CN104458309A - 一种用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于物理模拟实验中的相似材料配比的综合确定方法，包括：1)选取典型性质岩层的物理相似材料，按照骨料、胶结材料和添加剂的不同配比，分别制作出系列物理相似材料，建立数据库；2)选定物理模拟实验架型，确定物理相似材料类型和相似比例；3)确定物理模拟实验模型各个模拟岩层力学参数；4)确定物理模拟实验模型各种类、配比及详细消耗量；5)生成物理相似材料配比方案进行实验模型铺装；6)按照物理模拟实验方案进行室内实验，评价数值分析，修正物理配比方案，建立各个矿区地层物理相似材料配比数据库。方法步骤简单、规范合理且简单易行，能有效改善实验中规范性较差、定性分析多、精确度不够、可重复性差的情况。

Description

一种用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法

技术领域

本发明涉及一种用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，特别适用于煤矿开采领域内物理相似模拟实验方法，属于矿山灾害防治领域。

背景技术

物理相似材料模拟实验是我国煤矿开采和矿山岩层控制技术研究和工程应用的重要方法之一。其实质是：采用与原型(岩体、大坝或其它工程构筑物)力学性质相似的材料按照几何相似的一定的比例缩制成实验模型，在模型上人工开挖成各类地下工程结构，如矿山巷道和硐室、长壁工作面采场等。具体在矿山压力与岩层控制方面的应用，是通过观察实验模型和研究工程围岩体的变形、移动和破坏等力学现象，以及作用于支护结构上的力，来实现地下工程结构、煤矿开采围岩结构变形和破坏机制。由于物理相似模拟方法具有成熟的相似理论基础，在真实反映地下工程结构的空间关系、施工工艺、荷载的作用方式及时间效应、围岩稳定性状况、再现工程结构体真实受力、变形、破坏全过程方面均具有不可替代的独特优势，且能直观、动态地模拟整个系统从弹性、弹塑性直到破坏失稳的发生发展全过程，至今仍然成为煤矿开采领域内地下工程稳定性分析的主要方法之一。

但是与近年来发展迅速的计算机数值方法相比，物理模拟方法在相似材料类型选择、实验准确性、可重复性等方面的发展存在一定的不足，给这种方法的进一步发展提出了更高的要求。

发明内容

为了进一步改善现在物理相似模拟实验方法中规范性较差、定性分析多、精确度不够、可重复性差的情况，本发明提供一种用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，可有利于实现物理相似模拟实验的准确预测和可重复性。

本发明采用的技术方案是：

一种用于物理模拟实验中的相似材料配比的确定方法，包括下述步骤：

1)选取常规岩层物理相似材料、固液耦合相似材料和特殊地层物理相似材料作为典型性质岩层的物理相似材料，按照骨料、胶结材料和添加剂的不同配比，分别制作出具有不同强度和变形指标的系列物理相似材料，并建立系列物理相似材料配比数据库；

2)根据物理模拟实验研究目的及具体工程地质条件，选定物理模拟实验架型及尺寸，同时确定物理模拟实验的物理相似材料类型和相似比例；

3)根据地层柱状图及各个岩层力学参数，确定物理模拟实验模型各个模拟岩层力学参数；

4)对比物理相似材料类型与配比数据库，根据物理模拟实验模型尺寸，确定物理模拟实验模型各个岩层配比及材料消耗量；

5)根据上述确定结果，生成物理模拟实验物理相似材料配比方案，按照配比方案，准备符合要求的物理相似材料，进行物理模拟实验模型铺装；

6)按照物理模拟实验方案进行室内实验，根据实验结果对物理相似材料配比方案进行评价；对研究对象和工程问题进行数值分析，将数值分析结果信息与实验结果分析，修正物理相似材料配比方案，建立各个矿区地层物理相似材料配比数据库。

进一步地，所述常规岩层物理相似材料、固液耦合相似材料和特殊地层物理相似材料，物理模拟实验相似比(物理模型与实际地层结构的相似比例)为1：100、1：200、1：300或1：500。

进一步地，所述常规岩层物理相似材料由下述质量比的原料构成：

常规岩层骨料                      80％～90％；

常规岩层胶结材料                  10％～20％；

所述常规岩层骨料为粒度为0.15～0.5mm的普通河砂；

所述常规岩层胶结材料为石膏、大白粉。

进一步地，所述常规岩层相似材料之间敷设有分层材料，所述分层材料为400-800目的云母粉。

进一步地，所述固液耦合相似材料由下述质量比的原料构成：

固液耦合骨料                         95％～99％；

固液耦合胶凝剂                       1％～5％；

所述固液耦合骨料为粒度0.15～0.5mm的普通河砂；

所述固液耦合胶凝剂为熔度在42°～54°的优质石蜡。

进一步地，所述特殊地层相似材料由下述质量比的原料构成：

粘土层相似材料                80％～90％；

胶结材料                      10％～20％；

所述粘土层相似材料选用石英砂、膨润土为骨料；

所述胶结材料为硅油和凡士林。

进一步地，步骤3)中，所述根据地层柱状图及各个岩层力学参数，确定物理相似模型各个模拟岩层力学参数，通过下述方法实现：

1)由相似理论确定相似常数如下：

几何相似：几何相似常数：

容重相似常数：

物理相似：时间相似条件：

位移相似条件：α_s＝α_l；

强度、弹模、粘结力相似条件：α_σ＝α_E＝α_C＝α_lα_γ；

式中，l_p、γ_p、t_p分别为实际岩层的厚度、容重、实验时间；l_m、γ_m、t_m分别为模拟岩层的厚度、容重、实验时间；α_l、α_γ、α_t、α_s分别为几何、容重、时间、位移相似比例；

2)确定模拟岩层力学参数：

模拟岩层强度：

模拟岩层弹性模量：

模拟岩层粘结力：

式中，σ_p、E_p、C_p分别为实际岩层的强度、弹性模量、粘结力指标；σ_m、E_m、C_m分别为模拟岩层的强度、弹性模量、粘结力指标；α_l、E_γ分别为几何、容重相似比例。

进一步地，步骤4)中，确定物理相似模型各个模拟岩层配比及材料消耗量，采用下述方式实现：

1)首先根据物理模拟实验，确定物理模型尺寸、物理相似材料类型、相似比例，根据以下公式计算获得模拟岩层的强度指标；

模拟岩层强度：

式中，σ_m为模拟岩层强度，σ_p为实际岩层强度；α_l、E_γ分别为几何、容重相似比例；

2)结合物理相似材料配比数据库，并确定物理模拟实验模型各个岩层配比及材料消耗量；

ⅰ)根据计算获得的模拟岩层力学参数，结合物理相似材料配比数据库数据，确定岩层配比号(显示骨料和胶结材料实际质量比例)；

ⅱ)根据选定的物理模拟实验模型尺寸，获得每铺装0.01m模拟岩层须消耗物理相似材料总质量及各类相似材料质量。

步骤6)中，所述按照物理模拟实验方案进行室内实验，通过下述方法实现：

1)计算获得每一个岩层0.01m厚度需要物理相似材料的消耗量，然后将制作具有不同强度和变形指标的系列物理相似材料倒入选定的物理模拟实验模型内，铺平后捣实凝固，并在模拟岩层中间划分节理和裂隙，同时铺装少量的分层云母材料，完成一个岩层0.01m厚度模型铺装；

2)按照地层柱状图特征，分层铺装各个岩层物理相似模拟材料，直到达到物理模拟实验模型计算岩层或者高度；

3)根据地层埋藏深度，计算物理模拟实验模型上方需要施加的地应力，然后在模型上方施加相应的载荷；

4)对物理模型进行开挖，采集开挖过程中物理模型内部应力、各个岩层下沉位移以及关键岩层垮落步距、范围等基础实验数据；

5)根据地层结构特征和工程研究问题，利用有限元或离散元数值模拟软件建立数值计算模型，并进行数值分析，不同开挖步、时间条件下计算模型内部应力、各个岩层下沉位移以及关键岩层垮落步距、范围等数据标准值；将数据标准值与物理模拟实验模型基础数据进行对比；

6)若上述相关岩层压力与变形数据差值大于10％，则对物理模拟模型中关键岩层的物理相似材料配比进行修正，否则，满足要求，即完成物理模拟实验相似材料配比的综合确定。本发明通过建立物理相似模拟实验材料、材料配比数据库，按照工程实际和物理模拟研究内容综合确定相似材料配比方案，结合物理模拟实验结果和计算机数值分析结果，对原有配比方案进行修正，最终确定与研究内容匹配合理的相似材料配比方案，并存档。该方法步骤简单、规范合理且简单易行，能有效改善现在物理相似模拟实验中规范性较差、定性分析多、精确度不够、可重复性差的情况，有利于实现物理相似模拟实验的准确预测和可重复性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，对本发明具体实施方法做进一步详细说明：

一种用于物理模拟实验中的相似材料配比的确定方法，包括下述步骤：

1)选取常规岩层物理相似材料、固液耦合相似材料和特殊地层物理相似材料作为典型性质岩层的物理相似材料，按照骨料、胶结材料和添加剂的不同配比，分别制作出具有不同强度和变形指标的系列物理相似材料，并建立系列物理相似材料配比数据库；

其中，常规岩层物理相似材料由下述质量比的原料构成：

常规岩层骨料                       80％～90％；

常规岩层胶结材料                   10％～20％；

常规岩层骨料为粒度为0.15～0.5mm的普通河砂；常规岩层胶结材料为石膏、大白粉。常规岩层相似材料之间敷设有分层材料，所述分层材料为400-800目的云母粉。

固液耦合相似材料由下述质量比的原料构成：

固液耦合骨料                        95％～99％；

固液耦合胶凝剂                      1％～5％；

固液耦合骨料为粒度0.15～0.5mm的普通河砂；固液耦合胶凝剂为熔度在42°～54°的优质石蜡。

特殊地层相似材料由下述质量比的原料构成：

粘土层相似材料                 80％～90％；

胶结材料                       10％～20％；

粘土层相似材料选用石英砂、膨润土为骨料；胶结材料为硅油和凡士林。

2)根据物理模拟实验研究目的及具体工程地质条件，选定物理模拟实验架型及尺寸，同时确定物理模拟实验的物理相似材料类型和相似比例；

常规岩层物理相似材料、固液耦合相似材料和特殊地层物理相似材料，物理模拟实验相似比(物理模型与实际地层结构的相似比例)为1：100、1：200、1：300或1：500。

3)根据地层柱状图及各个岩层力学参数，确定物理模拟实验模型各个模拟岩层力学参数；

通过下述方法实现：

ⅰ)由相似理论确定相似常数如下：

几何相似：几何相似常数：

容重相似常数：

物理相似：时间相似条件：

位移相似条件：α_s＝α_l；

强度、弹模、粘结力相似条件：α_σ＝α_E＝α_C＝α_lα_γ；

式中，l_p、γ_p、t_p分别为实际岩层的厚度、容重、实验时间；l_m、γ_m、t_m分别为模拟岩层的厚度、容重、实验时间；α_l、α_γ、α_t、α_s分别为几何、容重、时间、位移相似比例；

ⅱ)确定模拟岩层力学参数：

模拟岩层强度：

模拟岩层弹性模量：

模拟岩层粘结力：

式中，σ_p、E_p、C_p分别为实际岩层的强度、弹性模量、粘结力指标；σ_m、E_m、C_m分别为模拟岩层的强度、弹性模量、粘结力指标；α_l、E_γ分别为几何、容重相似比例。

4)对比物理相似材料类型与配比数据库，根据物理模拟实验模型尺寸，确定物理模拟实验模型各个岩层配比及材料消耗量，采用下述方式实现：

ⅰ)首先根据物理模拟实验，确定物理模型尺寸、物理相似材料类型、相似比例，根据以下公式计算获得模拟岩层的强度指标；

模拟岩层强度：

式中，σ_m为模拟岩层强度，σ_p为实际岩层强度；α_l、E_γ分别为几何、容重相似比例；

ⅰ)结合物理相似材料配比数据库，并确定物理模拟实验模型各个岩层配比及材料消耗量；

a)根据计算获得的模拟岩层力学参数，结合物理相似材料配比数据库数据，确定岩层配比号(显示骨料和胶结材料实际质量比例)；

b)根据选定的物理模拟实验模型尺寸，获得每铺装0.01m模拟岩层须消耗物理相似材料总质量及各类相似材料质量。

5)根据上述确定结果，生成物理模拟实验物理相似材料配比方案，按照配比方案，准备符合要求的物理相似材料，进行物理模拟实验模型铺装；

6)按照物理模拟实验方案进行室内实验，根据实验结果对物理相似材料配比方案进行评价；对研究对象和工程问题进行数值分析，将数值分析结果信息与实验结果分析，修正物理相似材料配比方案，建立各个矿区地层物理相似材料配比数据库，具体步骤如下：

ⅰ)计算获得每一个岩层0.01m厚度需要物理相似材料的消耗量，然后将制作具有不同强度和变形指标的系列物理相似材料倒入选定的物理模拟实验模型内，铺平后捣实凝固，并在模拟岩层中间划分节理和裂隙，同时铺装少量的分层云母材料，完成一个岩层0.01m厚度模型铺装；

ⅱ)按照地层柱状图特征，分层铺装各个岩层物理相似模拟材料，直到达到物理模拟实验模型计算岩层或者高度；

ⅲ)根据地层埋藏深度，计算物理模拟实验模型上方需要施加的地应力，然后在模型上方施加相应的载荷；

ⅳ)对物理模型进行开挖，采集开挖过程中物理模型内部应力、各个岩层下沉位移以及关键岩层垮落步距、范围等基础实验数据；

ⅴ)根据地层结构特征和工程研究问题，利用有限元或离散元数值模拟软件建立数值计算模型，并进行数值分析，不同开挖步、时间条件下计算模型内部应力、各个岩层下沉位移以及关键岩层垮落步距、范围等数据标准值；将数据标准值与物理模拟实验模型基础数据进行对比；

ⅵ)若上述相关岩层压力与变形数据差值大于10％，则对物理模拟模型中关键岩层的物理相似材料配比进行修正，否则，满足要求，即完成物理模拟实验相似材料配比的综合确定。下面给出具体实施例来进一步说明物理模拟试验相似材料配比综合确定过程。

实施例1、某矿区综采工作面矿压显现规律研究物理模拟实验

1、选取常规相似材料、固液耦合相似材料和特殊地层相似材料作为各类岩层的物理相似材料，以云母作为分层材料建立平面物理模拟实验模型。

2、根据煤层埋深400m、煤层厚度8m、地层柱状图及各层力学参数，确定物理相似比例为200，物理模拟实验内容选取3m*0.2m*1.5m的平面应力模型。

3、由相似理论、选取几何相似常数为200，容重相似常数为1.6，由相似理论确定如下相似常数(参数下标p表示原型，下标m表示模型)：

表1 地层柱状图

几何相似：几何相似常数： ${\mathrm{\α}}_l=\frac{l_p}{l_m}=200;$ 容重相似常数： ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\γ}}=\frac{{\mathrm{\γ}}_p}{{\mathrm{\γ}}_m}=1.6;$

物理相似：时间相似条件：位移相似条件：α_s＝α_l＝200

强度、弹模、粘结力相似条件：α_σ＝α_E＝α_C＝α_lα_γ＝320；

4、根据岩层力学参数，对比相似材料类型与配比数据库，确定物理相似模型各个岩层配比及详细消耗量；

表1 主要岩层物理力学参数

表2 各类岩层相似材料配比表

表3 粘土类岩层相似材料配比表

5、根据上述确定结果，生成物理模拟实验相似材料配比方案文件，按照配比方案，准备符合要求的相似材料，严格按照工艺步骤进行相似模型铺装；

6、按照物理模拟实验方案进行室内实验，开采线定在模型正面距边界50cm位置，每次推进距离为2cm；在模型的几个关键层位上布设位移观测点，实时监测模拟开采过程中上覆岩层的移动破坏和裂隙动态发育情况。结果表明：综放工作面老顶的初次垮落发生于工作面推进63m处，之后每推进30m顶板出现一定范围的周期性垮落，同时伴随采场支架载荷的增大；在未达到充分采动时，导水裂隙带的高度与推进距离大致成线性关系；工作面推进到291m时达到充分采动时，裂隙初次发展到达并超过洛河组砂岩含水层高度15m，最大裂隙带高度为200m。

利用FLAC3d软件建立综放工作面三维数值计算模型，由Generate命令生成，尺寸为800m×600m×265m，工作面推进方向沿X轴正方向，采用Mohr-Coulomb本构模型，应变模式采用大应变变形模式，工作面及其顶底板岩层由六面块体网格(brick)构成，模型底部限制垂直移动，模型前后和侧面限制水平移动，顶部取均布载荷10MPa(相当于覆岩层厚度为400m)。整个模型由252000个单元组成，包括264923个节点。

计算结果表明：综放工作面初次来压步距为58m，周期来压步距为25m。当综放工作面斜长一定时，开采扰动引起覆岩发生塑性区仅在一定范围内发育，综合分析得出综放采场最大裂隙带高度215m，垮落带高度为123m。

将数值分析与物理模拟实验结果进行综合分析，认为结果误差在10％以内，基本一致，物理模拟实验相似材料配比合理；若实验结果数据误差偏大，则需要对物理模拟实验结果影响因素调查，建议对煤层上方关键岩层相似材料配比进行修正，最终确定与研究内容匹配合理的相似材料配比方案。

7、存档，逐步建立各个矿区地层物理相似材料配比数据库。

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揭露的技术范围内，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。

Claims (9)

1.一种用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)选取常规岩层物理相似材料、固液耦合相似材料和特殊地层物理相似材料作为典型性质岩层的物理相似材料，按照骨料、胶结材料和添加剂的不同配比，分别制作出具有不同强度和变形指标的系列物理相似材料，并建立系列物理相似材料配比数据库；

2)根据物理模拟实验研究目的及具体工程地质条件，选定物理模拟实验架型及尺寸，同时确定物理模拟实验的物理相似材料类型和相似比例；

3)根据地层柱状图及各个岩层力学参数，确定物理模拟实验模型各个模拟岩层力学参数；

4)对比物理相似材料类型与配比数据库，根据物理模拟实验模型尺寸，确定物理模拟实验模型各个岩层配比及材料消耗量；

5)根据上述确定结果，生成物理模拟实验物理相似材料配比方案，按照配比方案，准备符合要求的物理相似材料，进行物理模拟实验模型铺装；

6)按照物理模拟实验方案进行室内实验，根据实验结果对物理相似材料配比方案进行评价；对研究对象和工程问题进行数值分析，将数值分析结果信息与实验结果分析，修正物理相似材料配比方案，建立各个矿区地层物理相似材料配比数据库。

2.根据权利要求1所述的用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在于，所述常规岩层物理相似材料、固液耦合相似材料和特殊地层物理相似材料，物理模拟实验相似比为1：100、1：200、1：300或1：500。

3.根据权利要求1所述的用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在于，所述常规岩层物理相似材料由下述质量比的原料构成：

常规岩层骨料        80％～90％；

常规岩层胶结材料    10％～20％；

所述常规岩层骨料为粒度为0.15～0.5mm的普通河砂；

所述常规岩层胶结材料为石膏、大白粉。

4.根据权利要求2所述的用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在于，所述常规岩层相似材料之间敷设有分层材料，所述分层材料为400-800目的云母粉。

5.根据权利要求1所述的用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在于，所述固液耦合相似材料由下述质量比的原料构成：

固液耦合骨料      98％～99％；

固液耦合胶凝剂    1％～2％；

所述固液耦合骨料为粒度0.15～0.5mm的普通河砂；

所述固液耦合胶凝剂为熔度在42°～54°的优质石蜡。

6.根据权利要求1所述的用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在于，所述特殊地层相似材料由下述质量比的原料构成：

粘土层相似材料    80％～90％；

胶结材料          10％～20％；

所述粘土层相似材料选用石英砂、膨润土为骨料；

所述胶结材料为硅油和凡士林。

7.根据权利要求1所述的用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在于，步骤3)中，所述根据地层柱状图及各个岩层力学参数，确定物理相似模型各个模拟岩层力学参数，通过下述方法实现：

1)由相似理论确定相似常数如下：

几何相似：几何相似常数：

容重相似常数：

物理相似：时间相似条件：

位移相似条件：α_s＝α_l；

强度、弹模、粘结力相似条件：α_σ＝α_E＝α_C＝α_lα_γ；

式中，l_p、γ_p、t_p分别为实际岩层的厚度、容重、实验时间；l_m、γ_m、t_m分别为模拟岩层的厚度、容重、实验时间；α_l、α_γ、α_t、α_s分别为几何、容重、时间、位移相似比例；

2)确定模拟岩层力学参数：

模拟岩层强度：

模拟岩层弹性模量：

模拟岩层粘结力：

式中，σ_p、E_p、C_p分别为实际岩层的强度、弹性模量、粘结力指标；σ_m、E_m、C_m分别为模拟岩层的强度、弹性模量、粘结力指标；α_l、E_γ分别为几何、容重相似比例。

8.根据权利要求1所述的用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在于，步骤4)中，确定物理相似模型各个模拟岩层配比及材料消耗量，采用下述方式实现：

1)首先根据物理模拟实验，确定物理模型尺寸、物理相似材料类型、相似比例，根据以下公式计算获得模拟岩层的强度指标；

模拟岩层强度：

式中，σ_m为模拟岩层强度，σ_p为实际岩层强度；α_l、E_γ分别为几何、容重相似比例；

2)结合物理相似材料配比数据库，并确定物理模拟实验模型各个岩层配比及材料消耗量；

ⅰ)根据计算获得的模拟岩层力学参数，结合物理相似材料配比数据库数据，确定岩层配比号；

ⅱ)根据选定的物理模拟实验模型尺寸，获得每铺装0.01m模拟岩层须消耗物理相似材料总质量及各类相似材料质量。

9.根据权利要求1所述的用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法，其特征在于，步骤6)中，所述按照物理模拟实验方案进行室内实验，通过下述方法实现：

1)计算获得每一个岩层0.01m厚度需要物理相似材料的消耗量，然后将制作具有不同强度和变形指标的系列物理相似材料倒入选定的物理模拟实验模型内，铺平后捣实凝固，并在模拟岩层中间划分节理和裂隙，同时铺装少量的分层云母材料，完成一个岩层0.01m厚度模型铺装；

2)按照地层柱状图特征，分层铺装各个岩层物理相似模拟材料，直到达到物理模拟实验模型计算岩层或者高度；

3)根据地层埋藏深度，计算物理模拟实验模型上方需要施加的地应力，然后在模型上方施加相应的载荷；

4)对物理模型进行开挖，采集开挖过程中物理模型内部应力、各个岩层下沉位移以及关键岩层垮落步距、范围等基础实验数据；

5)根据地层结构特征和工程研究问题，利用有限元或离散元数值模拟软件建立数值计算模型，并进行数值分析，不同开挖步、时间条件下计算模型内部应力、各个岩层下沉位移以及关键岩层垮落步距、范围等数据标准值；将数据标准值与物理模拟实验模型基础数据进行对比；

6)若上述相关岩层压力与变形数据差值大于10％，则对物理模拟模型中关键岩层的物理相似材料配比进行修正，否则，满足要求，即完成物理模拟实验相似材料配比的综合确定。