文摘

研究放电路径的演化规律对老采空区水在大同矿区,一个新的流固耦合相似材料研制了基于流固耦合相似理论。发达相似材料,沙子和重晶石粉被用作聚合、聚氨酯和白色硅酸盐水泥作为粘结剂,和水和硅油作为监管机构。不同比例对力学性能的影响和水物理性质的材料是通过实验获得的。结果表明,开发材料的强度主要是由水泥和聚氨酯,控制影响亲水性硅油,渗透系数主要受水泥和聚氨酯。水泥灌浆材料,可以实现整体控制功能,和聚氨酯可以实现本地控制在一定的范围内。是一种理想的流固耦合相似模拟材料,开发材料可以模拟岩体具有不同渗透率和不同的力量。除此之外,这种材料已成功应用于实验研究机制的老采空区排水在大同矿区厚煤层,发展和演化特征的老采空区排水通道。这种新型的流固耦合相似材料开发基于流固耦合相似理论,适合揭示放电路径的演化规律的高尔夫球在大同矿区水。

1。介绍

作为煤炭大国,中国拥有丰富的煤炭资源和一个巨大的地理分布。然而,煤矿的水文地质条件复杂,中国也是一个矿井水灾害最严重的国家(1,2]。随着开采深度的不断增加,主要和临界突水灾害发生频繁。老采空区突水灾害占70%以上的各类煤矿水灾害(3,4]。老采空区的突水的特征水量大,短时间内,强大的破坏性。因此,严重事故造成的人员伤亡和突水危险很容易,严重威胁着煤矿的安全生产(5,6]。

复杂的原因导致的突水老采空区,突水问题不能全面分析了理论分析和数值模拟。然而,流固耦合模型试验可以直观地全面反映disaster-causing机制的耦合作用下采动应力场和渗流场7,8]。此外,这个测试可以相互验证数学模型。有别于传统的相似材料模型试验,影响水体的岩体流固耦合模型中应考虑测试(9,10]。

亲水的科学合理性质相似模拟材料的前提和基础是流固耦合模型试验。张,侯11)开发了一种固液两相模材料,沙子被用作骨料粘结剂和石蜡。这时,一个模型试验在煤矿富水风成砂层。黄等。12]研究了固液耦合相似材料膨润土和石英砂作为骨料,硅油和凡士林作为粘土隔水层的粘合剂。李Shucai et al。13和李朱淑真et al。14]使用凡士林和石蜡作为胶结剂和沙子和滑石作为骨料和开发了流固耦合相似模拟材料。这种材料可以应用在隧道突水模型试验模拟中低强度岩石材料不同的渗透率。太阳et al。15和陈等。16用石蜡和凡士林作为胶结剂,河沙和碳酸钙为骨料,然后液压油作为监管机构,开发了一种新型的流固耦合相似材料的隔水层。当石蜡和凡士林作为胶结剂在类似的材料,水解体的问题和强度变化的岩石材料是解决17]。然而,这些材料在开发过程中需要加热处理,制备过程复杂的难度高,申请过程很容易受到影响。王等人。18采用乳胶和白水泥作为胶结剂和开发了一种新型的围岩材料适合流固耦合模型试验。黄和胡19)利用土壤作为胶结剂和油菜籽油和水作为监管机构和获得最好的相似比例的粘土隔水层。结合国内外大量的数据,选择有机材料作为流固耦合相似材料灌浆剂,它可以维护力量没有解体。此外,类似的材料必须满足两个相似条件的固体变形和磁导率同时[20.]。

先前的研究主要集中在复杂的胶结剂由石蜡。在此基础上,一个更简洁的材料满足水动力和机械性能。更准确地说,选择聚氨酯作为一种新型的灌浆材料,结合水泥和硅油。根据流固耦合相似理论,通过配比试验,一种新型的类似的材料流固耦合测试是成功开发和应用在老采空区在大同矿区排水试验。

2。相似理论流固耦合

三个相似定理的基础上,模型和原型之间的相似关系参数推导出利用连续介质的流固耦合数学模型,和下面的相似性关系派生21]:

渗流方程表示为 在哪里 , ,和的渗透系数(cm / s) , ,和协调的方向;水压力(MPa);贮水系数;是体积应变;源汇项;和是时候了。

被描述为平衡方程 在哪里总应力张量,是密度(克/厘米³),是体积力。

有效应力方程表示为 在哪里有效应力张量,是毕奥有效应力系数,然后呢克罗内克符号。

根据方程(1),(2)和(3),主要的流固耦合变量模型和原型之间的相似度推导如下:

模型相似关系

几何相似关系

重力相似度公式

压力相似度公式

外部负载相似度公式

储水系数公式的相似之处

渗透系数相似度公式 在哪里拉梅常数规模相似,指的是是位移规模相似,是体积应变规模相似,体积重量是相似的规模,质量相似规模,是几何相似的规模。

3所示。流固耦合相似材料的发展

3.1。原材料的选择

流固耦合材料、稳定、nonhydrophilicity和良好的变形特点是基本要求。因此,nonhydrophilic有机胶结材料应该被选中作为胶结剂。比例指的国内外研究,测试,和观察研究,透明聚氨酯、水泥、选择和硅油作为胶结剂,河沙和重晶石粉作为骨料,然后适当的混合水被添加到使nonhydrophilic相似材料,如图1。(1)灌浆材料。白色硅酸盐水泥和透明聚氨酯灌浆材料。白色硅酸盐水泥是一种液压胶结材料。其机械强度、变形特性和水可以调整。然而,单一使用白色硅酸盐水泥不能完全调整材料属性和不能使材料具有良好的水物理性质。因此,使用白色硅酸盐水泥灌浆材料。透明聚氨酯是一种液体聚合物材料制成的VAE和高分子乳液作为原材料过程后修改。其特点包括齐次水性材料、高分子、附着力强、无毒、无污染,焊接时间短,性能稳定,nonhydrophilic。与水泥材料特性可以稳定提高。(2)总。沙子和重晶石粉选择聚合。河沙与 内部组件的选择,以确保均匀分布时的材料胶结剂的作用下团结在一起。选择重晶石粉的细度625目细骨料。河沙的粒度相对较粗,及其nonhydrophilicity不能得到保证。因此,重晶石粉是用来填补河沙确保nonhydrophilicity之间的差距。(3)监管机构。二甲基硅油和水是选为监管机构。混合水,水主要与水泥反应。硅油可以使材料的表面更紧凑,确保足够的水泥和水反应,提高材料的强度,所以当遇到水,材料不会崩溃。

3.2。实验方案和样品制作

大量的实验表明,材料的性质主要是由水泥和聚氨酯。因此,水泥含量和聚氨酯内容作为实验设计的两个因素。每个因素设置为五个层次。当其他组件的内容是固定的,水泥质量比保持不变和聚氨酯含量改变,或聚氨酯含量保持不变,水泥含量发生了变化。试验方案如表所示1。25组样品是用双开模直径50毫米和100毫米的高度。10个样本为每组,250个样本进行了实验研究。样品制作过程如图2。

4所示。属性测试相似的材料

4.1。亲水性试验

作为水的合理性的重要指标相似材料,亲水性可以测量被水吸收。吸水率越小,nonhydrophilicity越强。吸水率是通过比较治愈干燥样品与样品浸泡24小时,如图3。试验结果表明,样品的吸水率平均在1.060%和1.012之间,这意味着nonhydrophilicity的材料符合要求,是nonhydrophilic材料。

4.2。测试的单轴抗压强度和软化效果

在本测试中,WSM-10KN万能试验机是用来进行样品维修之后的单轴压缩试验,以确定样品的总应力-应变曲线在单轴压缩的过程。弹性部分的斜率是弹性模量 。样品的失效模式的测试机类似于岩石上,如图4。图5显示了14组样品的应力-应变曲线。

为了模拟水流之间的耦合效应和围岩变形的失败,有必要考虑相似材料的软化效应在长期浸泡。水吸收样品在水中浸泡7天,然后浸入样品的抗压强度与样品的自然状态。如表所示2沉浸在抗压强度的影响在6% ~ 20.3%,并且它可以得出材料的软化效果基本满足实验需求。

4.3。单轴抗拉强度测试

样品的抗拉强度的间接测试是由巴西分裂方法,和样品的抗拉强度是由下列公式计算: 在哪里样品的直径,时的压力值样本受损,然后呢样品的厚度。一些样品的抗拉和抗压强度值如表所示3。

如表所示3,这个方法比 相似材料的范围是0.091 - -0.11,这是非常接近0.1(岩石的平均方法比)。它表明,相似的材料可以模拟岩石的拉伸性能。

4.4。脆弱性分析

模拟岩石断裂引起的渗透率演化及其影响岩体的力学性能,有必要分析和验证的脆性特征开发材料,确保材料与水耦合后仍然是脆弱的。本文提出的方法锅等。22)是用于定义脆性岩石。换句话说, prepeak和postpeak弱化模量的应力-应变曲线进行了分析来确定材料的脆性。不同的材料 有不同的脆性特征。这是规定,材料 是脆性材料;否则,他们不是脆性材料。如表所示4,发达的材料都是脆性材料 ,满足骨折和机械相似需求的岩石。

4.5。渗透系数的确定

渗透系数是另一个重要属性索引来描述水相似材料的合理性。开发材料的磁导率很低。由于水流很小,很难控制水位,变量方法。然而,传统的渗透仪只是适合测试粒状材料的渗透系数,还有一个问题之间的密封不严样本和样本的套筒侧壁。为此,一组一个密封的渗透系数测试装置设计和开发的注胶基于变量水压试验的原则和规范的土壤测试sl237 - 1999 (23,24]。然后,自主研发的设备被用来测试样品的渗透系数,如图6。渗透系数的范围测量的装置 ,即模拟已经广泛。水泥和聚氨酯添加后,材料的渗透系数降低整体。当水泥的比例增加,材料之间的差距减小,渗透系数的一个重要影响的材料。

5。分析影响因素的性质类似的材料

如数据所示7和8、抗压和抗拉强度随着水泥或聚氨酯含量的增加,当增加其他组件的内容是固定的。水泥含量小于6%时,材料的抗拉和抗压强度与聚氨酯的增加迅速增加。在这个时候,材料的强度主要是由聚氨酯的凝聚力。水泥含量超过6%时,材料的抗拉和抗压强度与水泥含量的增加迅速增加。随着水泥含量的增加,产生的胶结材料水化反应增加,从而影响聚氨酯的胶结能力。在这个时候,材料的强度主要取决于水泥。比较两种物质的影响,发现水泥含量决定了综合材料的强度,和聚氨酯内容可以调整强度在一定范围内。当水泥和聚氨基甲酸乙酯的含量为4%,渗透系数随硅油的增加而减小。

通过大量的实验,证明了水泥和聚氨酯的数量可以调整渗透系数。如图9水泥和聚氨基甲酸乙酯含量的增加,材料的渗透系数降低。与水泥和聚氨基甲酸乙酯含量的增加,材料之间的小差距变得越来越小,导致水流大的困难。当聚氨酯含量超过6%时,渗透系数波动 来 。如图10,当水泥和聚氨酯的内容是固定的,硅油,作为管理者,对渗透系数有一定的影响。因为硅油有保水性和疏水性,它可以完全与水泥发生反应,就可以形成疏水表面,导致水流更加困难。因此,渗透系数可控制在一定范围内通过改变水泥的内容,聚氨酯和硅油。

6。类似的材料在老采空区排水试验中的应用

大同煤田是双系统煤田侏罗系和石炭二叠纪。上14 #煤层被充分挖掘,和大量的老采空区水存储在采空区。矿业3 - 5 #煤层时,由于断裂带的发展,采空区上部煤层的渗透。结果,老采空区上部煤层采空区的水向下流动,容易导致突水事故的3 - 5 #煤层。在该测试中,在双系列煤层开采突水大同矿区为研究对象,以探索水压力的变化和法律途径形成和演化的老采空区排放。实验的几何相似性比例是1/200,大小和模型 。模型应用负载为0.03 MPa在垂直方向和一个负载0.01 MPa在水平方向上。然后,应用水压力为0.001 MPa根据实际的计算。岩石力学参数的比例如表所示5和物理模型的图如图11。

如图12,随着工作面推进open-off削减,含水层的水压不会改变明显因为含水层远离开采煤层,和在关键层砂岩的强度有很好的水隔离效果。在这个过程中,形成的断裂拉伸和剪切破坏的每一层open-off切斜向上的发展在一定的角度。同时,裂缝的发展高度也向外延伸。当工作面推进约140米,蓄水层开始波动。此时,关键层逐渐损坏,水开始渗出细小的裂缝。当工作面推进到145米时,关键层坍塌,突水通道的发展和渗透,含水层的水压力急剧下降,MPa趋近于0。因此,关键层水分离的功能,起着决定性作用的一代突水通道的水压力变化(25]。

一个关键层是指地层控制整个或部分上覆岩层运动从表土表面。的明显位置突水是中间的关键层,和突水发生的时期后层的关键是打破。如图13矿业的影响下,骨折的关键层是一个v型结构。垂直裂缝和裂缝形成open-off削减和煤壁工作面主要输水通道,而导致断裂两侧的采空区水不是一个有效的途径。类似的应用材料揭示了相似材料的破坏特征和顶板突水通道的分布特征。认为有一个高概率的突水open-off削减和采空区的中间。这一发现为解决实际工程问题有一定的指导意义。

7所示。结论

(1)一种新型的流固耦合模拟材料开发和测试。相似材料的抗压强度是0.20 - -1.99 MPa,抗拉强度是0.02 - -0.19 MPa,渗透系数 。这种材料适用于大多数岩体的大规模模拟试验(2)控制效果的新流固耦合相似材料力学性能在不同的比例。抗拉和抗压强度主要是由水泥、控制和聚氨酯在一定范围内调整。渗透系数是由水泥和聚氨酯。硅油有保水的功能。变形和水的物理性质可以由水泥和聚氨酯的比例控制(3)压力和水压力的变化形成和演化的输水通道在老采空区排水初步显现。材料的力学性能和水物理性质验证。这项研究提供了一个参考解决突水问题在实际的项目。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(51774110,51704095,和U1904128)和程序为河南省高校科技创新人才(19 hastit047)。