岩层移动物理模拟实验教学系统的改进与应用

张源 他旭鹏 马阳升 孙庆富

摘要：为了满足采矿工程专业本科实验教学需求，针对物理相似模拟实验教学中存在的问题，基于中国矿业大学采矿工程教学实验室现有的物理相似模拟实验系统，改进了原有的加载装置，简化了实验流程，减轻了学生的劳动强度，提高了实验过程的机械化程度和安全程度，取得了较好的实验教学效果。

关键词：岩层移动;相似模拟;实验方法;加载装置

中圖分类号：G642.41     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）49-0267-04

物理相似模拟实验方法具有观测周期短，易于实现，实验结果直观等特点，在矿山压力与岩层移动规律等采矿工程问题的研究中具有极其重要的作用[1]。《矿山压力与岩层控制》是采矿工程专业的核心课程，其中，采场顶板活动规律、矿压显现规律、岩层移动与控制、巷道矿压规律等内容又是该课程的核心内容。这些成熟的理论是在工程实践总结、实验室实验、理论分析和现场再验证的基础上不断总结发展出来的，实践性比较强，仅采用理论教学方法，学生很难理解和掌握。因此，一般还会开设相应的实验课程来配套该课程的教学。所开设的实验项目侧重于物理相似模拟，特别是以上核心内容的实验主要依赖于物理相似模拟方法[2]。现阶段，应用于采矿工程本科生教学的物理相似模拟实验设备种类较多，但各有优劣，如传统的相似模拟实验系统劳动强度大、消耗材料多，加压时水袋容易破裂;电液伺服控制系统使用成本高，占用面积大，安全风险较高[3，4]。这都要求对现有岩层移动物理相似模拟实验设备进行改进，以适应现阶段本科生的教学任务。本文基于中国矿业大学采矿工程专业实验室现有教学用物理相似模拟实验装置，通过改进压力加载装置，使其可以更好地适应采矿工程专业的本科实验教学工作。

一、常见加载装置及存在的问题

（一）重物加载

常用的模型加载方法有重物加载、液压缸加载、气枕或液压枕加载等[5]。重物加载一般是采用杠杆加载方式，杠杆一端固定于墙体或实验台，另一端装有配重，以不同的重块数目及与支点不同的间距来调节加压量[6]，如图1所示。在实验过程中，重物加载方式容易出现加压偏心或杠杆因模型开采下沉而变为斜置、产生斜向推力而推倒模型;当开采深度过大时，所加载荷可能无法达到要求，同时，由于关键层对岩层移动的控制作用，产生的应力场与实际不符，容易导致实验失败。

（二）液压缸加载

液压缸加载通常采用液压伺服系统控制[7]。液压伺服刚性好，响应迅速，出力大，在大型相似模拟试验中有广泛的应用。但是，液压伺服控制设备占用空间大，购置成本较高，对油缸和管路密封性能要求较高，需定期维护密封元件，同时，使用过程中泵站存在机械传动，噪音大，泵站易漏油，安全隐患较大，不太适用于本科实验教学。

（三）气枕加载

气枕或液压枕加载[5，8]是在模型受力表面设置一排胶气囊或者水袋，长度范围为200—300mm，外周边用构件封闭，利用气压枕和液压枕加压。气压枕的最高允许压力一般不超过0.5MPa，金属板液压枕厚度方向的变形量一般不大于5mm，这在一定程度上限制了液压枕和气压枕的加载性能，同时，这种方式容易发生漏气（液）现象。气枕加载方式如图2所示。

二、加载装置设计

（一）相似模拟架结构

如图3所示，改进后的物理相似模拟试验装置由模型加载架，液压加载系统两部分组成。模型加载架主要由底座，承载梁，液压油缸，护板，机架，连接件等部分组成。模型架有效尺寸长1.5m，宽0.2m，高0.7m，底梁，立柱采用20号槽钢焊接而成，顶梁与立柱采用M25高强度螺栓连接。平面相似模拟实验模型结构简单，易于加载补偿载荷，在相似模型内产生均匀应力场，实验过程中可及时调整补偿载荷以适应模型的不均匀变形，相似模拟架具有足够的刚度，满足相似模拟实验教学要求。

（二）加载装置

压力加载装置主要由液压泵、进油管、回油管、两位四通换向阀、手动控制阀门、液压表、弹簧底座和刚性金属柱组成。顶梁上均匀布置四个液压油缸，采用并联方式连接，保证油缸同时伸缩。弹簧底座由定位孔，刚性套筒，压缩弹簧，刚性金属片组成，如图4所示。

四个弹簧底座均匀布置在补偿钢板上，通过刚性金属柱与液压油缸相连，通过弹簧弹力施加补偿载荷，模拟未铺设上覆岩层重力。液压加载原理是：液压泵与进油管和回油管相连，进油管与两位四通换向阀的进油口相连，回油管与两位四通换向阀的回油口相连，在实验过程中，使进油管与两位四通换向阀的进油口相通，计算所需载荷，开启手动控制阀门，开启液压泵，通过弹簧底座向补偿钢板加压，待弹力稳定在计算值时，停止加压，开挖过程中，岩层垮落引起液压表示数减小，需及时加压至补偿载荷，保证模拟实验的准确性。在完成实验需要卸压时，调节手动控制阀门，使回油管与两位四通换向阀的回油口相通，操作液压泵进行卸载。

（三）载荷确定

物理模型上方补偿载荷F等于模型上覆岩层重力G[5]，即

F=G=h■×L×W×g×ρ

h■=H/α■-h

式中，F为模型上方补偿载荷，N;h■为模型中未铺设上覆岩层高度，m;L为实验架长度，m;W为实验架宽度，m;g为重力常数，取9.81N/kg;ρ为相似材料平均密度，kg/m3;H为实验模型原型高度，m;α■为模型几何相似比;h为模型铺设高度，m。

中国矿业大学采矿工程专业实验室教学用实验模拟架长1.5m，宽0.2m，有效高度0.7m。目前煤矿开采深度大约在500—1000m，设定模拟最大采深H为1000m。一般几何相似比取值范围为100—300，相似模拟试验的材料通常采用河沙作为骨料，水泥，石膏，碳酸钙作为粘结料[7]，取相似材料密度ρ平均为1700kg/m■，为使液压加载设备达到最大补偿载荷，几何相似比α■取最小值100，则补偿载荷F：

F=h■×L×W×g×ρ

=（1000/100-0.7）×1.5×0.2×9.81×1700/100

=47kN

经计算所加载荷为47kN，模型上方布置四个液压油缸，则每个液压油缸的载荷为12kN。

（四）实验方法

改进后物理相似模拟实验方法为：清理模拟架，安装护板，在前后护板上刷一层油，便于实验后期拆除护板;根据相似材料的配比方案[9]，逐层配制相似材料并铺设，在相似煤层上方安装位移计、应力计，便于实验过程中测试数据，放置七天，使相似材料晾干;顺序安装补偿钢板，弹簧底座，刚性金属柱，计算补偿载荷加载所需弹力，开启手动控制阀门、液压泵，使液压表示数达到计算示数，此时补偿载荷通过补偿钢板均匀作用于模拟岩层;拆除模拟架下部前护板，模拟开挖，观察开挖过程中岩层垮落和模拟岩层位移及应力变化，此时由于岩层垮落液压表示数变小，同时补偿钢板发生倾斜，开启液压泵加压至补偿载荷，弹力不再均匀作用于补偿钢板，模拟实验加载方法符合煤层回采期间顶板来压实际情况;实验结束后，开启手动控制阀门卸压，撤掉补偿钢板，弹簧底座和刚性金属柱，收拾模拟架。

图5为弹簧底座和刚性金属柱的作用过程示意图。图5中（a）为模拟开挖之前，弹簧处于压缩状态，由弹簧弹力补偿未铺设上覆岩层重力。图5中（b）为模拟开挖过程中，由于顶板岩层的垮落、上覆岩层的下沉，会导致弹簧逐渐伸张，弹力不断减小，但不会降为零，仍然能够提供一定的补偿载荷。当模拟岩层脱离现象发生后，矿用压力表示数下降，但不会下降为零，可以精确的了解未铺设上覆岩层压力变化。根据加载系统原理，使刚性金属柱重新压实弹簧，压力表示数恢复至计算补偿载荷，如图5中（c）。在此过程中，压力表示数不会突然降为零，保证了加载过程的连续性，提高了实验精度。增加刚性金属柱和弹簧底座的设计，组成结构简单，造价低且使用寿命长，能更好的适应本科实验教学任务。

三、液压加载系统应用

以新疆哈密大南湖一矿1305工作面为对象，开展相似材料模拟实验，研究其开采过程中的顶板应力变化及覆岩活动规律。大南湖一矿1305工作面煤层平均厚度为9.84m，煤层埋深235m左右，结合其地质条件，确定其相似模拟模型几何比为100∶1，模型铺设高度为0.7m，需模拟深度为235m，则模型中未铺设的上覆岩层高度h■：

h■=H/α■-h=235/100-0.7=1.65m

可得模型需补偿载荷：

F=h■×L×W×g×ρ

=1.65×1.5×0.2×9.8×1700/100

=8.2kN

根据物理相似模拟理论和模拟原则，铺设相似材料，物理相似模型规格为1.5m×0.2×0.7m，补偿载荷为8.2kN。

模型开挖之前，弹簧底座中弹簧处于压缩状态，通过弹力补偿未铺设上覆模拟岩层的重力，此时由于补偿钢板的存在，弹簧的弹力是均匀的作用在模拟岩层之上的。模拟开挖过程中，由于顶板岩层的垮落、铺设的上覆岩层下沉以及关键层的控制作用，会使弹簧底座发生倾斜，弹簧弹力变小，液压表的示数会减小，通过重新加注液压油，使液压表示数恢复至原先示数。此时，即使存在补偿钢板，弹簧的弹力不再均匀的作用于铺设的模拟岩层。按照改进后物理相似模拟试验架的实验方法模拟工作面回采过程，在工作面推进的过程中，煤层上方岩层会出现弯曲下沉，此时调节手动液压泵，使液压表示数重新达到计算示数，对工作面回采期间采动影响的模拟效果如图6所示。

四、结束语

物理相似模拟实验是采矿工程专业本科实验教学的重要内容。针对物理相似模拟实验教学中存在的问题，在中国矿业大学采矿工程专业实验室现有实验设备的基础上，本着“本质安全、设计科学、操作簡单、效果可靠”的原则，改进了原有的加载装置，提出了一套相应的实验方法，简化了实验流程，减轻了学生的劳动强度，提高了实验过程的安全程度和实验效率，取得了较好的实验教学效果。

参考文献：

[1]张建全，闫保金，廖国华.采动覆岩移动规律的相似模拟实验研究[J].金属矿山，2002，（8）：10-12.

[2]张源，万志军，马文顶，严红.矿山压力与岩层移动虚拟仿真实验教学方法探讨[J].实验室研究与探索，2016，35（6）：83-86.

[3]张超宁.直线电机伺服系统伺服动刚度分析及测试技术研究[D].哈尔滨工业大学，2015.

[4]张羽强，黄庆享，严茂荣.采矿工程相似材料模拟技术的发展及问题[J].煤炭技术，2008，27（1）：1-3.

[5]张少华，高杰.平面应力相似模拟实验加载方式设计与应用[J].煤炭工程，2016，48（11）：94-96.

[6]徐挺.相似理论与模型试验[M].中国农业机械出版社，1982.

[7]苏承东，勾攀峰，邓广涛.采矿平面应力相似模拟试验装置的研制[J].河南理工大学学报，自然科学版，2007，26（2），141-145.

[8]郑新亮.液压支架试验台多工况下疲劳寿命分析[D].太原理工大学，2014.

[9]康希并，张建义.相似材料模拟中的材料配比[J].淮南矿业学院学报，1988，（2）：53-67.