本發(fā)明涉及一種煤層巖溶陷落柱突水模型試驗(yàn)相似模擬材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

煤層巖溶陷落柱是發(fā)現(xiàn)于我國華北地區(qū)的一種特殊地質(zhì)現(xiàn)象。巖溶陷落柱的存在,不僅破壞了煤層的正常賦存,更有導(dǎo)水陷落柱是礦井生產(chǎn)的極大水害威脅。巖溶陷落柱屬于隱伏垂向構(gòu)造，其導(dǎo)致的突水具有隱蔽性、突發(fā)性且與巖溶水有天然聯(lián)系等特點(diǎn)，對煤礦安全生產(chǎn)及當(dāng)?shù)厝嗣裆钗：O大。

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)可模擬多種地質(zhì)條件、開采條件下的巷道圍巖變形破壞特征，直觀反映所研究系統(tǒng)的物理、力學(xué)現(xiàn)象，彌補(bǔ)理論分析與現(xiàn)場試驗(yàn)的不足。在滿足相似原理的前提下，能夠更加準(zhǔn)確地對現(xiàn)場方案實(shí)施效果進(jìn)行提前測試，有效地避免了工程施工后由于方案不合理造成的安全與經(jīng)濟(jì)問題。模型試驗(yàn)具有其獨(dú)特的優(yōu)越性，在國內(nèi)外巖土與采礦工程界得到了廣泛應(yīng)用，通過大量的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)來研究地下工程設(shè)計(jì)和施工方法的優(yōu)化，進(jìn)行施工過程力學(xué)規(guī)律的探索，成為開展地下工程研究的必要手段

但是現(xiàn)在的地下工程模型試驗(yàn)存在著許多明顯的不足，尤其是在相似材料的研發(fā)方面，大多數(shù)只注重物理特性方面的相似模擬，極少考慮到材料的力學(xué)特性。雖然有少數(shù)相似試驗(yàn)考慮到流-固耦合作用，但是模型試驗(yàn)中難以模擬復(fù)雜地質(zhì)情況下軟巖的力學(xué)特性，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況不相符。對高力學(xué)參數(shù)情況下的圍巖相似材料的研發(fā)比較常見，但是低應(yīng)力條件下的煤層相似材料的配比卻十分罕見。對于煤層大型巖溶陷落柱滯后突水很少有模型試驗(yàn)?zāi)軌虺晒δM，也無法得到相應(yīng)的研究成果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種煤層巖溶陷落柱突水模型試驗(yàn)相似模擬材料及其制備方法，尤其適用于煤層大型巖溶陷落柱滯后突水模型試驗(yàn)，本發(fā)明能在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的強(qiáng)度、滲透性和穩(wěn)定性，可模擬較大強(qiáng)度范圍的巖溶陷落柱煤層。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種煤層巖溶陷落柱突水模型試驗(yàn)相似模擬材料，由以下重量份的組分組成：石英砂1份，膩?zhàn)臃?.09份，重石晶粉0.10份，凡士林或石油脂0.13份，拌合水0.09份，炭黑0.02份。

所述石英砂的粒徑小于9mm，且級配均勻。

所述石膏粉的細(xì)度為400-600目

所述滑石粉的細(xì)度為800-1400目。

所述拌合水為自來水。

上述相似材料的制備方法，包括以下步驟：

1)首先根據(jù)待模擬的工程地質(zhì)條件巖溶陷落柱煤層物理力學(xué)參數(shù)，按照確定好的配比稱取石英砂、膩?zhàn)臃?、重石晶粉、凡士林和拌合水?/p>

2)將石英砂、膩?zhàn)臃邸⒅厥Х廴N細(xì)粒材料混合并攪拌均勻，靜置后，篩去較大的膠結(jié)顆粒，加入稱量好的拌合水，充分?jǐn)嚢瑁?/p>

3)將凡士林加熱至50℃～65℃，使其熔為液態(tài)；

4)將液態(tài)凡士林與步驟3)所得材料混合，加入炭黑，并充分?jǐn)嚢?，室溫下冷卻，得到用于模型試驗(yàn)的煤層相似材料。

本發(fā)明的工作原理：

以膩?zhàn)臃酆褪⑸盀楣橇希{(diào)節(jié)材料重度；以重石晶粉為膠結(jié)劑，炭黑作為染色劑，實(shí)現(xiàn)對煤層特性的模擬；以凡士林為阻水劑，調(diào)節(jié)材料的滲透性，同時也作為材料的塑性膠結(jié)劑，用于模擬不同力學(xué)特性條件下的煤層陷落柱式突水特征，既能實(shí)現(xiàn)在高力學(xué)參數(shù)時的開挖陷落突水，又能模擬力學(xué)參數(shù)較低時的煤層陷落柱滲水及擾動突水特性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)在保持相似材料具有一定的強(qiáng)度的情況下模擬煤層陷落柱在滲流作用的流-固耦合特性；

(2)本發(fā)明能在不影響材料的整體性質(zhì)的前提下，依據(jù)實(shí)際煤層的地質(zhì)狀況設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

(3)本發(fā)明在調(diào)控水理特性和力學(xué)特性的同時，可以模擬各種類別和滲透系數(shù)的陷落柱煤層，模擬出能隨著時間推演的力學(xué)和滲流特性；

(4)本發(fā)明能夠在物理力學(xué)參數(shù)較低的情況下較好的模擬陷落柱煤層的流固-耦合作用；

(5)本發(fā)明適用范圍廣泛，可以用于模擬不同力學(xué)特性條件下的煤層巖溶陷落柱式突水特征，既能實(shí)現(xiàn)在高力學(xué)參數(shù)時的開挖底板突水，又能模擬力學(xué)參數(shù)較低時的煤層陷落柱滲水及擾動突水特性；能在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的強(qiáng)度、滲透性和穩(wěn)定性，可模擬較大強(qiáng)度范圍的陷落柱煤層。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，本申請的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。

圖1是材料的試樣在單軸抗壓條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)有技術(shù)中存在相似材料的研發(fā)方面，大多數(shù)只注重物理特性方面的相似模擬，極少考慮到材料的力學(xué)特性不足，為了解決如上的技術(shù)問題，本申請?zhí)岢隽艘环N煤層大型巖溶陷落柱滯后突水模型試驗(yàn)的煤層相似模擬材料。

由以下重量份的組分組成的：石英砂1份，膩?zhàn)臃?.09份，重石晶粉0.10份，凡士林(石油脂)0.13份，拌合水0.09份，炭黑0.02份。

石英砂的粒徑小于9mm，且級配均勻。

石膏粉的細(xì)度為400-600目

滑石粉的細(xì)度為800-1400目。

拌合水為自來水。

凡士林(石油脂)為透明無毒的醫(yī)藥凡士林。

本發(fā)明的煤層大型巖溶陷落柱滯后突水模型試驗(yàn)中模擬陷落柱煤層的相似材料，采用重石晶粉作為膠結(jié)劑，以凡士林調(diào)節(jié)劑，同時用作塑性膠結(jié)劑，既能使材料遇水后具有一定的穩(wěn)定系數(shù)，同時又可以保證材料的滲流性，也能使?jié)B透性增強(qiáng)；采用凡士林來調(diào)節(jié)材料的水理特性，也能調(diào)節(jié)材料的滲透性；

采用石英砂和膩?zhàn)臃圩鳛楣橇?，調(diào)節(jié)材料的重度以及強(qiáng)度和彈性模量等，材料主要參數(shù)范圍如表1所示，在單軸抗壓條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

表1

本發(fā)明的煤層大型巖溶陷落柱滯后突水模型試驗(yàn)中模擬巖溶陷落柱煤層的相似材料，研究了可用模型試驗(yàn)中模擬陷落柱煤層的相似材料的技術(shù)方案和制備方法，使了煤層陷落柱突水相似模型試驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)，解決了較低力學(xué)參數(shù)情況下相似試驗(yàn)難以與真實(shí)地質(zhì)情況相符的難題，也可模擬了同種地質(zhì)條件下材料強(qiáng)度、滲透性的測定及破壞機(jī)理，使得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能更好的去指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。

本發(fā)明選用石英砂、膩?zhàn)臃邸⒅厥Х?、凡士?石油脂)、拌合水、炭黑作為陷落柱煤層相似材料的組成成份。其中，重石晶粉作為主要膠結(jié)劑，凡士林作為塑性膠結(jié)劑，能保證煤層相似材料既具有強(qiáng)度，又具有一定的塑性，在實(shí)驗(yàn)中不會遇水溶解，同時能夠承受一定的壓強(qiáng)。在較低力學(xué)參數(shù)下，可以實(shí)現(xiàn)相似材料在水力作用下的強(qiáng)度降低以及滲透性增強(qiáng)，最終形成突水通道；石英砂、膩?zhàn)臃圩鳛楣橇?，通過調(diào)節(jié)比重來模擬相似材料的強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等。凡士林(石油脂)的含量既能調(diào)節(jié)材料的粘結(jié)強(qiáng)度，也能調(diào)節(jié)相似材料的滲透系數(shù)，保證材料的物理力學(xué)性質(zhì)和水理特性都滿足實(shí)驗(yàn)要求；凡士林可以調(diào)節(jié)相似材料的滲透性、強(qiáng)度和彈性模量，隨著含量的增加，其對強(qiáng)度和彈性模量的調(diào)節(jié)作用與重石晶粉相反，通過調(diào)節(jié)二者的比例，可以改變材料的力學(xué)特性和水理特性。

本發(fā)明所用的石膏粉細(xì)度為700目；石英砂粒徑小于7mm，且級配均勻；滑石粉的細(xì)度為1000目；凡士林為白色無毒的醫(yī)用級凡士林。

制備煤層大型陷落柱滯后突水模型試驗(yàn)中模擬斷層的相似材料

原料組成為：石英砂1份，膩?zhàn)臃?.09份，重石晶粉0.10份，凡士林(石油脂)0.13份，拌合水0.09份，炭黑0.02份。

制備方法為：

1)首先根據(jù)待模擬的工程地質(zhì)條件陷落柱煤層物理力學(xué)參數(shù)，按照確定好的配比稱取石英砂、膩?zhàn)臃?、重石晶粉、凡士林和拌合水?/p>

2)將石英砂、膩?zhàn)臃?、重石晶粉三種細(xì)粒材料混合并攪拌均勻，靜置半小時，篩去較大膠結(jié)顆粒，加入稱量好的拌合水，充分?jǐn)嚢瑁?/p>

3)將凡士林加熱至50℃～65℃，使其熔為液態(tài)；

4)將液態(tài)凡士林與步驟3)所得材料混合，加入炭黑，并充分?jǐn)嚢?，室溫下冷卻5～10min，即得用于模型試驗(yàn)的煤層相似材料。

所得材料在單軸抗壓條件下的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D1所示，反應(yīng)了試件在加載過程中隨著荷載的增加，應(yīng)變的變化過程，符合相似條件對相似材料的要求。

以上所述僅為本申請的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請的保護(hù)范圍之內(nèi)。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。