淺埋煤層綜放開采隔水層相似模擬材料的研究

淺埋煤層綜放開采隔水層相似模擬材料的研究

近年來，隨著數(shù)字礦業(yè)和綠色礦業(yè)的概念的提出，中國的采礦技術(shù)正朝著健康的方向發(fā)展。在這種背景下，隨著我國陜北和內(nèi)蒙古邊境地區(qū)閻神煤礦的開發(fā)建設(shè)，大型高強度扁平井的大規(guī)模開采導(dǎo)致的地表徑流流失越來越受到重視。在煤炭層的上層，在地表的砂質(zhì)粘土層和基本巖之間，有穩(wěn)定的距離石和三角帆粘土層。該土層是天然的隔水層。在沙層底部和底土之間，分配了寶貴的潛水資源。掌握采礦和蓄水的影響規(guī)律是實現(xiàn)保水開采的基礎(chǔ)。長期以來,物理相似模擬作為礦山巖層控制的主要研究手段得到廣泛應(yīng)用,并在采礦、水利和巖土工程領(lǐng)域得到工程驗證,解決了大量的工程難題.然而,傳統(tǒng)的物理相似材料模擬主要限于脆性固體材料模擬領(lǐng)域的研究與應(yīng)用.由于黏土隔水層的強塑性(非脆性)以及采動潛水流失涉及的固液兩相介質(zhì)問題,尚屬于國內(nèi)外正在探索的新課題,如美國WestVirginiaUniversity,該校目前也正在開展著保護地表水體的開采研究,由于缺少物理模擬實驗室,該校主要采用數(shù)值計算的辦法.在該課題中,確定合理的隔水層相似材料,實現(xiàn)低強度、大變形和水理性相似是研究的技術(shù)關(guān)鍵.該問題既是采礦工程的前沿課題,也是物理模擬實驗技術(shù)的難題.在黏土隔水層物理相似模擬實驗中,根據(jù)實驗要求,除滿足相似模擬對材料的一般強度要求外,還應(yīng)滿足變形、水理性等.根據(jù)實驗?zāi)康?結(jié)合材料的性質(zhì),選擇最能實現(xiàn)實驗要求的多種原料進行實驗對比,以確定最佳的原料.根據(jù)相似理論及前人研究成果,這些性能主要由膠結(jié)劑來實現(xiàn).現(xiàn)選取了多種具有相關(guān)性質(zhì)的膠結(jié)材料——硅油、水玻璃、凡士林.這幾種膠結(jié)劑及其相互組合對相似材料性能的影響程度如何,需通過實驗來測定試件的性能參數(shù).通常將不同的膠結(jié)劑與骨料按不同配比,制做試件測定參數(shù)進行分析評定.按傳統(tǒng)方法用單因素輪換安排試驗,考察的因素水平限于局部區(qū)域,不能全面地反映因素的全面情況;采用全面法時,這幾種膠結(jié)材料及其相互間的組合共7種方案,再與骨料按不同配比(水平)結(jié)合,則需要大量的工作量,相當(dāng)費時、費力.如何減少實驗工作量,又能確定最佳的膠結(jié)劑,對相似材料的確定有著重要意義.借助正交法原理進行實驗設(shè)計,可以達(dá)到在最小的實驗范圍內(nèi)選定最優(yōu)材料的目的.1膠結(jié)劑的篩選試驗根據(jù)過去的研究,選擇硅油、水玻璃、凡士林等膠結(jié)劑作為影響模擬材料塑性變形和非親水性的3個因素,以不同的取值為3水平,3者之間沒有交互作用.因素及各水平取值見表1,此表為L9(34)正交表(表中各水平數(shù)值為單個試件中各膠結(jié)劑的添加的質(zhì)量,單位:g),據(jù)此安排膠結(jié)劑選取試驗.根據(jù)膠結(jié)材料選擇的原則,膠結(jié)劑應(yīng)使試件具有非親水、低滲透性、易變形性.因此,以表征試件的變形能力的楊氏模量(E)、滲透性(v,單位時間的滲透能力)作為實驗的指標(biāo).2膠結(jié)劑對材料性能的影響依據(jù)實驗方案,對試件進行抗壓強度及滲透性能測定實驗,獲得不同實驗方案條件下E,v的值,見表2.本實驗為多指標(biāo)正交實驗,對指標(biāo)的分析采用綜合評分法.根據(jù)實驗的目的,所選的兩個指標(biāo)應(yīng)具有相等的重要性,即實驗必須同時具備這兩個指標(biāo)的要求,所以兩個指標(biāo)的權(quán)重應(yīng)是一樣的,各取0.5,二者之和為綜合量化指標(biāo).通過表2可以發(fā)現(xiàn):1)對于指標(biāo)E,R3>R1>R2;對于指標(biāo)v,R1>R3>R2;對于綜合指標(biāo),R3>R1>R2.在這3種膠結(jié)劑中,凡士林對模擬材料的塑性影響最大,硅油次之;而硅油對材料的滲透性能影響最大,凡士林次之;水玻璃的參數(shù)值都是最小的.對彈模影響的顯著性方面,凡士林、硅油的顯著參數(shù)R分別是水玻璃的13倍和8倍.2)就單因素含量來看,各種材料又具有不同的特點,需要在配制模擬材料時斟酌采用.水玻璃,隨著其含量的增加指標(biāo)E增大,說明了水玻璃是不利于材料的變形的.硅油對于E,v,都是在第2水平時最大,然后減小,在較低或較高的水平有利于材料性能改進.凡士林對材料性能的影響是隨著含量的增加而愈加顯著.3)根據(jù)實驗結(jié)果分析,各因素對兩指標(biāo)影響的主次關(guān)系見表3.由表3可見,硅油、凡士林對兩指標(biāo)影響較大,其原因應(yīng)歸結(jié)于硅油的油性即非親水性,它對滲透性能的影響稍大于凡士林,即其非親水性相對稍優(yōu)于凡士林;對材料的變形影響來看,凡士林又優(yōu)于硅油,即有利于增進材料的塑性變形;而對于水玻璃來看,不管是對指標(biāo)E,v,或是對于綜合評價,均較差,應(yīng)予舍棄.計算分析實驗數(shù)據(jù),首先計算每列各水平下的數(shù)據(jù)和K1,K2,K3及每列的極差R.根據(jù)計算結(jié)果,繪出因素與指標(biāo)關(guān)系圖見圖1.從對E,v的影響程度來看,由于硅油和凡士林各有千秋,可以通過二者的不同配比,優(yōu)勢互補,實現(xiàn)黏土隔水層的模擬.3地表黏土隔水層的模擬根據(jù)正交試驗分析,通過系列的具體配比實驗,可以比較準(zhǔn)確地取得不同配比條件下的模擬材料性質(zhì)曲線,從而可得出供模擬陜北淺埋煤層地表黏土隔水層的非脆性、低強度、大變形和水理性相似的配比方案.3.1相似材料的特性由于陜北淺埋煤層地表隔水層為離石黃土和三趾馬亞黏土組成,其強度比一般的沉積巖層弱,因此,研究模擬低強度隔水層的材料配比是模擬研究的首要問題.隔水層材料的配比是試件強度的決定因素,其中骨料與膠結(jié)劑之比對強度的影響最顯著.選擇砂和土作為主要模擬材料,稱為骨料.砂子提供強度和脆性,土提供可塑性和強水理性,合理的骨料配比控制材料的基本性質(zhì).凡士林和硅油作為添加劑,這里叫做膠結(jié)劑.凡士林主要用于提供塑性大變形,硅油主要用于控制材料的親水性和彌合性(水理性).不同的砂土比條件下的強度變化如圖2.從圖2中可以看出,試件強度隨著骨膠比、砂土比的變化呈現(xiàn)出較明顯的規(guī)律.1)當(dāng)砂土比大于1∶1時,試件的強度隨著砂土比的減小大幅度增大.此刻,砂土處于比較松散的狀態(tài),土的含量不足以包裹砂子,配比材料比較松散,并且具有脆性.2)砂土比為1∶1時,各骨膠比(骨料和膠結(jié)劑之比)條件下的材料強度基本都達(dá)到極大值.該比例下,砂和土膠結(jié)充分,但塑性體現(xiàn)弱.3)當(dāng)砂土比小于1∶1后,隨著砂土比的減小,材料的強度逐漸降低.此刻,土體的性質(zhì)逐漸突出,并且隨著骨膠比的減小,材料強度也不斷下降.在砂土比為1∶2之后,這一趨勢更加明顯.4)隨著砂土比的降低,試件的土性能逐漸明顯,試件強度向低強度發(fā)展,應(yīng)力應(yīng)變?nèi)珗銮€與黏土隔水層的相似,如圖3所示.砂土比小于1∶2時,相似材料表現(xiàn)出明顯的峰后塑性特性.隨著砂土比、骨膠比和硅凡比(硅油∶凡士林)的不同,可以模擬不同的強度和變形性質(zhì),實現(xiàn)黏土隔水層所需要的相似特性.3.2塑性段應(yīng)力應(yīng)變特征模擬黏土隔水層的塑性性質(zhì)是開展淺埋煤層采動地表隔水層穩(wěn)定性的關(guān)鍵,也是實施保水開采的研究基礎(chǔ).由材料的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)糖€可知,材料在過了屈服限后,在較小的應(yīng)力下將發(fā)生較大的變形.故選擇材料屈服并達(dá)到峰值強度后的單位應(yīng)力下降的變形能力來表達(dá)材料塑性段的應(yīng)力應(yīng)變特征,即塑性的相似特征參量α=σt?σcεc?εt,α=σt-σcεc-εt,式中:α為塑性特征參量;σt為材料的峰值強度;σc為材料的殘余強度;εc為材料峰值強度時的應(yīng)變量;εt為材料殘余強度時的應(yīng)變量.塑性特征參量α值越小,即變形越大,塑性表現(xiàn)越明顯.通過實驗發(fā)現(xiàn)(圖4),材料的塑性與骨料、膠結(jié)劑的組成決定.1)在不同的砂土比下,試件塑性均隨著骨膠比的加大(即膠結(jié)劑含量的增加)而增強.特別是隨著凡士林含量增大峰后曲線下降較明顯.2)在相同的膠結(jié)劑含量下,試件塑性均隨著砂土比的減小(即黏土含量增加)而呈現(xiàn)出明顯的增強趨勢.砂土比減小時,峰后曲線下降快,塑性特征明顯,材料呈現(xiàn)出塑性破壞.3)在砂土比較大的情況下,塑性很差,表現(xiàn)為脆性特征.3.3固液耦合模擬技術(shù)采用地表水流失規(guī)律的模擬,需要考慮固液耦合模擬技術(shù).長期以來,制約固液耦合模擬的一個難題就是模擬材料的吸水性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于原巖的吸水性,并且模擬材料吸水后會影響材料的力學(xué)性質(zhì).因此,模擬材料的非親水性和滲透性控制是采用固液耦合模擬技術(shù)研究采動水土流失規(guī)律的關(guān)鍵.為了控制模擬材料的親水程度,這里選取表征參量為1a吸收容量a=m水/m0,a=m水/m0,式中:m水為見水后試件質(zhì)量的增量;m0為試件干質(zhì)量.非親水性越強在相同時間內(nèi)其吸水比越小.2砂性充填料/蝦料比對v=l/t,v=l/t,式中:l為水浸入的軸向長度,mm;t為觀測時間,h.該指標(biāo)可以表征材料的隔水性.實驗分析得出,黏土和膠結(jié)劑含量對材料的吸水性起決定作用.吸水量a與黏土、膠結(jié)劑含量成反比,如圖5所示.當(dāng)砂土比1∶1(黏土占骨料一半)時,a迅速地降低;隨著砂土比的進一步降低,黏土為主要成份,a趨于穩(wěn)定.如當(dāng)砂土比為1∶6時,模型基本為土質(zhì),其吸水性已穩(wěn)定.材料的滲透性仍與黏土及膠結(jié)劑的的含量有著密切的關(guān)系,如圖6所示.當(dāng)黏土含量較小時,材料的非親水性主要由硅油體現(xiàn).在砂土比為2∶1時可明顯看出膠結(jié)劑量的增大對非親水性的影響,但隨著黏土比例增大,硅油對非親水性的影響減小(油充溢在空隙中),轉(zhuǎn)而由黏土起作用.當(dāng)黏土比例達(dá)到一定程度,滲透性能也趨于穩(wěn)定,當(dāng)膠結(jié)劑的含量比達(dá)到7∶1和6∶1時,其對非親水性的影響程度已不是很大.3.4材料比的確定黏土隔水層的一個重要特性是其裂隙遇水后具有彌合特性,該性質(zhì)是隔水層穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵參數(shù).對該性質(zhì)的準(zhǔn)確模擬,可以為提出合理的開采方法提高煤炭采出率奠定基礎(chǔ).黏土隔水層裂隙的彌合性是隔水層采動水理性的重要性質(zhì).裂隙的彌合主要與材料遇水膨脹有關(guān).因此,材料的遇水膨脹率Vh,間接表征材料的彌合性,其值的大小反映了材料的膨脹效果即材料彌合性能的強弱.材料的膨脹能力主要由黏土決定,膠結(jié)劑對膨脹性影響不明顯,不同的骨膠比下的膨脹率差別不大(圖7).在黏土比達(dá)到1∶3后,Vh增大趨勢較大,當(dāng)試件的性質(zhì)為土質(zhì)時,Vh增幅趨于定值.根據(jù)上述系列研究,砂土比為(1∶5)～(1∶6),骨膠比為(7∶1)～(6∶1)交差組成的配比區(qū)域,其材料的性能比較符合保水開采的隔水層模擬研究的要求.初步確定砂土比為1∶5,骨膠比為7∶1,硅凡比為1∶2.5可模擬離石黃土,砂土比為1∶6,骨膠比為6∶1,硅凡比為1∶3可模擬三趾馬紅土.4相似材料實驗研究黏土隔水層的模擬是開展淺埋煤層采動水土流失規(guī)律和保水開采控制研究的關(guān)鍵.隔水層的相似材料的配制是實驗成功的前提,也是當(dāng)前物理相似材料模擬的難題.本文通過正交實驗方法,對隔水層模擬材料及其添加劑對相似材料強度、變形和水理性等