CN105181409A - 一种用于模拟岩层中的裂缝的模拟模型及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟岩层中的裂缝的模拟模型，包括试验箱，在所述试验箱内浇筑有至少一层与待模拟的开采岩层相似的含水相似岩层，在所述含水相似岩层内设置有多条人工裂缝，每条所述人工裂缝均贯通所述含水相似岩层的上下表面；在每条所述人工裂缝内填充有砂砾；在所述含水相似岩层的上方浇筑有与待模拟的所述开采岩层上方的隔水岩层相似的隔水相似岩层。本发明还公开了一种模拟模型的制作方法。本发明提供的模拟模型及其制作方法，施工简便易行，同时人工裂隙的宽度、间距等参数可以根据相似岩层的初估渗透特性进行调整，适用性广。

Description

一种用于模拟岩层中的裂缝的模拟模型及其制作方法

技术领域

本发明涉及矿业工程及水利工程的综合利用技术领域，尤其涉及一种用于模拟岩层中的裂缝的模拟模型及其制作方法。

背景技术

煤炭在我国能源结构中占据主体地位的格局相当长时期内难以改变，与此同时我国煤炭资源的开发与利用所引发的环境问题却日益突出。一方面，我国西部富煤地区多处于干旱和半干旱地带，水资源短缺，同时地表生态脆弱；另一方面，在煤炭开采过程中不可避免产生矿井水，如果处理不当不仅会造成地下水资源的破坏，同时还会造成河川径流量减少、水资源枯竭、土地沙漠化、环境污染、地表塌陷等一系列危害。因此，保护水资源和地表生态环境，是我国西部煤炭资源开发面临的重大课题。

利用煤矿采空区建造地下水库，实现保水开采是综合利用地下水资源、保护含水层、煤矿安全生产和矿山废弃后地下水源再利用的重大举措。“绿色煤炭”也是国家重大战略问题，将列入国家科技重大专项的重要研究内容。在地下水库设计和建造中，库址与坝址、库容与特征水位、地下水调控与水质过滤净化，都取决于顶底板岩体渗透性能、导水裂隙带和塌落体的渗透系数和储水系数、以及这些参数的动态变化或变异特征与规律；而这些问题又是取决于煤层采动过程中顶底板岩体破损与裂隙发育过程和演化规律、破损岩体塌落方式、范围、堆积型式、块度分布、孔隙大小与分布等物理特征。在现场条件下，难以直接观察、观看、准确测试这些物理特征和相关物理力学参数，采用大型水岩耦合物理模型试验可以实现这一目的。

在水岩耦合物理模型试验条件下，不仅要研究固体介质的物理力学特征和规律，更重要的是研究在水的作用下固体介质和水之间的相互作用，现有技术中还无法模拟相似岩层中的裂隙分布。因此，模拟相似岩层中裂隙的分布及其渗透特性是水岩耦合模型试验的前提，对煤矿分布式地下水库相关问题的研究具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种能够模拟含水相似岩层中的裂隙分布的模拟模型及其制作方法。

本发明技术方案提供一种用于模拟岩层中的裂缝的模拟模型，包括试验箱，在所述试验箱内浇筑有至少一层与待模拟的开采岩层相似的含水相似岩层，在所述含水相似岩层内设置有多条人工裂缝，每条所述人工裂缝均贯通所述含水相似岩层的上下表面；在每条所述人工裂缝内填充有砂砾；在所述含水相似岩层的上方浇筑有与待模拟的所述开采岩层上方的隔水岩层相似的隔水相似岩层。

进一步地，所述人工裂缝包括多条分支裂缝。

进一步地，多条所述分支裂缝间隔地平行设置；或者，多条所述分支裂缝连接形成网格状。

进一步地，在所述含水相似岩层中布置有可被拆除的多块裂缝形成模板，所述人工裂缝由从所述含水相似岩层中拆除的所述裂缝形成模板所形成。

进一步地，所述裂缝形成模板包括模板框架和设置在所述模板框架内的多条分支裂缝形成板。

进一步地，多条所述分支裂缝形成板相互平行，并间隔地布置在所述模板框架内；或者，多条所述分支裂缝形成板连接形成网格状。

进一步地，在所述试验箱内从下向上依次浇筑有多层所述含水相似岩层，所述隔水相似岩层浇筑在最顶层的所述含水相似层上。

进一步地，任意相邻的两层所述含水相似岩层中的所述人工裂缝对齐设置或交错设置。

进一步地，所述砂砾的粒径在0.5mm-2.0mm之间。

本发明技术方案还提供一种制作用于模拟岩层中的裂缝的模拟模型的制作方法，包括如下步骤：步骤1：在试验箱内预先确定人工裂缝的裂缝分布区域；步骤2：在所述裂缝分布区域内间隔地支设多块裂缝形成模板；步骤3：在试验箱内浇筑含水相似岩层；步骤4：在所述含水相似岩层满足强度要求后，将所述裂缝形成模板拆除，在所述含水相似岩层上相应于所述裂缝形成模板的位置行成有人工裂缝；步骤5：向所述人工裂缝内填充砂砾；步骤6：在所述含水相似岩层上浇筑隔水相似岩层。

进一步地，在所述试验箱内从下往上依照所述步骤1-所述步骤5依次浇筑有多层所述含水相似岩层；将所述隔水相似岩层浇柱在最顶层的所述含水相似岩层上。

进一步地，将任意相邻的两层所述含水相似岩层中的所述人工裂缝对齐设置或交错设置。

进一步地，在所述步骤3中浇筑所述含水相似岩层时，从所述试验箱的一侧向另一侧逐步均匀地推进。

进一步地，在所述步骤5中向所述人工裂缝内填充所述砂砾时，先将所述砂砾清洗并风干。

进一步地，所述砂砾的粒径在0.5mm-2.0mm之间。

进一步地，所述人工裂缝包括多条分支裂缝。

进一步地，多条所述分支裂缝间隔地平行设置；或者，多条所述分支裂缝连接形成网格状。

进一步地，所述裂缝形成模板包括模板框架和设置在所述模板框架内的多条分支裂缝形成板；

进一步地，多条所述分支裂缝形成板相互平行，并间隔地布置在所述模板框架内；或者，多条所述分支裂缝形成板连接形成网格状。

采用上述技术方案，具有如下有益效果：

通过在含水相似岩层中布置人工裂缝，并在人工裂缝中填充砂砾，以模拟待开采岩层中的裂缝，利于后续对相似岩层进行渗透性试验。

本发明提供的模拟模型及其制作方法，施工简便易行，同时人工裂隙的宽度、间距等参数可以根据相似岩层的初估渗透特性进行调整，适用性广。

附图说明

图1为本发明提供的模拟模型的示意图；

图2为在试验箱内支设裂缝形成模板的示意图；

图3为在试验箱内浇筑含水相似岩层的示意图；

图4为拆除裂缝形成模板后在含水相似岩层内形成人工裂缝的示意图；

图5为人工裂缝内填充有砂砾的示意图；

图6为试验箱内浇筑有多层含水相似岩层的示意图；

图7为人工裂缝中的分支裂缝平行设置的示意图；

图8为多条分支裂缝连接形成网格状的示意图；

图9为裂缝形成模板中的多条分支裂缝形成板平行设置的示意图；

图10为多条分支裂缝形成板连接形成网格状的示意图。

附图标记对照表：

1-试验箱；2-含水相似层；21-人工裂缝；

210-分支裂缝；3-砂砾；4-隔水相似岩层；

5-裂缝形成模板；51-模板框架；52-分支裂缝形成板。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

本发明中所涉及到含水相似岩层是指与煤矿开采过程中的含水岩石层以一定方式相似制成的相似材料层，其由相似材料按照一定比例制成，性质与含水岩石层相似，称之为含水相似岩层。

本发明中所涉及到隔水相似岩层是指与煤矿开采过程中的隔水岩石层以一定方式相似制成的相似材料层，其由相似材料按照一定比例制成，性质与隔水岩石层相似，称之为隔水相似岩层。

本发明提供的模拟模型主要用于制作岩层的裂缝，呈现其裂缝布局。由于在该过程中水和岩石的相互作用，比如渗漏等等，也可称之为水岩耦合模拟模型。

如图1-5所示，本发明一实施例提供的一种用于模拟岩层中的裂缝的模拟模型，包括试验箱1。

在试验箱1内浇筑有至少一层与待模拟的开采岩层相似的含水相似岩层2，在含水相似岩层2内设置有多条人工裂缝21，每条人工裂缝21均贯通含水相似岩层2的上下表面。

在每条人工裂缝21内填充有砂砾3。在含水相似岩层2的上方浇筑有与待模拟的开采岩层上方的隔水岩层相似的隔水相似岩层4。

该模拟模型主要用于制作岩层的裂缝，呈现其裂缝布局。模拟模型包括试验箱1，试验箱1为玻璃试验箱，便于观察内部裂缝变化。

在试验箱1内浇筑有至少一层含水相似层2，其与待模拟的开采岩层相似，该处所指的相似不仅仅两者性质相似、其结构、构造也相似。

并在含水相似岩层2内设置多条人工裂缝21，每条人工裂缝21均贯通含水相似岩层2的上下表面，以呈现相应地裂缝布局。人工缝隙21贯穿含水相似岩层2的上下表面，用于水流渗漏之用。人工缝隙21是指在浇筑含水相似岩层2的过程中，通过人工在含水相似岩层2中形成的缝隙。例如可通过在含水相似岩层2中布置管、杆或铁丝等，在含水相似岩层2成型之后再将上述物件移除，以形成缝隙。

在浇筑含水相似岩层2时，需要从试验箱1的一侧向另一侧逐步均匀地推进，并做到夯实和表面平整。

在每条人工裂缝21内填充砂砾3，以使其与现实的裂缝相似。在填充砂砾3时，首先选取天然砂砾，经筛选去除过大或过小的砂砾，优选地，选择粒径在0.5mm-2.0mm之间的砂砾。然后，将选择出的砂砾洗净风干之后，将其填充到人工裂缝21中去。

在含水相似岩层2的上方浇筑有隔水相似岩层4，其与待模拟的开采岩层上方的隔水岩层相似，该处所指的相似不仅仅两者性质相似、其结构、构造也相似。

从而，通过在含水相似岩层2中布置人工裂缝21，并在人工裂缝中填充砂砾3，以模拟待开采岩层中的裂缝，利于后续对相似岩层进行渗透性试验。

本发明提供的模拟模型，施工简便易行，同时人工裂隙的宽度、间距等参数可以根据相似岩层的初估渗透特性进行调整，适用性广。

较佳地，如图7-8，人工裂缝21包括多条分支裂缝210，以使其与实际的裂缝相近似，提高模拟程度。

较佳地，如图7-8所示，多条分支裂缝210间隔地平行设置；或者，多条分支裂缝210连接形成网格状，以模拟呈现不同的裂缝分布。

较佳地，如图2-4所示，在含水相似岩层2中布置有可被拆除的多块裂缝形成模板5，人工裂缝21由从含水相似岩层2中拆除的裂缝形成模板5所形成。

即，人工裂缝21形成的方式如下：

首先，在试验箱1内预先确定人工裂缝21的裂缝分布区域；之后，在裂缝分布区域内间隔地支设多块裂缝形成模板5；之后，在试验箱1内浇筑含水相似岩层2；之后，在含水相似岩层2满足强度要求后，将裂缝形成模板5拆除，在含水相似岩层2上相应于裂缝形成模板5的位置行成有人工裂缝21。如此施工简便易行，并使得人工裂缝21与实际裂缝相似度高。

较佳地，如图9-10所示，裂缝形成模板5包括模板框架51和设置在模板框架51内的多条分支裂缝形成板52。分支裂缝形成板52用于形成分支裂缝210。

较佳地，如图9-10所示，多条分支裂缝形成板52相互平行，并间隔地布置在模板框架51内；或者，多条分支裂缝形成板52连接形成网格状。以分别形成网格状分布或平行布置的分支裂缝210，以呈现不同的裂缝分布。

较佳地，如图6所示，在试验箱1内从下向上依次浇筑有多层含水相似岩层2，隔水相似岩层4浇筑在最顶层的含水相似层2上。

如果含水相似岩层2较厚，可按照分层依次进行含水相似岩层2浇筑和人工裂隙21制作，便于制作。

较佳地，如图6所示，任意相邻的两层含水相似岩层2中的人工裂缝21对齐设置或交错设置，以模拟呈现不同的裂缝分布。

综上，本发明提供的模拟模型，能够模拟岩层中的裂缝分布，便于后续对其进行渗漏试验，对煤矿分布式地下水库相关问题的研究具有重要意义。

如图1-5所示，本发明一实施例提供的一种制作用于模拟岩层中的裂缝的模拟模型的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在试验箱1内预先确定人工裂缝21的裂缝分布区域；

步骤2：在裂缝分布区域内间隔地支设多块裂缝形成模板5；

步骤3：在试验箱1内浇筑含水相似岩层2；

步骤4：在含水相似岩层2满足强度要求后，将裂缝形成模板5拆除，在含水相似岩层2上相应于裂缝形成模板5的位置行成有人工裂缝21；

步骤5：向人工裂缝21内填充砂砾3；

步骤6：在含水相似岩层2上浇筑隔水相似岩层4。

也即是，该制作方法包括如下几个步骤：

1、含水相似岩层2中的人工裂隙21支模：

在含水相似岩层2浇筑之前，在确定好的裂隙分布区域进行支设裂缝形成模板5。人工裂隙21可以采用平行线布置或方格网布置，人工裂隙21的宽度及深度根据相似岩层裂隙渗透性及浇筑厚度确定。

2、含水相似岩层2浇筑：

裂缝形成模板5支好后，可以进行含水相似岩层2的浇筑。在浇筑含水相似岩层2时，应从试验箱1的一侧向另一侧逐步均匀地推进，并做到夯实和表面整平。

3、人工裂隙21填充：

待含水相似岩层2具备初始强度后，将裂缝形成模板5拆除。在填充砂砾3时，首先选取天然砂砾，经筛选去除过大或过小的砂砾，优选地，选择粒径在0.5mm-2.0mm之间的砂砾。然后，将选择出的砂砾洗净风干之后，将其填充到人工裂缝21中去。

4、隔水相似岩层4的浇筑：

人工裂隙21填充完成后，可以进行上层隔水相似岩层4，浇筑完成上层相似岩层后，完成模拟模型的制作。

本发明提供的模拟模型的制作方法，施工简便易行，能够模拟出裂隙的分布和布局，同时人工裂隙的宽度、间距等参数可以根据相似岩层的初估渗透特性进行调整，适用性广。

较佳地，如图6所示，在试验箱1内从下往上依照步骤1-步骤5依次浇筑有多层含水相似岩层2；将隔水相似岩层4浇柱在最顶层的含水相似岩层2上。如果含水相似岩层2较厚，可按照分层依次进行含水相似岩层2浇筑和人工裂隙21制作，便于制作。

较佳地，如图7-8，人工裂缝21包括多条分支裂缝210，以使其与实际的裂缝相近似，提高模拟程度。

较佳地，如图7-8所示，多条分支裂缝210间隔地平行设置；或者，多条分支裂缝210连接形成网格状，以模拟呈现不同的裂缝分布。

较佳地，如图9-10所示，裂缝形成模板5包括模板框架51和设置在模板框架51内的多条分支裂缝形成板52。分支裂缝形成板52用于形成分支裂缝210。

较佳地，如图9-10所示，多条分支裂缝形成板52相互平行，并间隔地布置在模板框架51内；或者，多条分支裂缝形成板52连接形成网格状。以分别形成网格状分布或平行布置的分支裂缝210，以呈现不同的裂缝分布。

综上，本发明提供的模拟模型的制作方法，能够模拟岩层中的裂缝分布，便于后续对其进行渗漏试验，对煤矿分布式地下水库相关问题的研究具有重要意义。

根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims (19)

1.一种用于模拟岩层中的裂缝的模拟模型，其特征在于，包括试验箱，

在所述试验箱内浇筑有至少一层与待模拟的开采岩层相似的含水相似岩层，在所述含水相似岩层内设置有多条人工裂缝，每条所述人工裂缝均贯通所述含水相似岩层的上下表面；

在每条所述人工裂缝内填充有砂砾；

在所述含水相似岩层的上方浇筑有与待模拟的所述开采岩层上方的隔水岩层相似的隔水相似岩层。

2.根据权利要求1所述的模拟模型，其特征在于，所述人工裂缝包括多条分支裂缝。

3.根据权利要求2所述的模拟模型，其特征在于，多条所述分支裂缝间隔地平行设置；

或者，多条所述分支裂缝连接形成网格状。

4.根据权利要求2所述的模拟模型，其特征在于，在所述含水相似岩层中布置有可被拆除的多块裂缝形成模板，所述人工裂缝由从所述含水相似岩层中拆除的所述裂缝形成模板所形成。

5.根据权利要求4所述的模拟模型，其特征在于，所述裂缝形成模板包括模板框架和设置在所述模板框架内的多条分支裂缝形成板。

6.根据权利要求5所述的模拟模型，其特征在于，多条所述分支裂缝形成板相互平行，并间隔地布置在所述模板框架内；

或者，多条所述分支裂缝形成板连接形成网格状。

7.根据权利要求1所述的模拟模型，其特征在于，在所述试验箱内从下向上依次浇筑有多层所述含水相似岩层，所述隔水相似岩层浇筑在最顶层的所述含水相似层上。

8.根据权利要求6所述的模拟模型，其特征在于，任意相邻的两层所述含水相似岩层中的所述人工裂缝对齐设置或交错设置。

9.根据权利要求1所述的模拟模型，其特征在于，所述砂砾的粒径在0.5mm-2.0mm之间。

10.一种制作用于模拟岩层中的裂缝的模拟模型的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在试验箱内预先确定人工裂缝的裂缝分布区域；

步骤2：在所述裂缝分布区域内间隔地支设多块裂缝形成模板；

步骤3：在试验箱内浇筑含水相似岩层；

步骤4：在所述含水相似岩层满足强度要求后，将所述裂缝形成模板拆除，在所述含水相似岩层上相应于所述裂缝形成模板的位置行成有人工裂缝；

步骤5：向所述人工裂缝内填充砂砾；

步骤6：在所述含水相似岩层上浇筑隔水相似岩层。

11.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，在所述试验箱内从下往上依照所述步骤1-所述步骤5依次浇筑有多层所述含水相似岩层；

将所述隔水相似岩层浇柱在最顶层的所述含水相似岩层上。

12.根据权利要求11所述的制作方法，其特征在于，将任意相邻的两层所述含水相似岩层中的所述人工裂缝对齐设置或交错设置。

13.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，在所述步骤3中浇筑所述含水相似岩层时，从所述试验箱的一侧向另一侧逐步均匀地推进。

14.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，在所述步骤5中向所述人工裂缝内填充所述砂砾时，先将所述砂砾清洗并风干。

15.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，所述砂砾的粒径在0.5mm-2.0mm之间。

16.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，所述人工裂缝包括多条分支裂缝。

17.根据权利要求16所述的制作方法，其特征在于，多条所述分支裂缝间隔地平行设置；或者，多条所述分支裂缝连接形成网格状。

18.根据权利要求16所述的制作方法，其特征在于，所述裂缝形成模板包括模板框架和设置在所述模板框架内的多条分支裂缝形成板。

19.根据权利要求17所述的制作方法，其特征在于，多条所述分支裂缝形成板相互平行，并间隔地布置在所述模板框架内；

或者，多条所述分支裂缝形成板连接形成网格状。