新型流固耦合相似模擬材料的抗水性實(shí)驗(yàn)研究

新型流固耦合相似模擬材料的抗水性實(shí)驗(yàn)研究

連會(huì)青1,2，夏向?qū)W1，冉偉1,趙啟峰1

(1.華北科技學(xué)院,河北 三河 065201；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京), 北京 100083)

[摘要]相似模擬實(shí)驗(yàn)是研究礦井突水機(jī)理的一種重要手段，流固耦合相似模擬材料的高抗水性能至關(guān)重要。以石圪臺(tái)煤礦存在頂板突水潰砂風(fēng)險(xiǎn)的工作面為對(duì)象，開(kāi)展了流固耦合相似材料配比實(shí)驗(yàn)工作。針對(duì)實(shí)際巖層(中砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、煤層、細(xì)砂巖)，利用中粗砂、石膏、碳酸鈣、石蠟和凡士林按一定配比均勻攪拌壓制成試件，各組試件經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)后測(cè)定其滲透率，并計(jì)算滲透系數(shù)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)隔水層滲透性參數(shù)和巖土滲透性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將滲透系數(shù)小于10-5cm/s作為抗水性良好的判別準(zhǔn)則，共完成48組實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明：隨著石蠟摻量增大，試件的強(qiáng)度變大、柔性減弱，當(dāng)石蠟的摻量大于8%時(shí)抗水性能良好；在摻入8%石蠟的基礎(chǔ)上，摻入8%凡士林可以減少試件彈性模量，增強(qiáng)變形能力；凡士林和石蠟的合理搭配，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可制作出抗水性能較好的流固耦合相似材料。

[關(guān)鍵詞]流固耦合；相似模擬材料；抗水性；配比實(shí)驗(yàn)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TD745[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[收稿日期]2014-06-06

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.004

[作者簡(jiǎn)介]連會(huì)青(1975-)，女，山西忻州人，博士 ，副教授，研究方向?yàn)榈V井水文地質(zhì)。

Experimental Research on Water-resistance Property of New-style Fluid-solid

Coupling Material for Analogue Simulation

LIAN Hui-qing1,2, XIA Xiang-xue1, RAN Wei1, ZHAO Qi-feng1

(1.North-China Science & Technology Institute, Sanhe 065201, China; 2.China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China)

Abstract:Analogue simulation is an important method for researching water burst mechanism of mine and high water-resistance property of fluid-solid coupling simulation material is the key.For mining face with roof water burst danger in Shigetai Colliery, matching experiment of fluid-solid coupling analogue simulation material was made.Applying medium-coarse sand, plaster, calcium carbonate, paraffin and vaseline to stirring evenly with some proportion and simulating actual rock strata (medium sandstone, sandy mudstone, siltstone, coal-seam, fine sandstone), permeability ratio of every group specimen was tested and permeability coefficient was calculated.According to classification criterion of permeability parameters, using the permeability coefficient which was smaller than 10-5cm/s as indication value of high water-resistance property, 48 groups experiment was finished.Results showed that with paraffin content increasing, specimen's strength rose and flexibility reduced, when paraffin content was larger than 8%, water-resistance property was excellent, on the basis of this, 8% of vaseline mixture could reduce specimen's elastic module and improve deformation ability.Rational mixture of vaseline and paraffin could make fluid-solid coupling material with high water-resistance property.

Keywords:fluid-solid coupling; analogue simulation material; water-resistance property; matching experiment

[基金資助]“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃實(shí)施方案(2012BAK04B04)；河北省自然科學(xué)基金(E2013508123)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-11-0838)；973計(jì)劃(2013CB227903)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142013117，3142013035)

[引用格式]連會(huì)青，夏向?qū)W，冉偉，等.新型流固耦合相似模擬材料的抗水性實(shí)驗(yàn)研究[J].煤礦開(kāi)采，2015，20(1)：12-16.

相似模擬是研究具體工程規(guī)律的重要方法，眾多學(xué)者在滲流、突水相似模擬實(shí)驗(yàn)方面積累了大量成果[1-6]。其中，流固耦合問(wèn)題的相似模擬一直是研究的難點(diǎn)，主要是充當(dāng)隔水層的材料抗水性研究，因此開(kāi)展不同配比方案材料的抗水性研究是流固耦合模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。黃慶享借助正交實(shí)驗(yàn)確定了黏土隔水層的相似材料配比為：離石黃土和骨(砂子和黏土)膠(硅油和凡士林)比為7.0∶1.0，砂土比為1.0∶6.0，硅凡比為1.0∶2.5，水土比為0.15；賀顯群選擇重晶石粉、河沙、固體石蠟、液體石蠟作為隔水層的相似材料，當(dāng)骨料配比為60%時(shí)，滲透系數(shù)為1.5×10-3m/d；李樹(shù)忱選用砂和滑石粉作為骨料，石蠟作為膠結(jié)劑，對(duì)流固耦合相似材料進(jìn)行研制，其中，細(xì)砂巖的比例為石蠟∶砂∶滑石粉∶液壓油=1.0∶16.0∶4.0∶1.0；張杰和侯忠杰對(duì)基巖層的“固-液”耦合相似材料及配比也開(kāi)展了相關(guān)研究。

在已有研究成果中為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)材料抗水性，主要選擇的添加劑有硅油、凡士林、石蠟，但文獻(xiàn)中可供參考的材料配方較少，而且沒(méi)有考慮同時(shí)選用石蠟和凡士林來(lái)改善材料抗水性的成果。

本文以中粗砂、石膏、碳酸鈣、石蠟和凡士林為實(shí)驗(yàn)材料，開(kāi)展了流固耦合相似模擬材料抗水性的研究。

1流固耦合相似材料配比實(shí)驗(yàn)

1.1　相似材料的選擇

(1)骨料骨料的選擇直接影響相似材料的彈性模量、密度及強(qiáng)度等，骨料性質(zhì)的變化將對(duì)相似材料的性能產(chǎn)生一定的影響，因此，本實(shí)驗(yàn)選用性能較為穩(wěn)定的石英砂為骨料，進(jìn)行前期探索實(shí)驗(yàn)以及研究各種原材料的摻入與摻量對(duì)整體材料的影響。同時(shí)，由于模型實(shí)驗(yàn)體型較大，使用石英砂制作將導(dǎo)致模型實(shí)驗(yàn)成本較高，因此完成探索實(shí)驗(yàn)后，選用河砂進(jìn)行中后期實(shí)驗(yàn)研究。最終確定由細(xì)度模數(shù) 2.7、泥量 2%的河砂作為骨料。

(2)膠結(jié)材料相似材料是用膠質(zhì)物和填料組合而成，而膠結(jié)材料的力學(xué)性質(zhì)在很大程度上決定了相似材料的力學(xué)性質(zhì)[11]。膠結(jié)材料分類(lèi)詳見(jiàn)表1。

表1　膠結(jié)材料分類(lèi)

石膏一般采用熟石膏，其初凝時(shí)間為4min,終凝時(shí)間10min，密度1.2g/cm3，能夠用作膠結(jié)材料。碳酸鈣是一種膠結(jié)材料脆性劑，單軸抗壓強(qiáng)度比較低，但在干燥過(guò)程中強(qiáng)度會(huì)增加。根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)規(guī)格，確定相似比例為1∶100，根據(jù)相似原理，要求抗壓強(qiáng)度0.1～1.0MPa，且同時(shí)具有較高的抗水性，因此本實(shí)驗(yàn)優(yōu)先選用抗水性較好的膠結(jié)材料。 最終選用碳酸鈣和石膏等為輔助膠結(jié)材料；石蠟和凡士林作為抗水性改性材料。

1.2　試件制作

試件采用圓柱形模具統(tǒng)一制作,幾何尺寸直徑50mm、高100mm。根據(jù)配比計(jì)算實(shí)驗(yàn)中河砂、碳酸鈣、石膏、凡士林、石蠟的用量，來(lái)配置相似材料。首先將膠凝材料置于攪拌鍋中并放到加熱裝置上加熱熔化,然后將配好的骨料倒入攪拌鍋中使材料攪拌均勻,在攪拌過(guò)程中溫度必須保持50℃以上 ,一方面保證材料受熱均勻,另一方面使熔化后的膠凝材料與骨料混合均勻。

為保證試件的質(zhì)量應(yīng)注意：在制作試件之前,先在模具的內(nèi)表面涂潤(rùn)滑油以便拆模；向模具內(nèi)注入混合材料時(shí),邊注入邊攪拌,裝料時(shí)使混合物高出試模上口并迅速用搗具壓實(shí)搗緊；實(shí)驗(yàn)材料冷卻成型之后拆模，在自然條件下養(yǎng)護(hù)至完全干燥硬化；對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)以備測(cè)試。

1.3　實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

依據(jù)石圪臺(tái)礦井綜合地質(zhì)柱狀圖，確定石圪臺(tái)礦的典型巖層為中砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、煤層、細(xì)砂巖。首先完成針對(duì)地層的固相模擬材料的配比實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，選擇幾種添加劑開(kāi)展抗水性實(shí)驗(yàn)。

固相模擬材料配比共設(shè)計(jì) 5組實(shí)驗(yàn)，最終確定各巖層固相相似材料配比見(jiàn)表2。

表2　各巖層固相實(shí)驗(yàn)的配比

1.4　試件參數(shù)測(cè)試

根據(jù)石圪臺(tái)地質(zhì)條件、實(shí)驗(yàn)臺(tái)規(guī)格及相似理論，確定要制作的試件抗壓強(qiáng)度在0.1~1.0 MPa左右。調(diào)節(jié)石蠟和凡士林的配比，制作出不同配比下的多組試件，每組測(cè)試試件3個(gè)，然后對(duì)測(cè)試結(jié)果值平均處理，作為試件在該配比下的抗壓強(qiáng)度。選擇部分試件進(jìn)行浸水實(shí)驗(yàn)，觀察并測(cè)試浸水后的試件狀態(tài)、力學(xué)參數(shù)和吸水率最終選擇符合實(shí)驗(yàn)要求的試件配比。滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)使用東臺(tái)市燕山儀器總表廠生產(chǎn)的HLB系列恒流泵，測(cè)試試件滲透率并計(jì)算滲透系數(shù)。

圖1為力學(xué)實(shí)驗(yàn)完成后的試件，圖2為試件抗水性實(shí)驗(yàn)。共完成35組單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)；20組浸水實(shí)驗(yàn)；35組滲透率測(cè)試。

圖1　力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的試件

圖2　材料抗水性測(cè)試

2抗水性實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)既定的目標(biāo)是：要求材料既要有一定的強(qiáng)度，同時(shí)在進(jìn)行流固耦合實(shí)驗(yàn)時(shí)，材料具有極弱的滲透性能與吸水性能，在含水層水體入滲、水浸的條件下材料仍能保持一定的強(qiáng)度而不松散。因此，開(kāi)展了抗壓強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)、浸水性實(shí)驗(yàn)、滲透

性實(shí)驗(yàn)和吸水性實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)方案及參數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

2.1　抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

2.1.1“砂子∶碳酸鈣∶石膏”+石蠟的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

針對(duì)表2既定的5種地層材料配比，分別加入0%，5%，8%，10%的石蠟做膠結(jié)劑，制作不同配比的試件后，樣品在自然養(yǎng)護(hù)下7d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，當(dāng)凡士林的摻入量為0時(shí)，需摻入13%的水作為調(diào)節(jié)劑。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制石蠟摻量對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響曲線，如圖3所示。

從圖3中可以看出，不同的固相材料配比，隨“砂子∶碳酸鈣∶石膏”+石蠟的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石蠟含量為8%時(shí)強(qiáng)度已經(jīng)滿足要求、但柔性減弱，需增強(qiáng)試件的變形能力。凡士林極具防水性，不易和水混合有助于改善試件的隔水效果，增強(qiáng)試件變形能力。加入凡士林和石蠟比例分別是3%，5%，8%，自然養(yǎng)護(hù)7d測(cè)試參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制石蠟和凡士林摻量對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 石蠟和凡士林摻量對(duì)材料抗壓強(qiáng)度的影響曲線

表3　實(shí)驗(yàn)方案及參數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖3　石蠟摻量對(duì)材料抗壓強(qiáng)度的影響曲線

2.1.2“砂子∶碳酸鈣∶石膏”+石蠟+凡士林實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖4中可以看出，相同配比的試件的強(qiáng)度隨著凡士林和石蠟的增加抗壓強(qiáng)度增加， 由圖3～圖4可知，摻入凡士林可以減少試件強(qiáng)度，砂子∶碳酸鈣∶石膏=7∶6∶4時(shí)，摻入石蠟8%時(shí)抗壓強(qiáng)度是0.355 MPa，摻入石蠟和凡士林各8%時(shí)，抗壓強(qiáng)度是0.3 MPa，強(qiáng)度減少14%。

為了分析調(diào)節(jié)劑凡士林的性質(zhì)，選擇砂子∶碳酸鈣∶石膏=7∶4∶6，測(cè)試試件的峰前彈性模量，一共測(cè)試7組數(shù)據(jù)，每組測(cè)試3個(gè)試件，然后對(duì)測(cè)試結(jié)果值平均處理，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　材料彈性模量數(shù)據(jù)

從表4中可以看出，模型試件的彈性模量與凡士林的摻量有關(guān)。當(dāng)石蠟的摻入量為8%，凡士林摻入量為8%時(shí)，試件的彈性模量是28MPa。而只摻入8%的石蠟試件的彈性模量45MPa。凡士林摻入量增加，試件彈性模量減少、變形能力增強(qiáng)。

2.2　浸水性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，試件中石蠟的摻量為0時(shí)，放入水中，立刻開(kāi)始溶解，沒(méi)有研究必要，所以選擇石蠟摻量為5%，8%，10%的配比，試件放入水中24h后，進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度的測(cè)試。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制石蠟摻量對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響曲線，見(jiàn)圖5。

圖5　浸水后材料的單軸抗壓強(qiáng)度的變化曲線

從圖5可以看出，當(dāng)配比方案為砂子∶碳酸鈣∶石膏=7∶5∶5時(shí)石蠟摻量從5%到10%，7d抗壓強(qiáng)度從0.42MPa增加到0.486MPa，浸水后的試件抗壓強(qiáng)度從0.3852MPa增加到0.48MPa。浸水后的模型試件比未浸水的強(qiáng)度略有減少，但總體上變化不大。

2.3　滲透性實(shí)驗(yàn)

不同配比的材料試件，統(tǒng)一測(cè)試滲透率。為與現(xiàn)場(chǎng)地層滲透性能結(jié)合，將滲透率轉(zhuǎn)化為滲透系數(shù)，滲透率與滲透系數(shù)的關(guān)系：

式中，K為滲透系數(shù),m/d；k為滲透率,mD；γ為液體的密度，kg/m3；μ為粘滯動(dòng)力系數(shù),Pa·s。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)隔水層滲透參數(shù)和巖土滲透性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287-99)規(guī)定，巖土滲透性分級(jí))，選擇滲透系數(shù)小于10-5cm/s為抗水性良好的判別準(zhǔn)則。

根據(jù)計(jì)算公式，將表3滲透率轉(zhuǎn)化為滲透系數(shù)，得到的石蠟對(duì)相似材料滲透系數(shù)的影響關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6　石蠟摻量對(duì)材料抗壓強(qiáng)度滲透系數(shù)的影響曲線

由圖6可知，隨石蠟摻量增加試件滲透系數(shù)在減少，對(duì)于砂子∶碳酸鈣∶石膏的配比為7∶6∶4和7∶3∶7時(shí)，石蠟摻量小于5%時(shí)，試件滲透系數(shù)線性減少速度較快；當(dāng)石蠟摻量大于5%時(shí)，砂子∶碳酸鈣∶石膏的不同配比情況下，各組試件滲透系數(shù)取值和變化規(guī)律趨于一致，呈現(xiàn)速度相近的線性減少規(guī)律?？梢?jiàn)，石蠟的不同摻量對(duì)材料滲透性能起到關(guān)鍵的控制作用，5%的摻入量對(duì)不同配比試件的滲透性能來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)?？疾椴煌嚰B透系數(shù)值的變化，各試件的材料配比方案均能滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)隔水層的要求。例如，砂子∶碳酸鈣∶石膏的配比為7∶6∶4，石蠟摻量從3%增至10%時(shí)，滲透系數(shù)從2.09×10-5cm/s減小至 0.127×10-5cm/s，也完全滿足要求。可見(jiàn)，材料固相配比一定時(shí)，抗水性主要由石蠟摻量來(lái)體現(xiàn)。

2.4　吸水性實(shí)驗(yàn)

以石圪臺(tái)礦地質(zhì)條件為研究對(duì)象， 并結(jié)合前人研究成果，確定了固相材料配比，抗水性材料石蠟的摻量為5%～8%，為了進(jìn)一步模擬試件的親水性能，進(jìn)行了吸水量實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)自然養(yǎng)護(hù) 7d 后的試件進(jìn)行稱(chēng)重，并測(cè)量其上下部位的直徑及高度，然后浸水24h，試件浸泡水中時(shí)，每隔2h測(cè)試試件質(zhì)量的變化，以測(cè)量其吸水量，共制樣4組，測(cè)試 48個(gè)有效數(shù)據(jù)，得到試件的吸水量隨時(shí)間的變化關(guān)系(見(jiàn)圖7)。

圖7　石蠟摻量為 8%時(shí)的吸水量變化曲線

圖7的數(shù)據(jù)可以表明，材料配比相同的試件，隨著試件在水中浸泡時(shí)間的增加吸水量也增加，10h以后吸水量增加量減少并趨于穩(wěn)定，達(dá)到其最大吸水量。石蠟摻量為8%時(shí)，試件的吸水量最大僅為4.5g，吸水率為1.3%，表明試件親水性很弱，材料配比方案達(dá)到抗水性的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)材料配比實(shí)驗(yàn)方案，開(kāi)展了單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試、浸水性、滲透性和吸水性實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了不同配比方案材料的強(qiáng)度、滲透率、浸水能力和吸水量，對(duì)比分析評(píng)價(jià)后得出如下主要結(jié)論：

(1)抗水性實(shí)驗(yàn)相似材料的主要材料為石英砂、碳酸鈣、石膏、石蠟、凡士林。按照石蠟和凡士林摻量從0%～10%的配比方案，模型材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原型地層的低強(qiáng)度、大變形和抗水性的相似模擬。

(2)調(diào)節(jié)石蠟的摻量可以改變?cè)嚰目箟簭?qiáng)度，石蠟的摻量越高，試件的強(qiáng)度就越高，當(dāng)石蠟的摻量達(dá)到8%以后，塑性變形能力較小，抗壓強(qiáng)度增大，但抗壓強(qiáng)度增幅變慢。

(3)凡士林作為良好的變形添加劑，有助于實(shí)現(xiàn)相似模擬材料的低強(qiáng)度和大變形特性。而石蠟具有良好的非親水性，可以控制相似材料的滲透[11]性，模擬巖層的水理性。凡士林和石蠟的合理搭[11]

配，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，制作的模擬實(shí)驗(yàn)材料能滿足固液耦合相似模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)材料抗水性的要求實(shí)驗(yàn)。

(4)不同配比方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲得了相似材料不同配比時(shí)的力學(xué)和抗水性變化規(guī)律，為確定不同類(lèi)型隔水層的相似材料配比方案提供了依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]楊林.非線性流固耦合問(wèn)題的數(shù)值模擬方法研究.青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2011.

[2]李濤.陜北煤炭大規(guī)模開(kāi)采隔水層結(jié)構(gòu)變異及水資源動(dòng)態(tài)研究.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2012.

[3]張杰，侯忠杰.水體下煤炭開(kāi)采滲流實(shí)驗(yàn)研究.成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009(1)：67-70.

[4]黃慶享，張文忠，侯志成.固液耦合試驗(yàn)隔水層相似材料的研究.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010(S1)：2813-2818.

[5]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(shí)驗(yàn)分析.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007(1)：42-46.

[6]賀顯群，劉志祥，李夕兵，等.流-固耦合相似材料的研究.礦冶工程，2010(4)：22-26.

[7]李樹(shù)忱，馮現(xiàn)大，李術(shù)才，等.新型固流耦合相似材料的研制及其應(yīng)用.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010(2)：281-288.

[8]張杰，侯忠杰.固-液耦合試驗(yàn)材料的研究.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004(18)：3157-3161.

[9]侯忠杰，張杰.陜北礦區(qū)開(kāi)采潛水保護(hù)固液兩相耦合實(shí)驗(yàn)及分析.湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004(4)：1-5.

[10]胡耀青，趙陽(yáng)升，楊棟.三維固流耦合相似模擬理論與方法.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(2)：204-206.

[11]谷巖.新型膠結(jié)材料研發(fā)與充填體強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì).唐山：河北聯(lián)合大學(xué)，2013.

[責(zé)任編輯：施紅霞]