巖層移動物理模擬實驗教學系統的改進與應用

張源 他旭鵬 馬陽升 孫慶富

摘要：為了滿足采礦工程專業本科實驗教學需求，針對物理相似模擬實驗教學中存在的問題，基于中國礦業大學采礦工程教學實驗室現有的物理相似模擬實驗系統，改進了原有的加載裝置，簡化了實驗流程，減輕了學生的勞動強度，提高了實驗過程的機械化程度和安全程度，取得了較好的實驗教學效果。

關鍵詞：巖層移動;相似模擬;實驗方法;加載裝置

中圖分類號：G642.41? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）49-0267-04

物理相似模擬實驗方法具有觀測周期短，易于實現，實驗結果直觀等特點，在礦山壓力與巖層移動規律等采礦工程問題的研究中具有極其重要的作用[1]。《礦山壓力與巖層控制》是采礦工程專業的核心課程，其中，采場頂板活動規律、礦壓顯現規律、巖層移動與控制、巷道礦壓規律等內容又是該課程的核心內容。這些成熟的理論是在工程實踐總結、實驗室實驗、理論分析和現場再驗證的基礎上不斷總結發展出來的，實踐性比較強，僅采用理論教學方法，學生很難理解和掌握。因此，一般還會開設相應的實驗課程來配套該課程的教學。所開設的實驗項目側重于物理相似模擬，特別是以上核心內容的實驗主要依賴于物理相似模擬方法[2]。現階段，應用于采礦工程本科生教學的物理相似模擬實驗設備種類較多，但各有優劣，如傳統的相似模擬實驗系統勞動強度大、消耗材料多，加壓時水袋容易破裂;電液伺服控制系統使用成本高，占用面積大，安全風險較高[3，4]。這都要求對現有巖層移動物理相似模擬實驗設備進行改進，以適應現階段本科生的教學任務。本文基于中國礦業大學采礦工程專業實驗室現有教學用物理相似模擬實驗裝置，通過改進壓力加載裝置，使其可以更好地適應采礦工程專業的本科實驗教學工作。

一、常見加載裝置及存在的問題

（一）重物加載

常用的模型加載方法有重物加載、液壓缸加載、氣枕或液壓枕加載等[5]。重物加載一般是采用杠桿加載方式，杠桿一端固定于墻體或實驗臺，另一端裝有配重，以不同的重塊數目及與支點不同的間距來調節加壓量[6]，如圖1所示。在實驗過程中，重物加載方式容易出現加壓偏心或杠桿因模型開采下沉而變為斜置、產生斜向推力而推倒模型;當開采深度過大時，所加載荷可能無法達到要求，同時，由于關鍵層對巖層移動的控制作用，產生的應力場與實際不符，容易導致實驗失敗。

（二）液壓缸加載

液壓缸加載通常采用液壓伺服系統控制[7]。液壓伺服剛性好，響應迅速，出力大，在大型相似模擬試驗中有廣泛的應用。但是，液壓伺服控制設備占用空間大，購置成本較高，對油缸和管路密封性能要求較高，需定期維護密封元件，同時，使用過程中泵站存在機械傳動，噪音大，泵站易漏油，安全隱患較大，不太適用于本科實驗教學。

（三）氣枕加載

氣枕或液壓枕加載[5，8]是在模型受力表面設置一排膠氣囊或者水袋，長度范圍為200—300mm，外周邊用構件封閉，利用氣壓枕和液壓枕加壓。氣壓枕的最高允許壓力一般不超過0.5MPa，金屬板液壓枕厚度方向的變形量一般不大于5mm，這在一定程度上限制了液壓枕和氣壓枕的加載性能，同時，這種方式容易發生漏氣（液）現象。氣枕加載方式如圖2所示。

二、加載裝置設計

（一）相似模擬架結構

如圖3所示，改進后的物理相似模擬試驗裝置由模型加載架，液壓加載系統兩部分組成。模型加載架主要由底座，承載梁，液壓油缸，護板，機架，連接件等部分組成。模型架有效尺寸長1.5m，寬0.2m，高0.7m，底梁，立柱采用20號槽鋼焊接而成，頂梁與立柱采用M25高強度螺栓連接。平面相似模擬實驗模型結構簡單，易于加載補償載荷，在相似模型內產生均勻應力場，實驗過程中可及時調整補償載荷以適應模型的不均勻變形，相似模擬架具有足夠的剛度，滿足相似模擬實驗教學要求。

（二）加載裝置

壓力加載裝置主要由液壓泵、進油管、回油管、兩位四通換向閥、手動控制閥門、液壓表、彈簧底座和剛性金屬柱組成。頂梁上均勻布置四個液壓油缸，采用并聯方式連接，保證油缸同時伸縮。彈簧底座由定位孔，剛性套筒，壓縮彈簧，剛性金屬片組成，如圖4所示。

四個彈簧底座均勻布置在補償鋼板上，通過剛性金屬柱與液壓油缸相連，通過彈簧彈力施加補償載荷，模擬未鋪設上覆巖層重力。液壓加載原理是：液壓泵與進油管和回油管相連，進油管與兩位四通換向閥的進油口相連，回油管與兩位四通換向閥的回油口相連，在實驗過程中，使進油管與兩位四通換向閥的進油口相通，計算所需載荷，開啟手動控制閥門，開啟液壓泵，通過彈簧底座向補償鋼板加壓，待彈力穩定在計算值時，停止加壓，開挖過程中，巖層垮落引起液壓表示數減小，需及時加壓至補償載荷，保證模擬實驗的準確性。在完成實驗需要卸壓時，調節手動控制閥門，使回油管與兩位四通換向閥的回油口相通，操作液壓泵進行卸載。

（三）載荷確定

物理模型上方補償載荷F等于模型上覆巖層重力G[5]，即

F=G=h■×L×W×g×ρ

h■=H/α■-h

式中，F為模型上方補償載荷，N;h■為模型中未鋪設上覆巖層高度，m;L為實驗架長度，m;W為實驗架寬度，m;g為重力常數，取9.81N/kg;ρ為相似材料平均密度，kg/m3;H為實驗模型原型高度，m;α■為模型幾何相似比;h為模型鋪設高度，m。

中國礦業大學采礦工程專業實驗室教學用實驗模擬架長1.5m，寬0.2m，有效高度0.7m。目前煤礦開采深度大約在500—1000m，設定模擬最大采深H為1000m。一般幾何相似比取值范圍為100—300，相似模擬試驗的材料通常采用河沙作為骨料，水泥，石膏，碳酸鈣作為粘結料[7]，取相似材料密度ρ平均為1700kg/m■，為使液壓加載設備達到最大補償載荷，幾何相似比α■取最小值100，則補償載荷F：

F=h■×L×W×g×ρ

=（1000/100-0.7）×1.5×0.2×9.81×1700/100

=47kN

經計算所加載荷為47kN，模型上方布置四個液壓油缸，則每個液壓油缸的載荷為12kN。

（四）實驗方法

改進后物理相似模擬實驗方法為：清理模擬架，安裝護板，在前后護板上刷一層油，便于實驗后期拆除護板;根據相似材料的配比方案[9]，逐層配制相似材料并鋪設，在相似煤層上方安裝位移計、應力計，便于實驗過程中測試數據，放置七天，使相似材料晾干;順序安裝補償鋼板，彈簧底座，剛性金屬柱，計算補償載荷加載所需彈力，開啟手動控制閥門、液壓泵，使液壓表示數達到計算示數，此時補償載荷通過補償鋼板均勻作用于模擬巖層;拆除模擬架下部前護板，模擬開挖，觀察開挖過程中巖層垮落和模擬巖層位移及應力變化，此時由于巖層垮落液壓表示數變小，同時補償鋼板發生傾斜，開啟液壓泵加壓至補償載荷，彈力不再均勻作用于補償鋼板，模擬實驗加載方法符合煤層回采期間頂板來壓實際情況;實驗結束后，開啟手動控制閥門卸壓，撤掉補償鋼板，彈簧底座和剛性金屬柱，收拾模擬架。

圖5為彈簧底座和剛性金屬柱的作用過程示意圖。圖5中（a）為模擬開挖之前，彈簧處于壓縮狀態，由彈簧彈力補償未鋪設上覆巖層重力。圖5中（b）為模擬開挖過程中，由于頂板巖層的垮落、上覆巖層的下沉，會導致彈簧逐漸伸張，彈力不斷減小，但不會降為零，仍然能夠提供一定的補償載荷。當模擬巖層脫離現象發生后，礦用壓力表示數下降，但不會下降為零，可以精確的了解未鋪設上覆巖層壓力變化。根據加載系統原理，使剛性金屬柱重新壓實彈簧，壓力表示數恢復至計算補償載荷，如圖5中（c）。在此過程中，壓力表示數不會突然降為零，保證了加載過程的連續性，提高了實驗精度。增加剛性金屬柱和彈簧底座的設計，組成結構簡單，造價低且使用壽命長，能更好的適應本科實驗教學任務。

三、液壓加載系統應用

以新疆哈密大南湖一礦1305工作面為對象，開展相似材料模擬實驗，研究其開采過程中的頂板應力變化及覆巖活動規律。大南湖一礦1305工作面煤層平均厚度為9.84m，煤層埋深235m左右，結合其地質條件，確定其相似模擬模型幾何比為100∶1，模型鋪設高度為0.7m，需模擬深度為235m，則模型中未鋪設的上覆巖層高度h■：

h■=H/α■-h=235/100-0.7=1.65m

可得模型需補償載荷：

F=h■×L×W×g×ρ

=1.65×1.5×0.2×9.8×1700/100

=8.2kN

根據物理相似模擬理論和模擬原則，鋪設相似材料，物理相似模型規格為1.5m×0.2×0.7m，補償載荷為8.2kN。

模型開挖之前，彈簧底座中彈簧處于壓縮狀態，通過彈力補償未鋪設上覆模擬巖層的重力，此時由于補償鋼板的存在，彈簧的彈力是均勻的作用在模擬巖層之上的。模擬開挖過程中，由于頂板巖層的垮落、鋪設的上覆巖層下沉以及關鍵層的控制作用，會使彈簧底座發生傾斜，彈簧彈力變小，液壓表的示數會減小，通過重新加注液壓油，使液壓表示數恢復至原先示數。此時，即使存在補償鋼板，彈簧的彈力不再均勻的作用于鋪設的模擬巖層。按照改進后物理相似模擬試驗架的實驗方法模擬工作面回采過程，在工作面推進的過程中，煤層上方巖層會出現彎曲下沉，此時調節手動液壓泵，使液壓表示數重新達到計算示數，對工作面回采期間采動影響的模擬效果如圖6所示。

四、結束語

物理相似模擬實驗是采礦工程專業本科實驗教學的重要內容。針對物理相似模擬實驗教學中存在的問題，在中國礦業大學采礦工程專業實驗室現有實驗設備的基礎上，本著“本質安全、設計科學、操作簡單、效果可靠”的原則，改進了原有的加載裝置，提出了一套相應的實驗方法，簡化了實驗流程，減輕了學生的勞動強度，提高了實驗過程的安全程度和實驗效率，取得了較好的實驗教學效果。

參考文獻：

[1]張建全，閆保金，廖國華.采動覆巖移動規律的相似模擬實驗研究[J].金屬礦山，2002，（8）：10-12.

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