有关覆岩三带的相似模拟讨论

河南理工大学硕士研究生《相似理论与模拟试验》课程论文2014-2015学年第二学期题目：关于《采场覆岩“三带”演化特性的相似模拟实验及分析》的意见与看法姓名：冯好收学号：xxxxxxxxxxxxxxx专业：xxxxxxxxxxxxxx本文主要是对发表在“矿业安全与环保”期刊上的一篇文章——《采场覆岩“三带”演化特性的相似模拟实验及分析》提出的一些个人见解与看法。

一、文献简介这篇文章是从三个方面来研究分析采场覆岩“三带”的高度的。

第一，通过对覆岩采动裂隙发育特征进行相似材料模拟实验分析，研究采场覆岩裂隙的测点层位下沉量裂隙密度及离层率，得出覆岩“三带”的高度；第二，利用钻孔探测仪实测垮落带高度，对相似模拟实验结果进行验证；第三，根据理论分析对上两种方法得出的结果进行比较分析，确定“三带”的高度范围。

相似模拟实验以某矿综采放顶煤40108工作面为基本原型，工作面长度180m，走向长度1917m，平均采深384m。

煤层平均倾角5°，平均厚度11.5m，其中割煤高度3.4m，预留底煤厚度平均2.0m，放顶煤厚度平均6.1m。

二、所提意见与看法1、对垮落带理论分析的不同见解随着工作面的推进，煤层内的采空空间将有其上覆岩层垮落、填充，由于岩层破碎后体积膨胀，当采空区上方岩层垮落一定高度后将填满采空空间，其上方的岩层由于受下部垮落岩石的支撑不再垮落，但因压力过大和受力不均匀将产生裂隙。

文章中提到，垮落带高度即是垮落后能把采空空间填满的岩层厚度与煤层开采厚度之和，亦是垮落岩层膨胀的高度。

并给出下列关系式：H=lk=h+l（1）由式（1）得：l=h/(k-1) （2）将式（2）代入式（1）得：H=kh/(k-1) （3）式中：H——垮落带高度，m；l——垮落带岩层厚度，m；h——煤层采高，m；k——煤层顶板岩层的膨胀系数。

并据此得出，放顶煤开采条件下的垮落带高度的关系式：m Z=(h-δ)/(k P-1) （4）式中：h为煤层厚度，10.1~13.6m，平均11.5m；δ为因丢煤而引起的充填厚度，δ=h(1-c)k m，m；c为总采出率，取85%；k m为垮落顶煤碎胀系数，取1.1；k p为岩层的碎胀系数，取1.2。

相似材料模拟实验报告实验目的：了解相似材料模拟掩饰的基本原理和基本过程。

基本原理：相似材料模拟实验是采用与原理物理力学性质相似的材料，按一定的几何相似常数缩制成试验模型进行相应的目的的研究的一种试验方法。

采用这种方法模拟覆岩采动过程，研究其变形破坏规律可以节省大量的观测费用，而且结果更加直观。

仪器设备：相似材料模拟实验台。

实验步骤：1、了解配比变化对材料的物理力学性质的影响，包括骨胶比、灰膏比和用水量的影响；2、根据试验要求，按比例配比，制作模拟材料，选定并准备好适应的骨料，胶结料，水等，制作出不同配比的材料试件，并进行编号；3、待试件干燥后，对试件进行强度测试，根据强度相似指标要求，选定相似材料，按表中形式记录好相似材料配比及主要物理力学参数；4、根据模型尺寸，按每分层厚度计算不同配比材料的用量（层厚度为20mm）。

实验数据：1、工作面的设计长度200m，推进尺度130m，煤层埋深51m，煤层平均厚度5m，用全部垮落法管理顶板，煤层一次采煤深度5m，表1-1为煤岩物理力学性质指标：2、相似条件确定岩断风化段厚度 10-50 砂岩未风化软岩带 60-100 110-240砂质页岩油页岩煤层段顶板泥岩煤层底板泥岩 26 26-30 煤砂岩 26 15 26 10-15 3 25-65（多30左右） 26 22 10-40 20-23 泥岩砂岩砂质页岩硬岩带 26 2626 26 6-10 12 3 10-17 主要岩石泥岩容重（kg/m3） 26 抗压强度 3-5 （1）实验设备与材料:实验台尺寸200mm×2000mm×2000mm，实验材料：硅砂（Φ =0.1~0.35mm）、石灰、石膏、软木屑、四硼酸钠等；（2）主要相似参数：αL=LH/LM ,LM-模型强度，LH-模型厚度根据模拟工作面煤层厚度等参数，结合试验台几何尺寸，选几何相似常数αL=0.01；（3）容度相似常数：αL=γH/γM ，γH -原型容重，γM-模型容重工作面不同岩段岩石平33均容重为26kg/m，，石灰，石膏，硅砂试验材料平均容重为17kg/m，容重相似常数为αr=26/17=1.5;（4）强度相似常数：α，-原型强度，-模型强度对自重加载实验模型，容重相似常数与强度相似常数之间应该是关系。

采空区下近距离煤层开采覆岩“三带”分析作者：宋义华苏静谢小平等来源：《山东工业技术》2018年第02期摘要：针对贵州盛远煤矿高瓦斯低透气性近距离煤层群安全高效开采的问题，结合现场40803综采工作面的实际情况，运用相似模拟试验的方法，模拟得出上部2号、4号、7号煤层开采后，现场主采8#煤层工作面覆岩“三带”划分范围为：垮落带范围为主采8#煤层上方第一层粉砂岩，上方第二层泥岩，高度为5.52-9.9m；裂隙带范围为煤层上方第六层砂质泥岩，高度为14.96-22.96m；弯曲下沉带范围为裂隙带以上直至地表层。

关键词：采空区；近距离煤层；覆岩“三带”；相似模拟DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2018.02.0641工程地质概况贵州省六盘水市钟山区大湾镇盛远煤矿，矿井设计生产能力90万t/a，服务年限79a。

可采及局部可采煤层共6层，即2号、4号、7号、8号、9号、11号煤层。

试验上保护层工作面为40803工作面，平均倾斜长度为118m，平均走向长度为400m，主要开采4号较薄煤层，煤厚1.07～2.47m，平均厚度1.66m，煤层倾角7°～11°，平均倾角9°，容重1.5t/m3，受断层影响较小，产状较稳定。

4号煤层顶板主要为深灰色砂质泥岩或灰色泥岩，厚度0.25～12.78m，一般4.62m；底板主要为细砂岩或灰色砂质泥岩，厚0～11.8m，一般5.22rn。

根据研究区域的岩层柱状图、历史经验数据及煤岩的物理力学实验结果，确定煤岩的物理力学参数如表1所示。

2覆岩“三带”的相似模拟分析2.1模型建立设计的模型为平面应力模型，尺寸为长×宽×高=400cm×30cm×180cm。

根据工作面的地质构造条件，从煤层底板开始，首先铺设下部岩层，然后结构面通过撒上云母粉来模拟，之后上部地层模型用同样的方法制作。

试验前在距离模型一侧边缘50cm处开挖切眼，切眼宽度2.4cm，高度2.6cm，按1：100的比例设计。

多煤层开采覆岩移动及地表变形规律的相似模拟实验研究张志祥;张永波;赵志怀;张利民【摘要】以离石-军渡高速公路下伏康家沟煤矿采矿地质条件为原型,采用相似材料模拟实验方法,对多煤层开采引起的覆岩移动及地表变形规律进行了研究.相似模拟实验结果表明:多煤层开采条件下,随着煤层累计采厚的增加,采空区"三带"覆岩下沉量和采空区地表沉降量、地表倾斜变形、地表水平位移及地表曲率变形都呈增大趋势,采空区上覆岩体更加破碎,地表变形更加强烈.研究成果可为高速公路下伏多煤层采空区的治理设计提供依据.%Taking geological conditions of Kangjiagou coal mine under Lishi-Jundu freeway as a prototype, similar material simulation was carried out for examining the behavior of overlying rock movement and surface deformation with multi-coal seam mining. The results show that under the condition of multi-coal seam mining, with the increase of total thickness of coal seam, the overlying rock subsidence of three zones of gob and surface subsidence, surface lean deformation, surface level movement, surface curvature deformation all show an increasing tendency, the overlying rock of gob is more broken, the surface deformation is more intense. The results provide the basis for the treatment design of gob with multi-coal seam under freeway.【期刊名称】《水文地质工程地质》【年(卷),期】2011(038)004【总页数】5页(P130-134)【关键词】多煤层开采;覆岩;相似模拟;采空区;变形【作者】张志祥;张永波;赵志怀;张利民【作者单位】太原理工大学水利科学与工程学院,太原,030024;太原理工大学水利科学与工程学院,太原,030024;太原理工大学水利科学与工程学院,太原,030024;山西省交通设计研究院,太原,030012【正文语种】中文【中图分类】TD325.+2煤炭开采过程中产生的一系列覆岩移动及地表变形规律，受到了学者们的高度重视，如刘秀英等［1］采用相似模拟实验研究了辛置煤矿2204工作面采空区覆岩的移动规律;刘瑾等［2］进行了采深和松散层厚度对开采沉陷地表移动变形影响的数值模拟研究;孙光中等［3］采用数值模拟和相似材料模拟对巨厚煤层开采覆岩运动规律进行了研究。

Vol. 30 ! No. 3Mar 2021第30卷第3期2021年3月中国矿业CHINA MINING MAGAZINE寺家庄煤矿15106采煤工作面覆岩裂隙“三带”规律研究余北建(阳泉煤业(集团)有限责任公司,山西阳泉045000)摘要：为研究寺家庄煤矿15106工作面回采过程中上覆岩层裂隙的动态发育规律，基于工作面覆岩地 质条件，采用理论分析、数值模拟和相似模型实验的方法研究覆岩裂隙的发育，并划分“三带”。

依据矿业控制理论，得到垮落带高度为14.37〜17.25 m,裂隙带高度为54.8〜72.6 基于UDEC 软件，模拟得到 k 2石灰岩底板距离煤层顶板18 m 为跨落带高度，毗石灰岩底板距离煤层顶板66 m 为裂隙带高度&根据相似模型实验得到垮落带高度为18 m,裂隙带高度为64 理论分析、数值模拟和模型实验得到覆岩“三 带”高度基本一致，以坚硬的石灰岩高度为准，确定垮落带高度18 m,裂隙带高度66 m,为高抽巷层位选取 提供了一定的理论指导&关键词：覆岩；裂隙；UDEC 软件；相似模型；三带中图分类号：TD821 文献标识码：A 文章编号：10044051(2021)03019305Study on the “three zones ” of overburden fracture in the 15106 coalface of Sijiazhuang coal mineYU Beijian(Yangquan Coal Industry (Group ) Limited Liability Company ， Yangquan 045000， China )Abstract : In order to study the dynamic development law of overlying strata fissures during the miningprocessof15106 workingfaceinSijiazhuangcoalmine !basedonthegeologicalconditionsoftheoverlying strataoftheworkingfacetheoreticaldevelopmentnumericalsimulationandsimilarmodelexperimentsareusedtostudythedevelopmentofoverburdenfractureszones Accordingtothe miningcontroltheory the heightofcavingzoneis14 37-17 25 m !andtheheightoffracturedzoneis54 8-72 6 m Based on theUDEC software,the simulation results show that the k 2 limestone floor is 18 m from the roof of the coal seam and the height of the k 4 limestone floor is 66 m from the roof of the coal seam. According to thesimilarmodelexperiment !theheightofcavingzoneis18 m !andtheheightoffracturedzoneis64 m. Theoreticaldevelopmentnumericalsimulationandmodelexperimentsshowthattheheightof “threezones ” oftheoverburdenisbasica l ythesame.Basedontheheightofthehardlimestonetheheightofcavingzoneis18 m !andtheheightoffracturedzoneis66 m.Theresultsprovidesometheoreticalguidancefortheselectionofhighdrainagelanes.Keywords : overlying rock ； fracture ； UDEC software ； similar model ； three-zone传统“三带”理论认为1，工作面向前推进，顶板 岩层悬露继而破坏垮落，在顶板垮落过程中，上覆岩层可形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，三个岩层移动和变形各有特点的空间区域。

采空区上覆岩层“三带”的界定准则和仿真确定黄志安1)　童海方2)　张英华1)　李示波1)　倪　文1)　宋建国3)　邢　奕1)1)北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083　2)北京矿通资源开发咨询有限责任公司,北京1000373)华晋焦煤有限责任公司,离石033315摘　要　为了准确划分采空区上覆岩层的“三带”范围,提出了“三带”的界定准则:将应力超过屈服强度或抗剪强度的岩层高度定为裂隙带的上限,而将双向拉应力都超过抗拉强度的岩层高度定为裂隙带的下限.采用FLAC 软件对矿山进行了界限确定,通过生产实践中的瓦斯抽放效果进行了验证,结果表明该界定方法合理有效.此方法可普遍用于采空区上覆岩层的“三带”划分.关键词　煤;瓦斯抽放;“三带”划分;数值模拟分类号　TD 712+1622收稿日期:20050516　修回日期:20051010作者简介:黄志安(1973—),男,博士研究生;倪文(1961—),男,教授,博士生导师 煤层开采后,采空区上覆岩层将形成“三带”.准确地划分“三带”,是“三下”采煤可行性研究和设计的基础,是覆岩离层充填技术研究和应用的基础,是突出矿井解放层选择和开采设计的基础,也是上邻近层瓦斯抽放研究和实施的基础[1].目前对“三带”的研究大多是通过实验途径[25],而没有从理论上进行量的划分.本文正是基于这一思路,从理论途径进行了研究,提出了“三带”的力学界定,并通过数值模拟的方式对“三带”进行量化研究,最后通过矿山瓦斯抽放来验证划分方法的可行性.1　“三带”力学界定准则的提出根据矿压原理及实测研究,煤层开采以后其上覆岩层在垂直方向的破坏和移动一般分为“三带”(从下至上),即垮落带(或称冒落带)、裂隙带(或称断裂带)和弯曲下沉带.传统的“三带”概念主要是从破坏形式上进行定义的,而没有从机理上进行定义,也没有从量的角度定义“三带”,这就给实际操作带来了困难.比如瓦斯抽放,抽放通道最佳位置是裂隙带,如果无法准确划出“三带”界限,就无法将抽放通道准确布置到理想位置.煤层开采后,上覆岩层自上而下可以分为5个区:(1)弹性区———岩体在开采影响下未发生任何破坏;(2)塑性变形区———韧性岩层发生塑性变形,脆性岩层发生剪切破坏;(3)拉张裂隙区———某一方向的拉应力超过岩体的抗拉强度而产生一定方向的张裂隙;(4)拉张破坏区———在双向拉应力作用下,岩层被拉断、拉开而产生大变形,岩层以冒落为主;(5)局部拉张区———由于覆岩整体向采空区下沉,在下沉范围的边缘出现拉应力,使岩体发生某种程度的张裂隙,一般情况下,这些张裂隙与拉张裂隙区不沟通,其间有未破坏区和塑性变形区相隔[67].拉张破坏区主要分布在采空区上方拉应力区岩层内;其上部发育拉裂隙区,产生单向或双向裂隙;塑性变形区主要发生在支撑压力区和拉张裂隙区之上的下沉盆地中岩层内,其上岩层处于未破坏区[6].由此,可以将弹性区和塑性变形区划分成弯曲下沉带,将拉张裂隙区划分成裂隙带,而将拉张破坏区及局部拉张区划分成冒落带.为此,将岩层应力超过了屈服强度或抗剪强度而开始发生塑性变形或剪切破坏的岩层高度定为裂隙带的上限,而将岩层双向拉应力都超过了抗拉强度而开始发生大变形的岩层高度定为裂隙带的下限.这就是本文提出的“三带”力学界定准则.2　FLAC 模拟及结果分析首先利用FLAC 建立开采模型,施加边界条件并进行求解后,获取各个单元的弹塑性变化结果图和位移等值线图,再结合上面提出的“三带”界定方法进行分析,即可获得“三带”的界限.211　采煤工作面概况本实验使用淮南某矿采煤工作面作为实例,该工作面长度150m ,顺槽长度1650m ,煤层厚度第28卷第7期2006年7月北京科技大学学报Journal of U niversity of Science and T echnology B eijingV ol.28N o.7Jul.20066m ,倾角3°.开采煤层为13-1煤层.煤层底板为灰褐色泥岩,顶板以上的煤层和岩层分布简图如图1所示.图1　模拟模型煤岩层分布简图Fig.1　C o al and rock stratum distribution of th e simu lation m od el212　模拟模型的建立因工作面的长度远小于煤层的走向,可以作为平面应变问题来处理,所以建立二维FLAC 网格模型来模拟.为了消除应力边界和位移边界效应,二维计算模型的长和高分别设置为550m 和220m ,采煤工作面沿走向布置.为了便于建模和剖分,同时充分体现各岩层组合特征,将研究区内力学性质相近的岩层归并为一组,因此研究区内岩层共划分为12个层组.模拟时,计算模型边界条件确定如下:①模型的两端的x 方向的位移固定,即边界水平位移为零;②模型底部的y 方向位移固定,即底部边界水平、垂直位移为零;③模型顶部(也即地表)为自由边界.213　力学模型和力学参数的确定岩石是一种脆性材料,当荷载达到屈服强度后将发生破坏、弱化,应属于弹塑性体.在FLAC 中,对于弹塑性材料,其屈服判据准则有德拉克-普拉格准则和莫尔-库仑准则.本项研究选择莫尔-库仑准则.计算模型中各岩层力学参数基本来源于矿山实测数据,包括弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度和密度等参数[8].214　模拟结果为符合开采实际,模拟计算从形成初始应力场开始.模拟过程中,通过模拟开挖将开挖空间的实单元变成空单元.采煤工作面设计规格为:走向长1650m ,倾向长150m.基于上述采煤工作面规格和开采方法,利用建立的模型进行模拟计算,塑性结果图如图2所示.图3是y 方向的位移等值线图,图4是x 方向的位移等值线图.215　模拟结果分析从塑性结果图中可以看出,采空区上方首先是拉伸屈服区(图中文字标注的亮色区域),接着图2　塑性结果图Fig.2　Plastic result图3　y 方向位移等值线图Fig.3　Displacement contour ch art of y direction图4　x 方向位移等值线图Fig.4　Displacement contour ch art of x direction往上是曾经为塑性但现在处于弹性状态的区域(图中文字标注的暗色区域,此区域由于恢复了弹性,已没有裂隙,因此不认为是裂隙带,而认为已经进入弯曲下沉带),再往上是另外一个拉伸破坏区(由于这个拉伸破坏区下部是处于屈服过的弹性区域,因此这个拉伸破坏区将不会产生裂隙,认为这个区域仍然是弯曲下沉带).而裂隙带和冒落带都发生了拉伸屈服,只不过由于冒落带被压实后,裂隙带将不会跨落而只是保留有裂隙.从图2中可以看出,曾经是塑性但现在处于弹性状态的部分将不会有裂隙存在,这个区域可视为塑性变形区,可以将这一带的下限作为裂隙带的上限,也就是将发生拉伸屈服的区域和曾经是塑性・016・北　京　科　技　大　学　学　报2006年第7期但现在处于弹性状态的区域之间的界限定为裂隙带的上限.根据图中单元的显示情况可以看出,这一上限离13-1煤的顶板约20m.由于莫尔-库仑理论无法解释拉伸破坏,即对于FLAC模拟而言,难以从抗拉强度的角度获取冒落带的高度,只能寻求其他途径.从图3和图4中还可以看出,在采空区以上8m位置,等值线密集,说明位移变化很快,有一个突变,突变情况也可从位移图观察到.另外,这个位置上部的位移变化已经稳定(通过命令plot his n可以看到这一情况),而下部的位移还不是定数.从数值模拟的角度来看,采空区上部8m以上开始趋于收敛,而以下趋于不收敛.事实上,裂隙带由于变形小,各个参数值具有确定值,因此都将趋于收敛,而冒落带由于各个位置在冒落后位置都不确定,其受力也具有不确定性,因此其参数值趋于不收敛.为此,可以将突变上面的部分确定为裂隙带,而将下面的部分确定为冒落带[9].基于此分析,可将采空区以上8m位置定为冒落带的高度.按照本文提出的“三带”界定准则,结合FLAC模拟分析,可以确定出裂隙带的上限高度为距煤层垂距约20m高度处,下限为自煤层底板约8m高度处,20m以上为弯曲下沉带,8m以下为冒落带.3　瓦斯抽放应用情况淮南某矿进行了钻孔瓦斯抽放实验,在综放工作面上风巷内侧沿走向每隔50～60m布置一钻场,共设6个钻场,每钻场内沿走向布置3～5个抽放钻孔.抽放钻孔尽量布置在工作面顶板冒落后的裂隙带内,每个钻场的钻孔均超前前一钻场20m以上,如图5所示.钻孔施工、封孔完毕后,即通过管道连接到瓦斯抽放泵上进行抽放,抽放负压在46166～80100kPa之间.为了考察钻孔抽放效果,在设计1号钻场钻孔参数时,采用了较大的仰角钻孔,以便确定抽放最有效的钻孔空间位置.由实测得钻孔抽放瓦斯量与钻孔距煤层顶板的垂直距离如图6所示.由图6可知:当顶板走向钻孔距离煤层顶板垂距4～8m时,瓦斯抽放量较小;钻孔距煤层垂距10～16m时,抽放量最大,3个孔抽放量6100m3・min-1,抽放量占工作面总涌出量的23%;根据1号钻场,抽放量在3135～6134m3・min-1左右,抽放浓度在49%～85%.距离煤层顶板由15～22m时,瓦斯抽放量却逐渐降低.据此可判定采场上方顶板离层裂隙发育丰富区的高度在13m左右,为走向抽放钻孔的最佳层位,这与FLAC数值模拟的结果相一致,证明本文“三带”划分方法合理有效.图5　顶板走向钻孔布置示意图Fig.5　Layout of roof strike drill holes图6　钻孔瓦斯抽放量分布曲线Fig.6　Distribution curve of drill2hole mech anic drainage flux 在研究结果应用期间,抽放瓦斯量最大达到12145m3・min-1,瓦斯抽放率接近50%.这样在保证工作面的风量达到1800m3・min-1时,工作面上隅角回风流中的瓦斯浓度不超限,共抽放瓦斯量1160×106m3.同时该实验方法还成功应用于淮南矿区的许多采煤工作面,取得了显著的社会效益和经济效益[10].4　结论(1)提出了煤矿开采后采空区上覆岩层“三带”的力学划分准则,即将岩层因为应力超过了屈服强度或抗剪强度的岩层高度定为裂隙带的上限,而将岩层双向拉应力都超过了抗拉强度的岩层高度定为裂隙带的下限.(2)针对淮南某煤矿,使用先进的FLAC数值模拟方法,并结合本文提出的“三带”划分准则,获取了该矿开采过程中的“三带”高度:将发生拉伸屈服的区域和曾经是塑性但现在处于弹性状态的区域之间的界限定为裂隙带的上限(离煤层顶板20m),将裂隙带下部的位移突变高度作为冒・116・V ol.28N o.7黄志安等:采空区上覆岩层“三带”的界定准则和仿真确定落带的高度(离煤层顶板8m ).最后由该矿瓦斯抽放的实际情况对本文提出的“三带”划分方法进行了有力的验证,结果证明该划分准则合理有效.(3)由于“三带”分析属于大变形,因此本文使用了更适用于大变形分析的有限差分数值分析软件FLAC.而使用有限元分析软件也可以完成这项工作,可以将两种计算结果进行比较,进一步对“三带”进行分析研究.参　考　文　献[1]　梁运培,文光才.顶板岩层“三带”划分的综合分析法.煤炭科学技术,2000,28(5):39[2]　熊晓英,杜广森,李俊斌.注水实验法探测导水裂隙带高度.煤炭技术,2004,23(2):77[3]　贾剑青,王宏图,唐建.采煤工作面采动裂隙带的确定方法.中国矿业,2004,13(11):45[4]　尹增德,李伟,王宗胜.兖州矿区放顶煤开采覆岩破坏规律探测研究.焦作工学院学报,1999,18(4):235[5]　张杰,侯忠杰.浅埋煤层导水裂隙发展规律物理模拟分析.矿山压力与顶板管理,2004(4):32[6]　邹海,桂和荣,王桂梁,等.综放开采导水裂隙带高度预测方法.煤田地质与勘探,1998,26(6):45[7]　涂敏.潘谢矿区采动岩体裂隙发育高度的研究.煤炭学报,2004,29(6):643[8]　查文华,谢广祥,华心祝.综放采场围岩压力分布规律数值模拟研究.矿山压力与顶板管理,2004(4):2[9]　尹尚先,王尚旭.陷落桩影响采场围岩破坏和底板突水的数值模拟分析.煤炭学报,2003,28(3):264[10]　涂敏,刘泽功.综放开采顶板离层裂隙变化研究.煤炭科学技术,2004,32(4):45Dividing guideline and emulating determination of “three zones ”of the depress 2ing zones overlying a goafHUA N G Zhian 1),TON G Haif ang2),ZHA N G Yi nghua1),L I S hibo 1),N I Wen1),S ON G Jianguo 3),X IN G Yi 1)1)Civil and Environmental Engineering School ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,China 2)Beijing Kuangtong Resource Development Consulting Co.,Beijing 100037,China 3)Huajin Coking Coal Company ,Lishi 033315,ChinaABSTRACT In order to divide “three zones ”of the depressing zones overlying a goaf accurately ,the guideline to divide the “three zones ”is presented :specifying the height of the rock stratum whose stress surpasses the yield or shear strength of itself as the upper bound of the fracture zone ,while specifying the height of the rock stratum whose two 2way tensile stress both surpasses the tensile strength of itself as the low bound of the fracture zone.FLAC software was used to determine the boundary of a coal mine that was validated by the effect of corresponding methane drainage.The result indicates that the division guideline is rational and useful.This method can be used generally to divide “three zones ”of the depressing zones over 2lying a goaf.KE Y WOR DS coal ;methane drainage ;“three zones ”division ;numerical simulation・216・北　京　科　技　大　学　学　报2006年第7期。

浅析相似模拟实验在采矿工程的应用发展摘要：本文阐述了相似模拟实验的基本概念及在采矿工程实际应用的优缺点。

并基于某矿放顶煤相似模拟实验研究的个人见解。

最后总结相似模拟实验未来在采矿工程中的发展方向。

关键词：相似模拟；采矿工程；发展方向1相似模拟实验的基本概念相似模拟实验是以相似理论、因次分析作为依据的实验室研究方法，广泛应用于水利采矿地质铁道等部门。

用与原型力学性质相似的材料按一定比例缩制成实验模型，在模型上开挖成各类工程，通过对工程过程（如长壁采场的工作面推进过程）的模拟，实验观察和研究工程围岩体的变形、移动破坏，以及作用于支护结构上力的过程就是相似模拟实验的实质[1]。

2在采矿工程实际应用中的优缺点优点：这种研究方法具有直观、简便、经济、快速以及实验周期短等优点。

而且能够根据需要，通过固定某些参数，改变另一些参数来研究巷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压力的影响，这在现场条件下是难以实现的[2]。

缺点：模拟实验有一定的局限性，这是因为岩体的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，不可能也没有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[3]。

另外，目前，模拟技术还不够完善。

有些模型实验是基于某些假设上，如果在模拟研究中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果去推断原型可能出现的地压现象。

这样，现场实测和实验室模拟的综合研究就是非常重要。

3基于某矿放顶煤相似模拟实验研究的个人见解3.1相似模拟实验的目的及意义顶煤放出研究的辅助方法有很多种，直观又较真实反映综放工作面顶煤放出规律的方法是相似模拟试验。

国内外从事采矿科学研究的学者和专家，都非常重视相似模拟的研究，通过现场观测分析，再辅助相似模拟试验，创造性地提出了许多顶煤放出新理论和新成果，为综放开采的发展奠定了基础。

相似模拟与模型实验在岩土工程中的应用相似模拟与其它一样是社会生产进展的必然产物。

由于社会生产的不断进展，岩土工程所提出的问题日趋复杂和繁琐。

用数学方式很宝贵到精准的解析解，只能作一些假设与简化再求解，因此带来一些误差。

于是人们不能不通过实验的方式来探求那些靠数学方式无法研究的复杂现象的规律性。

可是直接的实验的方式有专门大的局限性，其实验的结果只能推行到与实验条件完全相同的实际问题中去，这种实验方式常常只能得出个别量的表面规律性关系，难以抓住现象的内在本质。

《相似模拟》正是为解决这些问题而产生的，它不直接的研究自然现象或进程的本身，而是研究与这些自然现象或进程相似的模型，它是理论与实际紧密相结合的科学研究方式，是解决一些比较复杂的生产工程问题的一种有效方式。

一、相似模拟与模型实验的方要研究内容它是研究自然界相似现象的一门科学。

它提供了相似判定的方式。

并用于指导模型实验， 整理实验结果，并把实验结果用于原型的理论基础。

二、相似常数设c 表示相似常数，x 表示原型中的物理量，x ' 表示模型中的物理量，那么： i i i x x c '=其中i c 表示第i 个物理量所对应的相似常数。

物理量包括于现象当中。

而表示现象的物理量，一样都不是孤立的，互不关联的，而是 处在自然规律所决定的必然关系中，因此说各类相似常数之间也是彼此关联的。

在许多的情形下这种关联表现为数学方程的形式。

下面举例说明：设两个物体受力与运动相似那么它们的质点的运动方程和力学方程都可用同一方程描述，即：原型的运动方程与物理方程dt ds v = dtdv m f = ① 模型的运动方程与物理方程 t d s d v ''=' t d v d m f '''=' ② 因为两个物体的现象相似，其对应物理量互成比例，即s c s s =' t c t t =' t c v v =' m c m m =' f c f f =' ③ ①，②，③联合取得1==c c c c st v ④ 1==c c c c c v m tf ⑤由④，⑤能够说明，各相似常数不是任意选择的，它们之间是彼此关联的。