黏土隔水層仿真模擬實驗加水因子影響規(guī)律研究

張 沛

(西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西西安 710054)

黏土隔水層仿真模擬實驗加水因子影響規(guī)律研究

張 沛

(西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西西安 710054)

隔水層的采動隔水性研究是實現(xiàn)淺埋煤層保水開采的關(guān)鍵,物理相似模擬是研究的重要手段。通過選取加水因子,對黏土隔水層物理模擬實驗中加水量對模型的影響程度進行了研究,得出加水因子影響規(guī)律,為實現(xiàn)仿真模擬奠定了基礎(chǔ)。

黏土隔水層;相似模擬;保水開采;加水因子

陜北榆樹神府礦區(qū)大部分地區(qū)松散風積沙層下存在著由第四系中更新統(tǒng)離石黃土 (Q21)和第三系上新統(tǒng)三趾馬紅土 (N2)組成的黏土層,為砂層含水層的直接隔水底板,是該地區(qū)重要的隔水層。隔水層之上蘊藏著寶貴的潛水,對脆弱的地表植被生長起著關(guān)鍵作用;同時也是該地區(qū)居民生活和工業(yè)優(yōu)質(zhì)用水水源。由于煤層埋藏淺,頂板基巖一般比較薄[1],隨著礦區(qū)大規(guī)模的開發(fā),淺埋煤層開采引起的地表水土流失問題日益受到關(guān)注。

隔水層的采動隔水性研究是實現(xiàn)淺埋煤層保水開采的關(guān)鍵,對于礦區(qū)綠色礦山[2]建設(shè)有重要意義。物理相似模擬實驗是礦山巖層控制的主要研究手段之一。為研究隔水層的采動隔水性,對黏土隔水層相似材料進行了專門的研究[3],除考慮一般相似材料的強度要求外,還考慮了變形、水理性等因素,選取了硅油和凡士林為膠結(jié)劑,膨潤土和石英砂為骨料作為相似材料。

在配制大多數(shù)相似材料時,均需用水來拌和其他相似原料[4]。水在配制相似材料中的作用主要表現(xiàn)在 3方面:一是作為相似材料之一;二是大部分膠結(jié)材料需在水的作用下才能凝結(jié),起到對充填材料的膠結(jié)作用;三是滿足制作模型的工藝要求。

水的含量對土性質(zhì)的影響很大,而離石黃土與三趾馬紅土隔水層的含水量達到了 12%以上,水已為土層的組成部分之一。所選用的膠結(jié)材料為膨潤土,其膠結(jié)作用需水來實現(xiàn),同時在水的拌和下,模型的制作也容易。因此,有必要對模型制作過程中加水量進行研究以確定不同含水量對模型性能的影響程度,從而為實現(xiàn)仿真模擬奠定基礎(chǔ)。

1 加水因子的選取

在進行仿真模擬所選取的相似材料中,水對膨潤土的作用效果最顯著,二者間的作用是相似模型性質(zhì)的主要影響因素之一,所以選取模型制作中所加水的質(zhì)量m水與所用膨潤土的質(zhì)量m土的比值作為加水因子ω。即:

2 加水因子的影響規(guī)律

2.1 加水因子對試樣強度的影響規(guī)律

在滿足工藝及膠結(jié)劑需水量情況下,用 5組不同的加水因子來研究強度隨加水因子的變化規(guī)律,得到強度 (σ)與加水因子 (ω)的關(guān)系曲線,如圖1所示。

圖 1 試件強度與加水因子關(guān)系曲線

由強度與加水因子關(guān)系曲線可以得出:

(1)σ隨ω的增大呈現(xiàn)先增大,至極值,然后減小的變化過程。

(2)當ω <0.1時,σ隨ω的增大而增大。說明試件中的水量小于使膨潤土全部起膠結(jié)作用的量,未能與其充分作用。

(3)當ω =0.1時,σ到極值。說明膨潤土在水的作用下,膠結(jié)性發(fā)揮至最大。

(4)當ω >0.1時,σ隨ω的增大而變小。說明試件中的水量已過飽和,試樣內(nèi)部顆粒外圍的結(jié)合水膜半徑增大,相互間作用力減弱,試件逐漸呈現(xiàn)“軟化”,進入可塑狀態(tài)。

2.2 加水因子對試樣力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律

通過試驗,得出在加水因子分別取 0.1,0.15和 0.25時,試樣的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€,如圖 2。從圖中可以得到:加水因子對試樣的力學(xué)性質(zhì)有著較強的影響,隨著加水因子的增大,試樣的全應(yīng)力應(yīng)變曲線由陡峭向平滑過渡,試樣的變形能力增強。隨著加水因子的增大,試樣內(nèi)部的水量增多,內(nèi)部顆粒間的水膜加厚,相互間的吸力減弱、內(nèi)部摩擦力減小,在外界壓力作用下各顆粒間錯動容易沿水膜滑移,試樣整體外觀上呈現(xiàn)出變形變異的趨勢。

圖 2 不同加水因子下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.3 加水因子對試樣滲透性的影響規(guī)律

通過試驗,得出試樣的滲透速率隨加水因子的變化曲線,如圖 3所示。由圖 3可以得到:

(1)試樣的滲透速率隨加水因子的增大呈先減少后增大的變化過程。

(2)當ω =0.1～0.15時,試件的滲透速率較小,抗?jié)B性能較好。這與水與膨潤土的作用關(guān)系有關(guān)。

圖 3 試樣滲透速率與加水因子關(guān)系曲線

2.4 加水因子對試樣膨脹性能的影響規(guī)律

加水因子對試樣的膨脹變形有著較大的影響,通過試驗得出試樣膨脹率與加水因子關(guān)系曲線,如圖 4。由此可知,試樣的膨脹率隨加水因子的增大而減小。試樣的加水因子越大,就越接近脹限含水量,則膨脹的余地就越小,最終的膨脹量就不大。

圖 4 試樣膨脹率與加水因子關(guān)系曲線

3 結(jié)論

(1)可選取模型制作中所加水的質(zhì)量與所用膨潤土的質(zhì)量的比值作為加水因子,定量描述水在模擬實驗中的作用程度。

(2)試樣強度隨加水因子的增大呈現(xiàn)先增大至極值,然后減小的變化過程;隨著加水因子的增大,試樣的全應(yīng)力應(yīng)變曲線由陡峭向平滑過渡,試樣的變形能力增強;試樣的滲透速率隨加水因子的增大呈先減少后增大的變化;試樣的膨脹率隨加水因子的增大而減小。

[1]黃慶享 .淺埋煤層長壁開采頂板結(jié)構(gòu)與巖層控制研究 [M].中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2000.

[2]李 純,馬俊楓,劉全明 .綜放采場圍巖壓力分布規(guī)律相似材料模擬實驗研究 [J].煤礦開采,2007,12(4).

[3]錢鳴高,許家林,繆協(xié)興 .煤礦綠色開采技術(shù) [J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003,32(4):343-348.

[4]黃慶享,侯志成,張文忠,等 .黏土隔水層相似材料膠結(jié)劑的正交實驗分析 [J].采礦與安全工程學(xué)報,2007,24 (1):42-46.

[5]顧大釗 .相似材料和相似模型 [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1995.

[責任編輯:李宏艷]

Influence Rules ofWatering Ratio in Simulation Experiment of Clay Aquiclude

ZHANG Pei

(Energy School,Xi’an University of Science&Technology,Xi’an 710054,China)

Research on impermeability of aquiclude is the key to realizingminingwithout destroyingwater resource under shallow buried condition and analogue simulation is an important method for that.This paper researched influence of watering ratio on model in simulation experiment of clay aquiclude by selectingwater amount.It obtained influence rules ofwatering ratio and provided basic data for simulation.

clay aquiclude;analogue simulation;miningwithout destroyingwater;watering ratio

TD325

A

1006-6225(2010)05-0024-02

加水因子,可定量描述水在模擬實驗中的作用程度,從而可確定在不同相似配比下的用水量,也易控制制模的用水量提高制模效率,同時,也可以綜合考慮用水量、膠結(jié)量對強度、滲透性影響程度。

2010-03-30

張 沛 (1979-),男,河南泌陽人,在職博士,主要從事礦山巖層控制的教學(xué)和研究工作。