《矿山压力与岩层控制》实验教学指导书

《矿山压力与岩层控制》实验教学指导书

山东科技大学资源与环境工程学院实验中心

二 ○ ○ 二 年 十 月

《矿山压力与岩层控制》实验教学指导书

该实验指导书隶属于《矿山压力与岩层控制》课程，适用于采矿工程专业的本科实验教学，共有7个实验，总学时数为4个学时，其中2个必做实验，5个选做实验。在学习本课程之前，应先修《材料力学》、《弹性力学》、《岩石力学》等专业基础课程。各实验名称、目的、学时等情况见下表。

序号实验名称计 划

学时数实验属性开出

要求实验目的及要求

1相似材料配比及性质的测定2验证性选开掌握按一定比例配制相似材料并测定其物理力学性质

2测定相似材料强度曲线2验证性选开掌握测定模型材料强度曲线的方法

3应力环压力传感器的率定2验证性选开通过率定试验熟悉压力传感器及静态应变仪的测试方法及仪器

4裂隙梁失稳模拟试验2验证性选开掌握模拟试验时测试位移、受力和模拟支架的方法及仪器

5相似材料模拟试验2综合性必开测定采场上覆岩层应力和位移，了解和掌握采场上覆岩层运移规律

6巷道锚喷支护的相似模拟试验2验证性选开掌握有无锚杆支护时巷道的塑性围岩移动规律，锚杆与巷道围岩的相互作用

7采场支护材料试验2验证性必开测定在压力作用下采场巷道变形量和岩层内部应力变化，了解我国矿山主要支护材料性质、分类、工作原理及支护方法。

实验一 相似材料配比及性质的测定

一、试验目的：掌握按一定比例配制相似材料并测定其物理力学性质。

二、仪器设备：试模、量筒、感量0.1克的天平，振捣棒、最高温度为300℃的烘箱，抗拉抗折试验仪，10KN~100KN材料试验机。

三、试验步骤

1.试验前，应通过计算确定相似材料拌合量，包括3条抗弯试件，3块8字抗拉试块及3块劈裂抗拉试块。然后根据拌合量，计算每种材料用量，包括缓凝剂，骨料的称量，一般以风干状态为准，如表面含水，应根据其含水率折算湿料用量，同时在用水量中扣除同料所含水量。

2.根据上述计算结果，分别称量各材料用量，再拌和、加水、搅拌。如用人工搅拌，应先用水湿润搅拌盘及工具，先拌均材料再加水搅拌均匀，一般需要5min;如用搅拌机，先将筒壁湿润后，加干料搅拌1min，再徐徐加水搅拌2min。

3.试模应事先擦净，内部涂上机油，将搅匀的材料入模成型，分2~3层插捣、压实、用抹子铲平表面。终凝后将试件编号、拆模、称湿重、干燥(先自然干燥一天，再入烘箱40℃至衡重)

4.对8字形试块及长条形试块在抗拉抗折仪上进行抗拉及抗折强度测定。试验前应先调整仪器使游动砝码对零，然后配合适当的夹具使试件与加荷装置接触良好，加载至试件断裂，读出并计录破坏载荷(KN)或强度值(MPa)。

5.取抗折试验后的六个断块，进行抗压试验。承压板应位于压力机中心，以试块成型时的侧面作为受压面，受压面积40×62.5mm2。开动压力机，以每秒5KN的加荷速度将试件压至破坏，记录破坏荷载值。

6.取三个扁圆试块作劈裂抗拉试验，加压时上下垫条应处于正中相对位置，记录破坏荷载值。

四、结果计算

1.计算抗折强度Rf(Mpa)

Rf=

式中：P---破坏荷载，N;

L---支撑圆柱中心距，一般为100mm;

B、h---试件的宽与高，均为40mm。

计算精确至0.01Mpa，以三个试件平均值作为抗折强度。当测定值中有超过平均值过多，则应剔除，当采用单杠杆时应破坏载荷乘以系数0.2。

2. 计算抗压强度Rc(Mpa)

Rc=

式中：P---破坏荷载，N;

S---爱压面积40×62.5mm2。

3. 计算抗拉强度Rt(Mpa)

1)8字试块为：Rt=

式中 P---破坏荷载，N;

S---受拉腰部断面500mm2

2)劈裂法为：Rt=

式中 d---试件直径，500mm;

t---试件厚度，25mm。

比较两种方法求得的抗拉强度不宜相差太大。

实验二 测定相似材料强度曲线

一、试验目的：掌握测定模型材料强度曲线的方法。

二、仪器设备：试模、量筒、天平、烘箱、100kN材料试验机、直剪或变角剪切夹具或剪切仪或80型三轴材料试验仪。

三、试验步骤：

1.按一定配比制作试块，试块尺寸为φ50×100mm，不少于12块，在使用剪切仪测定时应按剪切盒的尺寸制作试块。

2.将试块编号，称湿重、干燥、计算容重、含水率;

3.进行试验：

方案(1) 用直剪或变角剪切夹具(三个角度，每个角度三块)，在材料试验机中加压，记下最大荷载，测量剪切面积A。

方案(2) 用剪力仪对试块进行直接剪切试验，试块数不低于4个，分别在不同的垂直压力下，一般采用0.1，0.2，0.3，0.4Mpa，测得剪切破断时的量力环内百分表读数S及手轮转数n。

方案(3) 用80型三轴材料试验仪进行三轴试验。试验采取三种围压，每种围压试件数应不少于3个，试验时轴压与围压同时加载，记录相应压力下的应变值，加到所需围压时稳定围压值，并记录各测点的应变值。然后继续增加轴压，每0.2~0.4Mpa记录一次应变值，直至应变值开始出现漂移时，再改为每0.2Mpa记录一次应变值，直至试件破坏，停止加载并记录此值。

卸载时先卸轴压，待至与围压相等后，再将轴、围压同时卸载至零值，试验后小心折去试件的乳胶套，观察试件破坏的形态。

四、实验结果和绘图

1.采用剪切夹具时按下式计算试件抗剪强度Rs(Mpa)

式中 P---破坏荷载，N;

A---剪切面积，mm2;

f---摩擦系数;

α---剪切角，(º)

2. 采用剪切仪时按下式计算试件的抗剪强度：

Rs=CS

ΔL=20n – s

式中 C---量力环的率定系数，Mpa/0.01mm;

S---量力环的百分表读数，0.01mm;

n---手轮转数。

以抗剪强度Rs为纵坐标，垂直压力P为横坐标，根据测定结果各点可绘成一直线，直线倾角φ为内摩擦角，直线在纵坐标上的载距为凝聚力C。

以剪应力为纵坐标，剪切位移ΔL为横坐标，绘制剪应力与剪切位移关系曲线，以曲线峰值或稳定值为材料剪切强度Rs。

3. 采用三轴试验时，先求出各组试件的围压及平均轴压值，以及偏离值。

根据各组测定的围压及轴压值于σ-τ坐标内画出各自的极限应力圆，并描出强度包络线，如包络线并非直线，有时可按两直线处理，求取C、φ值。

根据各组给定围压条件下的轴向应力与轴向、横向应变值绘出相关曲线，计算μ、E值 。

实验三 应力环压力传感器的率定

一、试验目的：通过率定试验熟悉压力传感器及静态应变仪的测试方法及仪器

二、仪器设备：试验架，螺旋千斤顶1台，荷重传感器1个，应力环压力传感器3个，静态应变仪1台

三、实验步骤：

1.在试验架上安装率定装置如图1所示，安装时应严格对中;

图1 应力环压力传感器的率定装置

1—压力传感器; 2—螺旋千斤顶;3—试验架; 4—荷重传感器

2.将应力环及荷重传感器按规定的接法分别接通桥路;

3.将应变仪预调平衡，调好初始读数;先作1~3级预加荷载试验，每级P=50N;仪器测读应按一定的时间间隔进行，全部测点读数时间必须基本相等。

4.正式试验，每级加载50N，逐级记取读数，共5级，重复三次。

5.调节着力点，分别使其偏移应力环传感器中心轴线前后及左右ΔL=1~2cm时，再重测定其特性曲线。

6. 更换应力环传感器后再进行率定。

四、实验结果与计算绘图

1.整理出试验数据，计算平均值;

2.对各压力下的应变值求出应力环压力传感器的率定曲线。

3.评定该压力传感器的技术特征：

(1)灵敏度及最小分辨率，灵敏度=

(2)非线性偏差C， C=×100%

式中 S---非线性标准离差。

(3)重复性，为加、卸载输出量间的标准离差除以最大输出量。

(4)稳定性，一般指零点漂移值，即在受力、温度不变条件下，经过一定时间的应变变化。

(5)抗偏心载荷性能。评定在侧向及竖向偏心受载情况下的特性曲线变化值，用以估计其抗偏载能力。

4. 对应力环传感器的优缺点及适用性进行评述。

实验四 裂隙梁失稳模拟试验

一、实验目的：掌握模拟试验时测试位移、受力和模拟支架的方法及仪器

二、仪器设备：2.5m长平面模拟试验架1台，相似材料砌块1层，加载铁块2层，螺旋千斤顶1台，荷重传感器1个，测高仪1台，静态应变仪1台，模拟支架4个，钢卷尺1个。

三、试验步骤：

1. 准备工作。在模拟煤层上铺设模拟老顶岩层的砌块一层，并加载铁块，如图2所示，砌块层一侧利用螺旋千斤顶加水平力，通过荷重传感器测定荷载;在砌块梁各块中部按设位移测点，利用拉线使测点处于同一水平，测点用测高仪读数;于工作面开切眼内安设模拟支架，试验装备布置见图2，此模型按线比1：20，容重比0.7。

2. 按单方向逐一回采煤层，工作面保持模拟支架3排，随着回采安设支架，并回收末排支架，测支架初读书及末读数。

3. 随着每次回采200mm后用钢尺测读各测点相对于水平线的位移量，记下测高仪读数(包括垂直位移及水平位移)，模拟支架受力及下缩量、水平推力、裂隙梁平衡状态;

4. 回采速度要均匀，读数要快，待移动稳定后再继续回采，每次采宽相当于原型1m;

5. 裂隙梁失稳后立即记下各测点读数，素描裂隙梁交点失稳及台阶下沉情况，说明对采面的影响程度

四、根据实验结果计算、绘图和分析

1. 计算裂隙梁各测点随回采推进而产生位移的规律，画出每推进400mm后的下沉曲线;

2. 计算分析裂隙梁最大下沉量与水平推力T之间的关系，并画出相关曲线

3. 分析裂隙梁失稳前、后的受力状态、指出其类型属于变形失稳、滑落失稳还是强度失稳。

图2 裂隙梁平衡实验装置布置图

1—模型架 2—砌块 3—螺旋千斤顶 4—荷重传感器 5—位移测点 6—水平线 7—测高仪测点 8—模拟支架 9—加重铁块 10—煤层 11-底板

实验五 相似材料模拟试验

一、试验目的

熟悉与掌握测定采场上覆岩层应力和位移的试验设备、仪器、试验方法与计算方法;测定采场上覆岩层中应力和位移，绘制采场上覆岩层中支承压力分布曲线和顶板移动曲线。

二、仪器设备

1.试验平台：长×宽×高分别为5m×0.4m×2m的二维模拟试验平台;长×宽×高分别为3m×0.3m×2m的二维模拟试验平台;三维模拟试验平台

2.检测工具：游标卡尺、直角尺、水平检测台、位移传感器、应力传感器及应变传感器;

3.加载设备：液压千斤顶;

4.测试设备：数据采集与分析系统。

三、试验步骤

1.相似常数的确定

根据相似性原理，两个对应系统相似必须满足以下条件：(1)描述两个系统对应点的各物理量之间分别保持一个常数——相似常数;(2)描述两个系统对应点的动态发展规律的基本物理参数相同，或者说各相似常数间保持一定的关系，即相似准则。因此，两个系统完全相似要求的条件是很严格的。但对某一具体研究问题而言，只要把握主要的物理量和主导的相似准则就可以了，相似材料模型实验研究的问题一般是在重力场中的岩层移动与破坏规律，需要在以下几个方面保持相似关系：

(1)单值条件和相似判据

1)几何相似

根据实验要求和实验台尺寸限制，确定几何相似常数为：。

在设计模型时，对二维模拟试验模型，只要求保持平面尺寸的几何相似，不要求横向(厚度)上的几何相似，但其厚度必须满足模型的稳定性。

2)运动相似

运动相似表现在时间、速度和加速度上，其相似常数为：

根据经验和实验要求，实验确定容重相似常数为：(根据相似材料而定)，则重量相似比为：

3)强度相似和应力相似

根据模型和原型对应点具有相同的应力平衡微分方程，得：

凡具有与和相同量纲的物理量都要保持这一常数，故描述抗压抗拉及抗剪强度的物理量，其相似常数相同，即：

4)变形过程相似

假定系统内的每一岩层都是各向同性的，故描述变形的常数——相互独立，只有两个，即弹性模量E和泊松比，显然应取：

(2)初始状态

对岩体来讲，最重要的初始状态是它的结构状态，为此需要模拟：1)岩体结构牲;2)结构面的分布牲;3)结构面上的力学性质。

在模拟各种不连续结构面时，首先应当区别哪些是对所研究问题有决定性意义的结构面。对于主要结构面，应当按几何相似条件单独模拟，至于次要结构面，为简化起见，往往除考虑岩石本身的力学性质之外，可采取降低不连续面所在处岩石弹性模量和强度的方法来解决。

(3)边界条件相似

模型的边界条件应与原形尽量一致，使用平面模型时，应满足“平面应变”的要求，采取各种措施保证前后表面不产生变形。

模拟深部岩层时，往往用外部加载的方法来代替上部自重应力。根据理论分析，对于均质岩体，由于开挖而引起的应力重新分布的范围约为开挖空间的3~5倍。因此，用外加载方法研究问题时，模拟的范围至少应大于开挖空间的三倍以上。

2.相似材料及其配比

(1)对相似材料的要求

相似材料是用来模拟原型的，对它们的要求是：

1)主要力学性质与模拟的岩层或结构相似。例如：模拟破坏过程时，应使相似材料的单向抗压与抗拉强度相似于原型材料。

2)试验过程中材料的力学性能稳定，不易受外界条件的影响。

3)改变材料配比，可调整材料的某些性质以适应相似条件的需要。

4)制作方便，凝固时间短。

5)成本低，来源丰富。

(2)相似材料的分类

相似材料通常由几种材料配制而成，组成相似材料的原材料可分为两类：

1)骨料：主要有砂、尾砂、粘土、铁粉、铅丹、重晶石粉、铝粉、云母粉、软木屑、聚苯乙烯颗粒、硅藻土等。

2)胶结材料：主要有石膏、水泥、石灰、水玻璃、碳酸钙、石腊、树脂等。

(3)骨料的主要技术特性与用途

1)砂子：宜采用d=0.21~0.12mm的纯净细砂。

2)粘土：宜采用比重大于2.6g/cm3的纯粘土。用前应先干燥磨碎，并用d=0.35mm的筛子筛分。

3)云母粉：比重2.7g/cm3。云母粉有两种用途。

①作骨料：宜采用d=0.3~0.5mm的细云母;

②作分层材料：宜采用d=1.4~5mm的粗云母。

4)铁粉、重晶石粉、铅丹(Pb3O4)、磁铁矿粉等，属于重骨料，用来增大相似材料的容重。

5)软木屑、炉渣、浮石等，属于轻骨料，用来减少材料的容重。

6)软木屑、砂子与聚苯乙烯可用来减小材料的泊松比。

7)硅藻土，一种以硅藻化石为骨架的软弱多孔性沉积物。用作骨料时，可吸收混合物中多余的水与降低相似材料的弹性模量。

8)铝粉，可啬材料的热传导性，有助于量测应变计上热量的扩散与改善量测工作。

9)尾矿来源丰富，是一种良好的骨料。由于尾矿与模拟的矿石具有大致相同的成份，故有助于模拟原型材料的力学特性。

(4)配比的选择

材料配合后的力学性质往往受原材料成份、质量、细度与搅拌方式等多种因素的影响。即使是同一种配比的相似材料，其力学指标也可能有若干差别。因此，制作模型前应当根据自己的具体条件经过试验最终确定合适的配比。

模拟岩石的相似材料大多以石膏胶结材料为主，主要有：

石膏：砂：水：硼砂=1：9：1.1：0.014

砂：水泥：水=100：5：6(龄期10天)

砂：石膏：石灰=4：0.7：0.3

3.加载方法

对于地下工程，最主要的载荷是自重应力与构造应力。

(1)自重的模拟

1)利用材料本身的重量模拟自重

在利用材料本身的重量来模拟自重时，要求材料容重的相似常数等于应力相似常数除以几何相似常数。为了使模型材料的容重能在一定范围内变动，以适应各种岩石的要求，常掺加各种重骨料(铅丹、重晶石)或轻骨料(浮石、炉渣)。

2)施加面力模拟围岩自重

当模拟的地层很深，而所要研究的问题仅涉及硐室附近一部分围岩时，常常用施加面力的办法来代替研究范围以外的岩石自重。

在平面模型中，当面力施加的范围不大时，最简单的办法是用一台液压千斤顶，通过几级分配块来直接施加面力，也可以用杠杆加重锤的办法来施加面力。

当施加载荷的范围很大时可用几个千斤顶或液压囊来扩大加压的范围，即将平面模型划分为若干区域，每个区域用一台千斤顶加压，或用液压囊并排地施加载荷。由于自重应力在同一水平上是一样的，可以很方便地用一个统一的供油系统来控制各千斤顶或液压囊上所施加的压力。

3)分块加载模拟自重

有时，在立体模型和大的平面模型中利用加载钢丝将载荷悬持在模型下部，为此常将模型划分为许多立方单元体，并将载荷分散施加在每个立方块的重心处。这种均匀分布于结构内部的垂直力系与自重力系最接近，因而适用于研究应力应变特征的模型中。

(2)地应力的模拟

大量实测资料表明：在岩体中除自重应力以外有因地球自转角速度变化而形成的构造应力。这种构造应力是地球产生各种地质构造运动的内在力量。根据近代地质力学的观点，认为从全球范围来看，构造应力以水平力为主，因此对于构造应力明显的岩体，在设计模型时，应当采用两向或三向加载的系统来模拟地应力。

两向或三向加载装置是比较复杂的，目前普遍采用以面力代替体积力的办法来进行试验。具体细节请参阅有关参考书。

4.实验数据测试

(1)测点布置

一般相似材料模型试验，均要观测支承压力分布规律和顶板移动规律，分别布置压力测线和位移测线。原则上讲，测点布置越密越好，但过密又会带来新的问题，如刚度不匹配带来的应力集中等，具体视模型尺寸大小而定。

(2)实验数据测试

用应力传感器和位移传感器测定采场上覆岩层中应力和位移。位移传感元件测得的数据通过P20R-5型预调平衡箱，然后由YJ-5型静态电阻应变仪直接读出，再通过位移校正系数转换成位移量。应力传感元件测得的数据通过P20R-17型预调平衡箱和YJ-17型静动态电阻应变仪，然后由PZB型直流数字电压表读出，再通过校正系数转换成应力值。

最后根据测提的数据整理出压力曲线和下沉曲线。

五、试验结果的计算、绘图和分析

1.记录应力传感器和位移传感器测定采场上覆岩层中的应力和位移，绘制采场上覆岩层中支承压力分布曲线和顶板移动曲线

2.计算分析采场上覆岩层最大下沉量与水平推力之间关系，并画出相关曲线;

实验六 巷道锚喷支护的相似模拟试验

一、实验目的：掌握有无锚杆支护时巷道的塑性围岩移动规律，锚杆与巷道围岩的相互作用

二、仪器设备：螺旋钢，压力机，槽钢，双股钢丝，应力锚杆，砂浆，砂，膨胀土，滑石粉，水

三、实验步骤：

1.试验条件

实验的粘泥岩力学性质为：抗压强度;;;N/cm3，岩石的应力应变曲线为无峰值型的塑性类型。

支护参数：锚杆杆体为的螺旋钢，有三种锚杆：1)砂浆锚杆，砂浆为200号;2)中间可延伸锚杆，拉力60KN时变形为10%，即1.8m长锚杆伸长0.18m;3)全长可延伸锚杆，锚杆特性曲线如图所示，喷层砂浆200号，容重N/cm3。

2.相似模拟参数的确定

为了详细考察支架与围岩的相互关系，采取的模型线比为;围岩相似材料的容重，则模型的应力比为，砂浆的应力比为

相似材料的选择如表1所示

表1 选择相似材料

参数粘泥岩(砂：膨润土：滑石粉：水)

4： 0.7 ： 0.6 ：0.6砂浆(滑石粉：石膏：水)

1： 1.8： 0.8

原岩 相似材料

计算值 实际值原型 相似材料

计算值 实际值

应力比10 15.3

Rc(Mpa)0.44 0.044 0.07820 1.4 1.3

C(Mpa)0.12 0.012 0.025

φ(º)27 º 27 º 28 º

3.相似模拟设计

为了减少每次试验工作量及便于利用压力机加载，试验采用由槽钢制作的小立体框架，尺寸为0.4×0.44×0.48m，侧向及前面的模板可以拆下及固定，顶面通过上部传力板将2000kN压力机的载荷作用在模型上，以模拟不同垂深时的原岩应力。

锚杆采取0.7mm的双股钢丝拧成螺旋形，如图3(a)所示。中间可延伸及全长可延伸两种锚杆的试验特性曲线如图3(b)、(c)所示。

(a)

(b) (c)

图3 模拟锚杆及力学特性

a—两种模拟锚杆;b—局部锚杆力学特性;C—全长锚杆力学特性

为了观测围岩变形，在模型表面画上1.1×1.1cm的网格，试验后进行照相及量测网格变形的情况。

模型中还装入应力锚杆，以量测锚杆上各点的应力分布。

四、试验结果

观察不同加压方式下，网格径向长度变化，并画出巷道周边不同距离处网格径向长度，分析有无锚杆支护时围岩移动规律

实验七 采场支护材料试验

一、试验目的

测定模拟试验台(二维、三维)中金属摩擦支柱、单体液压支柱、轻型液压支架、综采液压支架、切顶墩柱、回采巷道支护各类锚杆、拱形支架、梯形支架等支护材料的R—ε特性曲线和R—T曲线，说明各种支护材料上的矿压分布规律。

二、仪器设备

1.试验平台：长×宽×高分别为5m×0.4m×2m的二维模拟试验平台;长×宽×高分别为3m×0.3m×2m的二维模拟试验平台;三维模拟试验平台;

2.支护材料：金属摩擦支柱、单体液压支柱、轻型液压支架、综采液压支架、切顶墩柱、回采巷道支护各类锚杆、拱形支架、梯形支架等;

3.检测工具：游标卡尺、直角尺、水平检测台、位移传感器、应力传感器及应变传感器;

4.加载设备：液压千斤顶;

5.测试设备：数据采集与分析系统。

三、试验步骤

1.参观模拟试验台中单体支柱支护系统支设、回撤方法;

2.教师演示单体液压支柱注液升柱、回柱，安全阀开启方法;

3.单体液压支柱低压密封质量检测。利用山东科技大学研究的低压密封质量检测仪DK—Ⅱ检测单体液压支柱的密封性能，了解行业检测标准与要求;

4.教师演示综采支架(轻型液压支架)支、卸、移等支护全过程，了解支护原理及其与移溜、推溜、采煤机截深等工序与参数的配合关系;

5.学生实际操作坚硬顶板切顶墩柱支护全过程;

6.教师讲解锚杆支护原理，锚固力监测，支护质量评价方法;

7.学成测量各种支护材料上方岩层位移和支护材料受力大小。

四、试验结果的计算、绘图和分析

通过实验室实验操作，了解支护材料性能与工作原理，完成实验研究报告，主要内容包括：

1.根据各种支护材料上方岩层的位移和支护材料受力大小，绘制各种支护材料的R—ε特性曲线和R—T曲线，说明各种支护材料上方矿压分布规律;

2.总结特殊条件下支护措施、支护设计;顶板来压期间支护设计;冒顶的预防与支护;破碎顶板条件下支护;

3.常用支护质量检测方法，支柱密封性能检测方法与标准。