砌体梁结构实验

成绩矿业工程学院实验教学中心实验报告（2015版本）实验名称：砌体梁结构实验姓名：王法鑫班级：采矿12-7班学号：01120197指导教师：张源实验时间：2015.6.20矿业工程学院实验教学中心制表学生实验守则1．学生进入实验室必须遵守实验室的规章制度，遵守课堂纪律，保持实验室的安静和整洁，爱护实验室的仪器、设备等设施。实验室内严禁喧哗、吃零食、吸烟和随地吐痰。饮酒后不得进入实验室进行实验。如有违反，指导教师有权拒绝和停止其进行实验。2．学生在实验课前，要认真阅读实验教材，对要做的实验内容进行预习，明确实验目的、要求和注意事项，按要求写出实验预习报告。3．学生在选定的时间内进行实验，不得无故缺席或迟到。实验上课时间若要变更，必须经指导教师和实验中心同意，否则按缺席处理。4．学生进入实验室后，服从指导教师安排，出示实验预习报告，经指导教师检查合格后方可进行实验。5．实验课中要遵守操作规程，不要带电连接、更改或拆除线路。线路接好后，须经指导教师检查后，方可接通电源进行实验。6．实验前应仔细了解所用仪器设备的组成、操作规程、使用方法和注意事项。操作时应谨慎细心，严格遵守各种仪器设备的操作规范。如仪器设备损坏，应及时报告指导教师，并填写仪器设备损害（赔偿）单，根据报告情况按学校规定处理。7．在使用大型精密仪器设备前，必须接受技术培训，经考核合格后方可使用，使用中要严格遵守操作规程，并详细填写使用记录。8．实验完成后，应先将实验数据交给指导教师审阅，实验合格并经指导教师同意后，才能结束实验。9．结束实验之前，应及时拆除线路，并将仪器、设备、凳子、工具等规整放置原处，打扫实验室，经指导教师同意后方可离开实验室。10．因故请假的学生可向实验中心申请一次补做机会。无故缺课或无故迟到（15分钟以上）的不予补做，该次实验无成绩，累计三次者，该实验课以不及格论，并不得参加该门理论课程的考试。矿业工程学院实验教学中心2015年3月修订一、实验性质（请在对应处打“√”）课程，课程名称：岩层控制的实验方法与实测技术，教师：张源实验室开放基金，项目名称：编号：，等级：，负责人：科研训练计划，项目名称：编号：，等级：，负责人：学位论文，论文名称：其他：二、实验目的通过砌体梁结构模型实验，了解砌体梁的形成及水平阻力的大小与砌体梁的平衡关系。三、实验仪器设备液压千斤顶、模型架、卷尺、液压枕四、实验注意事项1.制作的石膏块应有一定的强度2.水平千斤顶开始加压时，人员应远离模型架，以防千斤顶将模型块挤出伤人3.液压千斤顶应缓慢卸载，不应该直接将其压力卸载至0五、实验内容（原理、方案、步骤、方法）1.原理：当老顶达到极限跨距后，随着采煤工作面继续推进，老顶即发生初次断裂。其断裂后的一般状态如下图1所示。图1破断岩块的拱式平衡及其受力分析显然，根据老顶的“X”形破坏特点，可将工作面分为上中下三个区。破断的岩块由于互相挤压形成水平力，从而在岩块间产生摩擦力。工作面的上下两区是圆弧形破坏，岩块间的咬合关系，而对于工作面中部，如图1剖面A-A，则可能形成外表似梁，实质是拱的裂隙体梁的平衡关系。这种结构称之为“砌体梁”。由于岩层抗拉强度较小，老顶岩梁先在两侧支座的上端裂开，而后在梁的中间底部开裂。随着岩块的转动形成强大的水平挤压力，使岩块间形成了三铰拱式的平衡，见图1。断裂后的岩块相互挤压有可能形成三角拱式的平衡结构，此平衡结构将取决于咬合点的挤压力是否超过该挤压点接触面处的强度极限，在一定条件下可能导致岩块随着回转而形成变形失稳；另外即是咬合处的摩擦力与剪切力的相互关系，当剪切力大于摩擦力时形成滑落失稳，在工作面的表现形式是顶板的台阶下沉。(一)结构的滑落失稳咬合点处的摩擦力，即该处的水平挤压力与摩擦因数的乘积。此力的作用方向与岩块滑落的方向相反，因而起防止岩块间相互滑落的作用。(二)结构的变形失稳是指在岩块的回转过程中，由于挤压处局部应力集中，致使该处进入塑性状态，甚至局部受拉而使咬合处破坏造成岩块回转进一步加剧，从而导致整个结构失稳。2.实验内容：（1）.建立砌体梁实验模型（2）.调整千斤顶的水平阻力，观察水平阻力的大小与砌体梁的平衡关系。3.实验步骤：（1）.先用水平液压千斤顶给老顶施加水平力，并记下水平力的大小（2）.从距边界两块老顶位置开始，抽取老顶下的木块（相当于煤层开采），抽取的木块总长度为两个老顶长度。这时由于老顶岩层自重小，水平推力大，老顶完整（3）.每隔30s减小水平推力，并记下水平推力的大小。随着水平推力的减小，在砌块老顶的中间下边开始出现小开口，顶板有向下的位移，从而初步形成了平衡结构（三铰平衡结构），且可以看出水平力是形成砌体梁的主要因素（4）.当千斤顶的水平力减小大一定范围内，中间裂隙扩展，形成平衡结构六、实验数据记录及处理（详细的数据，图表，实验过程的照片等）岩梁破断成岩块后，在一定条件下，它仍可形成三铰拱式的平衡结构，保护着回采工作空间，使其不受全部上覆岩层荷载对它的影响。当上面平衡结构的水平推力减小到一定值后，顶板砌块产生切落，即这时岩块间的摩擦力由于水平力T过小而变小，不能承受岩块间的剪切力，产生失稳，称作滑落失稳。这样的失稳使工作面顶板出现台阶下沉，甚至产生切顶事故，带来危害。在模拟过程中，沿某一方向进行开采，当达到一定跨距后，产生初次回转失稳，即顶板的初次来压，随着工作面继续向前回采，老顶将经历“稳定—失稳—再稳定”的周期性变化，即顶板的周期来压，如下图2所示。图2回采工作面推进中岩体结构的变化过程在稳定和再稳定状态时，顶板眼里通过砌体梁平衡传递到“梁”的前后端，即煤壁和采空区冒落矸石，是正常生产的采煤工作面处于较安全的状态。当失稳到来时，顶板回转下沉，工作面支架所受的载荷将普遍增加，如果支护参数不合适或者其稳定性不够，则可能导致冒顶事故。七、实验结论当失稳到来时，顶板回转下沉，工作面支架所受的载荷将普遍增加，如果支护参数选择不合理或者其稳定性不够，则可能导致冒顶事故。可见，研究老顶的砌体梁结构域活动规律对于来压预报，预防顶板事故的发生具有重要意义。八、回答思考题见附页。九、心得体会通过实验演示砌体梁结构实验，让我们对砌体梁理论有个进一步认识，也更加对砌体梁结构理论在脑海有一个整体印象。老师也很耐心的为我们解答其作用原理和实验有可能出现的各种情况。做过实验的人都经历过失败和挫折。有些失败应当在预实验阶段发生，你这时能坦然接受。假如不做预实验，在正式的实验中遇到，你的挫折感就很明显。假如你因为赶时间而误操作，你会沮丧。假如你能因为目前心浮气燥而果断地放一放，就可以避免悲剧的发生。假如你早上进入实验室之前还不知道今天要干什么，你最好想好了再去。最大的错误是重复犯同样的错误。记住，屡教不改者不适合做实验。通过这次的实验,使我学到了不少实用的知识,更重要的是,做实验的过程,思考问题的方法,这与做其他的实验是通用的,真正使我们受益匪浅。此表可附页附页：相似理论是研究模型与其代表的原型之间相似性质与规律的理论，由三个基本定律组成。相似第一定律：考察两个系统所发生的现象，如果在其所有对应的点上均满足以下两个条件，称此两现象为相似现象。条件1：相似现象的各对应物理量之比应当是常数，称为“相似常数”。具体矿压方面的应用，模型与原型应存在三个方面的相似：几何相似、运动相似、动力相似。条件2：凡属相似现象，都可以用同一个基本方程式描述，即模型与原型之间各对应量物理量成一定的比例关系。相似第二定律：认为约束两相似现象的基本物理方程可以用量纲分析的方法转换成用相似判据Ⅱ方程来表达的新方程，即转换成Ⅱ方程。两个相似系统的Ⅱ方程必须相同。该定律更加广泛地概括了两个系统的相似条件。相似第三定律：认为对于同类物理现象，如果单值量相似，而且由单值量所组成的相似判断在数值上相等，现象才互相相似。该定律解答了怎样才能使现象互相相似。所谓单值量是指单值条件下的物理量，而单值条件是将一个个别现象从同类现象中区分出来。亦即将现象的通解变成特解的具体条件。而单值条件包括：几何条件、介质条件、边界条件和初始条件、现象的各种物理量实质上都是由单值条件引出的。主导相似判据是指在系统中具有重要意义的物理常数和几何性质所组成的判据。依据相似理论，可以利用相似材料进行相似材料模拟实验研究。相似材料模型法的实质是：用与原型力学性质相似的材料按照几何相似常数缩制成模型。相似材料模型依其相似程度的不同分为两种：一种是定性模型（也称为原理模拟或机制模拟）。主要目的是通过模型定性地判断原型中发生某种现象的本质或机理；或者通过若干模型了解某一因素对井下所产生的某种典型地压现象的影响。另一种是定量模型。要求主要的物理量都尽量满足相似常数与相似判据。根据定量模型相似理论，要使模型与实体原型相似，必须满足各对应量成一定比例关系及各对应量所组成的数学物理方程相同。具体在矿山压力方面的应用，要保证模型和实体在以下三个方面相似。(1)几何相似：要求模型与原型各部分的尺寸应按同样的比例尺缩小或放大，保持几何形状相似，为此需满足长度比为常数，即满足：αL＝MHLL式中，αL——长度比；L——广义长度；H——实体；M——模型。(2)运动相似。要求模型与实体所有各对应点的运动情况相似，即要求各对应点的速度、加速度、运动时间等都成一定比例。所以，要求时间比为常数，即满足：MHttt式中，t——时间比；Ht——实体运动时间；Mt——模型运动时间。(3)动力相似。要求模型和实体的所有作用力都相似。首先容重比为常数，即满足：MH式中，——容重比；H——实体材料容重；M——模型材料容重。在重力和内部应力作用下，岩石的变形和破坏过程中的主导相似准则为：HMHHMMLL各相似常数间满足下列关系：L式中，MH,——分别为实体和模型的应力；——应力相似常数。