本书系统介绍了模型试验的相似理论、相似材料性质及配比、试验装备、加载及测试系统、大体积模型铺设工艺等方面新的成果，以及这些新成果在盾构施工煤矿长距离斜井、煤层开采对盾构斜井稳定性影响模拟试验中的应用。内容主要包括基本相似理论及地下工程模型试验相似条件； 基于不同配比相似材料试件的正交试验提出的相似材料配比经验计算方法； 相似材料物理力学特性及影响因素； 模拟含水地层特性的新型相似材料配比确定； 伺服电机多头加载三维模型试验台及其测量控制系统研制； 盾构机掘进煤矿斜井、预制管片支护、煤层开采对斜井稳定性影响的相似模拟试验方法及结果分析，煤层开采引起含水层疏排放对地层沉降变形和斜井稳定性影响的相似模拟方法及结果分析。本书在伺服电机驱动加载、基于原型物理力学参数和相似比定量确定、相似材料配比、盾构掘进与管片支护模拟、含水地层疏排水相似模拟方面进行了新的探索，对于地下工程、采矿工程中的相似模拟研究有一定参考价值。

本书可供从事隧道与地下工程、采矿工程领域科研和工程技术人员参考，也可作为高等学校相关专业研究生教学参考书。

   神华集团新街台格庙矿区煤炭资源储量138亿t，是我国西部神东煤炭基地周边唯一待开发的特大型整装煤田，是“十二五”规划国家大型煤炭基地建设的重点项目。新街矿区煤矿采用斜井开拓方式，新建斜井从地表穿越第四纪松散层和白垩纪、侏罗纪不同性质砂岩层，以6°倾角到达首采煤层31煤，落底埋深近700m，斜长6558m，井筒净直径6.6m，采用盾构机掘进、预制钢筋混凝土管片拼装支护。这一全新的煤矿长距离斜井建设方式在我国煤矿建井史上属于首次，建成的斜井井壁结构不同于传统的井壁结构，相对于传统整体浇筑钢筋混凝土井壁具有厚度小、管片与管片之间和环与环之间螺栓连接、胶条防水等特点。这种新型的斜井井壁结构在投入运营后的适应性和长期稳定性如何，煤层开采带来的上覆地层垮塌、开裂导致的含水层水疏排放对斜井安全稳定运行有何影响，如何留设斜井合理保护煤柱等一系列问题需要进一步研究。本书即在此背景下，依托国家科技支撑计划课题“煤层开采对斜井管片结构稳定性影响规律研究（2013BAB10B06）”的主要研究成果，详细介绍了模型试验的相似原理、相似材料物理力学特性及其配比确定方法、相似模型试验装备研制和测试仪器、模型试验设计与制作等基本内容，以及煤层开采对盾构斜井稳定性影响模型试验和开采引起地层疏排水对盾构斜井稳定性影响模型试验等专题研究成果。其中试制的大尺寸、多功能、伺服电机多点加载模型试验台获得国家发明专利，在相似材料配比方法、煤层开采引起地层疏排水模拟方法等方面具有一定的创新性。本书为相似模型试验及其在矿山中应用的专业书籍，可作为矿山、土木、水利等行业模型试验研究方法的专业参考书，也可作为高校研究生教学的参考书。

　　本书共分6章。第1章介绍了模型试验的相似理论； 第2章介绍了模拟岩石的相似材料原料及其配比确定方法，在正交试验基础上提出了确定相似材料配比的经验公式； 第3章介绍了相似材料本身的物理力学特性及其影响因素； 第4章介绍了模型试验设备和模型设计制作方法； 第5章介绍了煤层开采对盾构斜井稳定性影响的平面和三维模型试验成果； 第6章介绍了地层疏排水对盾构斜井稳定性影响的试验成果。

　　本书第1、4章由刘保国撰写，第2、5章由史小萌、亓轶撰写，第3章由任大瑞撰写，第6章由张磊、储昭飞撰写，全书由杜彬、刘保国统稿。

   本书的研究成果和出版得到国家科技支撑计划课题（2013BAB10B06）、神华集团有限责任公司项目（GJJT130106）的大力资助，作者在此深表谢意！另外对参加本书模型试验的研究生崔增辉、谢丹、高丽君、薛建设、杨新伟、张杰等也表示感谢！

   本书的研究成果得到神华集团有限责任公司顾大钊院士、南清安教授级高级工程师、卓卉高级工程师，神华神东煤炭集团有限责任公司杨俊哲教授级高级工程师、武子生教授级高级工程师，北京交通大学项彦勇教授的大力支持和帮助，在此一并表示衷心感谢！

　　由于作者水平所限，书中难免疏漏和欠妥之处，敬请读者批评指正。

作者

2016年6月

第1章相似理论

1.1基本概念

1.1.1几何相似

1.1.2相似现象

1.1.3相似常数

1.1.4相似指标

1.1.5相似准则

1.1.6原型与模型

1.2相似三定理

1.2.1相似第一定理

1.2.2相似第二定理

1.2.3相似第三定理

1.3相似准则的推导

1.3.1相似转换法

1.3.2因次分析法

1.3.3矩阵法

1.4模拟试验的相似条件

1.4.1现象分析

1.4.2几何相似条件

1.4.3应力应变关系相似条件

1.4.4应力相似条件

1.4.5变形相似条件

1.4.6边界相似条件

1.4.7破坏相似条件

1.4.8时间相似条件

第2章岩石相似材料及配比确定方法

2.1相似材料配比的表示方法

2.1.1胶结材料加水

2.1.2单一胶结材料

2.1.3两种胶结材料

2.1.4多种胶结材料

2.2相似材料原料的性质及选择

2.2.1相似材料原料选择的原则

2.2.2胶结材料

2.2.3充填材料

2.2.4添加剂

2.3相似材料配比正交试验方法

2.3.1正交试验设计方法概述

2.3.2正交试验设计常用概念

2.3.3正交试验设计方法

2.3.4试验结果的数据处理

2.4水泥、石膏、碳酸钙胶结相似材料配比确定方法

2.4.1相似材料原料

2.4.2正交试验设计

2.4.3试件制备方法

2.4.4试件物理力学试验

2.4.5试验结果分析

2.4.6相似材料配比确定方法

2.5含水地层相似材料配比确定方法

2.5.1相似材料原料

2.5.2正交试验设计

2.5.3试件制作

2.5.4物理力学试验

2.5.5试验结果分析

第3章相似材料的物理力学性质

3.1相似材料制备

3.1.1相似材料制作工艺

3.1.2相似材料试件制备

3.1.3相似材料模型物理力学参数的测定

3.2相似材料的物理力学特性

3.2.1石膏胶结相似材料

3.2.2水泥胶结相似材料

3.2.3石蜡、凡士林胶结相似材料

3.2.4塑料胶结相似材料

3.2.5其他胶结剂制作相似材料

3.3影响相似材料物理力学特性因素分析

3.3.1胶结材料的影响规律

3.3.2充填材料的影响规律

3.3.3添加剂的影响规律

3.3.4用水量的影响规律

3.3.5含水率的影响规律

3.3.6相似材料的尺寸效应

3.3.7相似材料的温度效应

3.3.8相似材料的动力学效应

第4章相似模型试验装备与模型设计制作

4.1相似模型试验台

4.1.1试验台主体结构

4.1.2试验台加载方式

4.1.3测试传感器与仪表

4.1.4试验台边界效应与处理

4.2相似模拟试验设计与制作工艺

4.2.1相似准则的选择和调整

4.2.2相似常数的选取

4.2.3原型分析与模型参数

4.2.4相似材料原料的选择及配比的确定原则

4.2.5相似材料模型的制作方法

4.2.6相似材料模型的养护

4.2.7试验规划

4.2.8数据采集与结果分析

第5章煤层开采影响的模型试验研究

5.1概述

5.2工程概况及模拟区域

5.2.1工程概况

5.2.2模拟区域

5.3平面相似材料模型试验

5.3.1试验目的及内容

5.3.2模型试验设计

5.3.3模型试验监测

5.3.4模型试验过程

5.3.5模型试验结果

5.3.6模型试验结论

5.4三维相似材料模型试验

5.4.1试验目的及内容

5.4.2模型试验设计

5.4.3模型试验监测

5.4.4模型试验过程

5.4.5模型试验结果

5.4.6模型试验结论

第6章采区排水影响的模型试验研究

6.1引言

6.2工程模拟区域概况及管片结构

6.2.1工程概况

6.2.2模拟区域

6.2.3模拟区域斜井管片结构

6.3原岩室内固结压缩试验

6.3.1试验目的及内容

6.3.2试验方案

6.3.3试验过程

6.3.4试验结果及分析

6.4流固耦合相似材料配比试验

6.4.1试验目的及内容

6.4.2相似材料原料

6.4.3相似材料性质

6.4.4试验结论

6.5含水层疏干排水相似材料模型试验

6.5.1试验目的及内容

6.5.2模型箱设计

6.5.3模型试验设计

6.5.4模型试验监测

6.5.5模型的铺设

6.5.6模型试验过程

6.5.7模型试验结果

6.5.8模型试验结论

参考文献

本书为相似材料模型试验方面的专门书籍，其主要特色：①基于大量相似材料试件的正交试验，提出一种根据原型物理力学参数确定相似材料配比的经验公式；②试制了多点伺服电机加载的大型多功能相似材料模型试验台，可开展三维、平面和地层疏排水的模拟试验；③提出出一套盾构法施工煤矿斜井、预制管片支护、煤层开采的三维相似材料模拟试验方法；④提出一套开采引起地层疏排水对地层变形影响的模拟试验方法。

本书为相似材料模型试验方面的专门书籍，其主要特色：①基于大量相似材料试件的正交试验，提出一种根据原型物理力学参数确定相似材料配比的经验公式；②试制了多点伺服电机加载的大型多功能相似材料模型试验台，可开展三维、平面和地层疏排水的模拟试验；③提出出一套盾构法施工煤矿斜井、预制管片支护、煤层开采的三维相似材料模拟试验方法；④提出一套开采引起地层疏排水对地层变形影响的模拟试验方法。