摘 要：相似模擬試驗(yàn)是采礦工程中研究覆巖運(yùn)動(dòng)特征的重要手段。本文結(jié)合已有成果對(duì)相似模擬試驗(yàn)在采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)研究中應(yīng)用進(jìn)行了分析總結(jié)。研究指出：盡管相似模擬試驗(yàn)結(jié)合應(yīng)力、位移等監(jiān)測(cè)手段能較好對(duì)采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行反映，但存在一定不足，并從試驗(yàn)材料、試驗(yàn)方法、地質(zhì)構(gòu)造模擬、觀測(cè)手段等方面對(duì)存在問題進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上探討了相似模擬試驗(yàn)未來發(fā)展趨勢(shì)。研究成果對(duì)于指導(dǎo)和改進(jìn)相似模擬試驗(yàn)有一定的參考意義。

　　關(guān)鍵詞：相似模擬 覆巖運(yùn)動(dòng) 綜述 現(xiàn)狀及趨勢(shì)

　　采動(dòng)應(yīng)力作用下覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律是采礦工程研究的重要課題之一，相似模擬試驗(yàn)作為研究采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)、力學(xué)實(shí)驗(yàn)、模型實(shí)驗(yàn)直到工程實(shí)踐的研究方法，相似模擬試驗(yàn)可以人為的改變采場(chǎng)圍巖條件進(jìn)行新技術(shù)、新方案的研究，從而直觀清晰的獲得覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

　　盡管相似模擬試驗(yàn)在模擬覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律方面有一定優(yōu)勢(shì)，但巖土工程及采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)特征，進(jìn)而導(dǎo)致模擬結(jié)果差異。本文通過對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)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(yàn)中存在的問題，并對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)提出了展望，這對(duì)于采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)演化特征中相似模擬試驗(yàn)的改進(jìn)有一定的指導(dǎo)意義。

　　1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

　　相似模擬試驗(yàn)的實(shí)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(jìn)行煤層開采，并對(duì)模型上覆巖層(包含底板)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行觀測(cè)，以此來反映、推測(cè)實(shí)際開采中上覆巖層的運(yùn)動(dòng)情況。

　　馮國瑞等[1]通過相似模擬試驗(yàn)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(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)取芯及室內(nèi)相似模擬試驗(yàn)，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(yàn)對(duì)近距離房柱采空區(qū)下長壁采場(chǎng)覆巖隨時(shí)間變化的漸進(jìn)破斷過程和采動(dòng)裂隙的發(fā)展演化規(guī)律進(jìn)行了研究。劉純貴[4]以相似模擬試驗(yàn)分析了“兩硬”淺埋煤層開采覆巖活動(dòng)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(yàn)方法對(duì)對(duì)深部殘采區(qū)域下伏煤層工作面的安全開采問題進(jìn)行了研究，獲得了覆巖運(yùn)動(dòng)過程，并結(jié)合應(yīng)力觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了危險(xiǎn)區(qū)域劃分。陳義東等[6]利用物理相似模擬方法對(duì)特厚煤層綜放工作面上覆巖層活動(dòng)規(guī)律以及支承壓力分布特點(diǎn)進(jìn)行了研究。劉三鈞等[7]采用相似模擬試驗(yàn)揭示了遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采過程中上覆煤巖裂隙動(dòng)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(chǎng)頂板運(yùn)移規(guī)律。嚴(yán)桂鳳等[9]采用相似模擬試驗(yàn)揭示了斷層結(jié)構(gòu)組合對(duì)薄基巖變形破壞影響規(guī)律。張玉鵬等[10]運(yùn)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(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)演化規(guī)律和卸壓特征，及關(guān)鍵層運(yùn)移對(duì)被保護(hù)層卸壓瓦斯涌出動(dòng)態(tài)的影響。孔令海[12]進(jìn)行了深部煤巖巷道相似模擬試驗(yàn)，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(yàn)可以人為改變?cè)囼?yàn)條件，對(duì)于模擬采場(chǎng)開挖上覆巖層運(yùn)動(dòng)情況提供了極大的便利，但由于試驗(yàn)條件的限制，相似模擬試驗(yàn)還存在一定問題。

　　(1)試驗(yàn)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(shí)這些材料無法完全解決彈塑性變形等問題。

　　(2)試驗(yàn)方法。相似模擬試驗(yàn)是根據(jù)相似原理產(chǎn)生的，而實(shí)際試驗(yàn)過程中，由于研究方向和試驗(yàn)條件的需要，并不能模擬全部巖層，而此時(shí)得到的試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)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(yùn)動(dòng)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(yàn)中，如何有效模擬地質(zhì)構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造的物理力學(xué)特征及其對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)的影響還有待探究。

　　(4)模型觀測(cè)。相似模擬常用位移監(jiān)測(cè)手段有近景攝影測(cè)量、位移計(jì)法、經(jīng)緯儀或全站儀測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量等，應(yīng)力監(jiān)測(cè)主要應(yīng)用應(yīng)變儀、壓力盒進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但效果差強(qiáng)人意，所得試驗(yàn)結(jié)果可以定性反映覆巖運(yùn)動(dòng)情況，難以滿足定量需求。

　　3 發(fā)展趨勢(shì)

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

　　(1)新型試驗(yàn)材料研發(fā)。

　　研究新型試驗(yàn)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(shí)情況的模擬效果。

　　(2)先進(jìn)的監(jiān)測(cè)手段。

　　引入先進(jìn)觀測(cè)手段，獲得更為合理有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使相似模擬試驗(yàn)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(duì)采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)起重要作用，在相似模擬試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造的有效模擬將擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

　　4 結(jié)語

　　相似模擬試驗(yàn)是分析采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)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(yàn)在采動(dòng)覆巖破壞模擬方面的應(yīng)用情況，同時(shí)提出了相似模擬試驗(yàn)存在的不足及其未來在新材料、新監(jiān)測(cè)手段、構(gòu)造模擬三個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)。本文對(duì)相似模擬試驗(yàn)的發(fā)展與改進(jìn)有一定的指導(dǎo)意義。

　　參考文獻(xiàn)

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