煤層不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)相似材料配比實(shí)驗(yàn)研究

宮玉菲朱國(guó)維姜雨璞史東京

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京 100083;2.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083

物理模型的構(gòu)建可以很好地反映某個(gè)區(qū)域的局部地質(zhì)構(gòu)造,模擬井下煤巖隱蔽致災(zāi)異常體實(shí)體物理模型。國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素動(dòng)態(tài)智能探測(cè)技術(shù)研究”提出在新元礦區(qū)構(gòu)建煤礦井下隱蔽地質(zhì)體動(dòng)態(tài)智能識(shí)別實(shí)驗(yàn)室。本文根據(jù)陽(yáng)泉新元礦區(qū)地質(zhì)異常體分布特征,通過(guò)相似材料實(shí)驗(yàn),對(duì)實(shí)驗(yàn)室煤層、頂?shù)装寮爱惓ｓw充填配比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,分析對(duì)比原煤及原位測(cè)試數(shù)據(jù),選定了實(shí)驗(yàn)室施工最優(yōu)配比,為井下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)能夠模擬實(shí)際地質(zhì)情況的地球物理模型的相似材料展開(kāi)了深入的研究[1-3]。1960年前蘇聯(lián)地質(zhì)學(xué)家就地震波探測(cè)問(wèn)題,提出通過(guò)改變物理模型相似材料的溫度達(dá)到控制相似材料彈性的方法。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)相似材料的研究始于20世紀(jì)70年代,王漢鵬等[4-8]在新型相似材料開(kāi)發(fā)領(lǐng)域取得較多創(chuàng)新成果,選擇粉質(zhì)黏土作為相似模型的骨料,控制模型的含水百分比和模型的壓實(shí)強(qiáng)度后制作了視電阻率相似材料模型;康向濤等[9]模擬原煤相似材料,運(yùn)用單因素分析法研究煤粉對(duì)試樣強(qiáng)度的關(guān)系;董金玉等[10-12]分別采用正交試驗(yàn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法,探討了原料組分占比對(duì)相似材料物理、力學(xué)性質(zhì)的影響;孔令強(qiáng)等[13-15]將砂子作為相似材料的骨料,模擬原煤的物理力學(xué)性能和地震特征的影響規(guī)律;程久龍等[16]將砂子作為相似材料骨料,選擇石膏、水泥和水作為膠結(jié)劑,保證制作模型的材料與研究對(duì)象強(qiáng)度和變形參數(shù)上的相似準(zhǔn)則,研究相似材料的電性參數(shù)等性質(zhì),滿足物理相似;高華禮等[17-18]對(duì)相似材料中水分的影響和相似材料配比量化方法進(jìn)行研究。

綜上所述,前人對(duì)相似材料的強(qiáng)度、地震、電阻率等物性參數(shù)采用單因素到多水平多因素的正交試驗(yàn)方法進(jìn)行研究,做出了很多前沿性貢獻(xiàn)。本文依據(jù)前人研究基礎(chǔ),對(duì)新元礦區(qū)煤巖層及地質(zhì)異常區(qū)域[19]進(jìn)行相似材料模擬實(shí)驗(yàn),探究了影響相似材料物性參數(shù)的因素,對(duì)比前期測(cè)試物性參數(shù),確定了相似材料模擬配比,為井下實(shí)驗(yàn)室的施工提供數(shù)據(jù)支撐。

1 模擬材料選擇及配比依據(jù)

1.1 模擬材料選擇

本次對(duì)模擬煤層、頂?shù)装濉⑾萋渲皵鄬舆M(jìn)行相似材料的配比實(shí)驗(yàn),選用的材料主要有煤粉、砂石、水泥、水、石膏、土、氯化鈉溶液等。其中,煤粉打磨并篩分為細(xì)煤粉(粒徑＜2 mm)及粗煤粉(粒徑＜5 mm)兩類,砂石選用粒徑小于1 mm、1～3 mm、3～5 mm 的砂及粒徑小于2 cm 石子,水泥為普通硅酸鹽水泥P.O 42.5,氯化鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%。

1.2 配比設(shè)計(jì)依據(jù)

礦區(qū)煤層、頂?shù)装搴偷刭|(zhì)異常區(qū)(陷落柱、斷層和采空區(qū))在每種地球物理探測(cè)方法下會(huì)產(chǎn)生不同的響應(yīng)特征。煤層的地球物理響應(yīng)特征為高電阻率、高聲波時(shí)差、低密度、低自然伽馬的“兩高兩低”特征,密度主要分布范圍為1.3～1.8 g/cm3,縱波速度在1 500～2 500 m/s 之間;頂?shù)装宓牡厍蛭锢眄憫?yīng)特征為低電阻率、低聲波時(shí)差、高密度,密度一般在2.4～2.8 g/cm3,縱波速度2 500～4 000 m/s;陷落柱及斷層具有高耐水性、低強(qiáng)度、高滲透率的特性。

在設(shè)計(jì)煤層、頂?shù)装?、陷落柱及斷層相似材料時(shí),根據(jù)不同巖性構(gòu)造,調(diào)整材料配比含量及粒徑等,滿足煤巖層及地質(zhì)異常體不同的物理力學(xué)性質(zhì)。

2 配比方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,它是一種針對(duì)多因素多水平且因素間可能存在交互作用的分式析因研究方法?？煞奖惴治鰧?shí)驗(yàn)中骨料(煤粉及砂)和膠結(jié)材料(水泥)對(duì)各測(cè)試數(shù)據(jù)的影響。

2.1 煤層配比

在相似材料的煤層配比實(shí)驗(yàn)中選用不同含量煤粉、砂子和水泥進(jìn)行正交試驗(yàn),設(shè)計(jì)30 組不同材料配比方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)試塊的制備。煤層模擬所用相似材料中,煤粉的粒徑分為粗細(xì)兩種,其中20 組采用細(xì)煤粉(粒徑小于2 mm),10 組采用粗煤粉(粒徑小于5 mm),砂都選用粒徑小于1 mm,用水量視煤粉(研磨機(jī)研磨篩選)干濕程度不同,控制在12%～14%。表1、表2分別為選用細(xì)、粗煤粉制作煤層相似材料試塊的配比方案。

表1 細(xì)煤粉煤層相似材料配比方案Table 1 Ratio scheme of similar materials in fine pulverized coal seams %

表2 粗煤粉煤層相似材料配比方案Table 2 Ratio scheme of similar materials in coarse pulverized coal seams %

2.2 頂?shù)装迮浔?/h3>

煤層頂?shù)装宓南嗨撇牧夏M實(shí)驗(yàn)選擇砂、水泥、石膏和氯化鈉溶液等材料進(jìn)行。選用粒徑小于1 mm 的砂作為骨料,石膏水泥作為膠結(jié)劑。實(shí)驗(yàn)配比中,石膏主要用來(lái)降低模型的密度,而制作試塊時(shí)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3% 的氯化鈉溶液替代水,可以滿足實(shí)際巖層電性條件。頂?shù)装鍖?shí)驗(yàn)配比方案見(jiàn)表3。

表3 頂?shù)装迮浔确桨窽able 3 Roof and floor ratio scheme

2.3 陷落柱及斷層配比

陷落柱及斷層的實(shí)驗(yàn)配比是在頂?shù)装鍖?shí)驗(yàn)配比的基礎(chǔ)上增大砂的粒徑等級(jí)(陷落柱試塊用砂采用1～3 mm 和3～5 mm 粒徑)及添加石膏、煤粉等材料,對(duì)煤層陷落柱及斷層進(jìn)行一個(gè)相似材料的模擬。按照模擬陷落柱對(duì)滲透性、密度、結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)的不同要求進(jìn)行不同的配比實(shí)驗(yàn),其中陷落柱要求保證一定的滲透性,而斷層需在結(jié)構(gòu)上滿足介于煤層與頂?shù)装宓奶匦浴?/p>

3 多物理參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 波速測(cè)試

3.1.1 常溫常壓測(cè)試

波速測(cè)試所用的儀器為超聲波脈沖發(fā)射接收器及DSOX2014A 數(shù)字存儲(chǔ)示波器。

本文波速數(shù)據(jù)選取試塊膠結(jié)養(yǎng)護(hù)后測(cè)得的平均值進(jìn)行分析。

圖1為煤層試塊密度隨配比變化圖。由圖1看出,試塊密度處于1.1～1.5 g/cm3,煤粉含量與密度大小呈反比關(guān)系,煤粉含量越高,密度越小。

圖1 煤層試塊密度變化Fig.1 Density variation of coal seam test block

圖2為細(xì)煤粉和粗煤粉試塊波速由小到大升序排列的配比分布圖?？梢钥闯?相同配比條件下,粗煤粉試塊的波速明顯高于細(xì)煤粉試塊。在配料制樣過(guò)程中,粗煤粉試塊比細(xì)煤粉試塊更易于膠結(jié)成形,可能是因?yàn)榇置悍劢Y(jié)構(gòu)破壞小些,更易與水泥混合膠結(jié);而細(xì)煤粉顆粒較細(xì),需加大水的含量增加固結(jié),細(xì)煤樣試塊更松散且易碎。

圖2 煤層試塊縱波降序排列Fig.2 Longitudinal wave descending sequence arrangement diagram of coal seam test block

在圖2(a)中,將速度相近的L-2、I-4、E-7、B-8 和L-1、G-4、B-7、I-6 及K-2、G-6、C-7 各看成一組,對(duì)比發(fā)現(xiàn):試塊中水泥含量高,其波速也高,且煤和砂子對(duì)其影響較小,說(shuō)明在影響波速的因素中水泥的含量起主要作用。在圖2(b)中,將L-3、J-4 和I-4、H-5 對(duì)比發(fā)現(xiàn):在水泥含量相同情況下,砂子含量高,其波速也高。

同樣完成頂?shù)装濉⑾萋渲蛿鄬釉噳K的常溫常壓波速測(cè)試,并隨時(shí)間監(jiān)測(cè)試塊波速密度變化。頂?shù)装?、陷落柱和斷層縱波波速分別處于1 800～3 000 m/s、1 900～2 600 m/s 和1 200～3 000 m/s范圍。

圖3為陷落柱試塊15 d 縱波波速與時(shí)間關(guān)系?？梢钥吹?拆模初期波速隨時(shí)間呈明顯上升趨勢(shì),表明試塊在制作后隨著水分的蒸發(fā)膠結(jié)硬化較快,波速上升比較明顯;后期隨著試塊逐漸膠結(jié),波速趨于平穩(wěn)。

圖3 陷落柱試塊15 d 縱波波速與時(shí)間關(guān)系Fig.3 15 d longitudinal wave velocity and time diagram of collapse column test block

3.1.2 圍壓波速測(cè)試

礦區(qū)井下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)不僅需要掌握常壓環(huán)境下的物性參數(shù),還需要模擬井下圍壓條件對(duì)試塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室OLYMPUS 5077PR 聲波發(fā)射器、RS-ST01C 非金屬聲波檢測(cè)儀,對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行0～30 MPa 圍壓加壓條件下縱、橫波速度測(cè)試,得到相關(guān)圍壓波速數(shù)據(jù)。

圍壓波速測(cè)試主要目的是模擬井下壓力環(huán)境下相似材料波速變化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),煤層、頂?shù)装寮爱惓^(qū)試塊在圍壓下波速都呈現(xiàn)隨壓力增大而增大的變化趨勢(shì)。

圖4所示是頂?shù)装逶噳K縱波波速隨圍壓變化關(guān)系,隨著圍壓的升高,波速呈增大趨勢(shì)。對(duì)比各類型試塊的圍壓-波速變化,隨圍壓壓力的增加,波速增加,波速增加范圍介于200～900 m/s。

圖4 頂?shù)装逶噳K縱波波速隨圍壓變化Fig.4 Longitudinal wave velocity variation with confining pressure of the top and bottom test blocks

3.2 電阻率測(cè)試

選擇對(duì)稱4 極裝置測(cè)量試塊電阻率。其中,A、B 為供電電極,讀電流表示數(shù);M、N 為測(cè)量電極,讀電壓。按照上述觀測(cè)方式和實(shí)驗(yàn)儀器,對(duì)試塊的電阻率進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。

圖5 電阻率測(cè)量示意圖Fig.5 Schematic diagram of resistivity measurement

對(duì)稱4 極裝置的特點(diǎn)是AM=NB,記錄點(diǎn)取在MN 中點(diǎn)。電阻率ρs表示為

式中,ΔUMN為測(cè)量電極M、N 的電勢(shì)差,V;I為測(cè)量電流,A;KAB為裝置系數(shù)。

對(duì)試塊初凝和養(yǎng)護(hù)穩(wěn)定后分別進(jìn)行電阻率測(cè)試,發(fā)現(xiàn)試塊含水率是影響電阻率數(shù)值的主要因素。含水率低,電阻率降低。因?yàn)轫數(shù)装寮爱惓^(qū)域的相似材料試塊制作采用0.3%氯化鈉溶液,因此電阻率值較煤層試塊偏低,可以滿足煤巖層的電性規(guī)律。

圖6是含煤量不同的煤層相似材料電阻率變化圖。含煤量60% 以下,電阻率較低;含煤量超過(guò)60%,電阻率增高。

圖6 煤層試塊不同含煤率電阻率變化Fig.6 Resistivity variation diagram of test block with different coal content

圖7為試塊不同含砂率電阻率變化圖?？梢钥闯?不同含砂率的煤相似材料的視電阻率變化趨勢(shì)大體相同,而隨著含煤率的升高,視電阻率有上升的趨勢(shì)。因此,樣品含砂率的大小對(duì)于樣品視電阻率的影響不明顯,含煤率對(duì)于視電阻率有較明顯的影響。

圖7 試塊不同含砂率電阻率變化Fig.7 Resistivity variation diagram of test block with different sand content

3.3 介電常數(shù)測(cè)試

采用LJD-B 介電常數(shù)介質(zhì)損耗測(cè)試儀測(cè)試介電常數(shù)。測(cè)量每個(gè)樣本的介電常數(shù)需要用9 個(gè)不同頻率的電容。測(cè)量樣品需要處理成厚度小于5 mm 的圓形薄片。本次實(shí)驗(yàn)所測(cè)介電常數(shù)值為試塊養(yǎng)護(hù)處理后的穩(wěn)定值。

煤層相似材料試塊的介電常數(shù)值為2～8。煤層試塊介電常數(shù)隨頻率變化關(guān)系如圖8所示,可見(jiàn)介電常數(shù)值隨電容頻率的增高而降低。

圖8 煤層試塊介電常數(shù)隨頻率變化Fig.8 Permittivity varies with frequency

圖9為煤層和頂?shù)装逶噳K介電常數(shù)在不同配比下的變化圖。由圖9(a)看出,煤層相似材料試塊介電常數(shù)值隨煤粉含量的增大呈增高趨勢(shì)。因此,可以通過(guò)增加煤粉含量提高相似材料的介電常數(shù)。由圖9(b)可以看出,頂?shù)装逶噳K介電常數(shù)低一些,數(shù)值在2～5 之間,且隨著砂膠比的增大呈減小趨勢(shì),而隨測(cè)量頻率的增高而減小。

圖9 不同配比介電常數(shù)變化Fig.9 Permittivity changes at different ratios

4 數(shù)據(jù)分析及選型

4.1 原煤巖數(shù)據(jù)對(duì)比分析

根據(jù)新元礦區(qū)早期原煤巖樣的檢測(cè)資料,該研究區(qū)所采煤樣的平均密度為1.485 g/cm3,縱波波速介于1 700～2 300 m/s,平均約2 000 m/s;頂?shù)装寤規(guī)r及砂質(zhì)泥巖的平均密度為2.538 g/cm3,縱波波速介于3 500～4 500 m/s。由于原煤樣采集及制備受所采煤樣破碎性影響嚴(yán)重,該數(shù)據(jù)所測(cè)原煤樣品為結(jié)構(gòu)致密樣品。實(shí)際原煤平均數(shù)據(jù)應(yīng)略低于該數(shù)據(jù)值。

分析本次試驗(yàn)試塊測(cè)試數(shù)據(jù),結(jié)合試塊制備膠結(jié)性及松散程度,認(rèn)為煤層施工最優(yōu)配比為:煤粉含量50%～60%,砂含量10%～15%,水泥含量20%～25%。該配比范圍內(nèi)密度介于1.3～1.5 g/cm3,常溫常壓下縱波波速平均為1 600 m/s,施加圍壓后,縱波波速為1 900 m/s。其中,E-4 的配比(煤粉、砂和水泥含量分別為55%、10% 和25% )試樣/試塊物性參數(shù)與原煤煤層最相似。

模擬頂板相似材料選擇砂膠比3,石膏水泥比2∶8 的配比,其測(cè)試數(shù)據(jù)密度為2.38 g/cm3,圍壓縱波波速為3 800 m/s。模擬底板相似材料選擇砂膠比2.5,石膏水泥比3∶7 的配比,其測(cè)試數(shù)據(jù)密度為2.23 g/cm3,圍壓縱波波速為3 300 m/s。與原煤頂?shù)装鍢悠返拿芏扰c波速范圍比較符合。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析

在新元礦研究區(qū)現(xiàn)場(chǎng)采用MMS-1 型礦井多波地震儀器,選用1 m 小道間距,以錘擊方式進(jìn)行地震縱、橫波速度測(cè)試工作,得到已知構(gòu)造、煤層、頂?shù)装宓目v、橫波速度值。表4為 陷落柱X78 地震縱橫波速度原位測(cè)試結(jié)果,位于模型巷道三484號(hào)測(cè)點(diǎn)位置,測(cè)點(diǎn)平行巷道掘進(jìn)工作面布置。表5為斷層F5 縱、橫波速度原位測(cè)試結(jié)果,測(cè)點(diǎn)范圍在斷層F5 南北向。

根據(jù)表4和表5測(cè)試結(jié)果,確定陷落柱相似材料模擬選用砂57.5%、煤10%、石膏4.5%、水泥18% (骨料∶膠結(jié)劑為3∶1)作為井下實(shí)驗(yàn)室施工配比,其試塊測(cè)試密度(2.15 g/cm3)及縱波波速(3 500 m/s)介于煤層與頂?shù)装逯g。

表4 陷落柱X78 地震縱橫波速度原位測(cè)試結(jié)果Table 4 In-situ test results of compressional and shearing wave velocity of collapse column X78

表5 斷層F5 縱橫波速度原位測(cè)試結(jié)果Table 5 In situ test results of compressional and shearing wave velocity of fault F5

斷層的施工根據(jù)實(shí)際情況分上、中、下段不同配比,頂部施工選用煤層與頂板材料混合,中部采用煤層與頂、底板材料混合,下部采用煤層與底板材料混合,以保證斷層的上、中、下結(jié)構(gòu)分別與頂板、煤層、底板相似。

5 結(jié) 論

(1) 實(shí)驗(yàn)確定了影響相似材料試塊波速的主要因素是密度。具體可以改變水泥含量、壓力等來(lái)調(diào)節(jié)試塊密度。電阻率的主要影響因素為試塊的含水量,模擬煤層的電阻率略高于其他結(jié)構(gòu)。煤層的介電常數(shù)高于頂?shù)装?其數(shù)值范圍分別是2～8和2～5。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)施工建設(shè)與實(shí)驗(yàn)室相似材料實(shí)驗(yàn)的規(guī)模及環(huán)境存在差異,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)原位波速測(cè)試數(shù)據(jù),選定煤層、頂板和底板的試塊常壓縱波波速分別為1 600 m/s、3 800 m/s 和3 300 m/s。

(3) 確定最優(yōu)配比分別是:煤層模擬選用E-4(煤粉、砂和水泥含量為55%、10%和25%);頂板選擇砂膠比3,石膏水泥比2∶8 的配比;底板選擇砂膠比2.5,石膏水泥比3∶7 的配比;陷落柱選用砂57.5%、煤10%、石膏4.5%、水泥18% (骨料∶膠結(jié)劑3∶1)作為施工配比。