巖層控制

1、巖層控制實(shí)驗(yàn)與實(shí)測(cè)技術(shù)巖層控制實(shí)驗(yàn)與實(shí)測(cè)技術(shù)礦山壓力顯現(xiàn)：礦山壓力顯現(xiàn)：在礦山壓力作用下，引起各種力學(xué)現(xiàn)象，如巖體的變形、破壞，支護(hù)物的變形、破壞、折損以及在巖體中產(chǎn)生的動(dòng)力現(xiàn)象，這些由于礦山壓力作用使巷硐周?chē)鷰r體和支護(hù)物產(chǎn)生的種種力學(xué)現(xiàn)象，叫礦山壓力顯現(xiàn)。巖層控制：巖層控制：為使礦山壓力顯現(xiàn)不影響正常的開(kāi)采工作和保證生產(chǎn)安全，采取各種技術(shù)措施加以控制，包括巷道布置，工作面形成，對(duì)巷道及采煤工作面空間進(jìn)行支護(hù)，對(duì)軟弱的煤、巖體進(jìn)行加固，

2、用各種方法使巷道或采煤工作面得到卸壓，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，或用人工的方法使采空區(qū)頂板按預(yù)定方案冒落等一系列的控制技術(shù)和方法稱(chēng)為巖層控制。巖石單軸壓縮荷載作用下所能承受的最大壓應(yīng)力稱(chēng)為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度單軸抗壓強(qiáng)度。巖石在單軸拉伸荷載作用下達(dá)到破壞時(shí)所能承受的最大拉應(yīng)力稱(chēng)為巖石的單軸抗拉強(qiáng)度單軸抗拉強(qiáng)度。（劈裂法）巖石在剪切荷載作用下達(dá)到破壞前所能承受的最大剪應(yīng)力稱(chēng)為巖石的抗剪切強(qiáng)度抗剪切強(qiáng)度（角模壓剪實(shí)驗(yàn)）巖石的強(qiáng)性模量巖石的強(qiáng)性模量是指

3、巖石在彈性變形階段其應(yīng)力與應(yīng)變變化值之比。巖石在三向壓縮荷載作用下，達(dá)到破壞時(shí)所能承受的最大壓應(yīng)力稱(chēng)為巖石的三軸抗壓強(qiáng)度巖石的三軸抗壓強(qiáng)度。與單軸壓縮實(shí)驗(yàn)相比，試件除受軸向壓力外，還受側(cè)向壓力。三軸壓軸實(shí)驗(yàn)的加載方式三軸壓軸實(shí)驗(yàn)的加載方式有兩種，一種是真三軸加載，試件為立方體，六個(gè)面均可加壓。常規(guī)的三軸實(shí)驗(yàn)用圓柱體作為試件，除軸向加荷載外，在試件的柱面上施加有側(cè)向載荷。三軸抗壓加載方法三軸抗壓加載方法：緩慢施加側(cè)向壓力到指定值，穩(wěn)定數(shù)分

4、鐘，使側(cè)壓力保持恒定，變動(dòng)范圍不應(yīng)超過(guò)選定值的2%。此時(shí)可調(diào)整電阻應(yīng)變儀讀數(shù)使之為零，作為應(yīng)變測(cè)量的起始點(diǎn)。然后再以0.5～1.0MPas的穩(wěn)定加載速率施加縱向載荷直至試件破壞，記下破壞載荷值。卸載后取出試件，記錄其破壞狀況。必要時(shí)可量取破壞面與σ1作用面的夾角θ。相似材料是由膠結(jié)物和填料組合而成，膠結(jié)料的力學(xué)性質(zhì)很大程度上決定相似材料的力學(xué)性質(zhì)，其力學(xué)性質(zhì)可分為四類(lèi)：（相似材料模擬材料相似材力學(xué)性質(zhì)相似材料模擬材料相似材力學(xué)性質(zhì)：）①

5、無(wú)機(jī)膠結(jié)料如石膏、水泥、石灰、碳酸鈣、水玻璃等，具有脆性破壞的特點(diǎn)；②碳?xì)漕?lèi)石油產(chǎn)品如石臘、凡士林、地蠟、油類(lèi)等，具有彈塑性和塑性變形的特點(diǎn)；③合成樹(shù)脂如環(huán)氧樹(shù)脂、尿素樹(shù)脂等，其特性變化范圍寬，由脆性直至塑性；④天然膠質(zhì)產(chǎn)品如松香、瀝青等，具有脆性特點(diǎn)。常用膠結(jié)料的特性常用膠結(jié)料的特性：石膏強(qiáng)度高，凝固快，在相似材料中能起迅速成型和增加強(qiáng)度的作用，可作為主膠結(jié)料；水泥強(qiáng)度更高，壓拉比大，故可作為大比例模型的膠結(jié)料（具有明顯脆性，特點(diǎn)強(qiáng)度

6、大，制作簡(jiǎn)單，來(lái)源廣）；其他如碳酸鈣（強(qiáng)度低，可作為相似材料中降低強(qiáng)度成分）、高嶺土（強(qiáng)度低，材料可塑性低）、石灰強(qiáng)度較低（脆性極明顯可以增加相似材料脆性），可作為調(diào)節(jié)強(qiáng)度及變形性能之用。1、石膏膠結(jié)料以石膏作為主要膠結(jié)料廣泛應(yīng)用的有純石膏及石膏—砂兩種相似材料。（1）純石膏或石膏硅藻土材料這種相似材料取材方便，成型容易，力學(xué)指標(biāo)范圍較大，彈性好，廣泛用于測(cè)定應(yīng)力的模型。但這種材料一般用于澆注型模型，因?yàn)檫^(guò)量的水將導(dǎo)致模型呈多孔結(jié)構(gòu)，在

7、較大的圍壓下壓縮變形過(guò)大，不如壓實(shí)型模型更能模擬各向受壓的巖體變形特征。（2）石膏加填料根據(jù)成型方法可分為澆注型及壓實(shí)型，目前主要使用壓實(shí)型成型法。填料通常用：砂子，經(jīng)試驗(yàn)認(rèn)為相似材料的內(nèi)摩擦角甲完全取決于砂粒結(jié)構(gòu)，石膏膠結(jié)料對(duì)其不起作用。2、水泥膠結(jié)料（2）支護(hù)體材料的力學(xué)性能測(cè)試；（3）采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)及巷道圍巖變形的相似物理模擬實(shí)驗(yàn)；（4）實(shí)測(cè)儀器儀表的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定和礦山壓力測(cè)試方法研究。相似理論條件：1）幾何相似；2）物理現(xiàn)象相似

8、；3）初始、邊界條件相似；4）各同名無(wú)因次參數(shù)相等。平面應(yīng)力平面應(yīng)力：設(shè)有很薄的等厚度薄板，只在板邊口受到平行于板面并且不沿厚度變化的面力或約束，同時(shí)體力也平行于板面并且不沿厚度變化平面應(yīng)變平面應(yīng)變：設(shè)有很長(zhǎng)的巷道，它的橫截面積不沿長(zhǎng)度變化，在巷道圍巖上平行于橫截面而不沿長(zhǎng)度變化的面力或約束，同時(shí)，體力也平行于橫截面而不沿長(zhǎng)度變化。模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)：模擬試驗(yàn)的模型種類(lèi)很多。根據(jù)其形式有平面、立體、平板等幾種。根據(jù)其整體性來(lái)分，有整體

9、澆注、分層鋪設(shè)、塊體砌筑及散體等數(shù)種。根據(jù)其受力狀態(tài)來(lái)分，有單向、雙向及三向受力三種，其受力方式有的僅是被動(dòng)的限制變形，也有的是主動(dòng)加壓方式?，F(xiàn)分述如下。①平面應(yīng)力模型平面應(yīng)力模型平面應(yīng)力模型是以沿長(zhǎng)度方向力學(xué)狀態(tài)不變的橫向剖面作為模擬對(duì)象的一種模型。這種模型的理論依據(jù)是在彈性力學(xué)的平面應(yīng)力與平面應(yīng)變問(wèn)題中，應(yīng)力的求解方程是一樣的，因此可以用平面應(yīng)力模型來(lái)模擬實(shí)際處于平面應(yīng)變狀態(tài)的巖層。②平面應(yīng)變模型平面應(yīng)變模型模型采取三向獨(dú)立加壓方式

10、，一般采用液壓加載其正面及背面的加壓值應(yīng)控制模型在該方向的變形量為零才是最合理的，但實(shí)際并不能經(jīng)常做到。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要用于研究地下硐室穩(wěn)定性及巷道支架與圍巖相互作用關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。③立體模擬試驗(yàn)臺(tái)立體模擬試驗(yàn)臺(tái)對(duì)于三維應(yīng)力狀態(tài)均有變化的研究對(duì)象，使用立體模型試驗(yàn)臺(tái)較為理想，然而立體模型的每次鋪設(shè)用料較鋪設(shè)同樣長(zhǎng)度的平面模型多出好幾倍，進(jìn)出材料多，工作量大。（立體模型的長(zhǎng)壁工作面回采只能用活動(dòng)條帶狀底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。模型內(nèi)部位移、壓力的觀測(cè)只能

11、用埋設(shè)傳感器的方法來(lái)測(cè)試，較費(fèi)事，且不直觀。模型內(nèi)部干燥、困難、不均等對(duì)傳感器工作狀態(tài)有影響。若要滿(mǎn)足立體模型邊界條件相似的要求，須對(duì)模型外表面進(jìn)行限制或加壓，以控制其側(cè)向變形，這將更使試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。若要模擬傾斜煤層的開(kāi)采，還要增加機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)體。）對(duì)傳感器的要求對(duì)傳感器的要求：①其工作范圍或量程足夠大；具有一定過(guò)載能力②與測(cè)量或控制系統(tǒng)相匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高和線(xiàn)性程度好③反應(yīng)快，工作可靠性好④精度適當(dāng)，且穩(wěn)定性好⑤適用性和適應(yīng)性