煤礦地下水庫底板滲流模擬試驗系統(tǒng)研制及驗證

文志杰，姜鵬飛，景所林，曹志國,管彥太

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590; 2.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點實驗室，北京 100011; 3.青島正方能源科技有限公司，山東 青島 266520; 4.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299)

在能源危機(jī)日趨嚴(yán)峻的今天，煤炭依舊是中國重要的基礎(chǔ)能源。但隨著采掘時間和開采強(qiáng)度增加，東部地區(qū)淺部煤炭資源逐漸枯竭，而深部開采又面臨高地?zé)?、高地?yīng)力等問題。因此，煤炭工業(yè)生產(chǎn)中心逐漸向儲量大、埋深淺的中西部地區(qū)轉(zhuǎn)移。西部礦區(qū)(晉陜蒙甘寧)2019年煤炭產(chǎn)量約占全國產(chǎn)量70%，但水資源匱乏，僅占全國3.9%，面臨著水資源短缺、資源開采與生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展等難題[1-3]。針對西部礦區(qū)水資源匱乏與煤炭資源開發(fā)不協(xié)調(diào)的情況，以顧大釗院士領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊提出煤礦地下水庫技術(shù)，有效解決了資源開采與生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的難題[4-5]。但受采動影響，煤礦地下水庫底板原有結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，形成“下四帶”:礦壓破壞帶、新增損傷帶、原始損傷帶、原始導(dǎo)高帶[6]。地下水庫中的水體受水頭壓力作用在破壞損傷的底板中發(fā)生滲流，對底板產(chǎn)生二次破壞，進(jìn)而影響水庫壩體的穩(wěn)定性;在地下水庫群工程條件下，水庫底板受滲流破壞失穩(wěn)會直接導(dǎo)致下層水庫水位超限，影響水庫安全平穩(wěn)運行。因此，研究煤礦地下水庫底板在應(yīng)力-滲流耦合條件下滲流發(fā)生規(guī)律與破壞特征對地下水庫安全平穩(wěn)運行具有積極意義。

針對大型地下工程流固耦合現(xiàn)象，單純的理論研究和數(shù)值模擬不能較直觀的反映地下工程在流固二相條件下的情況，越來越多的學(xué)者開始采用相似模擬試驗的研究方法[7-13]。姜耀東等[14]研制了工作面底板水壓模擬裝置，并利用設(shè)備模擬研究工作面回采過程中承壓水對頂?shù)装迤茐牡挠绊?李術(shù)才等[15-16]以青島膠州灣海底隧道為背景，研制了海底隧道流固耦合模型試驗系統(tǒng)和海底隧道新型可拓展突水模型試驗系統(tǒng)，開展了流固耦合模型試驗研究;陳曉祥等[17]研制了混凝土黏結(jié)面應(yīng)力-滲流耦合試驗裝置，為研究應(yīng)力作用下黏結(jié)面的滲透性提供了新的測試手段;熊祖強(qiáng)等[18]進(jìn)行了底板裂隙演化相似模擬試驗;黎良杰等[19]針對底板突水進(jìn)行了模型總體設(shè)計及相似材料的選擇;張保良等[20]研制了煤層底板承壓水導(dǎo)升模擬試驗系統(tǒng)，分析煤層底板承壓水導(dǎo)升規(guī)律和直觀展現(xiàn)突水通道形成過程。流固耦合作用問題復(fù)雜，相關(guān)滲流相似模擬試驗研究成果較少，且現(xiàn)有的室內(nèi)試驗裝置多集中于底板突水研究，還需要在應(yīng)力-滲流耦合條件下煤礦地下水庫底板滲流方向提出一種直觀有效的研究手段。

鑒于此，筆者從研究煤礦地下水庫底板巖層滲流問題入手，針對煤礦地下水庫底板滲流系統(tǒng)研制及規(guī)律問題開展技術(shù)研究，擬在研制用以模擬地下水庫的物理試驗裝置的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)相似模擬試驗，揭示滲流發(fā)生過程，探究水庫底板滲流規(guī)律，為預(yù)防底板滲流和水庫失穩(wěn)提供一種試驗途徑和方法。

1 試驗系統(tǒng)的研制

1.1 系統(tǒng)設(shè)計及其組成

滲流模擬試驗系統(tǒng)主要包括伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)(氣壓加載裝置)、試驗箱系統(tǒng)(供水裝置)和計算機(jī)監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖和實物裝配圖，如圖1所示。

圖1 滲流試驗系統(tǒng)Fig.1 Simulated test system

1.1.1伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)

現(xiàn)階段針對底板突水和頂板透水相關(guān)試驗設(shè)備，國內(nèi)外學(xué)者大多數(shù)都是通過柱塞泵、穩(wěn)壓器和配套控制系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)水壓控制，存在運行時系統(tǒng)需頻繁停啟補(bǔ)水泵問題，對水泵電機(jī)、機(jī)封損害較大，且柱塞泵中的油液對污染較敏感，要求有較高的過濾精度，對使用和維護(hù)要求高。為解決上述問題，并使系統(tǒng)適應(yīng)模擬煤礦地下水庫實際環(huán)境下的滲透水壓力，作者研制了伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)主要由底座、伺服控制器、行星減速機(jī)和增壓筒等部分組成。其中增壓筒腔內(nèi)氣壓變化控制由氣壓加載裝置實現(xiàn)，可為增壓筒一次性提供0.8 MPa的最大氣壓值。裝置利用伺服控制器和行星減速器實現(xiàn)絲杠穩(wěn)定推進(jìn)，并通過計算機(jī)控制端軟件設(shè)計實現(xiàn)不同氣壓的精準(zhǔn)控制、長時恒壓。該系統(tǒng)可以輔助實現(xiàn)試驗箱系統(tǒng)在不同滲透水壓力下的水庫滲流規(guī)律模擬研究，是滲流模擬試驗系統(tǒng)的動力部分。圖3為伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)Fig.2 Servo stabilized voltage control system

圖3 伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理Fig.3 Structure and working principle of servo stabilized voltage control system

表1 伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of servo stabilized voltage control system

1.1.2試驗箱系統(tǒng)

為滿足模擬煤礦地下水庫底板滲流試驗要求，在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，研發(fā)設(shè)計了煤礦地下水庫底板滲流系統(tǒng)試驗箱。該試驗箱在保證氣密性基礎(chǔ)上利用氣壓模擬替代地下水庫中水體壓力和上覆巖層產(chǎn)生的礦山壓力，進(jìn)行地下水庫底板滲流相似模擬試驗。圖4為滲流模擬試驗箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，主框架為由一定規(guī)格的槽鋼、角鋼及鋼板焊接而成的鋼架結(jié)構(gòu)，經(jīng)校核，裝置的強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度δs=240 MPa)和剛度(E=400 MPa)滿足實驗要求。為模擬煤礦地下水庫儲水運行環(huán)境，試驗箱設(shè)計了密封側(cè)和敞口側(cè)兩部分，密封側(cè)腔體模擬地下水庫密閉儲水空間。密封側(cè)與敞口側(cè)中間設(shè)計可移動擋板，可以實現(xiàn)密封側(cè)與敞口側(cè)的分隔，保證密封側(cè)腔體的氣密性。同時可通過移動擋板改變矩形孔(200 mm×300 mm)通過面積。試驗箱前側(cè)為高強(qiáng)度透明亞克力板，在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，可以有效觀察試驗中水位變化。裝置利用密封槽和密封條實現(xiàn)密封，使用螺栓緊固，以保證裝置密封性符合試驗要求。假設(shè)水體在氣壓1 MPa時壓縮性可以忽略不計，試驗箱系統(tǒng)利用氣壓變化表征煤礦地下水庫水位改變引起的滲壓變化，實現(xiàn)水位高度變化時水庫滲流規(guī)律模擬研究。

圖4 試驗箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of test chamber

相似物理模型最大尺寸為(長×寬×高)1 000 mm×600 mm×500 mm，其中采空區(qū)與壩體的位置和尺寸可以根據(jù)具體地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整。由于設(shè)備配件較為笨重，為此準(zhǔn)備可移動懸臂吊(最大承重為1 000 kg)，主要用于試驗箱密封蓋移動和可移動擋板上下移動，此外還可以輔助試驗箱整體動作。

1.1.3計算機(jī)監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗數(shù)據(jù)監(jiān)測主要通過DH5929動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)實現(xiàn)。模型在不同方位布設(shè)孔隙水壓力傳感器，通過數(shù)據(jù)傳輸線連接到采集系統(tǒng)，再通過計算機(jī)軟件控制采集系統(tǒng)以獲得孔隙水壓力和流量等方面的全面數(shù)據(jù)信息。在模型中立體布設(shè)孔隙水壓力傳感器以獲得模型不同位置滲壓和流量變化，綜合分析地下水庫底板在應(yīng)力-滲流耦合作用下滲流演化規(guī)律。主要設(shè)備如圖5所示。

圖5 監(jiān)測設(shè)備Fig.5 Monitoring service

1.2 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)及特點

1.2.1技術(shù)參數(shù)

相似物理模型尺寸(長×寬×高)最大為500 mm×600 mm×500 mm;系統(tǒng)最大滲透水壓力為0.8 MPa;系統(tǒng)穩(wěn)壓精度為0.1 kPa;系統(tǒng)最長穩(wěn)壓時間為7 d。

1.2.2技術(shù)特點

本模擬試驗系統(tǒng)具有如下顯著特點:① 高滲壓。系統(tǒng)最大滲透壓力為0.8 MPa;② 可操作性強(qiáng)，試驗箱為鋼架結(jié)構(gòu)，密封側(cè)模擬煤礦地下水庫儲水運行時高壓環(huán)境，利用高氣壓模擬滲透水壓，進(jìn)行地下水庫底板滲流相似模擬試驗。前透明有機(jī)玻璃板便于觀察與記錄滲流發(fā)生，采空區(qū)與壩體的位置和尺寸可以根據(jù)具體地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整;③ 載荷均勻分布。利用氣壓模擬替代煤礦地下水庫由不同水位產(chǎn)生的滲透水壓力和由上覆巖層產(chǎn)生的礦山壓力，可實現(xiàn)外部壓力均勻分布于相似模擬物理模型;④ 穩(wěn)壓持續(xù)加載。裝置利用伺服控制器和行星減速器實現(xiàn)絲杠穩(wěn)定推進(jìn)，并通過計算機(jī)控制端軟件設(shè)計實現(xiàn)不同氣壓精準(zhǔn)控制、長時恒壓，進(jìn)而為試驗提供合適的恒定氣壓值。

1.2.3系統(tǒng)密閉性特征

為測試本試驗?zāi)M系統(tǒng)密封性能的可靠性，觀測其保水能力和承壓能力，將可移動擋板降至最低點，使其底端與試驗箱底面緊密接觸，并對交接處用密封材料進(jìn)行密封處理。隨后向密封側(cè)箱體注水，并加裝密封蓋。通過氣壓加載裝置和伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)，向密封側(cè)箱體提供0.8 MPa氣壓，持續(xù)48 h，觀測并記錄箱體內(nèi)液面高度，結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)測試結(jié)果，在0～2 h內(nèi)，液面有明顯下降，但箱體四周無明顯漏液，可能為密封條吸水所致。隨著測試時間增長，在讀數(shù)允許誤差范圍內(nèi)，液面沒有明顯變化。測試結(jié)果顯示，在最大輸入氣壓(0.8 MPa)和最大儲水體積(90%)等共同荷載條件下，試驗箱體無明顯漏液和變形，滿足試驗過程的密封性要求。

2 模擬試驗系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 模型試驗內(nèi)容

2.1.1工程概況

鄂爾多斯大型聚煤盆地東北部為神東礦區(qū)，煤炭資源豐富，礦區(qū)地層由老至新由三疊系上統(tǒng)延長組(T3y)、侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)、新生代第四系沉積層(Q)組成。神東礦區(qū)大柳塔井田主要可采煤層包括1-2，2-2，3-1，4-2和5-2煤層。煤層埋藏淺，首層煤埋深一般在70～150 m。1-2煤層與5-2煤層間距大致為170 m。地下水庫建于1-2煤層和2-2煤層。

1-2煤層厚3.0～6.9 m，平均5.3 m，煤層為近水平煤層，直接底多為泥巖、砂質(zhì)泥巖;基本底為粉砂巖、中砂巖。直接底遇水后易泥化，強(qiáng)度大幅降低。

2-2煤層厚度3.9～4.5 m，平均厚度為4.3 m。煤層直接頂為粉、細(xì)砂巖，基本頂以中砂巖為主，煤層頂板中等穩(wěn)定。煤層直接底為泥巖、砂質(zhì)泥巖;基本底為粉、細(xì)砂巖。煤層及頂板裂隙中含裂隙水，地質(zhì)資料如圖7所示，相關(guān)巖層力學(xué)參數(shù)見表2，其中，γ為容重;E為彈性模量;δb為抗拉強(qiáng)度;δc為抗壓強(qiáng)度;μ為泊松比。

圖7 部分地質(zhì)鉆孔柱狀Fig.7 Histogram of some geological boreholes

表2 圍巖物理力學(xué)性能參數(shù)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

2.1.2相似理論基礎(chǔ)

胡耀青等[21]采用均勻連續(xù)介質(zhì)的固流耦合數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)了固流耦合相似理論，得到

(1)

式中，CG為剪切彈性模量相似比;Cu為位移相似比;Cl為幾何相似比;Cλ為拉梅常數(shù)相似比;Cγ為容重相似比;Ce為體積應(yīng)變相似比;Cρ為密度相似比;Ct為時間相似比。

根據(jù)式(1)可知，模型相似要求CG=Cλ;幾何相似要求Cu=CeCl;彈性模量相似要求CGCe=CγCl;應(yīng)力相似要求Cσ=CγCl。

筆者采用等效介質(zhì)模型對滲流場進(jìn)行研究，假設(shè)kx=ky=kz=k，則

(2)

式中，kx,ky,kz分別為不同方向的滲透系數(shù);Ck為滲透系數(shù)相似比;k′,k″分別為原型和模型的滲透系數(shù);Cs為貯水系數(shù)相似比;S′,S″分別為原型和模型的貯水系數(shù);CQ為滲流量相似比;Q′，Q″分別為原型和模型的滲流量。

將式(2)代入滲流方程并與原型相比則有

(3)

式中，Cp為水壓力相似比，Cp=CλCl;CW為源匯項相似比。

2.1.3試驗方案

因地下水庫尺寸較大，難以實現(xiàn)全尺寸模擬。因此，本文旨在驗證底板滲流模擬實驗系統(tǒng)設(shè)備合理性的前提下，選取現(xiàn)場部分區(qū)域(1∶200的模擬比例)研究地下水庫底板在垂向二維平面內(nèi)的滲流規(guī)律。

由于相似模擬試驗工作量大，試驗周期長，所以本文僅設(shè)計非均質(zhì)底板試驗(由滲透率不同的多層相似模擬材料層組成的整體巖層，以滿足分層巖層和不同巖性巖層的要求)。根據(jù)相似理論基礎(chǔ)，實驗過程中施加的穩(wěn)定氣壓(模擬水體壓力和上覆巖層產(chǎn)生的礦山壓力)為30 kPa。

如圖8所示，為模擬上下層水庫，預(yù)先在模擬巖層3下留設(shè)采空區(qū)，填裝大粒徑砂石用以模擬采空區(qū)破碎頂板巖石。在整個試驗過程中，對底板巖層中的孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測，并記錄箱體內(nèi)水量的變化，以得到滲漏量的變化。

圖8 試驗?zāi)Ｐ弯佋O(shè)方案Fig.8 Test model laying project

2.2 模型試驗相似材料的研制

2.2.1相似材料配比設(shè)計

傳統(tǒng)相似材料模型鋪設(shè)選用的材料大部分為砂子、碳酸鈣和石膏等，此類材料鋪設(shè)而成的模型遇水后強(qiáng)度變化很大，極易崩解，考慮到滲流模擬試驗的特殊性，研制可在固液耦合環(huán)境下模擬巖石力學(xué)性質(zhì)的相似材料是本次試驗基礎(chǔ)和前提。固液耦合相似材料選用非親水性有機(jī)凝結(jié)材料作為膠結(jié)劑進(jìn)行制模保證其能保持強(qiáng)度不發(fā)生崩解、軟化[19]。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文試驗選擇低熔度優(yōu)質(zhì)石蠟(58號)和凡士林作為膠結(jié)劑，以砂子和碳酸鈣作為骨料，并配以適量的調(diào)節(jié)劑制作非親水相似模擬材料，以滿足模擬煤礦地下水庫儲水運行時在煤柱壩體對底板壓應(yīng)力不變的情況下，不同滲透水壓下水庫底板巖層的滲流情況，相似材料的基本成分配比見表3。為滿足地下水庫特殊條件，相似材料在相同的相對密度下，砂子粒徑范圍為0.8～1.0 mm，以達(dá)到與膠結(jié)劑有較好的膠結(jié)能力。

2.2.2相似材料基本力學(xué)參數(shù)

本試驗運用課題組研發(fā)的試驗系統(tǒng)進(jìn)行相似模擬材料試件單軸抗壓強(qiáng)度測試，試件為直徑50 mm，高度100 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件，如圖9所示。

圖9 試件單軸抗壓強(qiáng)度測試Fig.9 Test of uniaxial compressive strength of the specimen

通過試驗測試得出各組配比下相似材料的強(qiáng)度見表3。試驗結(jié)果表明，材料的抗壓強(qiáng)度和彈性模量可調(diào)節(jié)范圍較大，抗壓強(qiáng)度變化為0.4～0.6 MPa，彈性模量為60～120 MPa，可模擬不同類型的中低強(qiáng)度巖石。

表3 相似材料配比及試驗結(jié)果Table 3 Similar material ratio and test results

2.2.3親水性測試

巖體礦物顆粒間的引力作用和膠結(jié)作用因水分子滲入而削弱，使巖體產(chǎn)生軟化膨脹和崩解，從而降低巖體強(qiáng)度，筆者通過吸水率和浸泡后的試件強(qiáng)度折減程度2個方面對其進(jìn)行研究。

(1)材料吸水率。為排除實驗的偶然性，在每個配比中選取3個試件，共計27個試件(圖10)，對試件浸泡時間做梯度設(shè)計，分別為24，48和72 h。對其進(jìn)行吸水率平均值統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表4 不同配比吸水率統(tǒng)計Table 4 Statistical data of water absorption of different proportion

圖10 吸水率測試Fig.10 Water absorption test

李術(shù)才等[10]在研究中指出:相似模擬材料試件在浸泡72 h后，吸水率穩(wěn)定在0.5%～3.5%，屬于非親水性材料。通過實驗結(jié)果得出，不同時長下試件的吸水率范圍基本穩(wěn)定在1.1%～3.4%，屬于非親水材料。本文研究試驗時長大約為24 h，因此材料非親水性可以滿足試驗要求。

(2)試件強(qiáng)度折減?？紤]煤礦地下水庫儲水運行后，水庫圍巖長期處于浸水條件下，本文制備試件用于崩解試驗，以獲取浸泡后相似材料試件的巖石參數(shù)。將制備好的試件置于水中浸泡24 h后進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測試，并觀察崩解情況，計算試件浸泡后的強(qiáng)度折減情況。表5為浸泡前后部分試件強(qiáng)度對比。

表5 浸泡前后部分試件強(qiáng)度對比Table 5 Comparison of strength of specimens before and after soaking MPa

測試結(jié)果分析:試件浸泡24 h的強(qiáng)度為浸泡前試件強(qiáng)度的94.4%，試驗期間相似材料強(qiáng)度折減為5.6%，可以滿足試驗要求。

2.2.4滲透系數(shù)測試

模擬材料要求滲透性相似，需對制作出來的試件進(jìn)行滲透系數(shù)測試。在各組別親水性測試結(jié)果相差不大的前提下，考慮不同配比下試件單軸抗壓強(qiáng)度，選取可模擬目標(biāo)巖層的相似材料配比編號為B，E，I，并對其進(jìn)行滲透性測試。

試驗采用TST-55型滲透儀(變水頭)(圖11,12)測試各組配比材料滲透系數(shù)，用滲透系數(shù)k來表征相似材料滲透性大小，測試結(jié)果見表6。

表6 滲透系數(shù)測試結(jié)果Table 6 Result of permeability coefficient test

圖11 TST-55型滲透儀裝配圖Fig.11 TST-55 permeameter assembly drawing

基于滲透系數(shù)相似比計算公式，可得滲透系數(shù)相似比約為9.4，根據(jù)測試結(jié)果，B，E，I組別與原巖的滲透系數(shù)基本滿足相似比，可以滿足神東礦區(qū)圍巖在流固耦合作用下相似模擬實驗要求。

圖12 TST-55型滲透儀裝置Fig.12 TST-55 permeameter

2.3 模擬試驗過程

2.3.1模型試驗步驟

按照調(diào)配好的比例將相似模擬材料進(jìn)行分層填充鋪設(shè)，鋪設(shè)時用密封材料對鋪設(shè)模型與試驗箱體接觸邊界進(jìn)行密封處理，以降低邊界效應(yīng)。鋪設(shè)步驟如下：

(1)利用可移動懸臂吊將試驗箱密封側(cè)密封蓋移開，便于填充材料；

(2)鋪設(shè)底層材料并將傳感器通過中間可移動擋板下的空間預(yù)先埋設(shè)，線束統(tǒng)一從非密封側(cè)引出；

(3)當(dāng)模型鋪設(shè)達(dá)到一定高度后，在模型底部留設(shè)與上部對應(yīng)的模擬采空區(qū)，并填充大粒徑砂子；

(4)在預(yù)定位置埋設(shè)傳感器，按照方案設(shè)計將調(diào)配好的材料依次分層鋪設(shè)并壓實；

(5)模型鋪設(shè)完成后，自然靜置24 h。按方案設(shè)計模擬采空區(qū)，填充大粒徑的砂子并注入水；

(6)將設(shè)備組裝完畢，準(zhǔn)備開始試驗。

試驗具體操作過程如圖13所示。

圖13 試驗過程Fig.13 Experimental process

2.3.2傳感器布設(shè)與標(biāo)定

(1)傳感器布設(shè)。試驗?zāi)Ｐ蛢?nèi)布設(shè)BS-1型孔隙水壓力傳感器用于監(jiān)測滲流發(fā)生過程中圍巖內(nèi)不同位置孔隙水壓變化規(guī)律。模型中傳感器布設(shè)位置如圖14所示，共布設(shè)8個，各組傳感器間隔100 mm，埋在不同巖性巖層的界面。其中，測點1，2和測點7，8位于距模型表面100 mm的位置，接著自上而下間隔100 mm依次為測點3，4和測點5，6。

圖14 孔隙水壓力傳感器布設(shè)Fig.14 Layout of pore water pressure sensor

(2)傳感器標(biāo)定。由于試驗中傳感器傳出的是應(yīng)變值，在試驗結(jié)束后需要對其進(jìn)行處理，基于傳感器標(biāo)定結(jié)果將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為力值。試驗中部分傳感器標(biāo)定結(jié)果如圖15所示。

圖15 孔隙水壓力傳感器的標(biāo)定(部分)Fig.15 Calibration of pore water pressure sensor

2.4 試驗結(jié)果分析

2.4.1孔隙水壓力特征分析

通過對1，3，5測點數(shù)據(jù)處理，繪制出如圖16所示的孔隙水壓力和時間關(guān)系曲線，可以將孔隙水壓力變化分為若干階段，如圖17所示。

圖16 測點孔隙水壓力與時間的關(guān)系Fig.16 Relationship between pore water pressure and time

圖17 孔隙水壓力隨時間變化的若干階段Fig.17 Pore water pressure changes with time in several stages

(1)初始維持階段。該階段內(nèi)流體尚未接觸傳感器，測得為初始值，壓力大小取決于測點與流體初始位置的相對距離，2者呈正相關(guān)關(guān)系。

(2)增大階段。該階段內(nèi)流體到達(dá)測點周圍，測點周圍的巖層孔隙率減小導(dǎo)致孔隙水壓力逐漸增大。受巖層巖性、滲透率和鋪設(shè)模型的不均質(zhì)性及測點與流體初始位置相對距離的影響，水壓力增幅不斷波動。測點1較測點3，5更靠近高壓水源，因此首先呈現(xiàn)孔隙水壓力增大和增長快速的現(xiàn)象。增大階段中孔隙水壓力曲線略有起伏，可能由于在水壓力作用下滲流通道的堵塞和重新打開，或者模擬巖層節(jié)理和非均質(zhì)造成。

(3)峰值波動階段。當(dāng)測點周圍的巖層孔隙達(dá)到儲蓄極限后，多余水體在滲透水壓力作用下向下方流動，當(dāng)孔隙通道不能滿足流動的情況下，水體便會在測點附近蓄能。在測點附近，當(dāng)流入量與流出量不均衡的時候，便會造成孔隙水壓力大小的波動。

(4)衰減階段。當(dāng)流體在測點附近蓄能達(dá)到可以突破小通道并貫穿巖層時，由于水體流失，測點附近的孔隙水壓力快速減小。測點1，3周圍壓力下降是由水體進(jìn)入下一巖層引起，測點5在巖層3預(yù)先留設(shè)的采空區(qū)附近，接近自由面，因此測點5周圍的孔隙水壓力才會急速減小。

(5)穩(wěn)定階段。當(dāng)模型中的所用孔隙都被連接貫通時，水體不斷進(jìn)入模擬巖層，最終從自由面流出，滲流路徑上的測點周圍孔隙水壓力基本趨于穩(wěn)定。

2.4.2滲水量特征分析

試驗過程中當(dāng)非密封側(cè)自由面位置出現(xiàn)水跡后，即可以認(rèn)為底板已經(jīng)失去擋水的作用。隨時間的延長，滲水量逐漸增大，隨即對滲水量進(jìn)行統(tǒng)計計算，結(jié)果如圖18所示。開始試驗后，滲流量快速增大，單位時間內(nèi)增幅由大變小，并隨時間推移，滲流量大小趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定階段滲流量為14～15 mL/s。滲流量與孔隙水壓力隨時間的變化趨勢基本一致，孔隙水壓力達(dá)到穩(wěn)定階段的時間約為500 s，滲流量趨于穩(wěn)定的時間約為600 s，之后有波動。滲流量隨時間變化曲線中的波動，分析認(rèn)為是因為滲流通道和滲透系數(shù)突變造成。前文中已經(jīng)提到，滲流通道堵塞和重新打開會直接影響孔隙水壓力，也會對滲流量大小產(chǎn)生影響。

圖18 滲水量隨時間變化曲線Fig.18 Curve of water leakage with time

在理想狀況下，滲透系數(shù)一定，施加的滲透壓力越大，滲流速度越大;過流面積一定，滲流速度越大，滲流流量越大。但是，受過流斷面和滲透系數(shù)影響，滲透壓力與滲流量之間的正比關(guān)系存在偏差，2者之間僅呈正相關(guān)關(guān)系(圖18)。因為模擬模型較大，滲流路徑不確定，導(dǎo)致過流斷面不確定;另外，模擬模型是分層鋪設(shè)，因此滲透系數(shù)不同，即使是同一分層，由于試驗操作誤差的存在也會導(dǎo)致滲透系數(shù)的差異。同時，材料自身性質(zhì)和模擬模型本身節(jié)理等差異也會造成滲透壓力與滲流流量之間的正比關(guān)系產(chǎn)生偏差。

3 結(jié) 論

(1)研制的地下水庫底板滲流模擬試驗系統(tǒng)主要由伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)、試驗箱系統(tǒng)和計算機(jī)監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三大部分組成。伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)創(chuàng)新地利用氣壓力替代水壓力模擬地下水庫水頭高度產(chǎn)生的滲透水壓力和上覆巖層產(chǎn)生的礦山壓力，壓力控制范圍為0～0.8 MPa;試驗箱系統(tǒng)為鋼架結(jié)構(gòu)，最大模型尺寸為1 000 mm×600 mm×500 mm(長×寬×高)，其中采空區(qū)與壩體的位置和尺寸可以根據(jù)具體條件進(jìn)行調(diào)整。

(2)為真實模擬巖體材料的物理力學(xué)特性，選擇河砂和碳酸鈣為骨料、石蠟和凡士林為膠結(jié)劑，調(diào)配適用于神東礦區(qū)地質(zhì)條件的流固耦合模擬材料，并對其進(jìn)行密度、強(qiáng)度、親水性和滲透系數(shù)的測試。結(jié)果顯示，所調(diào)配的非親水材料單軸抗壓強(qiáng)度范圍為0.4～0.6 MPa，彈性模量為60～120 MPa，可模擬不同類型的中低強(qiáng)度巖石，吸水率范圍基本穩(wěn)定在1.1%～3.4%，滲透系數(shù)測試表明材料的滲透性主要受膠結(jié)劑質(zhì)量占比和碳酸鈣質(zhì)量占比的影響，范圍為6.73×10-6～2.39×10-4cm/s。

(3)開展底板滲流相似模擬試驗，獲得了可以宏觀表征巖層滲流的孔隙水壓力和滲流量信息，歸納了滲流與孔隙水壓力、滲流量變化之間的規(guī)律，驗證了設(shè)備的合理性和實用性?？紫端畨毫ψ兓话阈枰?jīng)歷初始值穩(wěn)定階段、增大階段、峰值波動階段、衰減階段和穩(wěn)定階段，最大增幅大約為0.8 kPa，穩(wěn)定階段后孔隙水壓力與初始值相差約為0.1 kPa。同一層位不同位置測點和不同層位相同位置測點的孔隙水壓力變化曲線趨勢基本上是一致的，增大階段、峰值波動階段、衰減階段的持續(xù)時間和變化速率主要與測點位置、模擬巖層巖性、滲透率和材料非均質(zhì)性有關(guān);衰減階段和穩(wěn)定階段表明為模擬巖層滲流通道已經(jīng)形成并貫通。滲流量變化與孔隙水壓力隨時間的變化趨勢基本上是一致的，穩(wěn)定階段滲流量范圍為14～15 mL/s，滲流量大小受過流斷面大小和滲透系數(shù)的影響。