MTT6751997露天煤矿边坡模拟试验方法

中华人民共和国煤炭行业标准MT/T675—1997露天煤矿边坡模拟试验方法1997-12-30批准1998-06-01实施中华人民共和国煤炭工业部批准目次1范围1………………………………………………………………………………………………………2引用标准1…………………………………………………………………………………………………3定义1………………………………………………………………………………………………………4底摩擦模型法1……………………………………………………………………………………………5相似材料模型法3…………………………………………………………………………………………6分析评价5…………………………………………………………………………………………………ⅠMT/T675—1997露天煤矿边坡模拟试验方法1范围本标准规定了露天煤矿边坡变形与破坏模式的底摩擦模型法和相似材料模型法二维模拟试验原理、材料、仪器和设备、试验步骤和分析评价。本标准适用于露天煤矿边坡模型模拟试验。2引用标准下列标准所包含的条文,通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时,所示版本均为有效。所有标准都会被修订,使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GBJ123—88土工试验方法标准3定义本标准采用下列定义。3.1模拟试验simulationtest依据工程岩体原型制作模型,通过模型研究工程岩体之工程性质的试验。3.2底摩擦模型basefrictionmodel用模型底面摩擦力来模拟自重应力,并按相似理论制作的模型。3.3相似材料模型similarmaterialmodel。用与工程岩体原型物理力学性质相似的材料按相似理论制作的模型。3.4定性模型qualitativemodel不要求严格遵循各种相似关系,而只需满足主要的相似常数的模型。3.5定量模型quantitativemodel主要物理量都应满足相似关系的模型。4底摩擦模型法4.1原理将按工程地质剖面制作的模型平躺在底摩擦模型试验机的胶带上,胶带运动时拖动模型,模型受档板限制,作用在档板上的力Fb等于胶带拖动时作用于模型底面的摩擦力,用此摩擦力来模拟岩体重力。如图1所示。在自重作用下,单元dz所受摩擦力dFb为:dFb=μbρtdxdz式中:μb———模型底面与胶带间的滑动摩擦系数;ρ———模型材料的重力密度;t———模型厚度;dxdz———模型中单元dz的面积。假设胶带匀速运行,则Z方向有:Fb=∫zxdFb模型宽为W,长为Z时,底面摩擦力为:1MT/T675—1997图1底摩擦模型模拟试验原理图Fb(Z)=μbρtWZ则模型顶部的应力分布为:σz=μbρZ;σy=0;σx=μσt式中:μ为泊松比。本标准中底摩擦模型为定性模型,要求模型与原型之间满足重力相似、几何相似和结构相似,优势结构面宜保持力学相似。4.2材料、仪器和设备4.2.1模型材料;4.2.2底摩擦模型试验机:框架内尺寸顺皮带长为86cm,宽为89.5cm,胶带宽为91cm,模型与原型比例一般可选择1∶500~1∶2000;4.2.3模型制作用具;4.2.4测量仪表和影像记录设备,包括摄录像系统、放像系统和照像机等;4.2.5天平:量程300g,准确度0.001g;4.2.6量筒:量程10mL,准确度0.1mL;4.2.7秒表。4.3试验步骤4.3.1确定模型尺寸根据模型框架尺寸和所研究工程岩体对象,按比例建立工程岩体地质剖面模型,并绘制模型图。4.3.2选用模型材料常用的模型材料有如下四类,可依据具体试验条件加以选择:a)可塑性材料如明胶、橡皮泥、泡沫塑料,油泥和粘土及其与砂子的混合材料等。材料具有塑性,并可任意切割。b)块体成型材料如玛赛克、铅块、水泥块、铁块、木块、塑料块、石膏块等。材料可制作或浇铸成不同规格的块体,以便任意配置成不同岩体结构系统和边界条件。c)膜状材料如云母片、塑料薄膜片等。可模拟煤系地层中一些强度较低的结构面,如断层面、弱层面等。d)涂层材料2MT/T675—1997如石膏粉、滑石粉、重晶石粉、各色颜料和调制用水等。用作模型表面涂刷层。4.3.3制模把工程地质模型剖面图绘制在胶带上,然后按图所示的不同工程性质岩层和所选定的槙型材料制作模型,使其处于初始状态。按岩体赋存形态由底部至顶部逐层摆放制作。顺层方向要依次摆放,以保持岩层的连续性;切层方向按岩层结构排列;弱层、断层破碎带和采空区用相应材料摆放。根据模型材料块体大小、摆放方法可定性地模拟具有不同力学性质、结构系统的工程岩体。4.3.4涂层在模型表面涂厚约0.2~0.8mm的涂层。通过调整涂层材料的配比,使涂料粘结强度有所区别,以适应各岩组强度的差异。并对每一岩层涂以不同颜色,以利识别。4.3.5绘制标志点和标志线涂层干透后,在涂层上绘制标志点和标志线,进行编号,其布置原则是:a)标志点应覆盖整个边坡剖面,并应形成数条完整的标志线(水平和垂直);b)点、线数量与疏密程度可依据实际需要而定;c)弱层和断层带附近要加密布置;d)边坡面附近也应布置标志点。4.3.6安装测量仪表及影像记录设备测量系统固定在模型表面和框架上;摄录像机、照像机安装在模型框架上方时摄影架上。4.3.7试验和测试试验前,要记录模型初始状态。然后从初始位置起按设定的边坡轮廓逐步开挖边坡,分阶段运行试验。运行时要求平稳均匀加速,其胶带运行速度为20~80mm/s。各阶段边坡轮廓的运行试验开始即进行变形测量和影像记录工作,并要求作变形过程与破坏现象的动态描述。待变形稳定后方可进行下阶段边坡轮廓的开挖运行试验工作,直至破坏为止。4.3.8试验资料整理根据各阶段边坡试验获得的数据整理和影像记录资料回放,给出:a)标志点位移轨迹图;b)不同时段标志线位置变化图;c)各阶段边坡剖面位移轨迹图。5相似材料模型法5.1原理本标准采用在相似材料模型试验架上坚向摆设的二维平面应力模型,用材料的自重来模拟岩体重力,模型与原型之间应满足下列相似关系。5.1.1几何相似在竖向平面上几何相似:即:αL=Lp/LmαA=L2p/L2m=α2L式中:αL、αA———分别为长度、面积相似常数;Lp、Lm———分别为原型、模型的线性尺寸。3MT/T675—19975.1.2物理力学相似主要考虑岩体重力密度和强度相似常数;即:αρ=ρp/ρmασ=σp/σm式中:αρ、ασ———分别为重力密度和强度相似常数;ρp、ρm———分别为原型和模型材料重力密度;σp、σm———分别为原型和模型材料的强度。强度相似主要指模型材料剪切强度指标(凝聚力C和内摩擦角φ)与原型相似,满足αc=αp·αLφp=φm式中:αc———凝聚力C的相似常数;φp、φm———分别为原型和模型材料的内摩擦角。同时兼顾抗压强度σc和变形参数(弹性模量E和泊松比μ)的相似性。5.2材料、仪器和设备5.2.1相似材料;5.2.2相似材料模型试验架:试验架内框尺寸:长×宽×高为(2~5)m×(0.2~0.5)m×2m,几何相似常数αL不大于500;5.2.3位移测试仪器与影像记录设备。包括位移传感器,信号处理设备,摄像系统,放像系统和照像机;5.2.4应力测试仪器。包括应力传感器及信号处理设备;5.2.5模型制作用具;5.2.6称重设备及量杯:5.2.6.1磅称:量程100kg,准确度0.5kg;5.2.6.2盘称:量程10kg,准确度0.1kg;5.2.6.3天平:量程300g,准确度0.001g;5.2.6.4量杯:量程1000mL,准确度10mL;5.2.6.5量杯:量程250mL,准确度2.5mL;5.2.6.6量筒:量程10mL,准确度0.1mL;5.2.7重力密度、含水量、凝聚力、内摩擦角、抗压强度、变形参数等测定仪器和设备。5.3试验步骤5.3.1确定模型尺寸按4.3.1。5.3.2选用相似材料5.3.2.1相似材料选用原则a)主要物理力学性质与模似的岩层或结构相似;b)试验过程中材料的力学性质稳定,不易受外界条件的干扰;c)改变材料的配比,可调整材料的某些性质以适应相似条件的需要;d)材料来源丰富,加工方便。5.3.2.2相似材料种类相似材料通常用下列四类中几种材料配制而成:a)骨料:主要有可赛银、粘土、砂、重晶石粉、云母粉、硅藻土、木屑、铁粉等。4MT/T675—1997b)胶结材料:主要有水泥、石膏、水玻璃、树脂、粘土等。c)膜状材料:主要有云母片、塑料薄膜等。d)缓凝剂。5.3.2.3相似材料的选择根据原型岩体各岩组的重力密度、剪切强度指标(凝聚力和内摩擦角)、抗压强度和变形参数等,及相似常数逐层计算确定模型中所对应岩组的物理力学指标。然后利用正交试验法,按GBJ123和DLJ204(SLJ2)进行各岩组物理力学性质测定的配比试验,确定相似材料的配方和配比,以及材料性质稳定规定含水量,并计算各分层材料用量。5.3.3制作模型5.3.3.1安装好模型后面的模板,并在模板上绘制工程地质模型剖面图。前面的模板边制作边安装。5.3.3.2准备各分层所需相似材料、缓凝剂和调制用水等。5.3.3.3先将干料搅拌均匀,再放入含缓凝剂的水,迅速搅拌均匀。5.3.3.4将搅拌均匀的材料倒入模子内,捣实。捣实后的分层高度符合计算时分层高度,以达到所要求的重力密度。分层间撒一层模似层面用的云母粉等。5.3.3.5模型制作完模型材料终凝后开始拆模板,在拆模板过程中不得损坏模型或造成模型塌滑。5.3.4布置测点在模型表面上绘制或粘贴测标,或者在制模过程中埋设测点,并进行编号。其布置原则为:a)~d)同4.3.5之a)~d);e)应力测点与位移测点相互对应。5.3.5安装测试仪器与设备a)应力测试仪器,安装于模型前面;b)位移测试仪器,安设在模型背面;c)坐标网,在模型前面设置固定在模型架上的坐标网,并在模型上标出特征点,以观察和记录模型整体位移起势;d)影像记录设备,安装于模型前面。5.3.6试验前准备从模型中取约50g材料按GBJ123测定含水量,当其含水量达到规定指标后方可进行边坡开挖工作。记录边坡的初始状态。5.3.7试验和测试从初始位置起按设定的边坡轮廓逐步开挖边坡,分阶段进行试验。各阶段边坡轮廓开挖伊给即进行测试和记录,并要求作变形过程和破坏现象的动态描述;待应力或变形稳定后方可进行下一阶段边坡轮廓的开挖测试工作,直至破坏为止。5.3.8试验资料整理根据各阶段边坡试验,获得的数据整理及影像记录资料回放,给出:a)标志点的位移轨迹图;b)各阶段边坡剖面位移轨迹图;c)各阶段边坡剖面应力分布图;d)典型点应力-位移关系图。6分析评价提出试验结果的文字材料应包括以下几个方面:5MT/T675—1997a)边坡位移分析;b)边坡应力分析(采用相似材料模型法时);c)边坡变形破坏机理分析,包括变形分区、预计的滑坡模式、变形破坏深度和层位。6MT/T675—1997