相似模拟研究

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1、第一章相似模拟研究第一节概述一、相似模拟研究的基本概念相似模拟研究是一种重要的科学研究手段，是在实验室内按相似原理制作与原型相似的模型，借助测试仪衣观测模型内力学参数及其分布规律，利用在模型上研究的结果，借以推断原型中可能发生的力学现象以及岩体压力分布的规律，从而解决岩体工程生产中的实际问题。这种研究方法具冇直观、简便、经济、快速以及实验周期短等优点。而H能够根据需耍，通过固定某些参数，改变另一些参数來研究巷（隧）道围岩应力和采矿工作面附近支撑压力在空间与时间上的分布规律和变化情况以及某些参数对岩体

2、压力的影响，这在现场条件下是难以实现的。在岩体压力模拟研究中，模拟实验可以起到以下作用：（1）辅助现场岩体压力实测的研究，现场实测一般需要较多的人力、物力,工作量大、耗费时间长，同时，不能宜观地了解嗣岩中发生的应力变化和破坏过程以及内部状态，观察还常常受到生产工作的制约甚至影响生产。而用模型研究时，可以人致了解围岩的全面情况和变化过程，能清楚、方便地研究人范围岩体内的应力分布状态和变形规律。（2）给工程施工的新技术、新工艺以及施工技术的新方案的工业试验提供有价值的参考数据，不论是在矿山生产中，还是在

3、地下工程实践中，每一项重大的、新的技术方案都必须经过工业试验。一般情况下，工业试验需耍较多的人力、物力和财力，并牵涉到与正常生产的关系等问题，因此，工业试验前对新方案必须有一定把握，模型实验可以帮助了解所实施新方案的可靠性，为工业试验作准备。（3）帮助解决目前用理论分析方法尚不能解决的一些岩体压力问题。近年來，虽然理论分析方法冇很大发展，但对某些个别（特殊）断面形状巷道周边的应力分布，特别是地压活动的规律，尚需通过模型实验和现场的调查观测综合分析获得。必须指出，模拟研究有一定的局限性，这是因为岩体的

4、力学性质以及地压活动规律比较复杂，完全、准确地模拟它们较难做到。当然，模型毕竟不是原型，不可能也没冇必要在一切方面都做到相似，应当根据所研究的内容确定相似条件，而相似模拟实验的成功关键在于抓住研究问题的本质，以相似理论为依据，采用先进的试验设备和严谨的科学态度，从模型实验的结果来推测在原型可能出现的力学现象。另外，廿前，模拟技术还不够完善。冇些模型实验是基于某些假设上，如果在模拟研究屮做了一些不当的修改，或者某些基本因素达不到相似条件，就难以由模型实验结杲去推断原型可能出现的地压现彖。这样，现场实测

5、和实验室模拟的综合研究就是非常重要。二、相似模拟研究的应用各种科研问题的研究方法，通常有理论分析、实际观测与模拟实验三种。模拟实验与前两种研究方法相比，其优点为叮人为控制和改变实验条件，从而可确定单因素或多因素对比研究问题影响的规律，实验效应直观清楚、实验周期短、见效快、费用低。20世纪60年代以來，模拟实验被我国广泛应用于水利、采矿、地质、铁道以及岩土工程等部门，并取得了显著的技术成就和经济效益，已成为一种有力的科学研究手段。相似材料模拟已成为国内外进行重大岩体工程可行性研究不可缺少的方法Z-o2

6、0世纪80年代初，清华大学水利系就为葛洲坝水库的建设进行了相似材料模拟实验研究，建筑系统也采用模拟实验方法研究上海黄浦江边的高层建筑物受台风的影响。在矿业方面，重庆大学矿山工程物理研究所以松藻矿务局打通煤矿南盘区工作面为模拟对象对上覆岩层冒落带、裂隙带与沉降带的宽度与岩层移动角以及冋采工作面前后方与两侧（上下方）的压力分布规律及影响范围进行了探讨；武汉工业大学就湖南邵东石膏矿采场稳定性进行了相似材料模拟；重庆大学资环学院对四川口贡长业盐矿岩盐溶腔稳定性进行了相似模拟，探讨了1000m采深溶腔围岩应力

7、分布规律和溶腔极限跨距等特性。同时针对层状复合岩体力学问题进行相似模拟研究，用因次理论分析了处于弹性和黏弹性状态卜•的单一岩层和层状复合岩体模拟实验的相似问题；长沙矿山研究院为了研究长锚索预控顶、连续分条开采，尾砂充填采矿法的采场地压显现规律，以湘西金矿沃西矿区实验采场的锚杆护顶及锚杆与锚索联合护顶为原型进行了相似模拟实验，依据实验结果，分析和检验在上述采矿方法和护顶条件下的采场稳定程度；焦作工学院材料工程系以义马常村煤矿开采条件为地质原型，采用中比例相似材料模型研究了近距离煤层上层煤开采时顶板岩层

8、移动的特征；中国科学院地质研究所采用混凝土块和亚黏土型软弱材料对某露天矿地质结构进行相似模拟，研究了边坡破坏的形式与变形破坏的特征；重庆交通科研设计院利用相似模拟方法研究公路隧道施工力学形态，探讨了公路隧道围岩在隧道施工中位移的发展过程，隧道围岩最终位移及围岩的稳定性；中国科学院力学研究所根据气、液两相流体同心坏状流线性稳定性分析的结果，对微重力气、液两相流地面模拟实验所应遵循的相似模拟准则进行了研究，取得了一个新的重力无关性准则。以上所列举相似模拟实验只是众多模拟实