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摘要：在模型试验中应采用相似材料来制作模型，相似材料原料的选择、各组成成分的配比以及试验模型的制作方法对材料的物理力学性质具有很大的影响，对模型试验的成功与否起着决定性作用。模型试验关键的一步就是要找到一种合适的相似材料，正确的选择相似材料往往是模型试验成功与否的关键，相似材料选取正确了，模型试验的成功就有了一大半的把握。其次就是在模型试验研究中，选择合理的模型材料配比，相似材料配比直接影响到相似材料的强度，对于研究原型（模拟实体）上所发生的力学现象和应力-应变的变化规律具有重要意义。文章对低强度相似材料力学参数进行了测试为六盘水矿区“三软”煤层开采相似材料二维加载模拟试验提供理论依据。
关键词：煤岩体;低强度;相似材料;力学参数
中图分类号：TD823 文献标识码：A
0引言
“三软”煤层[1-3]是指煤矿开采中遇到的软的顶板岩层、软的主采煤层和软的底板岩层。一般情况下，具有“三软”特征的煤层和顶底板均为软弱岩层，“三软”煤层裂隙发育，构造复杂。贵州省六盘水矿区许多煤层都属于”三软”煤层，例如米箩井田内开采煤层15层，含煤岩组为二叠系上统宣威组（P3xn），由砂岩、页岩、泥岩及煤层组合，煤层间的顶、底板多为软质岩构成，强度低、稳定性较差甚至很差。
长期以来“三软”煤层的开采受工作面地质条件的限制，一直是低产水平、效益差、成本高。工作面上下顺槽的顶底板移近量大，上下出口处顶板破碎，需要投入大量的人力、物力进行处理，维护困难，严重影响了工作面的安全生产。用于机械化采煤的工作面，由于是“三软”煤层，常常造成支架底座陷底严重，移架时阻力大，有的甚至移不动支架。造成这些现象，重要的原因是对”三软”煤层开采矿压显现规律、裂隙场及应力场分布特征研究的不足。
相似材料二维加载模拟试验[4-7]是“三软”煤层开采矿压显现规律、裂隙场及应力场分布特征研究的重要试验手段。相似模拟试验的基础是相似理论，即要求模型和原型相似，模型能够反映原型的情况。根据相似理论，在模型试验中应采用相似材料来制作模型。相似材料原料的选择、各组成成分的配比以及试验模型的制作方法对材料的物理力学性质具有很大的影响，对模型试验的成功与否起着决定性作用。模型试验关键的一步就是要找到一种合适的相似材料，正确的选择相似材料往往是模型试验成功与否的关键，相似材料选取正确了，模型试验的成功就有了一大半的把握。其次就是在模型试验研究中，选择合理的模型材料配比，相似材料配比直接影响到相似材料的强度，对于研究原型（模拟实体）上所发生的力学现象和应力-应变的变化规律具有重要意义。
通过该项目的研究，分析“三软”煤层低强度煤岩体的相似材料配比的准确选取，为贵州省六盘水矿区“三软”煤层开采相似材料二维加载模拟试验提供理论依据，对于缩短相似模拟试验时间、提高试验的准确性都具有重要意义。
1国内外研究现状
相似模拟试验具有研究周期短、成本低、试验结果形象直观等特点，是室内研究经常采用的一种实验研究方法，并且该试验方法已在岩层移动与覆岩破坏规律的研究中得到了较广泛的应用。在相似模型试验研究中，选择合理的相似模拟材料是进行模型试验的第一步，也是试验成功的关键，具有相当重要的意义。
俄罗斯、葡萄牙、日本等国，用纯石膏材料来模拟大坝和地下厂房，成都科技大学李朝國等人用的是机油为粘结剂的相似材料，意大利贝加莫结构模型试验所（ISMES）和葡萄牙国家土木工程研究所（LNEC）用的是石膏混合材料。意大利等国家的科研单位采用的地质力学模型材料主要有两类：一类是采用铅氧化物（PbO或Pb304）和石膏的混合物为主料，以砂子或小圆石作为辅助材料;另一类模型材料主要以环氧树脂、重晶石粉和甘油为组分，其强度和弹模均高于第一类模型材料，但是需要高温固化，其固化过程中散发的有毒气体也会危害人体的健康。
目前，我国许多科研机构和学者开展了这方面的研究工作韩伯鲤等用重晶石粉、胶膜铁粉和松香酒精溶液进行混合得到的相似材料（简称MIB），其弹性模量可根据胶膜厚度进行调整。由于MIB材料的抗剪强度接近于天然岩体的抗剪强度特性，所以该材料可以更好的模拟围岩洞室的破坏形态。陈从新等采用石英砂、石膏和水泥来模拟灰岩，研究了相似材料中骨料与胶结物的配比#胶结物中胶结材料的配比及不同的养护方式对试块强度的影响规律。张强勇等研制出一种新型铁晶砂胶结岩土相似材料，材料以铁矿粉、重晶石粉和石英砂作为主料，松香酒精溶液作为胶结剂，石膏粉作为调节剂。由于该材料重度高且力学参数变化范围广，可以用来模拟从软岩到硬岩的大部分岩体材料。马芳平等研究出一种NIOS地质力学模型材料，其由磁铁矿精矿粉、河砂、粘结剂石膏、拌合用水及添加剂组成，该材料重度大、价格低廉、性能稳定，但不能重复利用。于国新在模拟西安地区断裂构造活动性时，选用重晶石、石膏、石英砂、水和乳胶的混合物作为基本的模型材料，甘油、柠檬酸作为辅料剂，制得的这种材料价廉易得，但在加入白乳胶后，模型某些部位易产生裂纹，从而影响材料力学特性。此外，还有采用石膏、硅藻土和水配合而成的相似材料。用该相似材料可以模拟部分沉积岩，为进一步研究分形节理岩体的力学性能打下坚实的基础#上述岩土相似材料普遍存在的不足：相似材料重度低、干燥时间慢、力学参数变化范围窄。
中国矿业大学（北京）新近建立了一套大型三维矿山建设模型试验系统，其模型尺寸达2000mm×2000mm×1200mm，最大载荷5MPa，可以实现三轴约束加载，应用于深部矿井建设工程方面的科研与教学#本文依据相似理论的基本原理，结合具体的试验设备条件和工程实例，针对石膏类相似材料进行试验研究，分组测定不同类别材料的力学参数，分析一般规律，得出适用于煤与软岩等岩体的配比值，为进行大型地质力学模型试验做准备。 综上所述，国内外对于相似模拟试验相似材料及配比作了大量的理论和试验研究，为本项目的研究提供了大量详实的参考资料。
2相似材料选择
相似材料是由胶结物和填料组合而成的，而胶结物的力学性质在很大程度上决定了相似材料的力学性质。石膏、碳酸钙作为无机胶结物，具有脆性破坏的特点，强度较低，价格便宜。石膏弹性模量和抗压强度的调节范围较大，是应用最广泛的一种相似材料。碳酸钙抗压强度仅为70kPa，抗拉强度仅为5kPa。砂子是被广泛使用的相似材料的填料，砂的颗粒大小对相似材料强度的影响很大，相似材料破坏一般都发生在砂的颗粒之间。该次相似材料强度的试验主要是通过调整砂胶比进行，选用的河砂级配为粒径小于1mm的细河砂。试验意图是以砂子为填料，碳酸钙、石膏为胶结物，配以硼砂为缓凝剂，通过不同配比，配制出强度较低的相似材料。
3试样制作
实验室使用Ф50mm×100mm的圆柱钢筒模具（如图1所示），制作试件尺寸为Ф50mm×100mm，圆柱钢筒通过固定螺栓可以拆卸成两半，也可以通过底座螺栓把圆柱钢筒和底座拆卸开，制作试件的时候先把圆柱钢筒模具组装好，制作完试件并待试件干燥以后，将圆柱钢筒拆卸开，便于拆模取出试件。本次相似模拟材料选取粒径小于3.35mm的优质河沙、普通石膏粉及碳酸钙粉，将相似材料按设计配比的骨料和胶结相似材料先用搅拌机搅拌均匀，再加入规定量的水继续搅拌，然后将搅拌均匀的混合相似材料放入圆柱钢筒模具中捣实均为，干燥1～2天后脱模取出试件，再干燥养护3～5天即可制成标准试件，每个配比号制作3个试件，共36个，分12组进行物理力学性质参数测试。制作的标准相似模拟材料试件如下图1～图3所示。
4试验测试结果
实验室制作圆柱体试件规格为直径50mm，高度100mm，立方块试件规格为长度50mm，高度50mm，通过单轴抗压强度测试，测试结果如表1所示。
参考文献
[1] 霍丙杰，范张磊，路洋波，等.保护层开采被保護层体积应变与渗透特性相似模拟研究[J].煤炭科学技术，2018，46（7）：19-25.
[2] 昌修林，张培森，阳 华，等.采动诱发断层活化规律相似模拟试验研究[J].煤炭科学技术，2018，46（6）：107-110.
[3] 王保平， 康志勤.采空区覆岩及地表变形规律相似模拟研究[J].煤炭技术，2018，36（9）：65-67.
[4] 齐黎明， 张旭锟.松软煤层裂隙发育规律相似模拟实验研究[J].煤炭技术，2018，37（5）：1651-68.
[5] 浦海，张柬.断层影响下顶板突水特性的数值模拟研究[J].采矿与安全工程学报，2010，27（3）：421-424.
[6] 樊志刚，王辉跃，曲晓明，等.三软厚煤层错层位巷道布置相似模拟试验[J].煤矿安全，2018，49（1）：65-68.
[7] 王炯，朱道勇，宫伟力，等.切顶卸压自动成巷岩层运动规律物理模拟实验[J].岩石力学与工程学报，2018，37（11） ：2536-2547.
六盘水师范学院大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2021cxcy47）
作者简介：
肖念波（1999.12-），男，土家族，贵州省德江县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。
关键词：煤岩体;低强度;相似材料;力学参数
中图分类号：TD823 文献标识码：A
0引言
“三软”煤层[1-3]是指煤矿开采中遇到的软的顶板岩层、软的主采煤层和软的底板岩层。一般情况下，具有“三软”特征的煤层和顶底板均为软弱岩层，“三软”煤层裂隙发育，构造复杂。贵州省六盘水矿区许多煤层都属于”三软”煤层，例如米箩井田内开采煤层15层，含煤岩组为二叠系上统宣威组（P3xn），由砂岩、页岩、泥岩及煤层组合，煤层间的顶、底板多为软质岩构成，强度低、稳定性较差甚至很差。
长期以来“三软”煤层的开采受工作面地质条件的限制，一直是低产水平、效益差、成本高。工作面上下顺槽的顶底板移近量大，上下出口处顶板破碎，需要投入大量的人力、物力进行处理，维护困难，严重影响了工作面的安全生产。用于机械化采煤的工作面，由于是“三软”煤层，常常造成支架底座陷底严重，移架时阻力大，有的甚至移不动支架。造成这些现象，重要的原因是对”三软”煤层开采矿压显现规律、裂隙场及应力场分布特征研究的不足。
相似材料二维加载模拟试验[4-7]是“三软”煤层开采矿压显现规律、裂隙场及应力场分布特征研究的重要试验手段。相似模拟试验的基础是相似理论，即要求模型和原型相似，模型能够反映原型的情况。根据相似理论，在模型试验中应采用相似材料来制作模型。相似材料原料的选择、各组成成分的配比以及试验模型的制作方法对材料的物理力学性质具有很大的影响，对模型试验的成功与否起着决定性作用。模型试验关键的一步就是要找到一种合适的相似材料，正确的选择相似材料往往是模型试验成功与否的关键，相似材料选取正确了，模型试验的成功就有了一大半的把握。其次就是在模型试验研究中，选择合理的模型材料配比，相似材料配比直接影响到相似材料的强度，对于研究原型（模拟实体）上所发生的力学现象和应力-应变的变化规律具有重要意义。
通过该项目的研究，分析“三软”煤层低强度煤岩体的相似材料配比的准确选取，为贵州省六盘水矿区“三软”煤层开采相似材料二维加载模拟试验提供理论依据，对于缩短相似模拟试验时间、提高试验的准确性都具有重要意义。
1国内外研究现状
相似模拟试验具有研究周期短、成本低、试验结果形象直观等特点，是室内研究经常采用的一种实验研究方法，并且该试验方法已在岩层移动与覆岩破坏规律的研究中得到了较广泛的应用。在相似模型试验研究中，选择合理的相似模拟材料是进行模型试验的第一步，也是试验成功的关键，具有相当重要的意义。
俄罗斯、葡萄牙、日本等国，用纯石膏材料来模拟大坝和地下厂房，成都科技大学李朝國等人用的是机油为粘结剂的相似材料，意大利贝加莫结构模型试验所（ISMES）和葡萄牙国家土木工程研究所（LNEC）用的是石膏混合材料。意大利等国家的科研单位采用的地质力学模型材料主要有两类：一类是采用铅氧化物（PbO或Pb304）和石膏的混合物为主料，以砂子或小圆石作为辅助材料;另一类模型材料主要以环氧树脂、重晶石粉和甘油为组分，其强度和弹模均高于第一类模型材料，但是需要高温固化，其固化过程中散发的有毒气体也会危害人体的健康。
目前，我国许多科研机构和学者开展了这方面的研究工作韩伯鲤等用重晶石粉、胶膜铁粉和松香酒精溶液进行混合得到的相似材料（简称MIB），其弹性模量可根据胶膜厚度进行调整。由于MIB材料的抗剪强度接近于天然岩体的抗剪强度特性，所以该材料可以更好的模拟围岩洞室的破坏形态。陈从新等采用石英砂、石膏和水泥来模拟灰岩，研究了相似材料中骨料与胶结物的配比#胶结物中胶结材料的配比及不同的养护方式对试块强度的影响规律。张强勇等研制出一种新型铁晶砂胶结岩土相似材料，材料以铁矿粉、重晶石粉和石英砂作为主料，松香酒精溶液作为胶结剂，石膏粉作为调节剂。由于该材料重度高且力学参数变化范围广，可以用来模拟从软岩到硬岩的大部分岩体材料。马芳平等研究出一种NIOS地质力学模型材料，其由磁铁矿精矿粉、河砂、粘结剂石膏、拌合用水及添加剂组成，该材料重度大、价格低廉、性能稳定，但不能重复利用。于国新在模拟西安地区断裂构造活动性时，选用重晶石、石膏、石英砂、水和乳胶的混合物作为基本的模型材料，甘油、柠檬酸作为辅料剂，制得的这种材料价廉易得，但在加入白乳胶后，模型某些部位易产生裂纹，从而影响材料力学特性。此外，还有采用石膏、硅藻土和水配合而成的相似材料。用该相似材料可以模拟部分沉积岩，为进一步研究分形节理岩体的力学性能打下坚实的基础#上述岩土相似材料普遍存在的不足：相似材料重度低、干燥时间慢、力学参数变化范围窄。
中国矿业大学（北京）新近建立了一套大型三维矿山建设模型试验系统，其模型尺寸达2000mm×2000mm×1200mm，最大载荷5MPa，可以实现三轴约束加载，应用于深部矿井建设工程方面的科研与教学#本文依据相似理论的基本原理，结合具体的试验设备条件和工程实例，针对石膏类相似材料进行试验研究，分组测定不同类别材料的力学参数，分析一般规律，得出适用于煤与软岩等岩体的配比值，为进行大型地质力学模型试验做准备。 综上所述，国内外对于相似模拟试验相似材料及配比作了大量的理论和试验研究，为本项目的研究提供了大量详实的参考资料。
2相似材料选择
相似材料是由胶结物和填料组合而成的，而胶结物的力学性质在很大程度上决定了相似材料的力学性质。石膏、碳酸钙作为无机胶结物，具有脆性破坏的特点，强度较低，价格便宜。石膏弹性模量和抗压强度的调节范围较大，是应用最广泛的一种相似材料。碳酸钙抗压强度仅为70kPa，抗拉强度仅为5kPa。砂子是被广泛使用的相似材料的填料，砂的颗粒大小对相似材料强度的影响很大，相似材料破坏一般都发生在砂的颗粒之间。该次相似材料强度的试验主要是通过调整砂胶比进行，选用的河砂级配为粒径小于1mm的细河砂。试验意图是以砂子为填料，碳酸钙、石膏为胶结物，配以硼砂为缓凝剂，通过不同配比，配制出强度较低的相似材料。
3试样制作
实验室使用Ф50mm×100mm的圆柱钢筒模具（如图1所示），制作试件尺寸为Ф50mm×100mm，圆柱钢筒通过固定螺栓可以拆卸成两半，也可以通过底座螺栓把圆柱钢筒和底座拆卸开，制作试件的时候先把圆柱钢筒模具组装好，制作完试件并待试件干燥以后，将圆柱钢筒拆卸开，便于拆模取出试件。本次相似模拟材料选取粒径小于3.35mm的优质河沙、普通石膏粉及碳酸钙粉，将相似材料按设计配比的骨料和胶结相似材料先用搅拌机搅拌均匀，再加入规定量的水继续搅拌，然后将搅拌均匀的混合相似材料放入圆柱钢筒模具中捣实均为，干燥1～2天后脱模取出试件，再干燥养护3～5天即可制成标准试件，每个配比号制作3个试件，共36个，分12组进行物理力学性质参数测试。制作的标准相似模拟材料试件如下图1～图3所示。
4试验测试结果
实验室制作圆柱体试件规格为直径50mm，高度100mm，立方块试件规格为长度50mm，高度50mm，通过单轴抗压强度测试，测试结果如表1所示。
参考文献
[1] 霍丙杰，范张磊，路洋波，等.保护层开采被保護层体积应变与渗透特性相似模拟研究[J].煤炭科学技术，2018，46（7）：19-25.
[2] 昌修林，张培森，阳 华，等.采动诱发断层活化规律相似模拟试验研究[J].煤炭科学技术，2018，46（6）：107-110.
[3] 王保平， 康志勤.采空区覆岩及地表变形规律相似模拟研究[J].煤炭技术，2018，36（9）：65-67.
[4] 齐黎明， 张旭锟.松软煤层裂隙发育规律相似模拟实验研究[J].煤炭技术，2018，37（5）：1651-68.
[5] 浦海，张柬.断层影响下顶板突水特性的数值模拟研究[J].采矿与安全工程学报，2010，27（3）：421-424.
[6] 樊志刚，王辉跃，曲晓明，等.三软厚煤层错层位巷道布置相似模拟试验[J].煤矿安全，2018，49（1）：65-68.
[7] 王炯，朱道勇，宫伟力，等.切顶卸压自动成巷岩层运动规律物理模拟实验[J].岩石力学与工程学报，2018，37（11） ：2536-2547.
六盘水师范学院大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2021cxcy47）
作者简介：
肖念波（1999.12-），男，土家族，贵州省德江县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。