）实验中注意保护测量仪器设备，防止损坏；
3）使用完毕后要进行必要的清理维护。
六、思考题
1）影响相似材料强度的主要因素是什么？
2）模拟岩层的非连续面的方法是什么？
3）相似材料模拟实验数据采集方法是哪些？
七、实验报告
阐述相似材料模拟实验的主要用途、方法及原理，叙述相似材料的组成及实验步骤，记录实验结果。
实验二矿压观测仪器仪表的使用
了解现场矿压观测的主要内容
掌握现场所使用主要矿压观测仪器、仪表的使用方法
1）圆图压力记录仪的工作原理
圆图压力记录仪是由测量机构和记录机构两部分组成，当被测介质进入测量机构的弹簧管后，使弹簧管自由端产生位移，经传送放大后，带动记录笔录，沿记录纸半径方向摆动，从而指示出压力值，并通过记录笔，在记录纸上做出记载，记录情况纸固定在托盘上，同钟表机构驱动，每24小时旋转一周，因此当记录笔在记录纸上所示压力值的同时，记录纸在圆周方向已指示出时间值。
2）压力传感器工作原理
压力传感器工作原理：
用于流体（液体、气体）压力测量。
膜片与固定极板相互绝缘，形成一个电容；
压力作用使得膜片产生变形；
变形使得膜片与极板之间距离变化，从而导致电容容量变化；
测量电容容量，由电容－压力曲线得到压力值。
3）声波探测原理
巷道围岩松动圈测试采用北京智博联科技公司生产的U510非金属超声波探测仪。
仪器应用于煤体（煤块）测试，通过对被测煤体（煤块）声波参数的测试，可以对煤体（煤块）内部结构进行分析，判断煤体（煤块）内部破坏情况。
4）位移计原理
在相似模拟实验可以通过位移计（如图1所示）或在模拟试验台前方布设电子经纬仪进行测量。
通常将位移计布设在重点研究位置，如巷道顶底板及两帮、采场上覆岩层（直接顶、老顶以及关键层）等。
工作面的回采，巷道围岩以及采场上覆岩层会产生垂直或水平位移，此时布设在上述位置的位移计将会产生位移电信号，通过输入计算机输出位移结果，此方法可进行实时监测，精确度高。
通过布设电子经纬仪也可以对模型位置进行位移观测。
通常随着采矿工作的进行，每隔一定时间对重点位置进行观测，通常由两人完成，一人观测一人记录。
该方法的优点是能对多点和大位移进行观测，缺点是工作量大，精度稍低。
设模型观测如图1所示，点C、D、E、F设在模型架的左右两侧的固定架上，这些点不受开采影响，相当于固定点。
在地面的A点安设电子经纬仪，B点为电子经纬仪的中心位置，以B点垂直于模型的平面为基中平面，来观测点C、D、E、F的水平角和垂直角，并且测量出线段CD、CF的距离，CD=EF，DE=CF，以这些数据作为观测任意点G的起算数据。
图1模型观测示意图
设AC、AD和AF、AE在基中面的投影距离分别为L1和L2，L1和L2的水平夹角为α。
任意点G到A点的水平投影距离为L，L于L1的水平夹角为α1，与L2的水平夹角为α2，距CD边的水平投影距离为lx，距离C点的垂直距离为hx。
为了便于观测和推导公式的方便，把该基中平面的投影平移到地面，现来推导水平位移和垂直位移的计算公式。
图2计算原理图
如图2所示，若C、D点观测的垂直角分别为
和
，C、D点之间的垂直高度为H0，则有：
（1-1）
（1-2）
∴
（1-3）
同理，若E、F点观测的垂直角分别为
，由于在设置固定点时要求C、F和D、E点须精确在同一水平上且间距都等于l，E、F点之间的垂直高度也为H0,所以有：
（1-4）
（1-5）
模型内任一点B，其水平角观测值为
、
，垂直角为
，则根据三角正弦定理有：
（1-6）
，
所以有任意点G距点A的水平距离lx为：
（1-7）
又
或
由此可得任意点G距离A的垂直距离为
为：
（1-8）
通过观测计算模拟开采前B点的
，即可得到B点的下沉量
和水平移动量
：
（1-9）
根据上述分析可知，固定点C、D点和E、F点必须处于同一铅垂线上，且C、F点和D、E点处于同一水平高度上，所以设置固定点时，必须用经纬仪和水准仪进行布设，并精确量C、D点和E、F点之间的距离H0，以及C、F点和D、E点之间的距离l。
设置好后，用经纬仪精确测定其竖直角
以及水平角
。
1）支架工作阻力观测
图3圆图自记仪
记录笔
记录纸
乳化液阀
防爆壳
图4圆图自记仪面板
2）支承压力观测
内注式
外注式
压力表
图5油压枕：
用于巷道观测超前支承压力
图6应变片：
用于相似模拟实验时应变、应力变化测量
传感器接口
压力盒传感器
图7压力传感器（压力盒）：
用于相似模拟实验时观测压力变化
3）围岩松动圈测量
图8声波探测仪（左侧为主机，右侧为声波探头）：
用于巷道围岩支护的现场观测
4）位移观测
图9位移计
本实验演示各项仪器的操作使用方法。
（1）圆图压力记录仪的使用方法
1仪表适用于环境温度5~50oC相对湿度30~90﹪的无腐蚀性气体的场合；
2仪表校验温度为20±
5oC当使用温度偏离校验湿度10oC时，允许增加差0.25﹪；
3仪表安装方式为墙装式，应距地面高约1.5米，以便读数与操作；
4被测介质若有杂物时，仪表应加装附加一过滤网；
5门锁开启与锁闭：
钥匙按逆时针方向转动即为打开，上锁时按顺时针方向转动尘盖壳扣紧；
6更换记录笔头：
应手握笔架，用小螺丝刀插入笔架与笔头之间，然后轻轻将笔头翘起，将笔头从笔架上拔出，将新笔头插入圆孔即可，1只笔头可使用两年；
7安装记录纸：
旋出记录纸压螺母，将记录纸插入托纸盘的三个导纸压片内，使记录纸同心套入机芯时间输出轴，安装和略旋紧压纸螺母进行对时，对时时先把记录纸顺时针方向转到超过标准时间的1.5~2小时处，再逆时针方向转动使笔尖记录位置精确地对准记录纸0刻度，随后旋紧压纸螺母；
8记录笔对记录纸的压力可以用记录笔上的滚花螺母调节，此压力不宜过大，以记录笔在刻度纸上能画出清晰的线条为准；
9检查记录笔压力批示零位，如未对准零位，可先调节记录笔上的粗调零螺钉使其粗略对零；
然后调节精调零螺钉精确对零；
10仪器调节完毕，打开机芯电源形状有钟表走动声即开始记录工作，合上仪器盖并锁紧。
（2）支承压力的测量方法主要有：
油压枕—单体支柱测量法和工作面前方煤壁埋设液压枕法。
1）压力传感器的铺设、安装方法
1测站设置原则
a）测站设置范围应包括初次来压和2～3次周期来压的开采时期，便于对顶板活动来压规律的研究；
b）每个测站应能观测2~3次不同时期的周期来压，以便观测结果有一定的广度；
c）各测站所观测的范围应有一定的连续性，以便研究规律的系统性；
d）统计性的观测在时间上和数量上要有足够的代表性。
2测站布置
图10为综采工作面超前支承压力观测测站布置示意图。
图10工作面超前支承压力观测测站布置示意图
2）压力传感器的数据采集、分析
随着工作面的推进，工作面每推进一定距离对液压枕的读数进行一次观测，并做好记录，经过数据统计、处理得出工作面超前压力的变化。
（3）声波探测围岩松动圈的方法
1）钻进测量孔：
可用普通煤帮锚杆钻机（煤电钻）钻进φ40mm钻孔。
钻孔打在腰线位置，钻孔方位向下有一定的下扎角。
孔深一般不小于3m。
2）清孔与充水：
将钻孔内煤粉、钻渣清理干净，通过测试探头配套的可接长铜管将测试探头送入孔底，然后将充水管送入钻孔充水。
3）测试过程：
钻孔内充满水后，调整阀门，使钻孔内保持满水状态，然后缓慢均匀的拉动可接长铜杆，拉出探头。
随探头拉出，每隔10cm读数一次。
随着钻头在钻孔的位置不同，即距巷帮深度不同，由于煤体应力水平和受到的破坏程度不同，测试仪上的读数随之变化。
图11测孔布置平剖面图
（4）现场巷道位移观测方法、主要观测仪器——动态仪、离层仪
1）巷道表面收敛及收敛速度观测内容和目的
巷道表面收敛观测包括巷道两帮收敛量及其收敛速度、顶板下沉量及其下沉速度等。
根据测量结果，可以分析巷道周边相对位移变化速度、变化量及与工作面的位置关系、与掘巷时间的关系，可以得到周边的最终位移，从而判断巷道的支护效果和围岩的稳定状况，为完善巷道支护参数提供依据。
2）测量断面布置
所测工作面回采巷道表面收敛及收敛速度各测站测量断面如图12所示。
图12巷道表面收敛测量断面图
3）测量参数
根据监测目标，在每次观测时，使用钢圈尺都要测量各测点的AC、BD、AB和AD四个参数值并做好记录，并填写在表格一中。
4）测点设置
在每个测站内设置四个木桩基点，其中两个基点在顶板中点和底板中点，另外两个基点在两帮的拱肩上，8个测站共需木桩数量32个。
每个测站内的4个木桩基点设置完成后，立即使用钢圈尺测量AC、BD、AB和AD初读数，同时将测量数据准确地填写在观测表4（巷道表面收敛及收敛速度观测表）上，回采巷道测点设置和木桩尺寸见图13。
图13回采巷道测点设置及木桩基点尺寸图
5）巷道表面收敛观测仪器
用于巷道表面收敛量和收敛速度观测的仪器有：
KHC测杆、测枪、DYS顶底板收敛速度仪。
6）观测频度及要求
测站距掘进头50m之内每天观测一次，其余每周观测一次；
测站距回采工作面50m之内每天观测2次，其余每天观测一次。
每次测量时除准确测量AC、BD、AB和AD数据外，还须按表2要求填写其它数据和内容。
若巷道出现特殊情况，应及时汇报并素描巷道的状况。
7）测量数据表格填写
按照监测方法、观测频度及要求，认真做好测量工作并将测量结果填在预先制好的巷道表面收敛和收敛速度观测表（见表1）中。
表1巷道表面收敛及收敛速度观测表
时间：
年月日班时分距离：
参数
测站号
AC
BD
AB
AD
备注
No.1
No.2
注：
每次测量之前准确填写各测量值，同时准确填写测量时间及第一测站（相对于回采工作面）与回采工作面的距离。
距离单位：
m；
测量参数单位：
cm；
班别：
早、中、晚班。
1）实验完成后，应将仪器收好；
2）尝试使用时不得损坏仪器。
1）声波探测原理是什么？
2）压力传感器的铺设和安装方法是什么？
3）什么是支架工作阻力？
阐述现场矿压观测的主要内容及现场所使用主要矿压观测仪器、仪表的使用方法。
升级会员 