固液耦合试验隔水层 相似材料的研究

1、固液耦合试验隔水层相似材料的研究杨浩魏 一一 研究目的研究目的通过正交实验，确定最佳的隔水层相似材料。分析研究隔水层相似材料的研制与配比。在一定程度上解决了隔水层的塑性和水理性模拟的难题。以陕北榆神府煤矿20102工作面为例，研究黏土隔水层的稳定性。二二 相似材料的选取相似材料的选取 为了更好地实现黏土隔水层强度、塑性、水理性相似，提高隔水层模拟的准确性，选取多种原料进行正交试验对比，确定最佳的原料。图1为正交力学试验中的模型试件，图2为模型试件的亲水性试验。通过多组实验确定相似材料相似材料骨料石英砂膨润土胶结剂硅油凡士林模拟变形和水理性提高材料的渗透性提高材料力学性能控制材料的强度三三 相似

2、材料配比与性能实验相似材料配比与性能实验 根据试验目的，试验分为两部分：第一部分为力学试验，按不同的配比、不同的含水量制作试样，按设计的养护方案进行养护，然后进行抗压试验测定各配比下的应力应变曲线，以研究各配比的强度及塑性变化规律。第二部分为水理性试验，研究配比、含水量对模型水理性的影响规律。1 1、选取相似参数、选取相似参数 通过应力应变关系，强度相似关系，动力学相似关系，条件制约关系，时间、初始及边界条件相似，塑性（塑性特征参量）、水理性（吸水率、渗透系数）方面的相似等因素确定相似参数。（具体过程前面同学已经讲过，此处略）2 2、相似材料配比、相似材料配比 模型试件的强度随着砂土比的减小先

3、较大幅度增大至最大值而后减小，减小的趋势相对较缓；在相同砂土比下，强度随着骨胶比的减小而减小；在各砂土比一定的情况下，模型试件的弹性模量与凡士林的含量有关，随着凡士林含量增加弹性模量减少，变形能力增强。 在不同的砂土比下，试件塑性均随着骨胶比的加大而增强，特别是随着凡士林含量的增大，峰后曲线下降较明显。在相同的胶结剂含量下，试件塑性均随着砂土比的减小而呈现出明显的增强趋势。砂土比减小时，峰后曲线下降快，塑性明显。在砂土比较大的情况下，塑性下降，材料表现为脆性特征。 当骨胶比为8.01.0，砂土比为12时，模型试件的破坏形态。从图5中可以看出，模型试件表现为明显的塑破坏,无明显的剪切带破坏面，外

4、形上表现为鼓张破坏。 当黏土含量较小时，材料的亲水性主要由硅油体现。随着黏土比例增大，硅油对吸水性的影响减小，转而由黏土起作用(见图6)。随着黏土的比例增大，渗透性下降。当黏土比例达到一定程度，渗透速率的下降趋于平缓，如图7所示，当骨胶比达到7.01.0和 6.01.0时，随着砂土比的下降，渗透速率的减小相对减弱。根据不同配比的材料性能的变化，可以配制出满足不同隔水层相似性的理想相似配比材料。四四 固液耦合模拟实验固液耦合模拟实验 以榆树湾煤矿20102工作面为原型开展模拟，开采22煤层平均厚度11.9m ，倾角13，埋藏深度平均230m ，详细地层参数见表1所示。采用倾斜分层综合机械化采煤法

5、，首分层采高5.0m ，工作面长度250m。基于研究对象及试验条件，模型几何比例确定1300，采用实验室现有的 1500mm1400mm200mm 两相模拟试验台进行。模拟试验研究重点是黏土隔水层的稳定性，表2为现场黏土隔水层特性参数。 根据隔水层实际参数，计算隔水层的相似材料参数，参照得出的配比规律，确定隔水层的相似材料配比。隔水层岩性隔水层岩性骨胶比骨胶比沙土比沙土比硅凡比硅凡比水土比水土比离石黄土7.0 1.0 1.0 6.0 1.0 2.5 0.15三趾马红土6.0 1.0 1.0 6.0 1.0 3.0 0.17 工作面推进了71cm(原型中213m)时，红土层与基岩交界层面首先出现

6、离层并向下弯曲变形；随着工作面的继续推进，红土层中的离层不断向上发展，受基岩冒落的影响，土层自下而上逐步产生平行于层面的局部离层和弯曲下沉，随着下部离层空间的压实，离层向上发展，可以形象地称为采动“上行裂隙”，如图8所示。 在工作面推进了109cm 时，离层发展至黄土层并继续向上发育。未产生离层的上部连续土梁，在采空区两侧的拉应力区，出现上宽下窄、向下发育的“下行裂隙”，“下行裂隙”与“上行裂隙”没有贯通，隔水层依然具有隔水性，如图9 所示。 地表水体流入下行裂隙，在裂隙尖部聚积并沿裂隙面向土层深部渗透，形成沿裂隙为中心的浸水区域。裂隙附近的土体与水发生水理作用，开始膨胀向裂隙方向挤压，裂隙空

7、间受到压缩，裂隙发育速度开始缩减，甚至出现弥合，渗水速度变慢。 试验发现，黏土隔水层的隔水稳定性主要与采动“上行裂隙”和“下行裂隙”的发育程度有关。当上行裂隙和下行裂隙导通，隔水层就会失稳，由此可以建立隔水层稳定性的判据。深入研究采动上行裂隙和下行裂隙的发育规律，探索合理的控制途径，是隔水层稳定性控制的可行途径。五五 结论结论借助正交试验确定了黏土隔水层的相似材料为石英砂、膨润土、硅油、凡士林。模型材料可以实现原型材料的低强度、大变形和隔水性相似。试验得出凡士林是良好的变形添加剂，有助于实现模拟黏土隔水层的低强度和大变形。硅油具有良好的非亲水性，可以控制相似材料的渗透性，模拟隔水层的水理性。凡士林和硅油的合理搭配，优势互补，可以实现黏土隔水层的仿真模拟。黏土作为骨料组分可以控制相似材料的强度、塑性和裂隙的弥合性。在传统相似条件基础上，提出了塑性特征参量作为塑性相似条件，建立了以吸水率和渗透速率为指标的水理性相似条件。通过系统的配比试验，获得了不同相似配比的隔水层力学和水理性变化规律，为确定不同比例和不同类型隔水层的相似配比提供了依据。针对榆树湾煤矿 20102 工作面条件，开展了长壁开采 “固液”耦