CN104297449B - 胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种胶结节理化岩体的自然崩落法相似模型试验方法，包括：制作至少布置胶结节理的模型；在模型上设置若干位移监测标识点和若干应力应变监测点，设置监测数据获取设备对各监测点进行监测；在模型上进行模拟拉底及出矿处理过程中，通过监测数据获取设备采集模型不同位置的数据，从而确定胶结节理化岩体自然崩落的拉底和出矿关键时间。该方法适合研究具有胶结节理的自然崩落过程中对于胶结节理的发展状态、模型中不同位置应力变形特征观察和分析，能够找出节理及胶结节理发展状态及发展程度、拉底及出矿底部结构周边的应力应变与拉底时间和出矿时间的对应关系，得出直接影响现场生产的拉底关键时间和出矿关键时间的判断依据。

Description

胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验方法

技术领域

本发明涉及崩落采矿及岩石力学领域，特别是涉及一种胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验方法。

背景技术

目前的矿山相似模型试验方法主要集中于两种，一种是将岩体采用一种相似模型材料作为各项同性介质应用于试验中，这种方法能够满足煤系地层研究煤炭开采过程、矿山压力显现、岩层破断等的变化；另一种是将岩体作为一种离散介质采用鹅卵石等颗粒状块体进行模拟，主要集中于放顶煤开采、崩落法开采的放矿特性等研究。针对非煤矿山大规模高效采矿的自然崩落法涉及的研究内容较多，不仅包括了以上矿山压力、岩层破断、崩落放矿特性等，更涉及到与自然崩落特性相关的拉底和出矿关键时间的判据、胶结节理发展的过程形态等诸多国内外新兴起的自然崩落法研究的关键问题和热点问题。而目前针对矿山的模型试验方法均无法适用于对胶结节理化岩体自然崩落的相似模拟。

发明内容

基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种能准确模拟胶结节理化岩体自然崩落的胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验方法，包括：

制作至少布置两组优势节理的用于胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验的模型，所述两组优势节理中至少一组为胶结节理；

在所述模型的不同位置设置若干位移监测标识点和若干应力应变监测点，设置监测数据获取设备对所述若干位移监测标识点和若干应力应变监测点进行监测；

在所述模型上按矿山开采方式进行模拟拉底及出矿处理，所述模拟拉底及出矿处理过程中，通过所述监测数据获取设备采集所述模型不同位置的应力应变数据和不同位置的变形位移数据及所述模型的胶结节理的状态变化数据，通过所述胶结节理状态变化数据与拉底时间、不同位置的变形位移数据及不同位置的应力应变数据的对应关系，确定胶结节理化岩体自然崩落的拉底和出矿关键时间。

本发明的有益效果为：该方法既能够满足普通矿山压力模型试验方法对于矿山压力、岩层破断等连续介质情况下研究内容，也能满足离散介质下放顶煤开采、崩落法开采的放矿特性等内容的研究，关键能够满足对于节理化岩体的胶结节理的发展状态、模型中不同部位应力变形特征观察和分析，能够找出节理及胶结节理发展状态及发展程度、拉底及出矿底部结构周边的应力应变与拉底时间和出矿时间的对应关系，得出直接影响现场生产的拉底关键时间和出矿关键时间的判断依据，最终达到指导现场生产实践的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明的具体实施方式提供的相似模型试验用模型示意图；

图2为本发明的具体实施方式提供的两组胶结节理布置方式示意图；

图3为本发明的具体实施方式提供的相似模型试验加载方式示意图。

图中各标号对应的名称为：1-拉底层；2-应力应变监测点；3-位移监测标识点；4-拉底处；5-胶结节理；6-第一组胶结节理；7-第二组胶结节理。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验方法，该方法适合研究具有两组或多组优势节理且一组或多组节理为胶结节理的自然崩落过程中的胶结节理发展状态、应力变形特征、基于胶结节理打开过程与应力变形特征基础上的拉底和出矿关键时间等方面的研究，图1所示为该方法中设置模型的示意图，包括以下步骤：

制作至少布置两组优势节理的用于胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验的模型，两组优势节理中至少一组为胶结节理；

在模型的不同位置设置若干位移监测标识点和若干应力应变监测点，设置监测数据获取设备对若干位移监测标识点和若干应力应变监测点进行监测；

在模型上按矿山开采方式进行模拟拉底及出矿处理，模拟拉底及出矿处理过程中，通过监测数据获取设备采集模型不同位置的应力应变数据和不同位置的变形位移数据及模型的胶结节理的状态变化数据，通过胶结节理状态变化数据与拉底时间、不同位置的变形位移数据及不同位置的应力应变数据的对应关系，确定胶结节理化岩体自然崩落的拉底和出矿关键时间。

上述方法中，在模型的不同位置设置若干位移监测标识点和若干应力应变监测点为：以均匀阵列分布与局部加密结合的方式设置若干位移监测标识点和若干应力应变监测点，局部加密为模型上重要研究区域设置的若干位移监测标识点和若干应力应变监测点的密度大于其他区域设置的若干位移监测标识点和若干应力应变监测点的密度，是要加强对于重要研究区域的加密观察和监测，避免部分数据没有监测到对拉底及出矿的时间的判断产生不利影响；其中，各位移监测标识点均采用标识定位的位移监测标识点，可以方便通过图像采集设备动态捕捉。

上述方法中，设置监测数据获取设备对若干位移监测标识点和若干应力应变监测点进行监测包括：

设置静态应变仪与若干应力应变监测点连接，对各应力应变监测点进行监测；优选的，静态应变仪可在试验全过程中定时对各应力应变监测点进行监测。

设置图像采集系统对各位移监测标识点进行动态捕捉；优选的，可采用高速图像DVR采集系统在试验全程进行连续不间断动态捕捉监测。

上述方法的数据采集可以是：按矿山的开采方式模拟进行间断性拉底及出矿处理过程中，通过静态应变仪监测及采集试验过程中应力应变数据，以及采用高速图像DVR采集系统捕捉模型不同部位位移监测标识点的变形及模型中胶结节理、微裂隙的发展状态，获取试验过程中的胶结节理及微裂隙打开发展状态与拉底时间、模型移动变形、应力应变所采集数据的一一对应关系，该对应关系可作为确定自然崩落拉底和出矿的关键时间的判据，通过综合分析这种对应关系得出自然崩落拉底和出矿的关键时间。

上述试验方法中，制作至少布置两组优势节理的用于胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验的模型包括：

铺设打底层，在打底层一侧安装背板，在打底层上依靠背板分层安装若干菱形块体和菱形石膏块体，各菱形石膏块体用于黏贴电阻应变片作为应力应变监测点；

在安装的菱形块体中至少布置两组优势节理，在其中至少一组优势节理处的菱形块体之间进行胶结节理混合液浇结形成胶结节理(设置胶结节理的形式如图2所示)；

全部菱形块体安装后形成按设计尺寸的初始模型，在初始模型顶部边界处的菱形块体上铺设找平层，待找平层强度稳定后，分别在找平层顶部和侧向施加压力(施加压力可以采用千斤顶，施加压力的值可以根据模型所模拟的实测地应力确定，具体施加压力的方式可参见图3)，使全部菱形块体压实形成用于胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验的模型。

上述试验方法中，铺设打底层的材料或铺设找平层的材料均为由砂子、石膏、石灰和水配制而成的材料；

菱形块体为由砂子、石膏和水混合而成的材料按照强度相似比要求制作而成；

菱形石膏块体为由石膏和水混合而成的材料制作成的纯石膏菱形块体；

胶结节理混合液为由石膏、细云母粉和水配制而成的混合液。

上述试验方法中，铺设打底层的材料或铺设找平层的材料中，砂子、石膏与石灰的重量配比为7.5：5：5，水的用量为砂子、石膏和石灰总重量的14.7％；

制作菱形块体的材料中，砂子与石膏的重量配比为6：1，水的用量为砂子和石膏总重量的20％；

制作菱形石膏块体的材料中，石膏与水的重量用量为2：1；

胶结节理混合液中，石膏与细云母粉的重量配比为2：1，水的用量为石膏与细云母粉总重量的100％。

上述试验方法中，菱形块体和菱形石膏块体通过以下方式制成，包括：

采用预制模具，将制作菱形块体的材料或菱形石膏块体的材料在预制模具中作出菱形块，从预制模具脱模后风干即得到菱形块体或菱形石膏块体。优选的，可采用5mm厚的PVC板制成的预制模具制作菱形块体和菱形石膏块体。

上述试验方法中，模型制作的菱形块体和菱形石膏块体安装过程中，不断加高背板，待找平层强度稳定后，分别在顶板和侧向采用千斤顶分多次多级别间断性施加压力，使各菱形块体和菱形石膏块体形成的模型压实，各菱形块体和菱形石膏块体之间产生应力，模拟实际的应力状况。

上述试验方法中，在菱形石膏块体上黏贴电阻应变片作为应力应变监测点，具体做法为：

将制作成的菱形石膏块体从中间锯成两块菱形石膏块体，将两块菱形石膏块体的锯开面打磨平整；在其中一块菱形石膏块体的锯开面均匀涂抹粘结剂后，在该锯开面的横向和竖向分别黏贴电阻应变片并干燥；用粘结剂将锯开的两块菱形石膏块体经锯开面重新粘结成一块菱形石膏块体，即完成在菱形石膏块体上黏贴电阻应变片作为应力应变监测点的过程。

本发明提供的试验方法，在具有两组或多组优势节理且一组或多组节理为胶结节理的节理化岩体中采用自然崩落法进行地下开采过程中，对于胶结节理的发展状态、模型中不同部位应力变形特征观察和分析的研究手段，能够找出节理及胶结节理发展状态及发展程度、拉底及出矿底部结构周边的应力应变与拉底时间和出矿时间的对应关系，得出对现场生产产生直接影响的拉底关键时间和出矿关键时间的判断依据，达到指导现场生产实践的目的，从而解决了非煤矿山胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验中的胶结节理发展过程状态与自然崩落特性相关的拉底和出矿关键时间判据等的技术难题。

针对目前节理化岩体尤其是含有泥质较多的胶结节理矿体采用自然崩落法无法准确及时判断拉底时间、出矿时间等关键问题，按照相似模型试验的几何、容重及应力相似比等条件，根据现场工程地质调查及地应力实测结果，制作基于节理化岩体强度的相似模型试验试块，采用石膏细云母粉混合液模拟胶结节理，采用不同吨位的千斤施加顶部竖向及侧向水平荷载，模拟现场实测地应力。根据类似矿山的开采经验，进行间断性拉底、出矿。

的胶结节理化岩体的自然崩落法相似模型试验方法中，实现准确及时判断拉底时间和出矿时间的就必须进行必要的监测。模拟试验中，采用在拉底层上覆不同层位和底部结构不同部位布置电阻应变片的方式监测拉底过程中的应力变化、采用高速图像DVR采集系统和设定标识点自动测量捕捉不同部位的变形和胶结节理、裂隙的发展状态。

下面结合具体实施例对本发明的方法作进一步说明。

本实施例的胶结节理化岩体的自然崩落法相似模型试验方法，所用的模型如图1所示，根据模拟矿山岩体的实际几何形态，该模型与矿山岩体的几何相似比为1：400，相似模型试验的模拟范围为1376m×608m，采用的相似模型尺寸为3440mm×1520mm，在模型厚度方向上(25cm)模拟范围为100m，该模型中综合布置两组优势节理面，皆为胶结节理，节理的布置及切割后的块体形态如图2所示。

(1)该相似模型试验所用的模型制作过程包括了大量菱形块体(胶结节理切割后的块体)的制作、风干、修理、菱形石膏块体(尺寸同胶结节理切割后的矿体大小，应用于应变监测)制作、黏贴电阻应变片、打底层铺设、安装菱形块体、胶结节理混合液浇结、找平层铺设及侧向顶部压力施加的过程。

(2)菱形块体可采用5mm厚的PVC板根据节理的布置方式应用预制模具按照强度相似比要求采用砂子、石膏和水(其中，砂子与石膏的重量配比为6：1，水用量为砂子和石膏总重量的20％)批量制作、风干、修理后逐个铺设；模拟胶结节理的混合液采用石膏、细云母粉和水按比例配制(其中，石膏与细云母粉的重量配比为2：1，水用量为石膏和细云母粉总重量的100％)，配制比例根据现场取样的胶结节理室内弱面剪切试验结果确定；下部打底层和上部找平层采用砂子、石膏、石灰和水按一定重量配比(其中，砂子、石膏与石灰的重量配比为7.5：5：5，水用量为砂子、石膏和石灰总重量的14.7％)捣和均匀后铺设而成。

(3)在安装菱形块体过程中，要不断加高背板，待找平层强度稳定后，分别在顶部和侧向采用千斤顶施加压力，压力要分次、多次、多级别、间断性施加，以使压力能够不断、均匀、有效传到模型中部区域(最终施加的压力值如图3所示)。

(4)采用同样的方法制作用于安装电阻应变片的纯石膏制成的菱形石膏块体(其中，石膏与水的重量配比为2：1)，将菱形石膏块体从中间锯成两块菱形石膏块体，将锯开面采用砂纸打磨平整后，在其中一块菱形石膏块体的锯开面涂抹均匀914粘结剂，分别在该锯开面的横向和竖向上黏贴上电阻应变片晾干后，将两块菱形石膏块体采用914粘结剂按锯开面重新粘结在一起组成标准大小的菱形石膏块体，即完成应力应变监测点的设置，以此监测试验过程中的应力应变随着拉底工程和矿体自然崩落的变化情况。

(5)在模型的不同位置布置位移监测标识点，位移监测标识点采用标识点的方式进行标识定位。

(6)采用静态应变仪自动监测模型上的各应力应变监测点，来采集试验过程中模型不同位置的应力应变数据；采用高速图像DVR采集系统自动监测各位移监测标识点，来精准捕捉不同位置的变形及模型中胶结节理、微裂隙的发展状态。

本发明的方法既能够满足普通矿山压力模型试验方法对于矿山压力、岩层破断等连续介质情况下研究内容，也能满足离散介质下放顶煤开采、崩落法开采的放矿特性等内容的研究，关键能够满足对于节理化岩体的胶结节理的发展状态、模型中不同部位应力变形特征观察和分析，能够找出节理及胶结节理发展状态及发展程度、拉底及出矿底部结构周边的应力应变与拉底时间和出矿时间的对应关系，得出直接影响现场生产的拉底关键时间和出矿关键时间的判断依据，最终达到指导现场生产实践的目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验方法，其特征在于，包括：

制作至少布置两组优势节理的用于胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验的模型，所述两组优势节理中至少一组为胶结节理；

在所述模型的不同位置设置若干位移监测标识点和若干应力应变监测点，设置监测数据获取设备对所述若干位移监测标识点和若干应力应变监测点进行监测；

在所述模型上按矿山开采方式进行模拟拉底及出矿处理，所述模拟拉底及出矿处理过程中，通过所述监测数据获取设备采集所述模型不同位置的应力应变数据和不同位置的变形位移数据及所述模型的胶结节理的状态变化数据，通过所述胶结节理状态变化数据与拉底时间、不同位置的变形位移数据及不同位置的应力应变数据的对应关系，确定胶结节理化岩体自然崩落的拉底和出矿关键时间。

2.根据权利要求1所述的胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验方法，其特征在于，所述在所述模型的不同位置设置若干位移监测标识点和若干应力应变监测点为：

以均匀阵列分布与局部加密结合的方式设置若干位移监测标识点和若干应力应变监测点；

其中，所述各位移监测标识点均采用标识定位的位移监测标识点。

3.根据权利要求1或2所述的胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验方法，其特征在于，所述设置监测数据获取设备对所述若干位移监测标识点和若干应力应变监测点进行监测包括：

设置静态应变仪与所述若干应力应变监测点连接，对所述各应力应变监测点进行监测；

设置图像采集系统对所述各位移监测标识点进行动态捕捉。

4.根据权利要求1或2所述的胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验方法，其特征在于，所述制作至少布置两组优势节理的用于胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验的模型包括：

铺设打底层，在所述打底层一侧安装背板，在所述打底层上依靠所述背板分层安装若干菱形块体和菱形石膏块体，所述各菱形石膏块体用于黏贴电阻应变片作为应力应变监测点；所述菱形块体为由砂子、石膏和水混合而成的材料按照强度相似比要求制作而成；所述菱形石膏块体为由石膏和水混合而成的材料制作成的纯石膏菱形块体；

在安装的所述菱形块体中至少布置两组优势节理，在其中至少一组优势节理处的菱形块体之间进行胶结节理混合液浇结形成胶结节理；

全部菱形块体和全部菱形石膏块体安装后形成按设计尺寸的初始模型，在所述初始模型顶部边界处的菱形块体上铺设找平层，待所述找平层强度稳定后，分别在所述找平层顶部和侧向施加压力，使全部菱形块体和全部菱形石膏块体压实形成用于胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验的模型。

5.根据权利要求4所述的胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验方法，其特征在于，所述铺设打底层的材料或铺设找平层的材料均为由砂子、石膏、石灰和水配制而成的材料；

所述胶结节理混合液为由石膏、细云母粉和水配制而成的混合液。

6.根据权利要求5所述的胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验方法，其特征在于，所述铺设打底层的材料或铺设找平层的材料中，砂子、石膏与石灰的重量配比为7.5：5：5，水的用量为所述砂子、石膏和石灰总重量的14.7％；

所述胶结节理混合液中，石膏与细云母粉的重量配比为2：1，水的用量为所述石膏与细云母粉总重量的100％。

7.根据权利要求4所述的胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验方法，其特征在于，所述制作菱形块体的材料中，砂子与石膏的重量配比为6：1，水的用量为所述砂子和石膏总重量的20％；

所述制作菱形石膏块体的材料中，石膏与水的重量配比2：1。

8.根据权利要求4所述的胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验方法，其特征在于，所述菱形块体与菱形石膏块体通过以下方式制备，包括：

采用预制模具，将制作菱形块体的材料或菱形石膏块体的材料在所述预制模具中作出菱形块，从所述预制模具脱模后风干即得到菱形块体或菱形石膏块体。

9.根据权利要求4所述的胶结节理化岩体自然崩落法相似模型试验方法，其特征在于，在菱形石膏块体上黏贴电阻应变片作为应力应变监测点为：

将制作成的菱形石膏块体从中间锯成两块菱形石膏块体，将所述两块菱形石膏块体的锯开面打磨平整；

在其中一块菱形石膏块体的锯开面均匀涂抹粘结剂后，在该锯开面的横向和竖向分别黏贴电阻应变片并干燥；

用所述粘结剂将锯开的两块菱形石膏块体经锯开面重新粘结成一块菱形石膏块体，即完成在菱形石膏块体上黏贴电阻应变片作为应力应变监测点的过程。