采礦工程中相似模擬試驗研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

邱露 孫熙震

摘? 要：相似模擬試驗是采礦工程中研究覆巖運動特征的重要手段。本文結(jié)合已有成果對相似模擬試驗在采場覆巖運動研究中應(yīng)用進行了分析總結(jié)。研究指出：盡管相似模擬試驗結(jié)合應(yīng)力、位移等監(jiān)測手段能較好對采場覆巖運動情況進行反映，但存在一定不足，并從試驗材料、試驗方法、地質(zhì)構(gòu)造模擬、觀測手段等方面對存在問題進行了分析，在此基礎(chǔ)上探討了相似模擬試驗未來發(fā)展趨勢。研究成果對于指導(dǎo)和改進相似模擬試驗有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：相似模擬? 覆巖運動? 綜述? 現(xiàn)狀及趨勢

中圖分類號：TD80 ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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

采動應(yīng)力作用下覆巖運動規(guī)律是采礦工程研究的重要課題之一，相似模擬試驗作為研究采動覆巖運動規(guī)律的有效手段，被廣泛應(yīng)用于不同開采條件下覆巖運動規(guī)律研究之中。

相似材料模擬研究是以蘇聯(lián)學(xué)者茲涅佐夫提出的相似理論為基礎(chǔ)而形成的一整套從物理實驗、力學(xué)實驗、模型實驗直到工程實踐的研究方法，相似模擬試驗可以人為的改變采場圍巖條件進行新技術(shù)、新方案的研究，從而直觀清晰的獲得覆巖運動規(guī)律。

盡管相似模擬試驗在模擬覆巖運動規(guī)律方面有一定優(yōu)勢，但巖土工程及采場覆巖運動規(guī)律、受力狀態(tài)較為復(fù)雜，巖層中弱面、層理、節(jié)理直接影響到覆巖運動特征，進而導(dǎo)致模擬結(jié)果差異。本文通過對覆巖運動相似模擬研究成果的分析總結(jié)，揭示了目前相似模擬試驗中存在的問題，并對未來發(fā)展趨勢提出了展望，這對于采動覆巖運動演化特征中相似模擬試驗的改進有一定的指導(dǎo)意義。

1? 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相似模擬試驗的實質(zhì)是根據(jù)相似定理，將礦山巖層按照一定比例縮小，用相似材料鋪設(shè)成為模型，在模型上進行煤層開采，并對模型上覆巖層（包含底板）運動情況進行觀測，以此來反映、推測實際開采中上覆巖層的運動情況。

馮國瑞等[1]通過相似模擬試驗分析了白家莊煤礦垮落法殘采區(qū)上覆煤層開采問題，揭示了上覆巖層破裂演化特征及其支承壓力分布規(guī)律。姜耀東等[2]以峰峰礦區(qū)九龍礦深部承壓水上開采工作面底板為研究對象，結(jié)合現(xiàn)場取芯及室內(nèi)相似模擬試驗，分析了深部承壓水體上開采工作面底板應(yīng)力分布特征。楊真等[3]采用相似模擬試驗對近距離房柱采空區(qū)下長壁采場覆巖隨時間變化的漸進破斷過程和采動裂隙的發(fā)展演化規(guī)律進行了研究。劉純貴[4]以相似模擬試驗分析了“兩硬”淺埋煤層開采覆巖活動規(guī)律，揭示了大面積來壓的原因。王愛文等[5]采用相似模擬試驗方法對對深部殘采區(qū)域下伏煤層工作面的安全開采問題進行了研究，獲得了覆巖運動過程，并結(jié)合應(yīng)力觀測數(shù)據(jù)進行了危險區(qū)域劃分。陳義東等[6]利用物理相似模擬方法對特厚煤層綜放工作面上覆巖層活動規(guī)律以及支承壓力分布特點進行了研究。劉三鈞等[7]采用相似模擬試驗揭示了遠距離下保護層開采過程中上覆煤巖裂隙動態(tài)演化規(guī)律。解盤石等[8]采用相似模擬手段分析了大傾角多區(qū)段采場頂板運移規(guī)律。嚴(yán)桂鳳等[9]采用相似模擬試驗揭示了斷層結(jié)構(gòu)組合對薄基巖變形破壞影響規(guī)律。張玉鵬等[10]運用相似模擬分析了蒙西深部厚煤層大采高綜采工作面覆巖破壞高度，并結(jié)合數(shù)值模擬和理論分析獲得導(dǎo)水裂隙帶高度。楊科等[11]結(jié)合相似模擬分析了多關(guān)鍵層采動裂隙動態(tài)演化規(guī)律和卸壓特征，及關(guān)鍵層運移對被保護層卸壓瓦斯涌出動態(tài)的影響。孔令海[12]進行了深部煤巖巷道相似模擬試驗，揭示了深部煤巖巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)與圍巖結(jié)構(gòu)沖擊破壞間的協(xié)同響應(yīng)關(guān)系。

2? 存在問題

相似材料模擬（見圖1和圖2）是研究巖層破壞的主要方法之一。由于相似模擬試驗可以人為改變試驗條件，對于模擬采場開挖上覆巖層運動情況提供了極大的便利，但由于試驗條件的限制，相似模擬試驗還存在一定問題。

（1）試驗材料。相似材料包括骨料和膠結(jié)料，常見的骨料包括：滑石粉、粘土、河砂等;膠結(jié)材料包括碳酸鈣、石蠟、石膏等。不同的地質(zhì)條件下，巖石物理力學(xué)性質(zhì)存在一定的區(qū)別，同時這些材料無法完全解決彈塑性變形等問題。

（2）試驗方法。相似模擬試驗是根據(jù)相似原理產(chǎn)生的，而實際試驗過程中，由于研究方向和試驗條件的需要，并不能模擬全部巖層，而此時得到的試驗結(jié)果與實際情況存在一定的偏差。

（3）地質(zhì)構(gòu)造模擬。部分特殊的覆巖運動情況是由于地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生的，而在相似模擬試驗中，如何有效模擬地質(zhì)構(gòu)造，實現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造的物理力學(xué)特征及其對覆巖運動的影響還有待探究。

（4）模型觀測。相似模擬常用位移監(jiān)測手段有近景攝影測量、位移計法、經(jīng)緯儀或全站儀測量、水準(zhǔn)測量等，應(yīng)力監(jiān)測主要應(yīng)用應(yīng)變儀、壓力盒進行監(jiān)測，但效果差強人意，所得試驗結(jié)果可以定性反映覆巖運動情況，難以滿足定量需求。

3? 發(fā)展趨勢

在分析前述研究基礎(chǔ)上，筆者認為相似模擬試驗將在以下3個方面得到長足發(fā)展。

（1）新型試驗材料研發(fā)。

研究新型試驗材料，使得材料性質(zhì)更加符合巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，有效模擬巖層破斷過程中彈性、塑性、延性特征，獲得更為接近真實情況的模擬效果。

（2）先進的監(jiān)測手段。

引入先進觀測手段，獲得更為合理有效的試驗數(shù)據(jù)，使相似模擬試驗由定性分析向定量分析轉(zhuǎn)變。

（3）地質(zhì)構(gòu)造有效模擬。

地質(zhì)構(gòu)造對采動覆巖運動起重要作用，在相似模擬試驗中實現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造的有效模擬將擴大其應(yīng)用范圍。

4? 結(jié)語

相似模擬試驗是分析采動覆巖運動特征的重要手段。本文在充分調(diào)研已有成果的基礎(chǔ)上，分析了相似模擬試驗在采動覆巖破壞模擬方面的應(yīng)用情況，同時提出了相似模擬試驗存在的不足及其未來在新材料、新監(jiān)測手段、構(gòu)造模擬三個方面的發(fā)展趨勢。本文對相似模擬試驗的發(fā)展與改進有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻

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