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。这些理论的得出和发现，与进行相似模拟试验分不开。相似模拟最大的特点是简洁、直观、再现现场实际开采作业条件下顶煤放出的特征，较为真实地反映出顶煤放出规律，并有效地统计出顶煤的采出率和混矸率。
3.2相似材料的确定
本实验采用5-8mm粒径的青色石颗粒代替煤层；用8-12mm白色石颗粒代替矸石，两种材料都为均匀散体，流动性较好，能够较为真实地模拟出工作面现场顶煤及矸石放出的情况。
3.3 模型构建及标志点铺设
根据某煤矿主采煤综采工作面煤岩层的实际地质资料，主采煤层采三放三，实验台支架高度为10cm，故设几何相似比为αL=30：1，模拟工作面实际高度。采煤10cm，放煤10cm，并铺设15cm矸石作为破碎直接顶。
实验台尺寸：长×宽×高为1700mm×1000mm×800mm。根据相似比，可以模拟工作面长度30m，最大推进长度45m，最大覆岩高度24m。
在煤层中，铺设一定数量的白色标志点，标志点表面用黑色记号笔编写号码，代表不同三维坐标。标志点粒径与煤颗粒近似，冒放性基本没有影响，故统计随顶煤放出的标志点编号，即可以反映出顶煤放出的规律。
根据现场实际情况，煤层中有3-5层不规则夹矸，情况复杂。本实验只铺设支架上方顶煤部分，故设置一薄一厚两层夹矸，分别位于3厘米和6厘米处。当顶煤放出时，夹矸随之放出。分别称量放出煤量和矸石量，即可得到每一架的混矸率和煤层整体混矸率。煤层上部直接顶矸石厚度为15厘米。
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最终铺设完毕后，使用千斤顶以及吊车，将实验台上部箱体一侧抬升，并使用双轴数显水平仪实时显示抬升角度。根据现场实际地质资料，确定模拟3°倾角。
3.4总结分析
工作面共推进八刀，其中初始放煤由于放出体未受任何影响，较为完整，故放出量最多。与之相邻的第一刀，由于受到初始放煤影响，放出体残缺较为严重，所以放出量很少。之后工作面每次推进一刀放出煤量基本趋于稳定。
煤层中铺设的标志点，从第五刀开始出现，但为数较少，无法反演出完整的放出体。工作面推进至第八刀时，部分右边界的标志点随之放出，说明工作面基本达到标志点区域边缘，共有四刀放煤过程有标志点放出，其中第六七八刀放煤标志点数量较多较完整。
规律分析：1.推进放出体与初始放出体（近似椭球体）相比，完整性大大降低，由标志点数量及形状可以看出，接近于一个弯曲条带形状；
2.无论是推进过程的放出体还是初始放煤的放出体，上部都有前倾趋势，基本没有改变，究其原因，可能是煤体颗粒与支架摩擦较小，导致靠近工作面前方颗粒流动更快，放出量更多，通过标志点反演出的放出体前方略大于后方。
3.统计可得出，中部层位的标志点放出量最多，与之前的近似椭球体理论接近，但不完全是吻合，需要进一步验证和完善。
实际放出标志点总数为511个，铺设标志点总数为720个，故计算得采出率为70.97%，总体放出率偏低，可能是因为标志点颗粒略微大于煤颗粒，导致放出量减少。
4相似模拟实验未来在采矿工程中的发展方向
未来发展三维采矿物理模拟实验技术将具有重要意义。运用地学及相关领域的最新研究成果和现代测试手段，在解决现有三维物理模型存在问题的基础上，采用三维物理模拟方式，深入研究地下采矿工程诱发的地层空间应力场的演变变化规律和岩层活动规律，无论从理论本身，还是从国民经济和社会发展工程实践的应用上都具有非常深远的意义，突出体现在以下四个方面。
（1）掌握地层空间应力场的演变变化规律和岩层活动规律是进行设计和决策科学化、保证地下采矿工程安全和正常生产的前题。采掘活动引起地层空间应力场的演变变化是客观存在的，只有当设计和决策符合这种应力场重新分布和岩层移动的客观规律时，我们才能实现“矿压控制”和安全生产的目的。
（2）掌握地层空间应力场的演变变化规律有利于最大限度地开采地下矿产资源、减少矿产资源的浪费和损失。地下开采过程中各种防护煤柱的尺寸是同采掘过程中的矿压显现紧密联系在一起的，合理地选择煤柱的形状和尺寸、合理地进行生产布局，就能提高资源采出率，减少资源的浪费和损失。
（3）有利于进一步改善地下开采技术，提高采矿工程的经济效益。地下开采技术的发展同人们对矿山压力显现规律的逐步认识是密不可分的。从普采工作面的单体支柱过渡到综采工作面的自移式液压支架，从传统的砌碹支护发展到各种形式的锚喷加固，每一次地下开采技术的重大改变，无不以人们对矿压显现规律的进一步认识为基础，以最终获得更好的技术经济效果为结束。
（4）该问题的研究方法、手段和思路及最终的研究结果可以推广应用到铁路、公路隧道建设等其它岩土工程领域，解决在这些领域中同样存在的地应力测量及人为构筑物破坏预警等一系列问题。
参考文献：
[1]赵志云，赵冉，白浩.基于相似模拟下顺坡开采边坡稳定性研究[J].煤炭技术，2018，37（10）：174-176.
[2]郭路.薄煤层工作面覆岩运动规律相似模拟研究[J].山东煤炭科技，2018（09）：166-168+171.
[3]赵全徳.基于相似模拟的复合采动坡体破坏规律研究[J].煤炭技术，2018，37（09）：123-125.
作者简介：
钟超（1977-），男，汉族，陕西合阳县，本科，单位：现陕西彬长文家坡矿业公司综采队。
论文作者:钟超
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/3
标签：工作面论文; 采矿工程论文; 规律论文; 标志论文; 煤层论文; 力场论文; 矸石论文; 《基层建设》2018年第34期论文;