运用正交设计快速确定相似材料配比号

由天下分享时间：2024/11/25 18:47:47 加入收藏我要投稿点赞

运用正交设计快速确定相似材料配比号

1.引言

在采矿工程学科中,相似模拟实验是煤矿开采室内研究的重要手段,其具有研究周期短、成本低、成果形象直观等特点,可以对影响因素进行重复分析,在煤层开采过程中的岩层移动与覆岩破坏规律研究中,得到了广泛的应用[1]。相似模拟实验中模型材料是用与原型力学性质相似的材料,按一定比例关系铺设而成的模型,它具有原型结构的全部或主要特征。大多数试验中相似材料的选择与配比都是针对特定的原型条件,所以相似材料的选择、配比对模型材料的物理力学性质有很大影响,对模型实验的成功与否起着决定性作用[2]。

2.存在问题

通过自己参与和与同学讨论,我发现本校在相似材料模拟试验中对于材料的选择与配比存在很大的问题。在材料的选择中,一般使用石英砂、石膏和石灰按照一定的比例混合,致使材料选择过于单一,对于特殊性质的相似材料缺乏研究。在材料配比号的选择中,一般根据现有的辽工大的配比表得出配比号,随着各地地质环境的差异,原有的配比标准很难符合实际需要;即使相同的配比号,运用不同地方的原料做出的模型其力学特性也具有差异。

在相似材料的配比号选择中,如果通过改变单一变量的方法去试验,随着变量的增加,试验次数成几何倍数增加,无疑是一项巨大的工程。为了在较短的实验周期内为模型中各岩层找到合适的材料配比,采用正交试验设计进行配比试验,是一种方便、快捷、可靠性高的方法。

3.试验过程

3.1正交试验方案

下面以对煤层的相似材料配比为例,简单介绍一下如何使用正交试验设计快速确定最佳配比号的方法。设原型中煤层的单轴抗压强度为12.54MPa,原型与模型的几何比为100,容重比为1.6,应力比为160,模型中的单轴抗压强度为78.40 KPa[3]。试验中主要考虑石英砂(A)、石灰与石膏含量比(B)和试件含水量(C)三个因素对试验结果的影响,在水中已添加1%的硼砂,所以C因素试件含水量也包含了硼砂的影响。参考已有的材料配比表[4],合理设置三个因素的三个水平,因素水平表如表1所示。

表1 煤层配比试验的因素水平

试验中因素水平确定为三因素三水平,根据正交试验原则,选用L9(34)正交表,共九组试验。试验方案如表2所示。

表3 正交试验方案

3.2试验实施

根据正交表安排,按照9组不同的配比进行试验。将按一定比例称量的砂子、石膏、石灰和水,搅拌均匀后装入铁质模具,制作尺寸为100mm 见方的试件,考虑到配比试验中操作及材料误差导致试件强度离散,同一配比试件制作3个,试件制作过程中捣实,试件表面抹平。将试件在制作完成后两天脱模,风干15天,然后进行单轴压缩试验得到单轴抗压强度。 3.3试验结果分析

采用综合比较直观分析法对正交试验结果进行分析,如表3所示。计算每个因素的各个水平所对应的试验结果的均值,最小值所对应的水平即为最优水平,从而得到各个因素的最佳水平组合。如果得到的水平组合不在试验方案之中,需要增加试验,结果与原试验最佳方案比较。同时根据各水平试验结果的均值基数

水平

因素

煤层

A B C 7:18:19:1

6:47:38:2

1/81/91/10

因素

试验号

123456789

3133213

A B C