實驗指導書
適用專業： 採礦工程
山東科技大學資源與環境工程學院
2023年 10 月
前言研究採場支承壓力的發展變化與上覆岩層運動之間的關係以及來壓時刻支架一圍岩（頂板）間相互相作用的關係，是解決採場礦壓控制問題的基礎。但由於採場支承壓力發展變化具影響因素的複雜性和現場實際研究中採場上覆巖運動的不可見性，這都給採場礦壓的研究和理論教學帶來了極大的困難。模擬實驗作為一種研究方法，是解決較為複雜的工程問題的乙個行之有效的重要途徑。
對於複雜的地下工程問題，傳統的相似材料模擬研究方法有地下工程研究領域內得到了廣泛的應用,優其是在採場礦壓的實驗室模型實驗的研究方面,目前在國內外一般也都是採用相似材料模擬研究法,通過模型直接觀察採場推進過程中上覆岩層的運動,研究支承壓力的發展變化規律以及支架一圍岩(頂板)間的相互關係問題,並獲得了廣泛的發展。雖然，相似材料模擬研究法在採場礦壓問題的研究方面，具有一些特殊的優點和實驗效果，但是，隨著礦壓理論的不斷發展，在實際的實驗研究中，也還不可避免地存在著以下幾個方面的問題：
1．實驗模型對相似材料本身的物理力學特性有較強的依賴性。
2．由於模型在成型手段和方法上的落後現狀以及其它客觀因素的緣故，使得模型的成型技術和成型質量等問題難以嚴格地控制，加之相似材料的試件實驗與模型實驗的各種條件，其一致性無法保證，因此煤層塑性區無法模擬，尤其是巖梁裂斷及運動狀態無法控制。
機械模擬實驗台採用的物理模擬與相似模擬相結合的方法。較好的克服相似材料模擬方法的某些不足，在實驗方法上取得了以下進展：
1．能夠模擬煤層的塑性區。
2．能夠人為控制上覆巖梁的裂斷及運動狀態。
3．實驗模型採用「積木」式拼接。
4．實現了實驗過程的自動化。
目前國內外均沒有機械模擬實驗台研製及研究方面的報道，機械模擬實驗台的研製對於研究礦山壓力顯現規律及與上覆岩層運動規律之間的關係具有重要的創新意義。
採場礦壓相似模擬實驗
一、實驗目的
1.驗證採場推進過程中上覆岩層運動與支撐壓力變化的關係。
二、實驗內容
1、了解實驗原理與方法。
2、演示實驗。
三、實驗儀器、裝置
1.採場礦壓機械模擬實驗台。
四、實驗原理
採場礦壓機械模擬實驗台主要由模型實驗框架（如圖1所示）和測控系統（如圖2所示）兩大部分組成。
圖1 模型框架示意圖
1—控制採高公升降機構 2—氣囊 3—老頂 4—載入膠囊 5—反力框架
6—氣囊公升降機構 7—電磁閥 8—進氣總管 9—框架 10—壓力變送器
圖2 dcs系統結構圖
(一) 、模擬實驗台模型的相似比及台架幾何尺寸
1、模型材料：
模型材料是以聚乙烯和橡膠材料為主，以金屬材料為輔的複合材料，聚乙烯和橡膠材料的比重約1克/cm3。
2、模型似條件及相似比：
（1）由量剛分析原理匯出實驗模型的相似準則。
1）其中：—應力比 —容重比 —幾何比
當和確定後，可由（1）式得出
（2）相似比確定：
已知： （模型物量用上標「』」表示）
根據實驗要求設：
所以3、模型幾何尺寸：
長×高×寬=4000×1500×30
按幾何比，可模擬現場實際尺寸為：200m×75m×15m
(二)、模型物理場的機械模擬
1、煤層：煤層是實驗中需要開採的部分。
用橡膠氣囊模擬煤層，通過機械方法控制氣囊的放氣模擬煤層的開採（即採場工作面的推進）。通過壓力感測器可檢測氣囊的壓力（即煤層壓力）。氣囊的工作原理見圖3
圖3 橡膠氣囊工作原理圖
1—氣源 2—橡膠氣囊 3—按鈕開關 4—電磁閥 5—節流閥 6、壓力變送器 7-蓄能器
2、老頂：老頂是實驗中其力學結構和狀態隨煤層開採而變化的部分。
採用塑料、橡膠、金屬材料加工成具有模擬老頂運動功能和力學結構功能的梁，如圖4所示。
圖4 老頂模型結構圖
1—磁極 2—街鐵 3—橡膠 4—雙鉸摺頁
用電磁鐵機結，通過控制其電源的開斷，模擬老頂的裂斷；通過橡膠夾層模擬老頂的彎曲；設定在老頂裂斷面處的雙鉸摺頁，以模擬老頂裂斷後其力學結構和運動特徵。
3．底板：
用不同硬度的橡膠板復合成模型底板，並在橡板設定一定密度的壓力檢測孔放置相應的感測器，以測試底板應力分布。
(三)、載入系統
由相似條件，當採場深度為1000m時，
模型的載荷為=0.25kg/cm2。
對此範圍的載荷壓力可使用氣壓或水壓膠囊在反機構的作用下對模型進行載入，如圖4所示。
(四)、實驗模型框架
該框架由控制採高公升降機構、氣囊公升降機構、主框架，反力框架四個主要部分組成，如圖4所示，通過電機帶動絲杆可控制採高公升降機構的下降高度，以實現不同採高的要求，也可控制老頂觸矸位置；當研究頂板運動與底板應力分布關係時，可通過氣囊公升降機構，將氣囊的位置公升高，以給足夠高度的底板空間；反力框架將對三個方向上限制膠囊變形，乙個方向對模型載入。
(五)、資料檢測與控制系統
1、資料檢測點
（1）煤層壓力——140點
（2）底板壓力——210點
（3）位移感測器——25點
（4）幫浦站壓力——2點
（5）流量——2點
模擬量輸入點共379點
2、控制輸出點
（1）氣囊進排氣電磁閥——140點
（2）控制採高公升降機構電機正、反轉—50點
（3）老頂電磁鐵——20點
（4）控制載入系統電磁閥—4點
開關量輸出點共214點
考慮到15%的餘量該實驗台共有380+50點的模擬量輸入，214+36點的開關量輸出，由於輸入模擬量和輸出開關量大，因此採用先進的集散控制系統（dcs系統）。該系統整合綜合了智慧型儀表、多功能回絡控制器，順序控制器，可程式設計控制器的功能，具有先進的資料採集及處理功能、控制策略、圖形操作介面和**實時操作工具，實現實驗過程的實時監測，監視、記錄、操作、管理及其連續控制，邏輯控制、順序控制。
五、實驗系統的功能
1、該實驗系統能夠進行採場推進過程中，上覆岩層運動狀態與煤層支承壓力變化關係的研究與演示。
2、能夠進行採場來壓時，支架與頂板狀態關係的研究演示。
3、能夠進行不同採高時頂板狀態與煤層支承壓力關係的研究與演示。
4、能夠進行頂板運動狀態與煤層支承壓力以及底板應力分布關係的研究與演示。
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