CN114371111A - 一种三维相似模拟试验装置和相似模拟试验监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种三维相似模拟试验装置和采用所述装置的相似模拟试验监测方法。所述试验装置包括相似模拟试验台、相似模拟材料和注液装置，所述相似模拟材料包括上覆岩层和位于所述上覆岩层下方的煤层，所述上覆岩层包括含水层，所述注液装置与上覆岩层的含水层相连通的，所述注液装置包括至少两个注液管，用于将浆液注入含水层。本发明基于双液注浆技术，可以解决现有监测技术无法准确地提供相似模拟试验监测数据的缺陷，更有利于研究上覆岩层塌陷、移动、裂隙发育和导水路径变化规律。
Description
技术领域
本发明涉及矿业工程试验研究技术领域，具体涉及一种三维相似模拟试验装置和相似模拟试验监测方法。
背景技术
由于实际地下现场工作面上覆岩层变化的复杂性和不可预见性，利用相似模拟试验台对工作面采动进行模拟试验，通过开挖模拟煤层，获取在采动影响下上覆岩层中含水层的塌陷、移动、破坏、裂隙等规律，从而为煤矿开采过程中水资源的保护提供技术指导。
三维相似模拟试验是采矿工程和岩土工程的主要试验研究方法，可用于模拟再现工程现场煤层开采开挖实况，并通过各种手段实现监测该条件下的围岩应力、应变与位移和含水层的破坏、裂隙发育与导水路径。三维相似模拟试验简单易行、形象直观，可以根据不同的开采方案进行反复试验。
目前，三维相似模拟试验对应力、应变的监测可以通过预埋的试验装置得以实现。但是，因为试验过程中无法观测模拟材料内部的动态变化，对于采动影响下上覆岩层中含水层的塌陷、移动、破坏、裂隙发育与导水路径的监测难以实现，需要采用合适的监测手段和方法来解决这个问题。
发明内容
目前，三维相似模拟试验的应力、应变、位移、水压和流量等参数可以通过电磁探测、超声探测、应力探测和光栅光纤探测等方法实现，且测量数据较为准确。但是，对于裂隙发育和导水路径的监测难度很大，虽然已经开发了超声发射法、电磁波法、微型多点位移计法和三维激光扫描法等监测方法，但测量数据始终与实际情况存在一定的偏差，使得相似模拟的真实性较差，主要表现在以下几点：
(1)很难真实观察到试验过程中上覆岩层内部的塌陷、移动、破坏、裂隙发育和导水路径情况；
(2)试验结束后，无法直观看到模拟材料内部的结构，因此很难研究上覆岩层的裂隙发育情况；
(3)试验过程中，含水层中的水通过导水裂隙渗流到采空区，进而排出试验装置，因而无法对水流的汇聚点进行详细研究；
(4)为了观测采空区塌陷后的岩块分布和上覆岩层裂隙发育情况，对模拟材料进行切割处理时，容易造成裂隙的破坏和模拟材料的松散，影响试验的准确性；
(5)对模拟材料切割后，可以观察到很多微小的裂隙，由于数量较多，采用人工测量时难度很大；
(6)无法通过试验研究时间对上覆岩层塌陷、移动、裂隙发育和导水路径影响的动态变化规律。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种三维相似模拟试验装置和采用所述装置的相似模拟试验监测方法，基于双液注浆技术，可以解决现有监测技术无法准确地提供相似模拟试验监测数据的缺陷，更有利于研究上覆岩层塌陷、移动、裂隙发育和导水路径变化规律。
本发明第一方面提供了一种三维相似模拟试验装置，所述试验装置包括相似模拟试验台、相似模拟材料和注液装置，所述相似模拟材料包括上覆岩层和位于所述上覆岩层下方的煤层，所述上覆岩层包括含水层，所述注液装置与上覆岩层的含水层相连通的，所述注液装置包括至少两个注液管，用于将浆液注入含水层。
根据本发明的一些实施方式，所述相似模拟试验台包括相似模拟试验台架(1)、底板(10)、侧板(11)和顶板(12)。
根据本发明的一些实施方式，所述侧板(11)包括第一侧板、与所述第一侧板相对的第二侧板和与所述第一侧板相临的第三侧板和第四侧板。
根据本发明的一些实施方式，所述顶板(12)上设置有加载装置(8)。
根据本发明的一些实施方式，所述上覆岩层包括表土层(7)、含水层(6)、隔水层(5)和间隔岩层(4)。
根据本发明的一些实施方式，所述第一侧板和第二侧板的长度为L1，高度为H1。
根据本发明的一些实施方式，所述第三侧板和第四侧板的长度为L2，高度为H2。根据本发明的一些实施方式，所述煤层(3)中开有切眼(17)。
根据本发明的一些实施方式，所述切眼(17)中设置有导水槽(13)和出水管(14)。
在本发明的一些实施方式中，所述上覆岩层包括间隔岩层(4)、隔水层(5)、含水层(6)和第四纪表土层(7)。
在本发明的一些优选实施方式，所述试验装置包括三维模拟试验台架(1)、底板岩层(2)、煤层(3)、间隔岩层(4)、隔水层(5)、含水层(6)、第四纪表土层(7)、加载装置(8)、液位计(9)、底板(10)、侧板(11)、顶板(12)、导水槽(13)、出水管(14)、水沟(15)、注液管(16)、切眼(17)。
根据本发明的一些实施方式，所述注液装置包括N个注液管：第一注液管、第二注液管、…和第N注液管，N为1-20之间的正整数。
本发明中所述的注液装置与上覆岩层的含水层相连通，指的是所述注液装置的注液管从相似模拟材料的上部，穿过上覆岩层的其他各层与含水层相连通。
根据本发明的一些实施方式，所述第一注液管、第二注液管、…、第N-1注液管和第N注液管沿第三侧板至第四侧板方向，依次设置于含水层中。
根据本发明的一些实施方式，所述第一注液管、第二注液管、…和第N注液管沿第三侧板至第四侧板方向，依次优选等间距设置于含水层中，且各个注液管之间的间距为L1/N。
本发明中符合“…”表示省略。
根据本发明的一些实施方式，所述第一注液管距离第三侧板的距离为L1/2N。
在本发明的一些实施方式中，可以根据实际研究需要，在上述第一注液管距离第三侧板的距离基础上加上相应的边界距离，作为最终的第一注液管距离第三侧板的距离。
根据本发明的一些实施方式，所述第N注液管距离第四侧板的距离为L1/2N。
在本发明的一些实施方式中，可以根据实际研究需要，在上述第N注液管距离第四侧板的距离基础上加上相应的边界距离，作为最终的第N注液管距离第四侧板的距离。
根据本发明的一些实施方式，所述各个注液管与所述第一侧板的间距为L2/2。
根据本发明的一些实施方式，所述注液装置包括三个注液管：第一注液管(16-1)、第二注液管(16-2)和第三注液管(16-3)。
根据本发明的一些实施方式，所述第一注液管、第二注液管和第三注液管沿第三侧板至第四侧板方向，依次等间距设置于含水层中。
在本发明的一些优选实施方式中，所述相似模拟试验装置的形状为长方体，截面尺寸为2.5m*1.5m，长度为6m，所述第一注液管(16-1)、第二注液管(16-2)和第三注液管(16-3)的间距为2m，所述第一注液管(16-1)距离短侧板1m，所述第三注液管(16-3)距离短侧板1m，所述第一注液管(16-1)、第二注液管(16-2)和第三注液管距离长侧板1.25m。
本发明中所述的相似模拟试验装置采用本领域的常规技术手段进行铺设，优选采用专利201711222822.4中的制备过程，区别主要在于，在浇筑含水层过程中，预埋液位计和注液管。
本发明第二方面提供了一种三维相似模拟试验监测方法，其采用第一方面所述的试验装置，包括如下步骤：
S1，将氯化钙溶液通过注液管注入含水层中，使氯化钙溶液在含水层中液位至第一高度；
S2，对煤层进行开采，形成采空区，所述采空区塌陷后，上覆岩层产生裂隙；
S3，使S2中上覆岩层的裂隙充分发育；
S4，S3中裂隙充分发育后，将添加色素的氯化钙和水玻璃的混合溶液通过注液管注入开采后的含水层中，使所述混合溶液发生胶凝反应，得到凝结后的模拟材料，将所述凝结后的模拟材料进行切割，进行上覆岩层变化和导水路径的研究。
本发明所述的方法是基于双液注浆技术而开发的。双液注浆技术，是将两种液体交替注入材料中，两种液体迅速反应生成胶体和凝胶，起到胶结和填充孔隙的作用，使材料的强度和承载能力提高。
本发明中采用的双液是水玻璃溶液和氯化钙溶液，所述水玻璃溶液主要特点有以下几个方面：①粘结力高，水玻璃硬化后的主要成分为硅凝胶和固体，因而具有较高的粘结力；②耐酸性好；③耐热性好。
根据本发明的一些实施方式，所述水玻璃的模数n为2.5-3，优选为2.6-2.8。
本发明的发明人在研究过程中发现，水玻璃的模数n值越大，水玻璃的粘度越高，流动性较差，且在水中的溶解能力下降；n值越小，水玻璃的粘度越低，越易溶于水，但硬化后强度不高。因此，本发明中选择的模数n2.5-3，优选为2.6-2.8，既易溶于水又可在硬化后有较高的强度。
根据本发明的一些实施方式，所述水玻璃的密度为1.30-1.50g/cm3，优选为1.35-1.44g/cm3。
根据本发明的一些实施方式，所述氯化钙溶液的密度为1.20-1.50g/cm3，优选为1.26-1.44g/cm3。
本发明的发明人在研究过程中发现，双液的注入顺序对所述监测方法有很大的影响，氯化钙溶液的粘度比水玻璃小，流动性更好，在试验过程中，利用氯化钙溶液代替常规使用的水依然可以沿着裂隙渗流，而如果使用水玻璃代替水，由于其流动性较差，将严重影响渗流效果。因此，在本发明的一些优选实施方式中，应该先注入氯化钙溶液，再注入添加色素的氯化钙和水玻璃混合溶液。
根据本发明的一些实施方式，所述氯化钙和水玻璃的混合溶液中，所述氯化钙和水玻璃的质量比为(1-2):1，优选为(1-1.5):1。
根据本发明的一些实施方式，S1中，所述第一高度为含水层的高度。
根据本发明的一些实施方式，S2中，所述含水层中氯化钙溶液沿着上覆岩层的裂隙渗流到采空区，经出水管(14)，进入(13)导水槽排出。
根据本发明的一些实施方式，S3中，通过向含水层注入氯化钙溶液，使得裂隙充分发育。
本发明的方法首先通过注液管，向含水层注入氯化钙溶液后，对煤层进行开挖，采空区塌陷后，含水层中氯化钙溶液沿着上覆岩层的裂隙渗流到采空区。随着时间的推移，待裂隙得到充分的发育，这时用添加色素的氯化钙和水玻璃混合溶液代替氯化钙溶液，通过注液管，注入试验材料中，两种溶液混合后经一定时间产生反应，可在裂隙中生成有色凝胶物质，将试验材料凝结成一个整体，从而提高其强度和承载能力。后期通过切割所述凝结的试验材料即可以研究内上覆岩层的变化规律。
根据本发明的一些实施方式，S4中，所述混合溶液发生胶凝反应，得到凝结后的模拟材料，所述凝结后的模拟材料的裂隙部分被混合溶液发生胶凝反应生成的有色凝胶填充。
本发明的发明人在研究中发现，可以通过调整步骤S4中添加色素的氯化钙和水玻璃的混合溶液的注入顺序和注入时间，研究时间对上覆岩层塌陷、移动、裂隙发育和导水路径影响的变化规律。
在本发明的一些实施方式中，S4包括以下步骤：
S4-1，将混合溶液通过第一注液管注入含水层，使所述混合溶液扩散至预定范围后发生胶凝反应，得到凝结后的第一模拟材料；
S4-2，将所述凝结后的第一模拟材料进行切割，进行第一时间内上覆岩层变化和导水路径的研究。
根据本发明的一些实施方式，所述预定范围为所述混合溶液以第一注液管为中心，扩散L1/2N所形成的范围。
本发明中，可以通过本领域常规使用的方式确定混合溶液的扩散范围，优选通过将所述相似模拟试验台的侧板设置为透明玻璃板，待在第三侧板处观察到添加色素的颜色时，即可认为混合溶液扩散了L1/2N，形成了所研究的预定范围。
根据本发明的一些实施方式，所述第一时间为混合溶液从第一注液管注入至发生胶凝反应所对应的时间。
根据本发明的一些实施方式，S4还包括按照步骤S4-1和S4-2将混合溶液依次注入其他注液管，例如依次注入第二注液管、第三注液管、、…和第N注液管，进行累计时间内上覆岩层变化和导水路径的研究。
根据本发明的一些实施方式，所述累计时间包括将混合溶液通过第一注液管注入含水层至通过相应的其他注液管注入含水层后发生胶凝反应所对应的时间。
本发明的发明人在研究中发现，双液凝结时间过短，会导致其在小范围内的裂隙中凝结，无法渗流扩散，影响试验效果；凝结时间过长，会使扩散范围过大，影响试验研究目的。
在本发明的一些实施方式中，根据所述相似模拟材料的渗透系数、所述混合溶液的注入压力和所述混合溶液的扩散范围确定所述混合溶液的凝结时间，使得所述混合溶液在扩散至所述范围后，在2-3min内发生胶凝反应。
根据本发明的一些实施方式，通过添加缓凝剂例如三聚磷酸钠，调整所述混合溶液的凝结时间。通过添加缓凝剂不仅可将凝结时间控制在几秒至几十分钟，而且可以使胶结体具有更好的密实性和更高的强度。
在本发明的一些具体实施方式中，S4包括以下步骤：
S4-1，将混合溶液通过第一注液管注入含水层，使所述混合溶液扩散至预定范围后发生胶凝反应，得到凝结后的第一模拟材料；
S4-2，将所述凝结后的第一模拟材料进行切割，进行第一时间内上覆岩层变化和导水路径的研究；
S4-3，间隔第一预定时间后，将混合溶液通过第二注液管注入含水层，使所述混合溶液扩散至预定范围后发生胶凝反应，得到凝结后的第二模拟材料，将所述凝结后的第二模拟材料进行切割，进行第二时间内上覆岩层变化和导水路径的研究；
S4-4，间隔第二预定时间后，将混合溶液通过第三注液管注入含水层，使所述混合溶液扩散至预定范围后发生胶凝反应，得到凝结后的第三模拟材料，将所述凝结后的第三模拟材料进行切割，进行第三时间内上覆岩层变化和导水路径的研究。
根据本发明的一些实施方式，对所述第一预定时间和第二预定时间并没有限定，可以根据具体研究而定。
根据本发明的一些实施方式，所述平台高度为1.5m，待(3)煤层开挖后，上覆岩层塌陷，(6)含水层中的溶液会沿着裂隙向四周扩散，此时含水层到煤层的距离大约为1m，因此，以1m为基准，溶液以(16)注液管为中心向四周扩散1m。当混合溶液注入第一注液管(16-1)时，以(16-1)注液管为中心向四周扩散1m，扩散范围大概为平台左段1/3范围内，当混合溶液注入第二注液管(16-2)时，以(16-2)注液管为中心向四周扩散1m，扩散范围大概为平台中段1/3范围内，当混合溶液注入第三注液管(16-3)时，以(16-3)注液管为中心向四周扩散1m，扩散范围大概为平台右段1/3范围内。
在本发明的一些优选实施方式中，为了通过试验研究时间对上覆岩层塌陷、移动、裂隙发育和导水路径影响的变化规律，(16)注液管注入混合溶液的顺序依次是16-1、16-2、16-3。当混合溶液注入(16-1)注液管时，控制溶液的扩散范围大概到距离装置左端1/3处，双液凝结后可以通过切割左段1/3试验材料的方法先研究该时间范围内上覆岩层的变化规律。间隔一个时间段后，再将混合溶液注入(16-2)注液管，控制溶液的扩散范围大概为装置中段1/3范围内，进而研究累计时间内上覆岩层的变化规律。再间隔与之前相同的时间段，将混合溶液注入(16-3)注液管，控制溶液的扩散范围大概为装置右段1/3范围内，重复同样的操作进行试验研究。
根据本发明的一些实施方式，所述上覆岩层变化包括上覆岩层塌陷、移动、裂隙发育的变化。
本发明专利与现有技术相比有以下优点：
(1)双液凝结后，可通过切割试验材料的方法观察到上覆岩层内部的塌陷、移动、破坏、裂隙发育和导水路径情况；
(2)有色凝胶将充满裂隙，切割试验材料可以直观看到模拟材料内部的结构，有利于研究上覆岩层的裂隙发育情况；
(3)含水层中的双液通过导水裂隙渗流到采空区，进而发生反应生成有色凝胶，通过凝胶聚点，可以得知双液在采空区的汇聚点；
(4)切割后的试验材料裂隙中充满了有色凝胶，有利于人工对裂隙进行测量；
(5)通过对双液渗流扩散区域的控制，有利于研究时间对上覆岩层塌陷、移动、裂隙发育和导水路径影响的变化规律。
因此，本发明是一种更加直观的监测方法，可以解决现有监测技术无法准确地提供相似模拟试验监测数据的缺陷，更有利于研究上覆岩层塌陷、移动、裂隙发育和导水路径变化规律。
附图说明
图1是本发明的大型三维相似模拟试验装置平面示意图。
图2是本发明的大型三维相似模拟试验装置侧面示意图。
图3是本发明的大型三维相似模拟试验装置剖面示意图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于下述说明。
实施例1
(1)试验装置的制作：实施例中采用的大型三维相似模拟试验装置的形状为长方体，截面尺寸为2.5m*1.5m，长度为6m，尺寸具体参见图1和图2，其中注液管(16-1)、注液管(16-2)和注液管(16-3)的间距为2m，注液管(16-1)距离短侧板的距离为1m，注液管(16-2)距离短侧板的距离为1m，注液管(16-1)、注液管(16-2)和注液管(16-3)距离长侧板的距离均为1.25m。所述模拟试验装置采用专利201711222822.4中的制备过程，区别主要在于，在浇筑含水层过程中，预埋液位计和注液管。
(2)配制n为2.6～2.8，密度为1.35～1.44的水玻璃溶液和密度为1.26～1.28的氯化钙溶液备用。
(3)试验开始前，通过(16)注液管，向(6)含水层注入配制好的氯化钙溶液，可以通过(9)液位计得知氯化钙在含水层液位的高低，待液位到达预设高度时即模型含水层的高度，开始进行试验。
试验过程中，随着对(3)煤层的开采，采空区塌陷后，含水层中氯化钙溶液沿着上覆岩层的裂隙渗流到采空区，然后经(14)出水管排出试验装置进入(13)导水槽，最后汇入(15)水沟。为了使裂隙得到充分的发育，继续向(6)含水层注入氯化钙溶液。(3)煤层开挖后，上覆岩层塌陷，(6)含水层中的溶液会沿着裂隙向四周扩散，此时含水层到煤层的距离大约为1m。
待裂隙得到充分发育后，用添加色素的氯化钙和水玻璃混合溶液代替氯化钙溶液，其中氯化钙和水玻璃的质量比为(1-1.5):1。当混合溶液注入(16-1)注液管时，控制溶液的扩散范围，以(16-1)注液管为中心向四周扩散1m，扩散范围大概为平台左段1/3范围内，待2～3分钟后，混合溶液产生凝胶化学反应，可在裂隙中生成有色凝胶物质，将试验装置左侧1/3范围内的试验材料凝结成一个整体，进而通过切割左段1/3试验材料的方法来研究该时间范围内上覆岩层内部的塌陷、移动、破坏、裂隙发育和导水路径的变化规律。
间隔预设需要研究的时间段后，岩层内部的导水裂隙和采空区储水空间将进一步发生变化。将添加色素的氯化钙和水玻璃混合溶液注入(16-2)注液管时，控制溶液的扩散范围，以(16-2)注液管为中心向四周扩散1m，扩散范围大概为平台中段1/3范围内，待2～3分钟后，混合溶液产生凝胶化学反应，可在裂隙中生成有色凝胶物质，将试验装置中段1/3范围内的试验材料凝结成一个整体，进而通过切割中段1/3试验材料的方法来研究该时间段和上次时间段两次累计时间段内上覆岩层的变化规律和导水路径的变化规律。
再间隔预设需要研究的时间段后，将混合溶液注入(16-3)注液管，控制溶液的扩散范围，以(16-3)注液管为中心向四周扩散1m，扩散范围大概为平台右段1/3范围内，待2～3分钟后，混合溶液产生凝胶化学反应，可在裂隙中生成有色凝胶物质，将试验装置右段1/3范围内的试验材料凝结成一个整体，进而通过切割右段1/3试验材料的方法来研究该时间段和上两次时间段三次累计时间段内上覆岩层的变化规律和导水路径的变化规律。
同时，通过观测混合液在采空区反应生成的有色凝胶聚点，可以得知双液在采空区的汇聚点。切割后的试验材料裂隙中充满了有色凝胶，人工测量裂隙参数将更加方便。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。
Claims (10)
1.一种三维相似模拟试验装置，包括相似模拟试验台、相似模拟材料和注液装置，
所述相似模拟材料包括上覆岩层和位于所述上覆岩层下方的煤层，所述上覆岩层包括含水层，
所述注液装置与上覆岩层的含水层相连通，所述注液装置包括至少两个注液管，用于将浆液注入含水层。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述相似模拟试验台包括相似模拟试验台架(1)、底板(10)、侧板(11)和顶板(12)，优选地，所述侧板(11)包括第一侧板、与所述第一侧板相对的第二侧板和与所述第一侧板相临的第三侧板和第四侧板；
更优选地，所述第一侧板和第二侧板的长度为L1，高度为H1；和/或所述第三侧板和第四侧板的长度为L2，高度为H2；
和/或所述煤层(3)中开有切眼(17)，优选所述切眼(17)中设置有导水槽(13)和出水管(14)。
3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，所述注液装置包括N个注液管：第一注液管、第二注液管、…、第N-1注液管和第N注液管，N为1-20之间的正整数，
优选地，所述第一注液管、第二注液管、…、第N-1注液管和第N注液管沿第三侧板至第四侧板方向，依次设置于含水层中，优选依次等间距设置于含水层中，且各个注液管之间的间距为L1/N，
更优选地，所述第一注液管距离第三侧板的距离为L1/2N，第N注液管距离第四侧板的距离为L1/2N，和/或所述各个注液管与所述第一侧板的间距为L2/2。
4.一种三维相似模拟试验监测方法，其采用权利要求1-3中任一项所述的试验装置，包括如下步骤：
S1，将氯化钙溶液通过注液管注入含水层中，使氯化钙溶液在含水层中液位至第一高度；
S2，对煤层进行开采，形成采空区，所述采空区塌陷后，上覆岩层产生裂隙；
S3，使S2中上覆岩层的裂隙充分发育；
S4，S3中裂隙充分发育后，将添加色素的氯化钙和水玻璃的混合溶液通过注液管注入开采后的含水层中，使所述混合溶液发生胶凝反应，得到凝结后的模拟材料，将所述凝结后的模拟材料进行切割，进行上覆岩层变化和导水路径的研究。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述水玻璃的模数n为2.5-3，优选为2.6-2.8，所述水玻璃的密度为1.30-1.50g/cm3，优选为1.35-1.44g/cm3；
和/或所述氯化钙溶液的密度为1.20-1.50g/cm3，优选为1.26-1.44g/cm3；
和/或所述氯化钙和水玻璃的混合溶液中，所述氯化钙和水玻璃的质量比为(1-2):1，优选为(1-1.5):1。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，S1中，所述第一高度为含水层的高度；
和/或S2中，所述含水层中氯化钙溶液沿着上覆岩层的裂隙渗流到采空区，经出水管(14)，进入(13)导水槽排出；
和/或S3中，通过向含水层注入氯化钙溶液，使得裂隙充分发育；
和/或S4中，所述凝结后的模拟材料的裂隙部分被混合溶液发生胶凝反应生成的有色凝胶填充。
7.根据权利要求4-6中任意一项所述的方法，其特征在于，S4包括以下步骤：
S4-1，将混合溶液通过第一注液管注入含水层，使所述混合溶液扩散至预定范围后发生胶凝反应，得到凝结后的第一模拟材料；
S4-2，将所述凝结后的第一模拟材料进行切割，进行第一时间内上覆岩层变化和导水路径的研究；
优选地，所述预定范围为所述混合溶液以第一注液管为中心，扩散L1/2N所形成的范围；
和/或所述第一时间为混合溶液从第一注液管注入至发生胶凝反应所对应的时间。
8.根据权利要求4-7中任意一项所述的方法，其特征在于，S4还包括按照步骤S4-1和S4-2将混合溶液依次注入其他注液管，进行累计时间内上覆岩层变化和导水路径的研究，
优选地，所述累计时间包括将混合溶液通过第一注液管注入含水层至通过相应的其他注液管注入含水层后发生胶凝反应所对应的时间。
9.根据权利要求4-8中任意一项所述的方法，其特征在于，根据所述相似模拟材料的渗透系数、所述混合溶液的注入压力和所述混合溶液的扩散范围确定所述混合溶液的凝结时间，使所述混合溶液在扩散至所述范围后，2-3min内发生胶凝反应，优选通过在混合溶液中添加缓凝剂调整混合溶液的凝结时间。
10.根据权利要求4-9中任意一项所述的方法，其特征在于，所述上覆岩层变化包括上覆岩层塌陷、移动、裂隙发育的变化。
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Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101968348A (zh) * | 2010-09-07 | 2011-02-09 | 中国石油大学(北京) | 对压裂裂缝进行可视化监测的方法 |
| CN104865110A (zh) * | 2015-06-01 | 2015-08-26 | 中国矿业大学 | 一种在类岩石相似材料试件中预制粗糙裂隙的方法 |
| CN204731234U (zh) * | 2015-07-10 | 2015-10-28 | 贵州理工学院 | 近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟装置 |
| CN105388264A (zh) * | 2015-10-22 | 2016-03-09 | 山东科技大学 | 一种采动覆岩垮裂三维内部空间展布形态模拟方法 |
| CN108107186A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-06-01 | 中国神华能源股份有限公司 | 煤层开采模拟实验装置及其制作方法和操作方法 |
| CN108120817A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-06-05 | 中国神华能源股份有限公司 | 相似模拟实验材料的铺设装置和使用方法 |
| CN108195739A (zh) * | 2017-12-23 | 2018-06-22 | 山东科技大学 | 压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置 |
| CN108914924A (zh) * | 2018-07-05 | 2018-11-30 | 浙江科技学院 | 有流动地下水砾卵石层中的注浆加固方法及装置 |
| CN209372589U (zh) * | 2018-12-19 | 2019-09-10 | 临沂大学 | 用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统 |
| CN111116106A (zh) * | 2019-10-25 | 2020-05-08 | 湖北理工学院 | 一种新型复合注浆浆液配合比设计方法 |
-
2020
- 2020-10-15 CN CN202011101306.8A patent/CN114371111A/zh active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101968348A (zh) * | 2010-09-07 | 2011-02-09 | 中国石油大学(北京) | 对压裂裂缝进行可视化监测的方法 |
| CN104865110A (zh) * | 2015-06-01 | 2015-08-26 | 中国矿业大学 | 一种在类岩石相似材料试件中预制粗糙裂隙的方法 |
| CN204731234U (zh) * | 2015-07-10 | 2015-10-28 | 贵州理工学院 | 近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟装置 |
| CN105388264A (zh) * | 2015-10-22 | 2016-03-09 | 山东科技大学 | 一种采动覆岩垮裂三维内部空间展布形态模拟方法 |
| CN108107186A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-06-01 | 中国神华能源股份有限公司 | 煤层开采模拟实验装置及其制作方法和操作方法 |
| CN108120817A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-06-05 | 中国神华能源股份有限公司 | 相似模拟实验材料的铺设装置和使用方法 |
| CN108195739A (zh) * | 2017-12-23 | 2018-06-22 | 山东科技大学 | 压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置 |
| CN108914924A (zh) * | 2018-07-05 | 2018-11-30 | 浙江科技学院 | 有流动地下水砾卵石层中的注浆加固方法及装置 |
| CN209372589U (zh) * | 2018-12-19 | 2019-09-10 | 临沂大学 | 用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统 |
| CN111116106A (zh) * | 2019-10-25 | 2020-05-08 | 湖北理工学院 | 一种新型复合注浆浆液配合比设计方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 韩 飞等: "水力压裂周围煤层应力变化试验研究", 《陕西煤炭》, no. 2, pages 1 - 3 * |
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