基于物理相似模拟实验的覆岩采动裂隙演化规律研究

覆岩采动裂隙演化规律及其形态特征与卸压瓦斯抽采密切相关。运用自主设计的固气耦合相似模拟实验系统,通过模拟实验分析得到采动裂隙随着工作面的推进经历了产生、发展和闭合过程,其分布曲线呈马鞍状。结合采动裂隙演化规律及分布形态,分析了采动裂隙场的演化特征,其发育高度受主关键层影响明显,进一步明确了卸压瓦斯在裂隙发育各阶段发生运移和汇集的区域范围,为现场布置瓦斯抽采钻孔参数提供了设计依据。

碎裂岩体失稳产生涌浪原型物理相似试验研究

崩滑体涌浪事件具有突发性和灾难性,且实测资料有限,原型物理相似试验研究这种涌浪现象是很好的方法。以三峡库区龚家方崩滑体涌浪事件为原型,探索构建三峡水库蓄水后干流上第一个涌浪大型物理相似试验模型,其长24 m,宽8 m,高1.3 m,几何相似比为1∶200。试验采用大理石材质、d50=1.47 mm的粗砂模拟碎裂岩体,利用波高仪、高速摄影机和爬高测试带监测河道内的水波变化过程,实施了以前缘入水速度为变量的6组涌浪试验。试验结果与龚家方涌浪事件调查结果对比表明,该试验方法可用于预测和研究类似碎裂岩体失稳产生涌浪问题。系列试验分析后,首次通过数据展示碎裂岩体失稳产生的涌浪在传播过程中波的追逐、叠加及反射波叠加等相互作用过程,精细地刻画了河道内涌浪传播和爬高衰减率的差异性。通过该原型模型系列试验,探讨碎裂岩体失稳产生涌浪模型试验的改进方向。采用的物理相似试验方法为碎裂岩体失稳产生涌浪研究提供了很好的借鉴,试验得到的数据及规律认识将为三峡库区类似岩质岸坡失稳产生涌浪预测提供极大的技术支撑。

基于固—气耦合物理相似模拟的实验装置研究

采动裂隙演化与卸压瓦斯渗流耦合的物理相似材料模拟实验是研究采动影响下煤岩体渗透率变化规律及分布特征的基础,文中通过研制"固—气"耦合物理相似模拟实验台,设计耦合实验中的开采系统、充气系统和测试系统,进行了相似模拟实验及渗透率测定。开采系统保证箱体气密性的同时实现了煤层的模拟开采,测试系统验证了试验箱内气体在岩层中的流动规律符合达西定律,进而验证了实验装置的可行性,从而为研究采动裂隙场时空演化与卸压瓦斯渗流耦合规律的相似模拟实验奠定实验基础。

基于三维物理相似模拟实验的盾构巷道变形声发射特征研究

以煤矿副平硐盾构施工过程中管片支护下巷道变形的声发射波形特征规律为目标,依据物理相似模拟室内实验理论,采用"声-光-电"多元指标综合测试系统监测、收集实时数据,构建了大型三维物理相似模拟实验模型,完成了盾构模拟开挖试验,并对不同开挖阶段的声发射信号数据与实时对应现象进行了量化比对分析。研究表明:管片支护下的盾构施工圆形巷道围岩稳定性强,岩体内部变形多以小事件为主,当其变形破坏的声发射信号历经"金字塔"式波动时,岩体内部可能会产生大量裂隙和较大程度的破坏。

简单面目标的雷达散射截面及其物理相似性

雷达目标的散射截面值随目标的形状、大小、电磁波的波长和传播方向而变。本文给出了简单外形导电面目标的雷达散射截面随这些参量改变的一般表示式。利用这个表示式,可从不满足尺寸或波长缩比条件的模型测试值推算原型目标的雷达散射截面值。

基于光纤系统的物理相似模型温度分布与演化特征

为减小水分因素引起的模型试验相似误差,提出了用温度特征确定模型干燥过程的干燥时间(判断模型试验开挖)的方法。建立了光纤传感测温系统,提出克里金空间插值法的估值公式计算模型温度,给出物理模型的温度变异函数表达式。开展了3.0 m×1.2 m×0.2 m二维模型和3.6 m×2.0 m×2.0 m三维模型温度监测试验,监测时间分别超过65,310 d,绘制出模型温度分布云图,探讨了模型干燥(试验开挖)的判断方法。研究表明,模型干燥存在水化放热和液-气相态转变的不同过程,模型温度场演化具有明显的阶段特征,最大温差分别为3.0,4.8℃。干燥后期呈现出竖直方向上高下低的温度梯度,水平方向大致相同的特征,其中低温核区下移并消失是判断模型干燥完成的标志,可作为试验开挖的判断指标。二维模型干燥时间为47 d左右,三维模型干燥时间为213 d左右。

大型三维物理相似模拟实验多通道数据采集技术及应用

煤与瓦斯物理相似模拟实验受限于其内部采样点的布置数量,使得实验数据与真实现场相比存在样本点稀疏的问题。研究大型三维物理相似模拟实验多通道数据采集技术,实现大量采集点数据同步高精度采集对物理相似模拟实验具有重要意义。针对该问题,文中基于分布式时钟通讯结构实时获取各个采集板卡数据,实现了多板卡数据交换的时间同步要求,为物理相似模拟实验提供了全面、可靠的监测数据。利用SQL数据库构建数据汇总中心,通过挂载的方式将存储、采集、显示3个单元并行相连,实现了多系统之间的数据同步交换问题。最终以山西某矿为模拟对象,开展物理相似模拟实验。通过本系统的应用,实现了多种开采条件下的物理相似模拟实验,获得了开采过程中的覆岩应力变化分布图与采场各个区域瓦斯浓度变化情况。研究成果将为实现瓦斯精准抽采,解决瓦斯灾害事故防治问题奠定理论与实践基础。

浅埋薄基岩工作面覆岩活动规律3维物理相似模拟研究

针对浅埋采场在开采活动中常出现矿压显现剧烈、顶板和地表台阶下沉等问题,以神东矿区为背景,采用3维物理模拟试验研究浅埋深薄基岩工作面覆岩活动规律。模型试验尺寸长×宽×高为1 050 mm×2 000 mm×1 130mm,几何相似比为1∶100,容重相似比为1∶1.67,时间相似比为1∶10,应力比为1∶1.67,监测模型地表位移变化和顶板位移变化规律。结果表明:浅埋薄基岩煤层开采过程中,上覆岩层只出现冒落带和裂隙带,煤层直接顶随采随冒,基本顶初次来压步距为40 m,周期来压步距为20 m;上覆岩层及松散层出现台阶下沉现象,裂缝贯通地表,切眼和停采线附近出现溃沙现象,地表形成塌陷坑;上覆岩层运动以垂直运动为主,随工作面向前推进,顶板位移增加;靠近煤柱的上覆岩层出现搭桥结构,靠近煤柱的上覆岩层位移变化量较小,而远离煤柱的测点上覆岩层位移变化量较大;地表位移变化和上覆岩层位移变化整体上具有正相关性,但地表位移变化幅度较小,具有滞后性,且受到溃沙现象的影响,切眼和停采线附近地表形成塌陷坑且地表位移变化量增大。

煤矿开采二维物理相似模拟试验平台

提出了一种煤矿开采二维物理相似模拟试验平台。该平台具有可模拟煤矿开采1000 m埋深以内的地应力、可调角度、可做垂向及两侧地应力模拟加载、可模拟煤层开采等功能,并经有限元分析验证了其强度和刚度。该平台可以为煤矿开采的安全和高效提供重要的技术支撑。

灵东煤矿上分层综放开采型煤相似材料模拟试验研究

以灵东煤矿为研究对象,采用室内试验、物理相似模拟、现场监测方法,选取了石膏+石子+水作为型煤相似材料,优化了材料配比,验证了相似材料的合理性。研究结果表明,石膏∶石子=1∶5,石膏∶水=0.6∶1,石子粒径为3~5 mm时,材料强度与原煤强度基本一致;选用该配比制作型煤时,模拟试验与现场监测的基本顶平均周期来压步距分别为11.3、12.2 m,误差仅为7.38%,表明该配比制作型煤进行物理相似模拟试验时可以反映现场覆岩真实变化规律。

榆树泉矿煤层开采覆岩破坏物理模拟试验研究

为研究煤层开采覆岩破坏情况,以榆树泉矿为工程背景,采用物理相似模拟试验,分析了煤层开采过程中覆岩的破坏规律,结合经验公式计算,确定了煤层开采覆岩导水裂隙带高度。结果显示,随着煤层开采,覆岩裂隙在纵向上的发育速度减缓,横向裂隙发育速度加快,范围扩大,且近工作面处的裂隙逐步向破碎型裂隙发展。覆岩形态在横向、纵向以及整体上呈现出先扩展延伸而后趋于稳定的特点,覆岩形态最终趋于“马鞍形”。覆岩位移量随着距煤层工作面垂直距离的增加而减小,并且位移量由两侧向中部递减。模拟导水裂隙带的发育最大高度为65 m,与经验公式计算的结果吻合,裂采比约为16。研究结果可为榆树泉矿顶板水害防治提供科学依据。

基于相似性科学的高中物理教学研究

客观世界是普遍相似的,相似现象经常会反映到人们的大脑中来,所以人们总是在自觉或不自觉地按相似规律去认识和改造世界.高中物理相似教学法就是利用客观事物普遍相似性的原理,综合联系教师、学生、教学资源3个基本教学要素,进行高中物理教学活动的一切办法的总和.它包括教师教法:相似比喻法、自相似法、原型相似法、计算机仿真法、相似推理法、相似比较法、精确相似法、可拓相似法、模糊相似法;学生的学法:相似注意、相似聚焦、相似映射、相似提取、相似激活、相似重整,相似同化.并注重相似同化关键期,有利于促进学生相似元群的发展和相似性思维的发展.

深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统研制及应用

研制的深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统主要包括模型箱、水平侧压力加载装置、竖向压力加载装置、测量装置及数据自动记录设备。模型试件尺寸为1600mm×800mm×200mm(长×高×宽)。试验系统中,水平侧压力和竖向压力通过闭路伺服加载装置实现。最大水平侧压力设计为300kN,最大水平位移为100mm。不考虑流-固耦合效应时,试验系统最大竖向压力为300kN;考虑流-固耦合效应时,最大水压力为1.0MPa。测量装置包括用于观测裂缝发生、发展和破坏的体式显微镜,以及基于数字图像分析位移的先进测量设备。在模型箱中根据工程需要按照一定的相似比构建试验模型。该系统可实现深部采矿时复杂应力、水压力及采动影响等联合作用下岩体的受力、变形和破坏过程,以及水的渗流、突变等宏细观运移规律的模拟和测试,进而从理论上分析不同应力场、水压力以及采矿活动本身对采场安全的影响。显然,该装置为深部开采中的岩石力学问题以及矿山突水机制与防治的试验研究与测试工作提供了新的、具有重要作用的平台。

相似物理模型变形的光纤光栅传感器检测分析

为了定量化研究相似物理模型实验岩层变形过程,在3m平面应力模型上,安装光纤光栅传感器5个,通过对埋设在相似物理模型中的光纤光栅传感器的采集数据分析,研究了物理模型在微小变形和宏观移动过程中的光纤光栅传感器灵敏度,并与对应位置的百分表数据进行对比。实验结果表明,物理模型岩层变形量小于4.985 mm时,光纤光栅传感器能够准确反映岩层的移动变形情况,两者呈线性变化;变形量大于4.985 mm时,光纤光栅传感器的灵敏度会大幅降低,但其仍然能反映岩层的移动变形状态,研究对岩层变形测试技术的发展有积极作用。

机载预警雷达转台的疲劳寿命相似物理模型设计

为了用较低的费用检验机载预警雷达转台的疲劳寿命,需要设计与转台几何相似、体积较小、成本较低的物理模型,用物理模型代替原型进行疲劳寿命试验;分析了转台的受力和失效机理,建立了转台疲劳寿命相似物理模型的设计准则、外载荷施加准则,研究了相似物理模型设计准则、外载荷施加准则之间的相容性,解决了相似物理模型设计、外载荷施加之间的矛盾,建立了机载预警雷达的转台疲劳寿命相似物理模型的设计方法。

压力平衡拱应力状态相似物理模拟研究

相似材料模拟是通过建立相似物理模型,观测研究难以用数学描述的系统特性,研究原型系统与模拟系统间相似特性的。模型与原型的区别,仅在系统要素的序结构和特征值有一定的比例大小,而支配系统特性的本质不变。从系统仿真角度上说,建立相似的物理模型,可称为相似物理仿真模拟。通过相似材料模拟,对压力平衡拱处岩层的水平应力和竖直应力的观测,

岩石加速破裂行为的物理自相似律

掌握岩石变形破坏过程中体积膨胀点至峰值强度点之间加速破裂行为的演化规律,是实现地质灾害物理预测的关键.本文考虑裂纹张开和闭合两种情况,基于断裂力学建立了三轴应力作用下裂纹扩展临界尺度与等效应力的关系.对微元体破坏概率,分别采用以等效应力表达的Weibull分布函数和裂纹尺度分形函数,通过对比导出了形状参数m与裂纹分布分维D_f关系的表达式.一个有趣的发现是,岩石峰值强度点与体积膨胀点应变比仅与m或D_f有关.对岩石蠕变或准蠕变破坏,合理的m值范围为[1.0,4.0],在此范围内应变比近似为常数1.48,该常数是描述不同尺度岩石加速破裂规律的物理自相似常数.实例分析表明,基于岩石加速破裂规律构建的多锁固段脆性破裂理论,其适用性广,尤其在崩滑和大地震预测领域,具有良好应用前景.此外,本文给出了b值与m值定量关系,以解释b值的物理意义,并探讨将其用于地震预测的可行性.

物理学中的相似论 相同与变异的统一

本文列举了物理学中的典型例证,说明客观事物的多种相似性,借此阐述相似论在物理学中普适性,同时也可以做为人们认识过程中可借鉴的一种科学思维方法.

采场结构参数与放矿方式的相似物理试验优化研究

基于单漏斗放矿试验,对放出椭球体形态发展趋势进行了分析,确定最终放出椭球体轴偏角、偏心率等核心指标。基于立体放矿模型,对比无贫化与低贫化两种放矿方式下回贫差指标,对放矿方式进行了优选。在物理试验结果基础上,采用相似物理试验法、经验类比法、理论分析法相结合的方法,对大间距椭球体排列形式下的采场结构参数进行优化,确定20 m分段高度下的进路间距、崩矿步距、放矿步距、放矿方式等关键参数与工艺。采场结构参数优化的过程与结果,可以为同类工艺矿山参数设计提供技术参考。

多因素影响下石膏-石英砂类相似材料强度特性变化规律研究

以石膏-石英砂类相似材料为研究对象,采用室内实验分析了7种因素对该类相似材料强度指标的影响规律。结果表明,养护温度和材料密度与材料强度指标呈正相关,养护湿度、砂胶比、灰膏比、细粒级石英砂含量、含水量等与材料强度指标呈负相关。计算了不同影响因素的敏感度指标,其中材料强度对养护温度的敏感性仅4.5%,而对砂胶比的敏感性达到了104.9%。对于单轴抗压强度,温度、含水量、密度、湿度、灰膏比、细粒级石英砂含量和砂胶比的敏感度依次增大;对于抗拉强度,砂胶比、灰膏比、密度、湿度、含水量、细粒级石英砂含量和温度的敏感度依次降低。