CN103698171B - 底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法。它解决了无法真正实现固流耦合相似模拟的问题。本发明包括以下步骤：1按比例称取砂、石蜡、液压油、沥青、碳酸钙和凡士林；2将石蜡、液压油、沥青、和凡士林加热融化并搅拌均匀；3将砂和碳酸钙加入一起搅拌；4将材料夯实成型并脱模静置；5进行力学性质测试并记录性质特征；6选取合适材料的近似比例；7重复1至3，完成模拟底板；8将模拟底板置于底板破裂模拟试验装置中；9施加水压，观察并记录模拟底板破坏规律和裂隙演化特征。本发明研制出的材料能较好地保持模型试验相似材料的物理和力学性质，同时满足固体变形和渗透性相似两个条件，在裂隙演化试验中取得良好效果。

Description

底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，涉及一种耦合模型试验相似材料的研制及其在裂隙演化特征的基础试验研究中的应用，特别是一种底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法。

背景技术

目前，常见的地质力学模型试验相似材料领域的研究，一般局限在模拟浅层脆性岩石的方面，由于忽略了深井围岩由脆性转为延性和相似材料渗透系数等问题，因此往往无法准确应用于固流耦合模型试验中。

以往的研究通常由于没有划定相似材料使用的条件，使得研究结果在模拟实验中的实际效果不明显，并不能反映相似材料在实际模拟试验的运用情况，缺乏代表性，因此也不是真正意义上的固流耦合相似模拟。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种研制的材料能较好地保持模型试验相似材料的物理和力学性质，制备出的模型试验相似材料同时满足固体变形和渗透性相似两个条件，能在裂隙演化试验中取得良好效果的底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法，包括以下步骤：

1）按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林；

2）将石蜡、液压油、沥青和凡士林置加热容器中保持110℃使其融化并搅拌均匀；

3）将砂和碳酸钙在搅拌机中搅拌均匀后，放入加热容器与融化的石蜡、液压油、沥青、和凡士林一起搅拌，并在100℃下搅拌3～5分钟；

4）将混合好的材料放入标准试件成型模具中夯实成型，将脱模后的材料在室温下放置24小时；

5）将标准试件置于实验室条件下进行力学性质测试，并记录不同比例材料的性质特征；

6）依据实际矿井底板岩石的力学性质选取合适材料的近似比例；

7）重复上述1至3步骤，并将混合好的材料置于模具中夯实成型，形成模拟底板；

8）将冷却后的模拟底板置于底板破裂模拟试验装置中，用卡套将模拟底板固定，并且密封底板破裂模拟试验装置；

9）向底板破裂模拟试验装置中施加0.1～0.5Mpa的水压，观察并记录模拟底板破坏规律和裂隙演化特征。

本底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法中，标准试件成型模具的尺寸为φ50×100mm，步骤7）中的模具尺寸为50×50×2cm。本研制方法制作出的材料具有以下特性：单轴抗压强度可达0.14～1.1Mpa，渗透系数可达7.21×10^-7～8.27×10^-4cm/s，弹性模量为110～360Mpa，粘聚力为32～121Kpa，摩擦角为35～55度。

本发明通过在现有技术的基础上创新使用沥青作胶结剂，煤矿底板围岩特别是深井底板围岩受三高一扰动的影响岩石性质有脆性转化为延性，因此沥青的使用能较好的控制模拟材料的延脆性。引入石蜡成分，石蜡在受热的情况下具有较好的塑性，制模时方便压实，其含量的多少对材料的抗压强度和弹性模量数值的大小具有可控性。突水试验中相似材料受高承压水影响，固流耦合相似材料受突水通道影响脆性变化比较明显，与实际岩石力学性质受高围压影响力学性质由脆性向延性发生变化的现象相符。含量为6.5%的碳酸钙在有机的胶结物质中能将材料中的河沙等颗粒胶结在一起形成微团粒，从而形成有较高强度的团聚体，增加材料的内部凝聚力。凡士林在自然状态下成膏体状，其黏附性好而且极具防水性，与石蜡组合使用能够定量的改变材料塑性变形等力学性能，进而扩大材料模拟范围。液压油具有较好的粘性和封闭性，可以促进石蜡和凡士林的充分融合，进而增大材料的内聚力提高强度。少量液压油也可以起到润滑作用方便材料的制作。砂、碳酸钙和凡士林混合制作的相似材料渗透系数较高，故该材料不能模拟岩石的渗透系数。

在上述的底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法中，所用各原料组分重量百分比为：砂为72.8%～85.2%，石蜡为3.5%～4.7%，液压油为2.9%～7.9%，碳酸钙为3.3%～7.9%，凡士林为0～5.4%，沥青0～3.4%。

在上述的底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法中，优选的，所述砂的粒径小于6mm。

在上述的底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法中，优选的，所述石蜡具体为晶型蜡。

在上述的底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法中，优选的，所述液压油具体为抗磨液压油。

在上述的底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法中，优选的，所述碳酸钙具体为轻质碳酸钙。

在上述的底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法中，优选的，所述沥青具体为沥青粉。

在上述的底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法中，优选的，所述底板破裂模拟试验装置包括箱体，所述箱体一端开口并与水管接通，所述箱体内部放置支架，所述支架上设置用于固定模拟底板的卡套，所述箱体内壁围设密封圈。箱体具体为规格是50×50×50cm的铁板箱，支架具体为木支架。

与现有技术相比，本底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法，经过多次试验研制、优选出的材料能较好地保持模型试验相似材料的物理和力学性质，制备出的模型试验相似材料同时满足固体变形和渗透性相似两个条件，实现真正意义上的固流耦合相似模拟，最终在裂隙演化试验中取得良好效果。

附图说明

附图1为本发明中单轴抗压条件下的应力应变曲线。

附图2为本发明中不同时间点材料测量的渗透系数曲线。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

原料来源：本实验所用的砂为粒径小于6mm的河沙；石蜡为58#的晶型蜡；液压油为无灰150#抗磨液压油；凡士林为工业级凡士林；碳酸钙为轻质碳酸钙；沥青为优质沥青粉。所用各原料组分重量百分比为：砂为72.8%～85.2%，石蜡为3.5%～4.7%，液压油为2.9%～7.9%，碳酸钙为3.3%～7.9%，凡士林为0～5.4%，沥青0～3.4%。

实验温度：室温25℃

实施例1

按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林，总重量为1000克，各组分重量分别为：砂790克，石蜡50克，液压油39克，碳酸钙65克，凡士林41克，沥青15克；

底板岩层固流耦合材料的研制方法，包括以下步骤：

1）按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林；

2）将石蜡、液压油、沥青、和凡士林置加热容器中保持110℃使其融化并搅拌均匀；

3）将砂和碳酸钙在搅拌机中搅拌均匀后，放入加热容器与融化的石蜡、液压油、沥青、和凡士林一起搅拌，并在100℃下搅拌3～5分钟；

4）将混合好的材料放入标准试件成型模具中夯实成型，将脱模后的材料在室温下放置24小时；

实验结果：单轴抗压强度为0.7Mpa，渗透系数为4.87×10^-5cm/s；弹性模量为128Mpa，粘聚力为80Kpa，摩擦角44度。

实施例2

按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林，总重量为1000克，各组分重量分别为：砂730克，石蜡90克，液压油49克，碳酸钙75克，凡士林50克，沥青6克；

底板岩层固流耦合材料的研制方法，包括以下步骤：

1）按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林；

2）将石蜡、液压油、沥青、和凡士林置加热容器中保持110℃使其融化并搅拌均匀；

3）将砂和碳酸钙在搅拌机中搅拌均匀后，放入加热容器与融化的石蜡、液压油、沥青、和凡士林一起搅拌，并在100℃下搅拌3～5分钟；

4）将混合好的材料放入标准试件成型模具中夯实成型，将脱模后的材料在室温下放置24小时；

实验结果：单轴抗压强度为0.5Mpa，渗透系数为49.37×10^-5cm/s；弹性模量为144Mpa，粘聚力为67Kpa，摩擦角40度。

实施例3

按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林，总重量为1000克，各组分重量分别为：砂805克，石蜡75克，液压油20克，碳酸钙65克，凡士林25克，沥青10克；

底板岩层固流耦合材料的研制方法，包括以下步骤：

1）按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林；

2）将石蜡、液压油、沥青、和凡士林置加热容器中保持110℃使其融化并搅拌均匀；

3）将砂和碳酸钙在搅拌机中搅拌均匀后，放入加热容器与融化的石蜡、液压油、沥青、和凡士林一起搅拌，并在100℃下搅拌3～5分钟；

4）将混合好的材料放入标准试件成型模具中夯实成型，将脱模后的材料在室温下放置24小时；

实验结果：单轴抗压强度为0.2Mpa，渗透系数为8.54×10^-6cm/s；弹性模量为110Mpa，粘聚力为36Kpa，摩擦角44度。

实施例4

按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林，总重量为1000克，各组分重量分别为：砂740克，石蜡95克，液压油30克，碳酸钙75克，凡士林35克；沥青5克；

底板岩层固流耦合材料的研制方法，包括以下步骤：

1）按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林；

2）将石蜡、液压油、沥青、和凡士林置加热容器中保持110℃使其融化并搅拌均匀；

3）将砂和碳酸钙在搅拌机中搅拌均匀后，放入加热容器与融化的石蜡、液压油、沥青、和凡士林一起搅拌，并在100℃下搅拌3～5分钟；

4）将混合好的材料放入标准试件成型模具中夯实成型，将脱模后的材料在室温下放置24小时；

实验结果：单轴抗压强度为0.8Mpa，渗透系数为8.56×10^-7cm/s；弹性模量为203Mpa，粘聚力为87Kpa，摩擦角47度。

实施例5

按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林，总重量为1000克，各组分重量分别为：砂820克，石蜡42克，液压油35克，碳酸钙55克，凡士林52克；沥青6克；

底板岩层固流耦合材料的研制方法，包括以下步骤：

1）按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林；

2）将石蜡、液压油、沥青、和凡士林置加热容器中保持110℃使其融化并搅拌均匀；

3）将砂和碳酸钙在搅拌机中搅拌均匀后，放入加热容器与融化的石蜡、液压油、沥青、和凡士林一起搅拌，并在100℃下搅拌3～5分钟；

4）将混合好的材料放入标准试件成型模具中夯实成型，将脱模后的材料在室温下放置24小时；

实验结果：单轴抗压强度为0.5Mpa，渗透系数为8.64×10^-5cm/s；弹性模量为198Mpa，粘聚力为54Kpa，摩擦角35度。

实施例6

按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林，总重量为1000克，各组分重量分别为：砂840克，石蜡28克，液压油33克，碳酸钙55克，凡士林45克，沥青5克；

底板岩层固流耦合材料的研制方法，包括以下步骤：

1）按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林；

2）将石蜡、液压油、沥青、和凡士林置加热容器中保持110℃使其融化并搅拌均匀；

3）将砂和碳酸钙在搅拌机中搅拌均匀后，放入加热容器与融化的石蜡、液压油、沥青、和凡士林一起搅拌，并在100℃下搅拌3～5分钟；

4）将混合好的材料放入标准试件成型模具中夯实成型，将脱模后的材料在室温下放置24小时；

实验结果：单轴抗压强度为0.3Mpa，渗透系数为7.37×10^-5cm/s；弹性模量为130Mpa，粘聚力为40Kpa，摩擦角41度。

实施例7

按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林，总重量为1000克，各组分重量分别为：砂750克，石蜡75克，液压油40克，碳酸钙65克，凡士林70克，沥青0克；

底板岩层固流耦合材料的研制方法，包括以下步骤：

1）按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林；

2）将石蜡、液压油、沥青、和凡士林置加热容器中保持110℃使其融化并搅拌均匀；

3）将砂和碳酸钙在搅拌机中搅拌均匀后，放入加热容器与融化的石蜡、液压油、沥青、和凡士林一起搅拌，并在100℃下搅拌3～5分钟；

4）将混合好的材料放入标准试件成型模具中夯实成型，将脱模后的材料在室温下放置24小时；

实验结果：单轴抗压强度为0.6Mpa，渗透系数为5.37×10^-5cm/s；弹性模量为223Mpa，粘聚力为78Kpa，摩擦角36度。

实施例8

按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林，总重量为1000克，各组分重量分别为：砂740克，石蜡85克，液压油40克，碳酸钙75克，凡士林35克，沥青15克；

底板岩层固流耦合材料的研制方法，包括以下步骤：

1）按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林；

2）将石蜡、液压油、沥青、和凡士林置加热容器中保持110℃使其融化并搅拌均匀；

3）将砂和碳酸钙在搅拌机中搅拌均匀后，放入加热容器与融化的石蜡、液压油、沥青、和凡士林一起搅拌，并在100℃下搅拌3～5分钟；

4）将混合好的材料放入标准试件成型模具中夯实成型，将脱模后的材料在室温下放置24小时；

实验结果：单轴抗压强度为1.1Mpa，渗透系数为7.45×10^-5cm/s；弹性模量为189Mpa，粘聚力为96Kpa，摩擦角36度。

上述实施例1-8所制备出的相似材料，经进一步的实验检测结果如表1所示：

表1

主要参数范围如表2；

表2

在单轴抗压条件下的应力应变曲线如附图1；

相似材料单轴抗压强度的测量

实验仪器

材料试验机、游标卡尺

试验原理

试件的应力：F为试件破坏载荷，N；S为试件底面积,m2；Rc为单轴抗压强度，Pa；

试件的应变：Δ_x为单轴压缩位移变化量，mm；L为试件原始长度，mm；ε为试件应变；

通过测量的材料应力应变绘制材料应力-应变曲线。

试验方法

用游标卡尺测量成型后在室温下放置24小时的材料的高和地面直径；

将试件置于试验机承压板中心，调整球形座，使试件两端面接触均匀；

以每秒0.2mm的速度加荷直至破坏，记录破坏荷载及加载过程中出现的现象；

试验结束后，记录试件的破坏形态，导出试验数据，绘制应力-应变曲线。

不同时间点材料测量的渗透系数曲线如附图2。

相似材料单轴抗压强度的测量

实验仪器

用于测量固液耦合相似材料渗透系数测量仪

试验原理

式中：K为渗透系数，cm/s；a为玻璃管断面积，mm2；A试样断面积，mm2；L为试样长度，cm；Δh1为起始水头差，cm；Δh2为时间t后终了水头差，cm。

试验方法

将试件置于水中浸泡48h，达到饱和状态；

把浸泡好的标准试件放入模具，把水从漏斗中导入导管内，平卧模具并打开放气孔直至放完模具内的空气，将装置放置一段时间直至有水从材料表面渗出；

测量时模具顶部倒满水，导水管加入一定量的水，通过刻度尺记录导水管水位与模具水位的高度差Δh1,经过一段时间t后水从模具的导水槽溢出，记录Δh2；

测量多个时间段的K值，最后曲平均值。

底板破裂模拟试验

实验仪器

底板破裂模拟试验装置

试验原理

向固定的模拟底板均匀加载0.1-0.3MPa水压，模拟底板受张力作用发生破坏，模拟采空区底板受承压水的影响，底板发生突水和破坏。

底板岩层固流耦合材料的裂隙演化的试验方法，包括以下步骤：

1）按比例称取砂、石蜡、液压油、碳酸钙、沥青、和凡士林；

2）将石蜡、液压油、沥青、和凡士林置加热容器中保持110℃使其融化并搅拌均匀；

3）将砂和碳酸钙在搅拌机中搅拌均匀后，放入加热容器与融化的石蜡、液压油、沥青、和凡士林一起搅拌，并在100℃下搅拌3～5分钟；

4）将混合好的材料置于规格为50×50×2cm的模具中夯实成型，形成模拟底板；

5）将冷却后的模拟底板置于底板破裂模拟试验装置中，用卡套将模拟底板固定，并且密封底板破裂模拟试验装置；

6）向底板破裂模拟试验装置中施加0.1～0.5Mpa的水压，观察并记录模拟底板破坏规律和裂隙演化特征。

其中底板破裂模拟试验装置包括箱体，该箱体具体为规格是50×50×50cm的铁板箱，箱体一端开口并与水管接通。箱体内部放置支架，支架具体为木支架。支架上设置用于固定模拟底板的卡套，且箱体内壁围设密封圈。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)按比例称取砂、石蜡、液压油、沥青、碳酸钙和凡士林，所用各原料组分重量百分比为：砂为72.8％～85.2％，石蜡为3.5％～4.7％，液压油为2.9％～7.9％，碳酸钙为3.3％～7.9％，凡士林为0～5.4％，沥青0～3.4％；

2)将石蜡、液压油、沥青和凡士林置加热容器中保持110℃使其融化并搅拌均匀；

3)将砂和碳酸钙在搅拌机中搅拌均匀后，放入加热容器与融化的石蜡、液压油、沥青和凡士林一起搅拌，并在100℃下搅拌3～5分钟；

4)将混合好的材料放入标准试件成型模具中夯实成型，将脱模后的材料在室温下放置24小时；

5)将标准试件置于实验室条件下进行力学性质测试，并记录不同比例材料的性质特征；

6)依据实际矿井底板岩石的力学性质选取合适材料的近似比例；

7)重复上述1至3步骤，并将混合好的材料置于模具中夯实成型，形成模拟底板；

8)将冷却后的模拟底板置于底板破裂模拟试验装置中，所述底板破裂模拟试验装置包括箱体，所述箱体一端开口并与水管接通，所述箱体内部放置支架，所述支架上设置用于固定模拟底板的卡套，所述箱体内壁围设密封圈；

9)向底板破裂模拟试验装置中施加0.1～0.5Mpa的水压，观察并记录模拟底板破坏规律和裂隙演化特征。

2.根据权利要求1所述的底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法，其特征在于，所述砂的粒径小于6mm。

3.根据权利要求1所述的底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法，其特征在于，所述石蜡具体为晶型蜡。

4.根据权利要求1所述的底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法，其特征在于，所述液压油具体为抗磨液压油。

5.根据权利要求1所述的底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法，其特征在于，所述碳酸钙具体为轻质碳酸钙。

6.根据权利要求1所述的底板岩层固流耦合材料的裂隙演化试验方法，其特征在于，所述沥青具体为沥青粉。