采矿工程中相似模拟试验研究现状及发展趋势

邱露 孙熙震

摘  要：相似模拟试验是采矿工程中研究覆岩运动特征的重要手段。本文结合已有成果对相似模拟试验在采场覆岩运动研究中应用进行了分析总结。研究指出：尽管相似模拟试验结合应力、位移等监测手段能较好对采场覆岩运动情况进行反映，但存在一定不足，并从试验材料、试验方法、地质构造模拟、观测手段等方面对存在问题进行了分析，在此基础上探讨了相似模拟试验未来发展趋势。研究成果对于指导和改进相似模拟试验有一定的参考意义。

关键词：相似模拟  覆岩运动  综述  现状及趋势

中图分类号：TD80          文献标识码：A                  文章編号：1674-098X（2021）02（c）-0043-03

States and Trends of Similar Simulation Technology in Mining Engineering

QIU Lu  SUN Xizhen*

（School of Civil Engineering and Architecture， Linyi University， Linyi， Shandong Province， 276000 China）

Abstract：Similar simulation test was the main method to investigate the overburden movement characteristics. The application of similar simulation test in overburden movement was summarized deeply with existing research results. Similar simulation tests can basically reflect overburden movement combining with stress， displacement monitor etc.， however， the deficiencies of test materials， test method， geological structure modeling and monitoring measures are still existed. The trends of similar simulation test are also analyzed in the paper. The research results have some reference significance of guiding and improving similar simulation test.

Key Words：Similar Simulation; Overburden strata movement; Review; State and trends

采动应力作用下覆岩运动规律是采矿工程研究的重要课题之一，相似模拟试验作为研究采动覆岩运动规律的有效手段，被广泛应用于不同开采条件下覆岩运动规律研究之中。

相似材料模拟研究是以苏联学者兹涅佐夫提出的相似理论为基础而形成的一整套从物理实验、力学实验、模型实验直到工程实践的研究方法，相似模拟试验可以人为的改变采场围岩条件进行新技术、新方案的研究，从而直观清晰的获得覆岩运动规律。

尽管相似模拟试验在模拟覆岩运动规律方面有一定优势，但岩土工程及采场覆岩运动规律、受力状态较为复杂，岩层中弱面、层理、节理直接影响到覆岩运动特征，进而导致模拟结果差异。本文通过对覆岩运动相似模拟研究成果的分析总结，揭示了目前相似模拟试验中存在的问题，并对未来发展趋势提出了展望，这对于采动覆岩运动演化特征中相似模拟试验的改进有一定的指导意义。

1  国内研究现状

相似模拟试验的实质是根据相似定理，将矿山岩层按照一定比例缩小，用相似材料铺设成为模型，在模型上进行煤层开采，并对模型上覆岩层（包含底板）运动情况进行观测，以此来反映、推测实际开采中上覆岩层的运动情况。

冯国瑞等[1]通过相似模拟试验分析了白家庄煤矿垮落法残采区上覆煤层开采问题，揭示了上覆岩层破裂演化特征及其支承压力分布规律。姜耀东等[2]以峰峰矿区九龙矿深部承压水上开采工作面底板为研究对象，结合现场取芯及室内相似模拟试验，分析了深部承压水体上开采工作面底板应力分布特征。杨真等[3]采用相似模拟试验对近距离房柱采空区下长壁采场覆岩随时间变化的渐进破断过程和采动裂隙的发展演化规律进行了研究。刘纯贵[4]以相似模拟试验分析了“两硬”浅埋煤层开采覆岩活动规律，揭示了大面积来压的原因。王爱文等[5]采用相似模拟试验方法对对深部残采区域下伏煤层工作面的安全开采问题进行了研究，获得了覆岩运动过程，并结合应力观测数据进行了危险区域划分。陈义东等[6]利用物理相似模拟方法对特厚煤层综放工作面上覆岩层活动规律以及支承压力分布特点进行了研究。刘三钧等[7]采用相似模拟试验揭示了远距离下保护层开采过程中上覆煤岩裂隙动态演化规律。解盘石等[8]采用相似模拟手段分析了大倾角多区段采场顶板运移规律。严桂凤等[9]采用相似模拟试验揭示了断层结构组合对薄基岩变形破坏影响规律。张玉鹏等[10]运用相似模拟分析了蒙西深部厚煤层大采高综采工作面覆岩破坏高度，并结合数值模拟和理论分析获得导水裂隙带高度。杨科等[11]结合相似模拟分析了多关键层采动裂隙动态演化规律和卸压特征，及关键层运移对被保护层卸压瓦斯涌出动态的影响。孔令海[12]进行了深部煤岩巷道相似模拟试验，揭示了深部煤岩巷道围岩应力状态与围岩结构冲击破坏间的协同响应关系。

2  存在问题

相似材料模拟（见图1和图2）是研究岩层破坏的主要方法之一。由于相似模拟试验可以人为改变试验条件，对于模拟采场开挖上覆岩层运动情况提供了极大的便利，但由于试验条件的限制，相似模拟试验还存在一定问题。

（1）试验材料。相似材料包括骨料和胶结料，常见的骨料包括：滑石粉、粘土、河砂等;胶结材料包括碳酸钙、石蜡、石膏等。不同的地质条件下，岩石物理力学性质存在一定的区别，同时这些材料无法完全解决弹塑性变形等问题。

（2）试验方法。相似模拟试验是根据相似原理产生的，而实际试验过程中，由于研究方向和试验条件的需要，并不能模拟全部岩层，而此时得到的试验结果与实际情况存在一定的偏差。

（3）地质构造模拟。部分特殊的覆岩运动情况是由于地质构造作用产生的，而在相似模拟试验中，如何有效模拟地质构造，实现地质构造的物理力学特征及其对覆岩运动的影响还有待探究。

（4）模型观测。相似模拟常用位移监测手段有近景摄影测量、位移计法、经纬仪或全站仪测量、水准测量等，应力监测主要应用应变仪、压力盒进行监测，但效果差强人意，所得试验结果可以定性反映覆岩运动情况，难以满足定量需求。

3  发展趋势

在分析前述研究基础上，笔者认为相似模拟试验将在以下3个方面得到长足发展。

（1）新型试验材料研发。

研究新型试验材料，使得材料性质更加符合岩石的物理力学性质，有效模拟岩层破断过程中弹性、塑性、延性特征，获得更为接近真实情况的模拟效果。

（2）先进的监测手段。

引入先进观测手段，获得更为合理有效的试验数据，使相似模拟试验由定性分析向定量分析转变。

（3）地质构造有效模拟。

地质构造对采动覆岩运动起重要作用，在相似模拟试验中实现地质构造的有效模拟将扩大其应用范围。

4  结语

相似模拟试验是分析采动覆岩运动特征的重要手段。本文在充分调研已有成果的基础上，分析了相似模拟试验在采动覆岩破坏模拟方面的应用情况，同时提出了相似模拟试验存在的不足及其未来在新材料、新监测手段、构造模拟三个方面的发展趋势。本文对相似模拟试验的发展与改进有一定的指导意义。

参考文獻

[1] 冯国瑞，任亚峰，王鲜霞，等.白家庄煤矿垮落法残采区上行开采相似模拟实验研究[J].煤炭学报， 2011，36（4）：544-550.

[2] 姜耀东，吕玉凯，赵毅鑫，等.承压水上开采工作面底板破坏规律相似模拟试验[J].岩石力学与工程学报，2011，30（8）：1571-1578.

[3] 杨真，童兵，黄成成，等.近距离房柱采空区下长壁采场顶板垮落特征研究[J].采矿与安全工程学报， 2012，29（2）：157-161.

[4] 刘纯贵.马脊梁煤矿浅埋煤层开采覆岩活动规律的相似模拟[J].煤炭学报，2011，36（1）： 7-11.

[5] 王爱文，潘一山.深部残采区域下冲击危险易突出煤层开采的相似模拟试验[J].煤炭学报，2012，37（4）： 578-584.

[6] 陈义东，李英明.特厚煤层大采高综放工作面覆岩上层活动规律的相似模拟研究[J].矿业研究与开发， 2011，431（2）：8-70.

[7] 刘三钧，林柏泉，高杰，等.远距离下保护层开采上覆煤岩裂隙变形相似模拟[J].采矿与安全工程学报，2011，28（1）：51-60.

[8] 解盘石，张颖异，LUO Yi，等.基于开采损害预计的大倾角多区段采场顶板运移规律实验研究[J].采矿与安全工程学报，2020，37（6）：1188-1195.

[9] 严桂凤，杜占吉，董青红，等.基于相似模型的断层结构组合对薄基岩变形破坏影响规律[J].中国矿业， 2020，29（s2）：378-382.

[10] 张玉鹏，张玉军，刘毅涛，等.蒙西深部厚煤层大采高综采面覆岩破坏高度研究[J].中国安全科学学报， 2020，30（8）：37-43.

[11] 杨科，刘帅.深部远距离下保护层开采多关键层运移-裂隙演化-瓦斯涌出动态规律研究[J].采矿与安全工程学报，2020，37（5）：991-1000.

[12] 孔令海.增量荷载作用下深部煤巷冲击破坏规律的模拟试验研究[J].煤炭学报，https：//doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2020.1291