CN105388264B - 一种采动覆岩垮裂三维内部空间展布形态模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采动覆岩垮裂三维内部空间展布形态模拟方法，其巧妙地运用淀粉遇碘变蓝的显色反应，进行“示踪”，对煤层开采后，覆岩垮裂位置进行准确定位；并采用将具有灌注流动性好，凝结时间较短，凝固后有一定强度的环氧树脂及时灌注至煤层开采模拟试样的内部，待其凝结固化后，形成仿真度极高的煤层开采引起的覆岩垮裂形态。本发明这一技术思想的精巧构思，有效地解决了现有技术的实验“系统误差”；并且大幅减低了因实验方法所致的实验操作人员不可避免的等各种“偶然误差”。本发明相对于现有技术，具有真实准确、高仿真、操作简便、实验重复性和再现性好，结果真实、可靠等特点。

Description

一种采动覆岩垮裂三维内部空间展布形态模拟方法

技术领域

本发明涉及一种模拟探测方法，尤其涉及一种采动覆岩垮裂三维内部空间展布形态模拟方法。

背景技术

地质构造千差万别，其内部的本构关系极其复杂，现有技术无法通过理论推导或计算等手段，进行合理、有效的预测或预知，进而采取有效的预防措施防范于未然。即，尽可能减少或者消除煤矿开采过程中可能引起的覆岩弯曲沉降、裂隙扩展及断裂垮落，进而导致煤矿冒顶、冲击地压、煤与瓦斯突出、工作面透水和地表塌陷等事故和灾害的发生。

截至目前，现有技术中，对于煤矿开采过程中可能引起的各种地质变动或变化，最有效的技术手段仍然是通过模拟实验的方法：以针对具体的煤矿采掘进行尽可能的仿真模拟，尽可能多地“发现”和“掌握”其内在的、可能产生的各种变化因素和影响程度。

本领域的技术人员知悉，采场上覆岩层的空间展布形态是决定覆岩破坏程度、运动状态及应力状态的关键性因素，因此，采用行之有效的技术手段，以获得采场上覆岩层的空间展布形态，对于优化采煤工作面开拓开采布局，保障煤矿安全生产具有十分重要的意义。

现有技术中，对采动覆岩变形破坏特征的有效研究手段主要有现场实测和物理模拟两种。

由于采场上覆岩层隐蔽性的特点，现场研究采用的方法是钻孔漏失量法、钻孔电视法、预埋位移计和应力计法，但仅局限于岩梁断裂高度及范围的探索，岩梁断裂高度及范围不能明确反映采场上覆岩层的空间展布形态，即仅能证明裂隙或断裂的存在，但它的存在形式及状态并不明确，同时现场实测也存在周期长、成本高等缺点；

现有技术中的物理模拟实验可以对覆岩变形破坏进行直接观测，但也仅停留在对模型表面的观测，对于模型内部覆岩垮裂形态尚缺乏可有效探测的技术手段。

发明内容

本发明的目的是，提供一种采动覆岩垮裂三维内部空间展布形态模拟方法，其具有模拟仿真相似度高、操作简便、实验重复性和再现性好，对采动覆岩垮裂三维内部空间展布形态的变化规律和形态的结果记录形象直观，所记录的结果真实、可靠、无偏差和遗漏等特点。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种采动覆岩垮裂三维内部空间展布形态模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，依据煤系地层综合柱状图及各岩层的物理力学测试结果，获得各岩层岩性、厚度和物理力学参数；

第二步，根据几何相似比和应力相似比，确定模型的几何尺寸和各岩层的相似材料的配比；

所述相似材料为多种憎水性材料的混合物，其中掺加有一定比例的淀粉；

第三步，将上述相似材料按所需模拟的煤系地层情况，在模具内进行分层铺设，在每不同岩性的岩层与岩层之间，采用云母片进行隔离、分层；直至全部铺设完成，制成相似材料模型；

第四步，脱模，并对所获得的相似材料模型进行采煤工作面模拟开采；

第五步，采煤工作面模拟开采完成后，根据相似材料模型覆岩的直观垮落形态，确定相似材料模型顶部垂直钻孔的具体布局、钻孔数量以及钻孔、深度；

然后，从相似材料模型顶部垂直向下钻若干数量的孔；钻孔完成后，向所钻孔中灌注碘溶液，碘溶液注入量的上限以在孔中不产生未渗透的积液为前提；

第六步，向所钻孔中灌注流动性好的、低粘度的环氧树脂；

待环氧树脂凝固后，环氧树脂在模型内部将形成空间三维展布形态的树状模型；

第七步，对相似材料模型进行水平分层剖面，对由碘溶液渗透并与淀粉反应呈现蓝色的轨迹和上述环氧树脂所形成的空间三维展布形态的树状模型，进行拍照和测绘，以记录覆岩层的裂隙分布状况、断裂和离层的位置信息，以及断裂和离层的具体尺寸数据；

第八步，将上述所得各信息、数据进行汇总，即得采动覆岩垮裂三维内部空间结构展布形态。

上述技术方案直接带来的技术效果是，巧妙地运用淀粉遇碘变蓝的显色反应，进行“示踪”，对煤层开采后，覆岩垮裂位置进行准确定位；并采用将具有灌注流动性好，凝结时间较短，凝固后有一定强度的环氧树脂及时灌注至煤层开采模拟试样的内部，待其凝结固化后，形成仿真度极高的煤层开采引起的覆岩垮裂形态。

本发明这一技术思想的精巧构思，有效地解决了现有技术只能从外部进行观察，并且由于是事后观测、记录的时间方面的延后、记录结果失真、痕迹证据无法同步、准确地“被记录被固化”所致的实验“系统误差”；

以及由于实验操作人员不可避免地，对于肉眼很难，甚至是无法全面、准确地观测到的各种细微痕迹及其变化轨迹，所造成的等各种实验“偶然误差”。

即，相对于现有技术，上述系列技术手段的采用，大幅度的提高了实验结果的真实性和准确性。

与此同时，上述技术方案，其操作简便、模拟仿真相似度高、实验重复性和再现性好，对采动覆岩垮裂三维内部空间展布形态的变化规律和形态的结果记录形象直观。

优选为，上述憎水性材料为砂子、石蜡、凡士林和液压油；

上述砂子、石蜡、液压油、凡士林和淀粉的质量比为40︰1︰1︰0.47-1.2︰1.5-1.8。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，我们的经验表明：砂子、石蜡、液压油和凡士林的质量比为40︰1︰1︰0.47-1.2，可以充分满足各种类型的表土、粉砂岩、砂质泥岩、中砂岩、炭质泥岩、煤层等的仿真模拟，且由于石蜡凝固的胶凝、定型效果好，试样成型操作简便等特点。

需要指明的是，上述技术方案中，淀粉的具体质量配比量，可以依据不同的实验操作习惯、不同的实验人员对最终显色情况的具体要求或效果，进行适度的增加或者减少。

进一步优选，上述凡士林为工业凡士林。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，原料来源广、成本低。

进一步优选，上述碘溶液的溶质为单质碘，溶剂为乙醇、三氯甲烷、四氯化碳或乙醚溶液。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，这主要考虑的是试剂取材简便，以及碘单质在上述各溶剂中的溶解度大等常规因素。

进一步优选，上述相似材料的配制方法和铺设方法如下：

在搅拌或翻炒状态下，将砂子加热至70-85℃；

将石蜡、凡士林和液压油置于容器内，采用水浴加热方式加热至65-70℃，并搅拌均匀，制成液态混合物；

然后，将上述液态混合物倾倒入70-85℃的砂子中，快速拌和均匀，完成相似材料的配制；

然后，将所配置成的相似材料在温度处于石蜡的凝固点之上的状态下，进行快速铺设即可。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，上述方法步骤中所涉及到的温度、速度快慢等参数，主要考虑到的是，石蜡的熔点，以及避免温度过高所致凡士林和液压油挥发、冒烟，以及避免淀粉原料的变性等方面的因素，所进行合理的选择。

显而易见，本领域的技术人员基于公知常识，在本发明的核心技术思想的指导下，对于上述各工艺参数的选择，还可以进行适当的改进或者调整。

综上所述，本发明相对于现有技术，具有实验结果真实准确、误差小，实验结果形象直观、模拟仿真相似度高、操作简便、实验可重复并且再现性好等有益效果。

附图说明

图1为本发明的凡士林含量对相似材料强度的影响曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

以某矿浅埋煤层赋存条件为例，进行采动覆岩垮裂三维内部空间展布形态模拟探测，具体方法步骤如下：

第一步，依据煤系地层综合柱状图及各岩层的物理力学测试结果，获得各岩层岩性、厚度和物理力学参数；

第二步，根据几何相似比1:200和应力相似比1:300，确定模型的几何尺寸长×宽×高＝1200mm×610mm×400mm；

各岩层的相似材料的配比如下表1；其中，淀粉的掺加比例按质量份数为1.5-1.8份；

第三步，将上述相似材料按所需模拟的煤系地层情况，在模具内对煤系地层进行分层模拟铺设，将每一层计量好的相似材料中的砂子倒入炒锅中加热至约80℃，石蜡、凡士林和液压油混合物倒入多功能导热锅中水浴至完全融化成液体，在将两者快速搅拌均匀后，倒入模具内进行铺设；

第四步，脱模，并对所获得的相似材料模型进行采煤工作面模拟开采；

第五步，采煤工作面模拟开采完成后，根据相似材料模型覆岩的直观垮落形态，确定相似材料模型顶部垂直钻孔的具体布局、钻孔数量以及钻孔深度；

然后，从相似材料模型顶部垂直向下钻若干数量的孔；钻孔完成后，向所钻孔中灌注碘溶液，碘溶液注入量的上限以在孔中不产生未渗透的积液为前提；

第六步，向所钻孔中灌注流动性好的、低粘度的环氧树脂；

待环氧树脂凝固后，环氧树脂在模型内部将形成空间三维展布形态的树状模型；

第七步，对相似材料模型进行水平分层剖面，对由碘溶液渗透并与淀粉反应呈现蓝色的轨迹和上述环氧树脂所形成的空间三维展布形态的树状模型，进行拍照和测绘，以记录覆岩层的裂隙分布状况、断裂和离层的位置信息，以及断裂和离层的具体尺寸数据；

第八步，将上述所得各信息、数据进行汇总，即得采动覆岩垮裂三维内部空间结构展布形态。

将上述实施例所获得的结果，与实际进行煤矿开采真实结果进行事后详细对比、分析，证明二者之间具有较高的相符程度。

为更全面地理解本发明，现就相似材料的配方和配比进行补充说明如下：

1、本发明中，相似材料的强度调整主要通过调整石蜡或凡士林的含量，液压油主要起调和剂作用。由于相似材料模型中所用的材料强度一般较低，大多小于0.15MPa，因此将相似材料中的沙子、石蜡和液压油质量比固定为40:1:1，仅对凡士林含量进行调整，调整范围为0.47～1.2；

如图1所示，凡士林含量变化与相似材料强度近似呈线性关系y＝0.1271x-0.0167，R²＝0.9919，拟合度非常好；

不同配比的相似材料抗压强度位于0.058MPa-0.138MPa之间，分布范围较大，基本可以满足各类模拟试验的需求。

对于特殊地质情形，如若所模拟的岩石强度超过这个范围，还可以根据上述拟合公式进行计算并适当调整。

表1不同岩性岩层参数及相似材料配比表

Claims (5)

1.一种采动覆岩垮裂三维内部空间展布形态模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，依据煤系地层综合柱状图及各岩层的物理力学测试结果，获得各岩层岩性、厚度和物理力学参数；

第二步，根据几何相似比和应力相似比，确定模型的几何尺寸和各岩层的相似材料的配比；

所述相似材料为多种憎水性材料的混合物，其中掺加有一定比例的淀粉；

第三步，将上述相似材料按所需模拟的煤系地层情况，在模具内进行分层铺设，在每不同岩性的岩层与岩层之间，采用云母片进行隔离、分层；直至全部铺设完成，制成相似材料模型；

第四步，脱模，并对所获得的相似材料模型进行采煤工作面模拟开采；

第五步，采煤工作面模拟开采完成后，根据相似材料模型覆岩的直观垮落形态，确定相似材料模型顶部垂直钻孔的具体布局、钻孔数量以及钻孔深度；

然后，从相似材料模型顶部垂直向下钻若干数量的孔；钻孔完成后，向所钻孔中灌注碘溶液，碘溶液注入量的上限以在孔中不产生未渗透的积液为前提；

第六步，向所钻孔中灌注流动性好的、低粘度的环氧树脂；

待环氧树脂凝固后，环氧树脂在模型内部将形成空间三维展布形态的树状模型；

第七步，对相似材料模型进行水平分层剖面，对由碘溶液渗透并与淀粉反应呈现蓝色的轨迹和上述环氧树脂所形成的空间三维展布形态的树状模型，进行拍照和测绘，以记录覆岩层的裂隙分布状况、断裂和离层的位置信息，以及断裂和离层的具体尺寸数据；

第八步，将上述所得各信息、数据进行汇总，即得采动覆岩垮裂三维内部空间结构展布形态。

2.根据权利要求1所述的采动覆岩垮裂三维内部空间展布形态模拟方法，其特征在于，所述憎水性材料为砂子、石蜡、凡士林和液压油；

上述砂子、石蜡、液压油、凡士林和淀粉的质量比为40:1:1:0.47-1.2:1.5-1.8。

3.根据权利要求2所述的采动覆岩垮裂三维内部空间展布形态模拟方法，其特征在于，所述凡士林为工业凡士林。

4.根据权利要求1所述的采动覆岩垮裂三维内部空间展布形态模拟方法，其特征在于，所述碘溶液的溶质为单质碘，溶剂为乙醇、三氯甲烷、四氯化碳或乙醚溶液。

5.根据权利要求1-4任一所述的采动覆岩垮裂三维内部空间展布形态模拟方法，其特征在于，所述相似材料的配制方法和铺设方法如下：

在搅拌或翻炒状态下，将砂子加热至70-85℃；

将石蜡、凡士林和液压油置于容器内，采用水浴加热方式加热至65-70℃，并搅拌均匀，制成液态混合物；

然后，将上述液态混合物倾倒入70-85℃的砂子中，快速拌和均匀，完成相似材料的配制；

然后，将所配置成的相似材料在温度处于石蜡的凝固点之上的状态下，进行快速铺设即可。