CN113945687B - 一种采空区积水活化机理研究的物理模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种采空区积水活化机理研究的物理模拟方法，根据要模拟的煤矿开采条件设计模型的尺寸，确定不同模拟层的厚度和容重；根据要模拟的煤矿岩层主要力学性能参数，选择骨料、胶结料、阻水添加剂和分层材料，并确定骨料和胶结料的比例；模型铺设；布置应力传感器，用于应力检测；密封处理；模型开采和观测。石蜡固基、透明亚克力板边缘加载止水密封橡胶的整体密封、模拟岩土和透明板间的膨胀止水胶止水的“三重”密封方法，既解决了模拟采空区的积水密封问题，还能实现模拟岩土的无阻碍“活化”移动和可视问题；在骨料和胶结料中添加阻水添加剂凡士林，解决了相似模拟中常规配比材料在水的浸泡作用下会迅速泥化的问题。

Description

一种采空区积水活化机理研究的物理模拟方法
技术领域
本发明涉及采空区积水机理研究模拟方法技术领域。具体地说是一种采空区积水活化机理研究的物理模拟方法。
背景技术
煤矿开采后遗留大规模采空区，形成不良地基，这些采空区在井下停止采动后的短时间内处于一个相对稳定的状态，但今后在外在因素(如地震、采空区积水浸泡、临近采空区开采等)的影响下有可能致使采空区内煤(岩) 柱失稳破坏，造成覆岩和地表移动“活化”，即再次发生不均匀沉降，对采空区上方地表土地利用与建筑开发形成较大的安全隐患。
因此有必要研究覆岩损伤区域积水作用下，覆岩“活化”后移动与变形、应力、裂缝、塑性区、采空三角区变化规律。
现有的模拟覆岩层相似模拟实验，由于存在采空区积水的影响，存在如下问题，如图1所示：
(1)实验模型前后侧密封问题。根据实验目的，后期将观测采空区积水作用下覆岩“活化”情况，实验涉及到流固耦合模拟，需解决前后侧密封问题，要求模型密封后既能防止采空区积水漏失，又能不妨碍采空区“活化”后覆岩的移动。简单的预埋塑料薄膜帷幕技术在积水压力作用下隔水效果并不好，更主要的是封闭后无法进行应力、应变及现象观测。
(2)煤(岩)柱力学强度软化问题。由预试验效果可以看出，由沙子、石膏、碳酸钙等配比而成的相似材料，在水的作用下迅速泥化，冲蚀采空区形成大的孔洞，造成覆岩大规模“活化”，这与实际不符，需解决相似材料在水的作用下防冲蚀，及力学强度与实际煤(岩)柱力学强度随时间软化的相似问题。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种采空区积水活化机理研究的物理模拟方法，解决采空区积水密封及煤岩柱力学强度软化相似的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种采空区积水活化机理研究的物理模拟方法，包括如下步骤：
(1)根据要模拟的煤矿开采条件设计模型的尺寸，确定不同模拟层的厚度和容重；
(2)根据要模拟的煤矿岩层主要力学性能参数，选择骨料、胶结料、阻水添加剂和分层材料，并确定骨料和胶结料的比例；
(3)模型铺设：在底层铺设防水层，然后逐层铺设模拟岩层；
(4)在岩层铺设的过程中，在需要监控的位置布置应力传感器，用于应力检测；设置非接触视频应变位移精密测量系统，用于应变检测；
(5)待模拟岩层铺设完毕后，进行密封处理；
(6)模型开采和观测。
上述一种采空区积水活化机理研究的物理模拟方法，在步骤(2)中，所述骨料为河沙，所述胶结料为石膏和碳酸钙，所述分层材料为云母片。
上述一种采空区积水活化机理研究的物理模拟方法，在骨料和胶结料中加入阻水添加剂，所述阻水添加剂为凡士林。
上述一种采空区积水活化机理研究的物理模拟方法，所述阻水添加剂的加入量为骨料和胶结料总重的5％-8％。
上述一种采空区积水活化机理研究的物理模拟方法，在步骤(3)中，采用石蜡固基：在铺设至煤层下一层间时沿层面整体浇筑一层融化的石蜡，待石蜡冷却后形成一层隔水的保护层，以阻止今后采空区积水对下伏模拟岩层的渗透。
上述一种采空区积水活化机理研究的物理模拟方法，在步骤(5)中，在透明亚克力板边缘加载止水密封橡胶，对模拟岩层的前后进行整体密封：将透明亚克力板分别装在试验架前后侧，安装时在左、右两侧及底侧装上压上止水密封橡胶条。
上述一种采空区积水活化机理研究的物理模拟方法，在模型模拟岩层的两侧及底侧未受到采动影响的区域与透明亚克力板之间涂抹上膨胀止水胶。
上述一种采空区积水活化机理研究的物理模拟方法，在步骤(6)中，所述应力传感器具有隔水功能。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
在向采空区注水后，发现由沙子、石膏、碳酸钙等配比而成的相似材料，在水的作用下迅速泥化，冲蚀采空区形成大的孔洞，造成覆岩大规模“活化”，简单的预埋塑料薄膜帷幕技术在积水压力作用下隔水效果并不好，更主要的是封闭后无法进行应力、应变及现象观测。
为研究采空区在积水浸泡外在因素的作用下采空区“活化”规律和机理，采用二维相似材料模拟试验，研发了石蜡固基、透明亚克力板边缘加载止水密封橡胶的整体密封、模拟岩土和透明板间的膨胀止水胶止水的“三重”密封方法，既解决了模拟采空区的积水密封问题，还能实现模拟岩土的无阻碍“活化”移动和可视问题；
研究了防积水泥化的相似模拟材料及配比，通过在骨料和胶结料中添加阻水添加剂凡士林，开展原煤煤样和模拟煤样的浸水相似材料力学强度测试对比实验，试验表明添加5-8％凡士林阻水添加剂的试件软化后的强度与浸泡时间成指数关系递减，其软化规律与原煤煤样随浸泡时间逐渐衰减的规律类似，解决了相似模拟中常规配比材料(砂子、石膏、碳酸钙)在水的浸泡作用下会迅速泥化的问题。
通过解决流固耦合物理模拟试验中的两个关键问题，试验成功研究了采空区积水活化机理，为指导矿区城市塌陷区土地利用和建筑安全开发提供了技术指导。
附图说明
图1实验注水前后覆岩移动破坏情况；
图2实验模型设计图；
图3应力应变测点布置图；
图4应力监测系统；a为微型压力传感器，b为数据采集器；
图5非接触视频应变位移精密测量系统；
图6模型整体密封系统，a为透明亚克力板，b为止水密封橡胶条，c 为亚克力板边缘整体密封；
图7模型双层密封系统，a为遇水膨胀止水胶，b为双层密封效果图；
图8待覆岩空隙注满水后效果图；
图9为图8的采空区的放大图；
图10试件制作；
图11拆模后的试件；
图12试件抗压测试；
图13 5％阻水添加剂试件浸水软化强度变化曲线；
图14 8％阻水添加剂试件浸水软化强度变化曲线；
图15煤柱抗压强度变化曲线。
具体实施方式
本实施例模拟实验以岱庄矿条带采区为原型。
一、根据要模拟的煤矿的条带采区的结构设计模型的尺寸；
模拟实验某煤矿为原型，开采3上煤层，煤层采厚为2.6m，倾角近水平，采深平均550m，上覆岩层第四系层厚约300m，基岩厚约250m。采区采用条带开采，采宽50m，留宽100m，设计开采2个条带面。模型选择在华北科技学院二维平面实验装置上进行实验，模型尺寸为：长×宽×高＝2000mm×300mm×1800mm。
二、根据相似定理及相似准则，推导得到模型的相似参数；
根据相似定理及相关相似准则，则可推导得到模型的相似参数。
(1)几何相似：设计原型的二个相互垂直方向的尺寸为Xp、Yp，模型的对应尺寸为Xm、Ym，选取几何相似常数为1：150,即长度相似系数αl：
Figure SMS_1
式中，Xp、Yp分别为原型中水平向、竖直向的尺寸；
Xm、Ym分别为模型中水平向、竖直向的尺寸。
(2)运动学相似：取时间相似系数为αt，则有：
Figure SMS_2
式中，Tm、Tp分别为模型、原型中的运动时间。
(3)动力学相似：容重相似常数为1：1.6，即容重相似系数：
Figure SMS_3
式中，γpi为第i层岩层(原型)，γmi为模型中该层的容重，αr为容重
Figure SMS_4
/>
式中，Epi为原形材料的弹性模量，Emi为材料模型的弹性模量，αE为各层的弹性模量相似系数。
三、模型设计，确定不同模拟层的厚度和容重；
受模型架高度和几何相似常数限制，实验无法模拟上覆岩层全剖面。结合条采区覆岩性质，实验拟只模拟部分岩层，模拟上覆岩层厚为181.8m，约为70倍的煤层厚，上部岩(土)层拟采用加荷载的方式实现，即采用配重替代。根据实验设计，对模型未能模拟的上覆岩(土)层厚度为2.45m，其中松散层厚2.0m,基岩厚0.45m(对应原型松散层厚300m，基岩厚68.2m)，模型中未模拟松散层平均容重1125kg/m3，基岩平均容重1625kg/m3(对应原型松散层容重1800kg/m3，基岩容重2600kg/m3)。则模型需要施加的重力补偿荷载为24.2kPa。如图2所示。
四、根据要模拟的煤矿岩层主要力学性能参数，选择骨料、胶结料和分层材料，并确定骨料和胶结料的比例；
相似模拟试验成功与否的关键在于选择合适的相似材料，一般而言，相似材料可分为骨料和胶结料两类，骨料的可选类别包括了河砂、重晶石、云母粉等，胶结料的可选类别包括了石膏、凡士林、水泥等，不同的材料具有不同特性，因此，在对骨料和胶结料按照不同比例进行配比时，混合材料的性质就会出现较大差别。
根据某煤矿岩层主要力学性能参数(见表1)，遵循以往配比经验选择以河砂为骨料，石膏、碳酸钙作为胶结物，云母片作为分层材料，用来模拟岩层层理。
表1岩层主要力学性能参数
Figure SMS_5
考虑到采空区积水会对相似材料的力学性质造成改变，需在胶结料中加入适当的阻水添加剂，通过前期配比试验确定的煤柱强度随浸水时间的软化规律，阻水添加剂拟采用凡士林。具体的模型分层与配比情况如表2所示
表2模型分层和配比方案表
Figure SMS_6
/>
Figure SMS_7
五、模型铺设：在底层铺设防水层，然后逐层铺设模拟岩层；
模拟采用二维相似模拟实验台，采用夯实填筑法累加模型，比例为1： 200，无倾角。模型填装尺寸、顺序及材料配比。通过加入云母粉进行分层。
铺设具体流程如下：
(1)、按照相应模拟材料配比要求，进行选材、加工试件、测试性能要求；
(2)、在模型架上前后侧按上槽钢，按照各分层尺寸自下而上铺设模型，对各分层间撒云母粉，并夯实各层相似模拟材料，并按照实验设计在铺设岩层中布设应力或应变传感器；
(3)、模型铺设完成后，将模型自然养护3-5d，拆除槽钢，自然通风晾干；
(4)、待模型完全干燥、定型后，即可对模型进行开挖。
六、在岩层铺设的过程中，在需要监控的位置布置应力传感器，用于应力检测；设置非接触视频应变位移精密测量系统，用于应变检测；
模型观测内容主要为应力观测、应变观测。
(1)应力观测：采用传感器技术，模型在煤柱不同位置铺设应力(或压力)传感器，通过传输线连接到数据采集系统，再通过专门的电脑软件进行数据采集控制，全面监测采集围岩应力(或压力)等方面变化信息。传感器采用微型压阻式压力传感器，共布设7个，主要布置于煤柱应力屈服区和集中区(见图3)。数据采集器包括了东华DH3816N型静态应变测试分析仪和PC计算机(见图4)。
(2)应变观测：采用英国IMETUM生产的ISM-CONTR-VG5-2DB系列非接触视频应变位移精密测量系统，该系统利用相机采集试件在变形过程中的表面图像，利用图像散斑识别技术，能够准确跟踪被测物上点与点之间的运动，采用专利化的亚像素图像识别算法，进行超高分辨率的应变、旋转、位移测量，支持最大100m范围的测量幅面，最大测距1000m，2D位移分辨率为10m 内0.01mm。非接触视频应变位移精密测量系统见图5。摄影测量监测系统可以实现对相似模型全断面全过程的移动监测，获取丰富的位移数据。
(3)应力传感器防水问题寻求中国地震局工程力学所帮助，其生产的微型动态压力传感器DSP-MI系列具备隔水功能；摄影测量应变观测测点拟采用塑料测点，用大头针钉在模型上，根据试验需要在位移重点关注区域部上测点，摄影测量由场域的观测变为关键测点的观测。
七、待模拟岩层铺设完毕后，进行整体密封处理。
借助相似材料模拟试验，研究煤层开采形成的采空区在地下水浸泡作用下“活化”后煤(岩)柱移动破坏规律，首先必须解决采空区积水的密封问题。
(1)采空区积水密封问题首先要保证采空区下伏模拟基础的稳定，为防止采空区积水长时间渗透软化基础导致整个模型崩塌，在铺设至煤层下一层间时沿层面整体浇筑一层融化的石蜡，待石蜡冷却后形成一层隔水的保护层，以阻止今后采空区积水对下伏模拟岩层的渗透。
(2)整体密封。为解决模型前后侧密封问题，同时不影响视频监测效果，拟购置两块长×宽×高＝2000mm×1000mm×15mm的透明亚克力板。将亚克力板分别装在试验架前后侧，安装时在左、右两侧及底侧装上压上止水密封橡胶条。如图6所示。
(3)双层密封。为保障止水效果，还可在模型模拟岩土两侧及底侧未受采动影响区域涂抹上膨胀止水胶，如图7所示。
八、模型开采和观测
(1)自左向右依次开采条带面，条带面可先用木条置换煤层，然后一次性抽出，模拟一次性开采条带面。每采完一个条带面，等待岩层移动稳定后，都要对模型上的应力、应变、行一次全面的观测和计算，详细记录覆岩破坏形态，并拍照摄影。
(2)待两条带面开采结束，覆岩移动破坏稳定后，开始通过顶板中细砂岩岩层中预埋的水管向两条带采空区注水。待覆岩空隙注满水后，持续观测覆岩移动破坏变化情况，并对覆岩应力、应变进行持续监测。如图8和图 9所示。
实施例2，关于骨料和胶结料中加入添加阻水添加剂的研究。
为确保相似材料力学强度与实际煤(岩)柱力学强度随时间软化的相似，应在现场采集煤样，开展浸水力学强度测试实验，获取煤柱抗压强度浸水软化曲线。同时，在常规相似材料(沙子、石膏、碳酸钙)基础上添加阻水添加剂，开展浸水相似材料力学强度测试实验。
本实施例开展粉末状的凡士林阻水添加剂的浸水力学强度实验。
(1)试件配比
沙子：石膏：碳酸钙＝8:5:5，阻水添加剂重量分别为总重(沙子、石膏、碳酸钙重量之和)的5％、8％。
(2)试件制作
沙子、石膏、碳酸钙及凡士林阻水添加剂先混合搅拌，后添加总重量(沙子、石膏、碳酸钙重量之和)10％的水，混合搅拌均匀后装入高10cm、直径5cm的模具中，经压实后制成标准测试试件(见图10)。
(3)试件浸水
试件模型做好后，先放置3天后拆模(见图11)，自然晾放7天后放入水中浸泡。
(4)试件抗压强度测试
试件浸水每间隔1小时后进行抗压测试，见图12。
(5)试验结果
如表3所示：
表3抗压强度测试结果
Figure SMS_8
如图14所示，为添加5％的阻水添加剂试件浸泡后软化强度拟合公式：
Y＝0.08e(-1.15x)+0.046(R2＝0.9723)
式中，Y为试件浸泡后抗压强度，MPa；
X为试件浸泡时间，h。
如图15所示，为添加8％的阻水添加剂试件浸泡后软化强度拟合公式：
Y＝0.17e(-0.99x)+0.1(R2＝0.9694)
式中，Y为试件浸泡后抗压强度，MPa；
X为试件浸泡时间，h。
图15为实测煤柱浸水后强度软化曲线图。由图可以看出，实测煤柱再浸水后强度软化，其软化后的强度与浸泡时间成指数关系递减。
由图13、图14对比来看，添加凡士林阻水添加剂的试件的强度软化过程符合实际中煤柱随浸泡时间逐渐衰减的规律。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种采空区积水活化机理研究的物理模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据要模拟的煤矿开采条件设计模型的尺寸，确定不同模拟层的厚度和容重；
(2)根据要模拟的煤矿岩层主要力学性能参数，选择骨料、胶结料、阻水添加剂和分层材料，并确定骨料和胶结料的比例；所述骨料为河沙，所述胶结料为石膏和碳酸钙，所述分层材料为云母片；在骨料和胶结料中加入阻水添加剂，所述阻水添加剂为凡士林；所述阻水添加剂的加入量为骨料和胶结料总重的5％-8％；
(3)模型铺设：在底层铺设防水层，然后逐层铺设模拟岩层；采用石蜡固基：在铺设至煤层下一层间时沿层面整体浇筑一层融化的石蜡，待石蜡冷却后形成一层隔水的保护层，以阻止今后采空区积水对下伏模拟岩层的渗透；
(4)在岩层铺设的过程中，在需要监控的位置布置应力传感器，用于应力检测；设置非接触视频应变位移精密测量系统，用于应变检测；
(5)待模拟岩层铺设完毕后，进行密封处理；在透明亚克力板边缘加载止水密封橡胶，对模拟岩层的前后进行整体密封：将透明亚克力板分别装在试验架前后侧，安装时在左、右两侧及底侧装上压上止水密封橡胶条；在模型模拟岩层的两侧及底侧未受到采动影响的区域与透明亚克力板之间涂抹上膨胀止水胶
(6)模型开采和观测。
2.根据权利要求1所述的一种采空区积水活化机理研究的物理模拟方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述应力传感器具有隔水功能。
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