巖層移動(dòng)物理模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的改進(jìn)與應(yīng)用

張?jiān)? 他旭鵬 馬陽(yáng)升 孫慶富

摘要：為了滿足采礦工程專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，針對(duì)物理相似模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，基于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程教學(xué)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，改進(jìn)了原有的加載裝置，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)流程，減輕了學(xué)生的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的機(jī)械化程度和安全程度，取得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：巖層移動(dòng);相似模擬;實(shí)驗(yàn)方法;加載裝置

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

物理相似模擬實(shí)驗(yàn)方法具有觀測(cè)周期短，易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀等特點(diǎn)，在礦山壓力與巖層移動(dòng)規(guī)律等采礦工程問(wèn)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(yè)的核心課程，其中，采場(chǎng)頂板活動(dòng)規(guī)律、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、巖層移動(dòng)與控制、巷道礦壓規(guī)律等內(nèi)容又是該課程的核心內(nèi)容。這些成熟的理論是在工程實(shí)踐總結(jié)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、理論分析和現(xiàn)場(chǎng)再驗(yàn)證的基礎(chǔ)上不斷總結(jié)發(fā)展出來(lái)的，實(shí)踐性比較強(qiáng)，僅采用理論教學(xué)方法，學(xué)生很難理解和掌握。因此，一般還會(huì)開(kāi)設(shè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程來(lái)配套該課程的教學(xué)。所開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目側(cè)重于物理相似模擬，特別是以上核心內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)主要依賴于物理相似模擬方法[2]?，F(xiàn)階段，應(yīng)用于采礦工程本科生教學(xué)的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備種類較多，但各有優(yōu)劣，如傳統(tǒng)的相似模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)勞動(dòng)強(qiáng)度大、消耗材料多，加壓時(shí)水袋容易破裂;電液伺服控制系統(tǒng)使用成本高，占用面積大，安全風(fēng)險(xiǎn)較高[3，4]。這都要求對(duì)現(xiàn)有巖層移動(dòng)物理相似模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)現(xiàn)階段本科生的教學(xué)任務(wù)。本文基于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有教學(xué)用物理相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)改進(jìn)壓力加載裝置，使其可以更好地適應(yīng)采礦工程專業(yè)的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

一、常見(jiàn)加載裝置及存在的問(wèn)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?qū)嶒?yàn)臺(tái)，另一端裝有配重，以不同的重塊數(shù)目及與支點(diǎn)不同的間距來(lái)調(diào)節(jié)加壓量[6]，如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，重物加載方式容易出現(xiàn)加壓偏心或杠桿因模型開(kāi)采下沉而變?yōu)樾敝?、產(chǎn)生斜向推力而推倒模型;當(dāng)開(kāi)采深度過(guò)大時(shí)，所加載荷可能無(wú)法達(dá)到要求，同時(shí)，由于關(guān)鍵層對(duì)巖層移動(dòng)的控制作用，產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)與實(shí)際不符，容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

（二）液壓缸加載

液壓缸加載通常采用液壓伺服系統(tǒng)控制[7]。液壓伺服剛性好，響應(yīng)迅速，出力大，在大型相似模擬試驗(yàn)中有廣泛的應(yīng)用。但是，液壓伺服控制設(shè)備占用空間大，購(gòu)置成本較高，對(duì)油缸和管路密封性能要求較高，需定期維護(hù)密封元件，同時(shí)，使用過(guò)程中泵站存在機(jī)械傳動(dòng)，噪音大，泵站易漏油，安全隱患較大，不太適用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

（三）氣枕加載

氣枕或液壓枕加載[5，8]是在模型受力表面設(shè)置一排膠氣囊或者水袋，長(zhǎng)度范圍為200—300mm，外周邊用構(gòu)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(guò)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(shí)，這種方式容易發(fā)生漏氣（液）現(xiàn)象。氣枕加載方式如圖2所示。

二、加載裝置設(shè)計(jì)

（一）相似模擬架結(jié)構(gòu)

如圖3所示，改進(jìn)后的物理相似模擬試驗(yàn)裝置由模型加載架，液壓加載系統(tǒng)兩部分組成。模型加載架主要由底座，承載梁，液壓油缸，護(hù)板，機(jī)架，連接件等部分組成。模型架有效尺寸長(zhǎng)1.5m，寬0.2m，高0.7m，底梁，立柱采用20號(hào)槽鋼焊接而成，頂梁與立柱采用M25高強(qiáng)度螺栓連接。平面相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加載補(bǔ)償載荷，在相似模型內(nèi)產(chǎn)生均勻應(yīng)力場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可及時(shí)調(diào)整補(bǔ)償載荷以適應(yīng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。

（二）加載裝置

壓力加載裝置主要由液壓泵、進(jìn)油管、回油管、兩位四通換向閥、手動(dòng)控制閥門(mén)、液壓表、彈簧底座和剛性金屬柱組成。頂梁上均勻布置四個(gè)液壓油缸，采用并聯(lián)方式連接，保證油缸同時(shí)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(gè)彈簧底座均勻布置在補(bǔ)償鋼板上，通過(guò)剛性金屬柱與液壓油缸相連，通過(guò)彈簧彈力施加補(bǔ)償載荷，模擬未鋪設(shè)上覆巖層重力。液壓加載原理是：液壓泵與進(jìn)油管和回油管相連，進(jìn)油管與兩位四通換向閥的進(jìn)油口相連，回油管與兩位四通換向閥的回油口相連，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使進(jìn)油管與兩位四通換向閥的進(jìn)油口相通，計(jì)算所需載荷，開(kāi)啟手動(dòng)控制閥門(mén)，開(kāi)啟液壓泵，通過(guò)彈簧底座向補(bǔ)償鋼板加壓，待彈力穩(wěn)定在計(jì)算值時(shí)，停止加壓，開(kāi)挖過(guò)程中，巖層垮落引起液壓表示數(shù)減小，需及時(shí)加壓至補(bǔ)償載荷，保證模擬實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。在完成實(shí)驗(yàn)需要卸壓時(shí)，調(diào)節(jié)手動(dòng)控制閥門(mén)，使回油管與兩位四通換向閥的回油口相通，操作液壓泵進(jìn)行卸載。

（三）載荷確定

物理模型上方補(bǔ)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(xiàn)為模型上方補(bǔ)償載荷，N;h■為模型中未鋪設(shè)上覆巖層高度，m;L為實(shí)驗(yàn)架長(zhǎng)度，m;W為實(shí)驗(yàn)架寬度，m;g為重力常數(shù)，取9.81N/kg;ρ為相似材料平均密度，kg/m3;H為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮透叨?，m;α■為模型幾何相似比;h為模型鋪設(shè)高度，m。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)用實(shí)驗(yàn)?zāi)M架長(zhǎng)1.5m，寬0.2m，有效高度0.7m。目前煤礦開(kāi)采深度大約在500—1000m，設(shè)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(yàn)的材料通常采用河沙作為骨料，水泥，石膏，碳酸鈣作為粘結(jié)料[7]，取相似材料密度ρ平均為1700kg/m■，為使液壓加載設(shè)備達(dá)到最大補(bǔ)償載荷，幾何相似比α■取最小值100，則補(bǔ)償載荷F：

F=h■×L×W×g×ρ

=（1000/100-0.7）×1.5×0.2×9.81×1700/100

=47kN

經(jīng)計(jì)算所加載荷為47kN，模型上方布置四個(gè)液壓油缸，則每個(gè)液壓油缸的載荷為12kN。

（四）實(shí)驗(yàn)方法

改進(jìn)后物理相似模擬實(shí)驗(yàn)方法為：清理模擬架，安裝護(hù)板，在前后護(hù)板上刷一層油，便于實(shí)驗(yàn)后期拆除護(hù)板;根據(jù)相似材料的配比方案[9]，逐層配制相似材料并鋪設(shè)，在相似煤層上方安裝位移計(jì)、應(yīng)力計(jì)，便于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試數(shù)據(jù)，放置七天，使相似材料晾干;順序安裝補(bǔ)償鋼板，彈簧底座，剛性金屬柱，計(jì)算補(bǔ)償載荷加載所需彈力，開(kāi)啟手動(dòng)控制閥門(mén)、液壓泵，使液壓表示數(shù)達(dá)到計(jì)算示數(shù)，此時(shí)補(bǔ)償載荷通過(guò)補(bǔ)償鋼板均勻作用于模擬巖層;拆除模擬架下部前護(hù)板，模擬開(kāi)挖，觀察開(kāi)挖過(guò)程中巖層垮落和模擬巖層位移及應(yīng)力變化，此時(shí)由于巖層垮落液壓表示數(shù)變小，同時(shí)補(bǔ)償鋼板發(fā)生傾斜，開(kāi)啟液壓泵加壓至補(bǔ)償載荷，彈力不再均勻作用于補(bǔ)償鋼板，模擬實(shí)驗(yàn)加載方法符合煤層回采期間頂板來(lái)壓實(shí)際情況;實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，開(kāi)啟手動(dòng)控制閥門(mén)卸壓，撤掉補(bǔ)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(guò)程示意圖。圖5中（a）為模擬開(kāi)挖之前，彈簧處于壓縮狀態(tài)，由彈簧彈力補(bǔ)償未鋪設(shè)上覆巖層重力。圖5中（b）為模擬開(kāi)挖過(guò)程中，由于頂板巖層的垮落、上覆巖層的下沉，會(huì)導(dǎo)致彈簧逐漸伸張，彈力不斷減小，但不會(huì)降為零，仍然能夠提供一定的補(bǔ)償載荷。當(dāng)模擬巖層脫離現(xiàn)象發(fā)生后，礦用壓力表示數(shù)下降，但不會(huì)下降為零，可以精確的了解未鋪設(shè)上覆巖層壓力變化。根據(jù)加載系統(tǒng)原理，使剛性金屬柱重新壓實(shí)彈簧，壓力表示數(shù)恢復(fù)至計(jì)算補(bǔ)償載荷，如圖5中（c）。在此過(guò)程中，壓力表示數(shù)不會(huì)突然降為零，保證了加載過(guò)程的連續(xù)性，提高了實(shí)驗(yàn)精度。增加剛性金屬柱和彈簧底座的設(shè)計(jì)，組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低且使用壽命長(zhǎng)，能更好的適應(yīng)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。

三、液壓加載系統(tǒng)應(yīng)用

以新疆哈密大南湖一礦1305工作面為對(duì)象，開(kāi)展相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，研究其開(kāi)采過(guò)程中的頂板應(yīng)力變化及覆巖活動(dòng)規(guī)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(jié)合其地質(zhì)條件，確定其相似模擬模型幾何比為100∶1，模型鋪設(shè)高度為0.7m，需模擬深度為235m，則模型中未鋪設(shè)的上覆巖層高度h■：

h■=H/α■-h=235/100-0.7=1.65m

可得模型需補(bǔ)償載荷：

F=h■×L×W×g×ρ

=1.65×1.5×0.2×9.8×1700/100

=8.2kN

根據(jù)物理相似模擬理論和模擬原則，鋪設(shè)相似材料，物理相似模型規(guī)格為1.5m×0.2×0.7m，補(bǔ)償載荷為8.2kN。

模型開(kāi)挖之前，彈簧底座中彈簧處于壓縮狀態(tài)，通過(guò)彈力補(bǔ)償未鋪設(shè)上覆模擬巖層的重力，此時(shí)由于補(bǔ)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(kāi)挖過(guò)程中，由于頂板巖層的垮落、鋪設(shè)的上覆巖層下沉以及關(guān)鍵層的控制作用，會(huì)使彈簧底座發(fā)生傾斜，彈簧彈力變小，液壓表的示數(shù)會(huì)減小，通過(guò)重新加注液壓油，使液壓表示數(shù)恢復(fù)至原先示數(shù)。此時(shí)，即使存在補(bǔ)償鋼板，彈簧的彈力不再均勻的作用于鋪設(shè)的模擬巖層。按照改進(jìn)后物理相似模擬試驗(yàn)架的實(shí)驗(yàn)方法模擬工作面回采過(guò)程，在工作面推進(jìn)的過(guò)程中，煤層上方巖層會(huì)出現(xiàn)彎曲下沉，此時(shí)調(diào)節(jié)手動(dòng)液壓泵，使液壓表示數(shù)重新達(dá)到計(jì)算示數(shù)，對(duì)工作面回采期間采動(dòng)影響的模擬效果如圖6所示。

四、結(jié)束語(yǔ)

物理相似模擬實(shí)驗(yàn)是采礦工程專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要內(nèi)容。針對(duì)物理相似模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，本著“本質(zhì)安全、設(shè)計(jì)科學(xué)、操作簡(jiǎn)單、效果可靠”的原則，改進(jìn)了原有的加載裝置，提出了一套相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)流程，減輕了學(xué)生的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的安全程度和實(shí)驗(yàn)效率，取得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

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