CN105784945B - 用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料及制备方法 - Google Patents
用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105784945B CN105784945B CN201610298036.1A CN201610298036A CN105784945B CN 105784945 B CN105784945 B CN 105784945B CN 201610298036 A CN201610298036 A CN 201610298036A CN 105784945 B CN105784945 B CN 105784945B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- tomography
- water
- gypsum
- parts
- vaseline
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
- G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
Abstract
本发明涉及一种用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料，由煤层、断层及围岩3部分组成；煤层由煤粉、滑石粉、石膏、凡士林、硅油及拌合水构成，断层由粗砂、滑石粉、石膏、高岭土、凡士林、硅油、黄豆及拌合水构成，围岩由细砂、滑石粉、石膏、高岭土、水泥、凡士林、硅油及拌合水构成；其中，石膏、水泥、凡士林作为胶结剂，配上黄豆吸水膨胀及高岭土遇水颗粒化的特性，在保证断层围岩相似材料具有一定塑性、强度、遇水不软化崩解的同时，实现断层相似材料遇水产生错动裂隙、强度降低以及渗透性逐渐提高并发生渗透冲刷、缓慢崩解形成突水通道的目的，反演同一相似试验中断层与围岩流固耦合特性的差异，使试验结果与实际更加相符。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤系承压断层活化突水相似试验技术领域，更具体涉及一种用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料及制备方法。
背景技术
我国煤炭资源丰富，但赋存地质条件复杂，使得煤矿开采中地质灾害时有发生。随着煤矿开采深度和开采强度的进一步增大，回采工作面受底板奥灰岩溶水的威胁日益严重，特别是含断层构造的回采工作面，其底板突水预测及防治问题更为突出。
断层活化突水是煤矿突水的一种重要形式，其具有较强的隐敝性和难确定性，易造成重大灾难，严重威胁着煤矿的安全生产。据统计，全国80％的煤矿突水事故是由断层活化引起的，而绝大多数是原始地质条件下的非导水断层在采动影响下活化而诱发的突水。由于采动断层活化突水机理的复杂性及研究手段的局限性，使得许多矿井为了防止断层活化突水不得不放弃大量煤炭资源的开采而留作防水煤柱，更多的则因底板突水的威胁而暂时无法开采。
相似试验是研究采场断层活化突水的一种有效手段，其能直观反演工作面推进过程中断层围岩裂隙产生、扩展、贯通形成突水通道的过程，为预测及防治采场断层活化突水提供一定的理论依据及实践指导。
选择正确的相似模拟材料是相似试验成功的前提和保证，山东大学、山东科技大学等科研单位先后开展了流固耦合相似模拟材料的配制研究。专利(200910017549.0)用砂和滑石粉作为骨料，石蜡作为胶结剂，配以适量调节剂，配制了一种用于流固耦合模型试验的相似材料，用于模拟不同力学性能和不同渗透性的岩石，解决了传统相似材料遇水崩解和模拟相似度差的难题；同样，专利(201310598017.7)也公开了一种由标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥、硅油、氯化石蜡、水制备的模型试验用可调流固耦合相似材料，石蜡类相似材料虽然解决了固体模型材料遇水崩解的问题，但其配制流程复杂，对温度条件要求较高，且配制工艺对材料的性能影响较大，制备周期长，不适于大型模型试验要求相似材料短周期大规模的制备和填筑。
进一步的，专利(201110427064.6)利用标准砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油，适量拌合水，配制了一种用于模型试验的流固耦合相似材料，该材料采用水硬性的水泥和非亲水性的凡士林作为胶结剂，解决了相似材料遇水软化崩解的问题，使材料的强度和弹性模量可以在较大范围内调节，满足了流固耦合相似试验模拟材料的需要；同样，专利(201310321229.0)公开了一种由砂、水泥、高岭土、凡士林、水配制的用于中小型流固耦合模型试验的相似材料，其适用于模拟不同力学性能和渗透性的岩石模型试验。
虽然上述模拟材料的配制考虑了相似试验的流固耦合效应，但相似试验中往往只采用某种单一、均匀的模拟材料，难以反映含断层等复杂地质构造条件下采场围岩与断层岩性、渗透性、应力和位移的差异，缺乏断层等复杂地质构造相似模拟材料的研发。为此，专利(201310104498.1)公开了一种由石膏作为胶结剂，滑石粉、石英砂、凡士林作为调节剂，能用于模拟不同渗透性条件下断层流固耦合特性的相似模拟材料，实现同一实验中断层与围岩流固耦合特性的实时对比。
但上述配制的相似模拟材料不能用于煤系承压断层采动活化突水的流固耦合相似试验，究其原因主要在于断层相似材料需在水力作用下发生遇水膨胀以及渗透性逐渐提高并发生缓慢的崩解，很难同时满足力学参数及水理性参数的相似。因此，过去的研究中往往很少涉及煤系承压断层活化突水的相似模拟，无法反映断层在承压水作用下的灾变发展过程。
为此，专利(201510252670.7)公开了一种由滑石粉、砂、石膏、膨润土、液态石蜡，并适量拌合水组成的相似模拟材料，用于模拟隧道开挖过程中断层突泥的相似试验，解决了相似材料在水作用下发生缓慢弱化崩解的问题，但其无法形象、直观的再现采动煤系承压断层裂隙产生、扩展、贯通，并最终活化形成导水通道的动态过程。
进一步的，专利(201510432280.8)公开了一种用于模拟煤矿开采构造突水的相似材料及其制备使用方法，该相似材料以黄豆、河沙、碳酸钙、石膏为原料，可以间接实现水压对围岩的影响作用，能模拟构造活化的主动性，进而模拟在耦合作用下构造破坏活化以及展示通水通道的形成与演化，但无法反演承压水对相似材料渗透、冲刷产生裂隙的作用及其形成突水通道的过程，更无法反映构造相似材料在水作用下发生的缓慢弱化崩解。
由此可见，现有断层相似模拟材料有待于更进一步改进、完善，以更好的应用于承压水上采动断层活化及突水通道形成过程的可视化相似模拟研究。
因此，为解放大量的煤炭资源，保证承压水上含断层煤层的安全带压开采，同时鉴于相似试验直观性强、灵活性好、效率高、重复性好等优点，有必要研发用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料，开展采场断层活化突水演化规律的相似试验研究，实现承压水上含断层煤层的安全高效开采。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料及制备方法。该流固耦合模拟材料采用石膏、高岭土、水泥作为胶结剂，同时配上凡士林用作塑性胶结剂以及黄豆吸水膨胀的特性，在保证断层围岩相似材料具有一定塑性、强度、遇水不软化崩解的同时，又可实现承压断层相似材料在水力作用下产生遇水膨胀、强度降低以及渗透性逐渐提高并发生渗透冲刷、缓慢崩解形成突水通道的特性，在同一相似试验中能实现断层与断层围岩流固耦合特性的差异。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料，其由开采煤层、承压断层和断层围岩3部分模拟材料组成；
其中，开采煤层相似模拟材料主要包括煤粉、滑石粉、石膏、凡士林、硅油、拌合水，按重量份的组分组成为：煤粉1.0份、滑石粉0.05-0.15份、石膏0.5-1.0份、凡士林0.01-0.5份、硅油0.0-0.15份、拌合水0.1-1.0份；
承压断层相似模拟材料主要包括粗砂、滑石粉、石膏、高岭土、凡士林、硅油、黄豆、拌合水，按重量份的组分组成为：粗砂1.0份、滑石粉0.15-0.5份、石膏0.2-0.8份、高岭土0.05-0.5份、凡士林0.01-0.5份、硅油0.0-0.15份、黄豆0.01-0.05份、拌合水0.1-0.7份；
断层围岩相似模拟材料主要包括细砂、滑石粉、石膏、高岭土、水泥、凡士林、硅油、拌合水，按重量份的组分组成为：细砂1.0份、滑石粉0.05-0.15份、石膏0.2-0.4份、高岭土0.0-0.5份、水泥0.05-0.15份、凡士林0.05-0.15份、硅油0.0-0.15份、拌合水0.05-0.1份；
优选的，开采煤层相似模拟材料按重量份的组分组成为：煤粉1.0份、滑石粉0.08份、石膏0.8份、凡士林0.12份、硅油0.05份、拌合水0.7份；其中，所述煤粉、滑石粉作为骨料，石膏作为胶结剂，凡士林、硅油、拌合水作为调节剂；
优选的，承压断层相似模拟材料按重量份的组分组成为：粗砂1.0份、滑石粉0.22份、石膏0.28份、高岭土0.3份、凡士林0.21份、硅油0.12份、黄豆0.03份、拌合水0.13份；其中，所述粗砂、滑石粉作为骨料，石膏、高岭土作为胶结剂，凡士林、硅油、黄豆、拌合水作为调节剂；
优选的，断层围岩相似模拟材料按重量份的组分组成为：细砂1.0份、滑石粉0.08份、石膏0.25份、高岭土0.1份、水泥0.06份、凡士林0.075份、硅油0.05份、水0.1份；其中，所述细砂、滑石粉作为骨料，石膏、高岭土、水泥作为胶结剂，凡士林、硅油、拌合水作为调节剂；
优选的，所述细砂的粒径小于2mm，且级配均匀；
优选的，所述粗砂的粒径小于7mm、大于5mm，且级配均匀；
优选的，所述滑石粉的细度为1250目；
优选的，所述石膏的细度为650目；
优选的，所述高岭土的细度为400目，且二氧化硅含量为45％；
优选的，所述煤粉的粒径小于0.1mm，且级配均匀；
优选的，所述水泥为优质白色硅酸盐水泥，强度为32.5MPa；
优选的，所述凡士林为无毒医用级白色凡士林，融点为45-60℃；
优选的，所述硅油为粘度1500cs的二甲基硅油；
优选的，所述拌合水为普通的自来水，起到拌合作用；
优选的，所述黄豆为破碎的干黄豆，块度直径小于2.0mm，且级配均匀。
上述用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料的制备方法，包括以下主要步骤：
步骤一、确定配比：依据待模拟的含断层煤层工作面的水文地质条件及煤层、顶底板岩层、断层的物理力学参数、产状，确定开采煤层、承压断层及断层围岩相似模拟材料的配比；其中，断层围岩为层状岩体，其各分层的厚度与强度依据待模拟工作面的综合地质柱状图确定，不同性质的软岩层与硬岩层的相似模拟材料的配比需要分层单独确定；
步骤二、称取材料：按比例称取开采煤层(煤粉、滑石粉、石膏、凡士林、硅油、拌合水)、承压断层(粗砂、滑石粉、石膏、高岭土、凡士林、硅油、黄豆、拌合水)及断层围岩(细砂、滑石粉、石膏、高岭土、水泥、凡士林、硅油、拌合水)3部分所需各组分材料的用量；其中，断层围岩各分层所需相似模拟材料的各组分用量需要分开单独确定；
步骤三、混合搅拌：将开采煤层(煤粉、滑石粉、石膏)、承压断层(粗砂、滑石粉、石膏、高岭土、黄豆)及断层围岩(细砂、滑石粉、石膏、高岭土、水泥)3部分模拟材料单独混合搅拌，并分别加入各部分模拟材料所需的拌合水，充分搅拌均匀；
步骤四、加调节剂：将3部分模拟材料所需凡士林加热至45-60℃使其熔为液态，分别与步骤三所得各部分模拟材料混合搅拌；再向3部分混合模拟材料中分别加入各部分模拟材料所需的调节剂硅油，并充分搅拌均匀；
步骤五、冷却成型：将各部分混合模拟材料在室温下冷却5-8min，即可得开采煤层、承压断层和断层围岩3部分流固耦合模拟材料；将3部分流固耦合模拟材料按照待模拟的含断层煤层工作面的水文地质条件和综合地质柱状图逐层铺设在相似试验架内，并进行夯实固定，且层与层之间铺撒定量的云母粉；待干燥后即可用于煤系承压断层采动活化突水的流固耦合相似试验。
本发明所述的一种用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料，采用石膏、高岭土、水泥作为胶结剂，同时配上凡士林用作塑性胶结剂以及黄豆吸水膨胀的特性，在保证断层围岩相似材料具有一定塑性、强度、遇水不软化崩解的同时，又可实现承压断层相似材料在水力作用下产生遇水膨胀、强度降低以及渗透性逐渐提高并发生渗透冲刷、缓慢崩解形成突水通道的目的，能更好的实现煤系承压断层采动活化突水流固耦合特性的相似模拟；采用水硬性的水泥和非亲水性的凡士林作为胶结剂，解决了断层围岩相似材料遇水软化崩解的问题，同时，通过掺入高岭土，使断层围岩相似材料的强度和弹性模量可以在较大范围内调节；利用破碎的干黄豆吸水膨胀形成错动裂隙以及高岭土遇水后形成具有一定延性的软泥与离散颗粒的特性，实现承压断层错动裂隙内充满软化与离散的高岭土颗粒，能较好模拟反演承压水对导水裂隙的渗透、冲刷以及形成导水、突水通道的过程；采用硅油作为调节剂，可以在基本不影响材料力学指标的情况下，调节材料的渗透性等水理性指标，保证材料的物理力学性质和水理性都能满足试验要求；采用砂子和滑石粉作为骨料，可以在较大范围内调节材料的重度，同时，通过调节砂子和滑石粉的比重，可以调节材料的内摩擦角和内聚力。开采煤层、承压断层和断层围岩相似模拟材料的主要参数范围分别如表1、表2和表3所示。
表1
| 材料参数 | 抗压强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 弹性模量/MPa | 渗透系数cm/s |
| 变化范围 | 0.05～0.18 | 0.005～0.023 | 5～21 | 6.37×10-7～5.42×10-4 |
表2
| 材料参数 | 抗压强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 弹性模量/MPa | 渗透系数cm/s |
| 变化范围 | 0.04～0.22 | 0.004～0.025 | 3～18 | 7.32×10-6～8.65×10-3 |
表3
| 材料参数 | 抗压强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 弹性模量/MPa | 渗透系数cm/s |
| 变化范围 | 0.23～0.68 | 0.03～0.07 | 23～65 | 2.5×10-8～7.2×10-5 |
本发明所述的一种用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料，可用于煤系承压断层采动活化突水流固耦合特性的相似模拟试验，填补了流固耦合相似试验中对于煤系承压断层采动活化突水相似模拟材料的空白，既解决了断层围岩相似材料具有一定塑性、强度、遇水基本不会软化崩解的问题，同时又实现了承压断层相似材料在水力作用下产生遇水膨胀、强度降低以及渗透性逐渐提高并发生渗透冲刷、缓慢崩解形成突水通道的目的。本发明的相似材料可以模拟范围较大，覆盖不同崩解时间的低、中强度断层相似材料，实现了在同一相似试验中断层与断层围岩两种相似材料流固耦合特性的差异，直观再现煤系承压断层采动裂隙产生、扩展、贯通，并最终活化形成导水通道的动态过程，得出的相似试验结果与实际工程更加相符。
本发明选用煤粉、滑石粉、石膏、凡士林、硅油、拌合水作为开采煤层相似材料的组成成份，粗砂、滑石粉、石膏、高岭土、凡士林、硅油、黄豆、拌合水作为承压断层相似材料的组成成份，细砂、滑石粉、石膏、高岭土、水泥、凡士林、硅油、拌合水作为断层围岩相似材料的组成成份，其中，石膏、高岭土、水泥作为主要胶结剂，同时配上凡士林用作塑性胶结剂以及黄豆吸水膨胀的特性，能保证断层围岩相似材料具有一定的塑性、强度、遇水不软化崩解的同时，又可实现承压断层相似材料在水力作用下产生遇水膨胀、强度降低以及渗透性逐渐提高并发生渗透冲刷、缓慢崩解形成突水通道的目的；调节石膏、高岭土和水泥的含量可以使相似材料的强度、渗透系数及弱化崩解时间在较大的范围内变化，扩大该流固耦合材料的应用范围；凡士林、硅油作为塑性胶结剂和阻水剂，在实现材料非亲水性的同时，保证材料的物理力学性质和水理特性都满足实验要求；凡士林、硅油主要是调节相似材料的渗透性以及强度和弹性模量，随着含量的增加，其对强度和弹性模量的调节作用与石膏相反，保证材料力学性质可以有效调控；通过调节凡士林、硅油和石膏与水泥的比例，可以改变材料的力学特性和水理特性。另外，调节砂子和滑石粉的比重，可以调节材料的内摩擦角和内聚力。
本发明提出的用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料，具有以下优点：
1、流固耦合模拟材料由开采煤层、承压断层和断层围岩3部分组成，能依据实际煤系地层层状分布的特点铺设试验模型，可以实现在同一相似试验中断层与断层围岩两种相似材料流固耦合特性的差异，使相似试验模拟结果与工程实际更加相符；
2、在保证断层围岩相似材料具有一定塑性、强度、遇水基本不会软化崩解的同时，又能实现承压断层相似材料在水力作用下产生遇水膨胀、强度降低以及渗透性逐渐提高并发生渗透冲刷、缓慢崩解形成突水通道的目的，能更好模拟煤系承压断层采动活化突水的流固耦合特性；
3、采用水硬性的水泥和非亲水性的凡士林作为胶结剂，解决了断层围岩相似材料遇水软化崩解的问题，同时，通过掺入高岭土，使断层围岩相似材料的强度和弹性模量可以在较大范围内调节；利用破碎的干黄豆吸水膨胀形成错动裂隙以及高岭土遇水后形成具有一定延性的软泥与离散颗粒的特性，实现承压断层错动裂隙内充满软化与离散的高岭土颗粒，能较好模拟反演承压水对导水裂隙的渗透、冲刷以及形成导水、突水通道的过程；
4、通过调节相似材料的配比，在不影响材料的整体性质的前提下，能在较大范围内调节承压断层和断层围岩相似材料的重度、强度、渗透性和崩解性等力学性质指标和水理性指标，为模拟不同强度、不同渗透系数的煤系承压断层采动活化突水提供可能。
附图说明
图1为开采煤层相似模拟材料单轴压缩下的应力应变曲线图
图2为承压断层相似模拟材料单轴压缩下的应力应变曲线图
图3为断层围岩相似模拟材料单轴压缩下的应力应变曲线图
图4为煤系承压断层活化突水相似试验流固耦合模型示意图
图中，1、开采煤层，2、承压断层，3、断层围岩。
具体实施方式
下面结合具体实施例及相应附图对本发明提出的用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料作进一步详细描述：
本发明所用的细砂粒径小于2mm，且级配均匀；粗砂粒径小于7mm、大于5mm，且级配均匀；滑石粉细度为1250目；石膏细度为650目；高岭土细度为400目，且二氧化硅含量为45％；煤粉粒径小于0.1mm，且级配均匀；水泥为优质白色硅酸盐水泥，强度为32.5MPa；凡士林为无毒医用级白色凡士林，融点为45-60℃；硅油为粘度1500cs的二甲基硅油；拌合水为普通的自来水；黄豆为破碎的干黄豆，块度直径小于2.0mm，且级配均匀。
实施例1：制备用于煤系承压断层活化突水相似试验中开采煤层流固耦合模拟材料，其按重量份的组分组成为：煤粉1.0份、滑石粉0.08份、石膏0.8份、凡士林0.12份、硅油0.05份、拌合水0.7份；其中，所述煤粉、滑石粉作为骨料，石膏作为胶结剂，凡士林、硅油、拌合水作为调节剂；其制备方法包括以下主要步骤：
(1)依据待模拟的含断层煤层工作面的水文地质条件及煤层的物理力学参数、产状，确定开采煤层相似模拟材料的配比；
(2)按比例称取开采煤层所需的煤粉、滑石粉、石膏、凡士林、硅油及拌合水各组分材料的用量；
(3)将煤粉、滑石粉、石膏各组分模拟材料混合搅拌，加入拌合水，并充分搅拌均匀；
(4)将凡士林加热至45-60℃使其熔为液态，与步骤(3)所得材料混合搅拌，再向混合材料中加入调节剂硅油，并充分搅拌均匀；
(5)将混合材料在室温下冷却5-8min，即得用于煤系承压断层活化突水相似试验中的开采煤层流固耦合模拟材料。
所得开采煤层相似材料在单轴压缩条件下的应力应变曲线如图1所示，反映了开采煤层相似材料试件在荷载加载过程中应变的变化规律，其符合相似条件对相似材料的要求。
实施例2：制备用于煤系承压断层活化突水相似试验中的承压断层流固耦合模拟材料，其按重量份的组分组成为：粗砂1.0份、滑石粉0.22份、石膏0.28份、高岭土0.3份、凡士林0.21份、硅油0.12份、黄豆0.03份、拌合水0.13份；其中，所述粗砂、滑石粉作为骨料，石膏、高岭土作为胶结剂，凡士林、硅油、黄豆、拌合水作为调节剂；其制备方法包括以下主要步骤：
(1)依据待模拟的含断层煤层工作面的水文地质条件及断层的物理力学参数、产状，确定承压断层相似模拟材料的配比；
(2)按比例称取承压断层所需的粗砂、滑石粉、石膏、高岭土、凡士林、硅油、黄豆及拌合水各组分材料的用量；
(3)将粗砂、滑石粉、石膏、高岭土、黄豆各组分模拟材料混合搅拌，加入拌合水，并充分搅拌均匀；
(4)将凡士林加热至45-60℃使其熔为液态，与步骤(3)所得材料混合搅拌，再向混合材料中加入调节剂硅油，并充分搅拌均匀；
(5)将混合材料在室温下冷却5-8min，即得用于煤系承压断层活化突水相似试验中的承压断层流固耦合模拟材料。
所得承压断层相似材料在单轴压缩条件下的应力应变曲线如图2所示，反映了承压断层相似材料试件在荷载加载过程中应变的变化规律，其符合相似条件对相似材料的要求。
实施例3：制备用于煤系承压断层活化突水相似试验中的断层围岩流固耦合模拟材料，其按重量份的组分组成为：细砂1.0份、滑石粉0.08份、石膏0.25份、高岭土0.1份、水泥0.06份、凡士林0.075份、硅油0.05份、水0.1份；其中，所述细砂、滑石粉作为骨料，石膏、高岭土、水泥作为胶结剂，凡士林、硅油、拌合水作为调节剂；其制备方法包括以下主要步骤：
(1)依据待模拟的含断层煤层工作面的水文地质条件及煤层顶底板岩层的物理力学参数、产状，确定断层围岩相似模拟材料的配比；由于断层围岩为层状岩体，其各分层的厚度与强度依据待模拟工作面的综合地质柱状图确定，不同性质的软岩层与硬岩层的相似模拟材料的配比需要分层单独确定；
(2)按比例称取断层围岩所需细砂、滑石粉、石膏、高岭土、水泥、凡士林、硅油及拌合水各组分材料的用量；由于断层围岩为层状岩体，其各分层所需相似模拟材料的各组分用量需要分开单独确定；
(3)将细砂、滑石粉、石膏、高岭土、水泥各组分模拟材料混合搅拌，加入拌合水，并充分搅拌均匀；
(4)将凡士林加热至45-60℃使其熔为液态，与步骤(3)所得材料混合搅拌，再向混合材料中加入调节剂硅油，并充分搅拌均匀；
(5)将混合材料在室温下冷却5-8min，即得用于煤系承压断层活化突水相似试验中的断层围岩流固耦合模拟材料。
所得断层围岩相似材料在单轴压缩条件下的应力应变曲线如图3所示，反映了断层围岩相似材料试件在荷载加载过程中应变的变化规律，其符合相似条件对相似材料的要求。
实施例4：将开采煤层、承压断层和断层围岩3部分流固耦合模拟材料按照待模拟的含断层煤层工作面的水文地质条件和综合地质柱状图逐层铺设在相似试验架内，且层与层之间铺撒定量的云母粉，并进行夯实固定，即得用于煤系承压断层采动活化突水相似试验的流固耦合模型，如图4所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料，其特征在于：由开采煤层、承压断层和断层围岩3部分模拟材料组成，3部分流固耦合模拟材料按照待模拟的含断层煤层工作面的水文地质条件和综合地质柱状图逐层铺设在相似试验架内，用于煤系承压断层采动活化突水的流固耦合相似试验；
其中，承压断层的模拟材料遇水膨胀、缓慢崩解，断层围岩的模拟材料遇水不软化崩解；
开采煤层相似模拟材料主要包括煤粉、滑石粉、石膏、凡士林、硅油、拌合水，其按重量份的组分组成为：煤粉1.0份、滑石粉0.05-0.15份、石膏0.5-1.0份、凡士林0.01-0.5份、硅油0.0-0.15份、拌合水0.1-1.0份；
承压断层相似模拟材料主要包括粗砂、滑石粉、石膏、高岭土、凡士林、硅油、黄豆、拌合水，其按重量份的组分组成为：粗砂1.0份、滑石粉0.15-0.5份、石膏0.2-0.8份、高岭土0.05-0.5份、凡士林0.01-0.5份、硅油0.0-0.15份、黄豆0.01-0.05份、拌合水0.1-0.7份；
断层围岩相似模拟材料主要包括细砂、滑石粉、石膏、高岭土、水泥、凡士林、硅油、拌合水，其按重量份的组分组成为：细砂1.0份、滑石粉0.05-0.15份、石膏0.2-0.4份、高岭土0.0-0.5份、水泥0.05-0.15份、凡士林0.05-0.15份、硅油0.0-0.15份、拌合水0.05-0.1份；
所述黄豆为破碎的干黄豆。
2.根据权利要求1所述的一种用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料，其特征在于：所述开采煤层相似模拟材料按重量份的组分组成为：煤粉1.0份、滑石粉0.08份、石膏0.8份、凡士林0.12份、硅油0.05份、拌合水0.7份；其中，所述煤粉、滑石粉作为骨料，石膏作为胶结剂，凡士林、硅油、拌合水作为调节剂。
3.根据权利要求1所述的一种用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料，其特征在于：所述承压断层相似模拟材料按重量份的组分组成为：粗砂1.0份、滑石粉0.22份、石膏0.28份、高岭土0.3份、凡士林0.21份、硅油0.12份、黄豆0.03份、拌合水0.13份；其中，所述粗砂、滑石粉作为骨料，石膏、高岭土作为胶结剂，凡士林、硅油、黄豆、拌合水作为调节剂。
4.根据权利要求1所述的一种用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料，其特征在于：所述断层围岩相似模拟材料按重量份的组分组成为：细砂1.0份、滑石粉0.08份、石膏0.25份、高岭土0.1份、水泥0.06份、凡士林0.075份、硅油0.05份、水0.1份；其中，所述细砂、滑石粉作为骨料，石膏、高岭土、水泥作为胶结剂，凡士林、硅油、拌合水作为调节剂。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的一种用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料的制备方法，其特征在于，包括以下主要步骤：
(1)确定配比：依据待模拟的含断层煤层工作面的水文地质条件及煤层、顶底板岩层、断层的物理力学参数、产状，确定开采煤层、承压断层及断层围岩相似模拟材料的配比；其中，断层围岩为层状岩体，其各分层的厚度与强度依据待模拟工作面的综合地质柱状图确定，不同性质的软岩层与硬岩层的相似模拟材料的配比需要分层单独确定；
(2)称取材料：按比例称取开采煤层、承压断层及断层围岩3部分所需各组分材料的用量；其中，断层围岩各分层所需相似模拟材料的各组分用量需要分开单独确定；
(3)混合搅拌：将开采煤层中的煤粉、滑石粉、石膏，承压断层中的粗砂、滑石粉、石膏、高岭土、黄豆及断层围岩中的细砂、滑石粉、石膏、高岭土、水泥3部分模拟材料单独混合搅拌，并分别加入各部分模拟材料所需的拌合水，充分搅拌均匀；
(4)加调节剂：将3部分模拟材料所需凡士林加热至45-60℃使其熔为液态，分别与步骤(3)所得各部分模拟材料混合搅拌；再向3部分混合模拟材料中分别加入各部分模拟材料所需的调节剂硅油，并充分搅拌均匀；
(5)冷却成型：将各部分混合模拟材料在室温下冷却5-8min，即可得开采煤层、承压断层和断层围岩3部分流固耦合模拟材料；将3部分流固耦合模拟材料按照待模拟的含断层煤层工作面的水文地质条件和综合地质柱状图逐层铺设在相似试验架内，并进行夯实固定，且层与层之间铺撒定量的云母粉，待干燥后即可用于煤系承压断层采动活化突水的流固耦合相似试验；
其中，所述开采煤层包括煤粉、滑石粉、石膏、凡士林、硅油、拌合水，所述承压断层包括粗砂、滑石粉、石膏、高岭土、凡士林、硅油、黄豆、拌合水，所述断层围岩包括细砂、滑石粉、石膏、高岭土、水泥、凡士林、硅油、拌合水。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610298036.1A CN105784945B (zh) | 2016-05-03 | 2016-05-03 | 用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610298036.1A CN105784945B (zh) | 2016-05-03 | 2016-05-03 | 用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料及制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105784945A CN105784945A (zh) | 2016-07-20 |
| CN105784945B true CN105784945B (zh) | 2018-07-06 |
Family
ID=56400914
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610298036.1A Active CN105784945B (zh) | 2016-05-03 | 2016-05-03 | 用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105784945B (zh) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107101867B (zh) * | 2017-05-25 | 2020-07-31 | 山东大学 | 煤层岩溶陷落柱突水模型试验相似模拟材料及制备方法 |
| CN107098655B (zh) * | 2017-06-05 | 2019-08-16 | 河南理工大学 | 一种以聚氨酯为胶结剂的流固耦合相似材料及其制备方法 |
| CN107831295B (zh) * | 2017-10-31 | 2019-04-09 | 山东科技大学 | 用于模拟采动断层活化灾变的试验方法 |
| CN109704708B (zh) * | 2019-01-16 | 2021-07-27 | 山东理工大学 | 一种固流耦合模拟实验用的断层带相似材料及其制备方法 |
| CN110256036B (zh) * | 2019-06-25 | 2021-12-21 | 西安科技大学 | 一种物理相似模拟实验材料及其制备方法 |
| CN110985124A (zh) * | 2019-12-23 | 2020-04-10 | 安徽理工大学 | 煤层底板递进导升定点定量动态监测系统实验装置 |
| CN111398568A (zh) * | 2020-04-23 | 2020-07-10 | 六盘水师范学院 | 一种煤层开采固液耦合物理相似模拟材料及使用方法 |
| CN111892370A (zh) * | 2020-08-14 | 2020-11-06 | 三峡大学 | 地质力学模型试验模拟劣化岩体相似材料及配比确定方法 |
| CN111982632B (zh) * | 2020-08-27 | 2023-11-21 | 大同煤矿集团有限责任公司 | 一种煤矿切顶弱化的弱化带模拟方法 |
| CN113945687B (zh) * | 2021-10-18 | 2023-06-02 | 华北科技学院(中国煤矿安全技术培训中心) | 一种采空区积水活化机理研究的物理模拟方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2978545A1 (fr) * | 2011-07-28 | 2013-02-01 | Diamonde | Banc d'essai et de mesure pour outils rotatifs de travail du bois ou materiau similaire |
| CN202731991U (zh) * | 2012-07-27 | 2013-02-13 | 山东科技大学 | 一种条带式充填置换回采断层保护煤柱实验模型 |
| CN104211362A (zh) * | 2014-09-09 | 2014-12-17 | 北京迈赛富特科技有限责任公司 | 流固耦合中隔水层相似模拟材料及其制备方法 |
-
2016
- 2016-05-03 CN CN201610298036.1A patent/CN105784945B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2978545A1 (fr) * | 2011-07-28 | 2013-02-01 | Diamonde | Banc d'essai et de mesure pour outils rotatifs de travail du bois ou materiau similaire |
| CN202731991U (zh) * | 2012-07-27 | 2013-02-13 | 山东科技大学 | 一种条带式充填置换回采断层保护煤柱实验模型 |
| CN104211362A (zh) * | 2014-09-09 | 2014-12-17 | 北京迈赛富特科技有限责任公司 | 流固耦合中隔水层相似模拟材料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 海底隧道新型可拓展突水模型试验系统的研制及应用;李术才等;《岩石力学与工程学报》;20141216;第33卷(第12期);第2413－2414页 * |
| 高陡边坡与崩落法地下开采相互影响机理模型试验研究;张定邦;《中国博士学位论文全文数据库（电子期刊）》;20140415;第27－40页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105784945A (zh) | 2016-07-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105784945B (zh) | 用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料及制备方法 | |
| Li et al. | Grouting effect on rock fracture using shear and seepage assessment | |
| Zhang et al. | Development of cement-based self-stress composite grouting material for reinforcing rock mass and engineering application | |
| Güllü et al. | Use of cement based grout with glass powder for deep mixing | |
| Karami et al. | Use of secondary additives in fly ash based soil stabilization for soft subgrades | |
| CN205620383U (zh) | 用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料 | |
| Youn et al. | Influencing parameters of the grout mix on the properties of annular gap grouts in mechanized tunneling | |
| Liu et al. | Effects of cementitious grout components on rheological properties | |
| CN104496387A (zh) | 一种基于软岩遇水软化特性的相似材料及其制备方法 | |
| Yu et al. | Experimental study on the brittle-ductile response of a heterogeneous soft coal rock mass under multifactor coupling | |
| Farajzadehha et al. | Comparative study on uniaxial and triaxial strength of plastic concrete containing nano silica | |
| Chen et al. | Evaluation of particle size distribution and mechanical properties of mineral waste slag as filling material | |
| Banadaki et al. | Initial settlement of mat foundation on group of cement columns in Peat–Numerical analysis | |
| Jiang et al. | Performance assessment of a newly developed and highly stable grouting material for a completely weathered granite dam foundation | |
| Wu et al. | Experimental investigation on mechanical properties of cemented paste backfill under different gradations of aggregate particles and types and contents of cementing materials | |
| Zhou et al. | Experimental study on mechanical behavior of a new backfilling material: cement-treated marine clay | |
| Li et al. | Performance assessment of a newly developed and highly stable sandy cementitious grout for karst aquifers in China | |
| Hai-feng et al. | A study on the optimal selection of similar materials for the physical simulation experiment based on rock mineral components | |
| Jiang et al. | Effects of water immersion on the long-term bearing characteristics of crushed gangue in goaf | |
| Jamsawang et al. | The free swell potential of expansive clays stabilized with the shallow bottom ash mixing method | |
| Sargent et al. | Small to large strain mechanical behaviour of an alluvium stabilised with low carbon secondary minerals | |
| Dun et al. | Tests research on grouting materials of waste-concrete-powder cement for goaf ground improvement | |
| Zhang et al. | Effect of particle size distribution on the grout diffusion pattern in completely and strongly weathered granite | |
| Li et al. | Development and application of fluid-solid coupling similar materials in discharge test of old goaf water | |
| Rabbani et al. | Effect of Cutter Soil Mixing (CSM) method and curing pressures on the tensile strength of a treated soft clay |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |