模型设计：模型补偿荷载计算结果及材料选用

1）试验模型

试验选择中国矿业大学矿山水害防治基础研究实验室的试验台，其规格为长×宽×高：300cm×30cm×200cm。根据相似定理，本次试验采用的是平面应力模型，取几何相似比CL＝200，具体计算如下：

式中，La为原型尺寸，Laa为模型尺寸。时间比，容重比Cγ＝2.5/1.5＝1.67。

数据采集采用土压力盒采集，以便后期数据处理时进行相互印证，消除误差。图像采集采用单反数码相机，记录采动过程中裂隙的发育情况。新近系与第四系松散层厚度较大，模型试验中采用外荷载补偿来模拟松散层荷载，加荷时间不少于24 h，荷载qm计算如下：

式中，H为从煤层至地表上覆岩层的总厚度，m；Hm为煤层上方模拟岩层的厚度，m；γa为煤层上覆岩层的平均重度，kN/m3；l、b分别为实验模型的长度和宽度，m。根据模型实际地层条件，计算得模型补偿荷载qm＝31.70kN。

2）测线和传感器布设

在水平方向设置3条测线，每条测线共5个监测点，以监测覆岩在采动下的应力应变的演化规律。为了获得试验过程中应力的时空演化过程，模型的不同位置均布设了相应的应力传感器，应力测点共布设了5层，每层均匀铺设3个，具体布置情况如图3-4及表3-3所示。

图3-4　传感器布置图

表3-3　应力测点布置与编号(www.xing528.com)

应力测试传感器采用XY-TY02A系列电阻式微型土压力盒，数据采集采用DT85智能可编程数据采集器，如图3-5所示。DT85Date-taker支持SDI-12传感器组网，支持SCADA系统的Modbus、FTP和Web接口，具有可控24V电源为传感器供电，因此，DT85是一个独立的自适应系统。DT85输入包括模拟量和数字量以及高速计数器、脉冲输入、可编程传感器串行通道、用于CANbus的具有选项的CANgate接口。

图3-5　应力数据采集系统

3）相似材料配比

材料选用河砂作为骨料，胶结材料的选择主要采用常用的胶结材料，比如高岭土、石膏粉和碳酸钙等。在进行相似材料模拟时，由于部分岩层较软弱，以直径为4.5cm、高为10cm的PVC管为模具，以高岭土、砂、石膏、碳酸钙和水为原材料，并参考吴钰应材料配比表[164]，通过不同配比制成试验模块。将试验模块装入圆柱形模型中静止干燥后，在万能试验机上对模块进行抗压强度试验，测定试验模块的抗压强度，获得本次试验所需的实验配比，见表3-4。

表3-4　实验模型材料配比表

4）开采设计

根据现场工作面实际推进速度按照时间常数模拟开采，每次采10cm（原型20m），采厚4cm（原型8m），采长200cm（原型400m），实际开采是每天2m，为了研究采动覆岩应力的时间效应，根据时间相似系数，模型每隔17.5小时开采一次，各个监测点初始值调整为同一值，数据每隔0.5小时采集一次，每次采集1分钟，每一秒钟记录一个数据，通过编程设计仪器自动采集，模型共15日内开采完成。