黏土隔水层相似材料的研究

黏土隔水层相似材料的研究

1总结“固液”耦合是渗流场和应力场之间的耦合作用。固液耦合研究的重点是固体介质和液体介质之间的力学耦合基本原理。2原料筛选单因素试验在“固–液”两相相似模拟试验中,相似材料的选取是前提。国内外不少机构和学者已经开展了有关多相介质模拟试验的探索,乌克兰科学院曾采用沙、石蜡油、石墨混合物作相似材料模拟发生在泥质岩石层的底膨,其模型比例为1∶100。W.R.Jacoby和H.Schmeling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。(1)骨料通过对多组试验数据处理,骨料确定为石英砂和膨润土。在相同的相对密度下,石英砂比粗砂粒的内摩擦角较小,颗粒粒径大的粗砂粒的强度高,故应选用磨圆度好、粒径小的石英砂作为骨料,控制相似材料的强度。膨润土具有低渗透性、低扩散性、强膨胀性、强自封闭性和强自愈合能力。鉴于隔水层的黏土矿物含量高,具有较强的延性和水理性,可使开采形成的裂隙易于闭合并产生隔水特性,选择具有低渗透性、强膨胀性特征的膨润土作为骨料的另一组分,实现隔水层的变形和水理性模拟。(2)胶结剂胶结剂经过多组试验确定为硅油和凡士林。硅油具有较大黏度,不错的封闭性。凡士林化学惰性好、黏附性好、亲油性和高密度,凡士林极具防水性,不易和水混合等特点。通过多组试验发现凡士林对提高材料的力学性能(塑性变形)优于硅油,而硅油对提高材料的渗透性能(非亲水性)效果好,故确定为两者的组合。3抗压试验测定应力–应变变化规律根据试验目的,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。3.1内摩擦角的影响利用模拟方法研究保水采煤的目的就是为了测定隔水层的稳定性及隔水层上覆水体在开采过程中有无溃水现象。在进行相似模拟试验设计时,应根据所研究对象的特殊性确定其相似条件,即原型和模型有关参数应满足的关系(1)应力–应变关系:式中:α(2)强度相似关系:式中:α(3)动力学相似关系:式中:σ(4)制约关系强度相似条件为式中:[σ黏聚力相似条件为式中:[c]内摩擦角是量纲一的变量,所以在模型与原型中α(5)时间、初始及边界条件相似时间相似常数α原型岩土体是结构体和结构面的统一体,所以岩土体结构的分布情况与其力学特性要在模型上充分考虑,使之满足与原型相似的要求。边界条件相似就要保证模型与原型在边界接触面上的位移和应力状态的一致性,减小试验的边界效应,提高试验的精度。(6)针对黏土隔水层的特点,还要求相似材料在塑性、水理性方面的相似,目前这方面的研究很少。基于隔水层黏土的应力–应变全程曲线分析,提出塑性特征参量作为塑性相似参数,吸水率和渗透系数作为水理性相似参数。(1)塑性特征参量材料达到峰值强度后的应变软化段的斜率可以表征材料的塑性特征,可以用达到残余强度时的应力下降量与对应的应变增长量之比来表示,称为塑性特征参量:式中:σ(2)吸水率材料的亲水性是其水理性的主要特征之一,在相同时间内其吸水量越大,亲水性越强,与水反应的可能性越高。因此,选择吸水率a作为表征水理性的相似指标之一:式中:m(3)渗透性参数水在隔水层材料内的渗透性可以综合表征隔水层的隔水能力,是隔水层水理性的综合指标,用渗透速率来表示:式中:v为渗透速率(mm/h),l为水浸入试件的轴向长度(mm),t为观测时间(h)。3.2模型试件的测试通过对选定的骨料和胶结剂做进一步的力学、水理学试验得到以下规律:如图3所示,模型试件的强度随着砂土比的减小先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。由图4可知,在不同的砂土比下,试件塑性均随着骨胶比的加大(即胶结剂含量的增加)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(即黏土含量增加)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。图5为当骨胶比为8.0∶1.0,砂土比为1∶2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性破坏,无明显的剪切带破坏面,外形上表现为鼓胀破坏。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7.0∶1.0和6.0∶1.0时,随着砂土比的下降(黏土比例的增加),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。4采动“下行裂隙”—固液耦合模拟试验以榆树湾煤矿20102工作面为原型开展模拟,开采2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为:离石黄土,骨胶比为7.0∶1.0,砂土比为1.0∶6.0,硅:凡为1.0∶2.5,水土比为0.15。三趾马红土,骨胶比为6.0∶1.0,砂土比为1.0∶6.0,硅:凡为1.0∶3.0,水土比为0.17。模拟结果表明,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。5基于正交试验的数值试验采动隔水层稳定性研究是开展采动水土流失规律和保水开采研究的关键。隔水层固液耦合相似材料及其配比的研究是隔水层稳定性的前提,也是当前相似材料模拟的难题。本文在分析隔水层物理力学特性及水理性的基础上,采用正交试验方法设计筛选试验,以强度、塑性和水理性为评价指标,进行了系统的试验研究,得出主要结论如下:(1)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。(2)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。(3)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