用于模拟煤矿开采构造突水的相似材料、制备及使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及相似材料及其制备方法和使用方法领域，具体涉及一种用于模拟煤矿 开采构造突水的相似材料、相似材料的制备方法和使用方法。
【背景技术】
[0002] 我国煤矿的大部分突水淹井事故是由于存在的断裂构造引起的，其中因断层引起 的突水事故占80%以上，大多数事故是原始地质条件下的非导水断层在采动影响下发生突 水造成的，然而实验室条件下利用相似材料模拟构造突水仍是空白。
[0003]目前现有技术关于这方面的研究是利用切割、填塞等方法进行模拟。付广 等人（断层静止期垂向封气性评价标准的物理模拟实验及其应用[J].天然气工 业，2005, 07:20-22+14-15)采用饱和含1 %矿化水的石英砂填充断裂带，用以模拟 断层带岩体的密封性，该实验手段无法模拟真实断层环境，材料无法模拟具有一定力 学性质的断层岩石；吕延防等人（逆断层中天然气运移特征的物理模拟[J].地质科 学，2005, 04:16-27+3-4.)在装载微缩模型时用2mm厚胶皮模拟隐伏构造，模型制成后待膏 泥岩吸水变硬后抽出胶皮，以此模拟构造活动时产生的空腔，该方法仅仅用空腔代替断层 与实际不符合；单亦先等人（基于物理模拟实验研究地层组成对断层结构的影响[J].油气 地质与采收率，2015, 02:24-27.)以尚未完全固结的砂、泥为实验材料模拟断层二元型结 构，该方法虽然与原始地质条件相似，但材料在耦合环境下不能模拟主动活化作用。上述断 层模拟方法使用的材料在水压和矿压作用下，不能实现断层活化的模拟，造成试验现象不 明显，不具有可信度。因此，研制能够模拟煤矿开采构造突水的材料成为必须攻克的难关。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种用于模拟煤矿开采构造突水的相似材料及其制备使 用方法，该相似材料可以间接实现水压对围岩的影响作用，具有模拟构造活化的主动性，进 而模拟在耦合作用下构造破坏活化以及展示通水通道的形成与演化。
[0005] 本发明的任务之一是提供一种用于模拟煤矿开采构造突水的相似材料。
[0006] -种用于模拟煤矿开采构造突水的相似材料，按照重量份数其由下述原料制备而 成：黄豆10. 1-20. 3份、河沙33. 0-59. 0份、碳酸钙20-40份和石膏1. 5-7. 0份。
[0007] 上述技术方案直接带来的有益技术效果是：
[0008] 采用河沙、碳酸钙、石膏和黄豆制作的断层材料对水具有毛细作用，同时，黄豆亲 水后会发生膨胀，并释放出较大的能量，释放的能量足以使煤矿底板相似材料发生破坏，致 使裂隙通道的产生。由黄豆亲水后直径与体积的变化可知，黄豆亲水前后体积增大3. 4倍， 半径增大1. 5倍，且黄豆直径变化与时间呈一次线性关系。假设黄豆在密闭空间内膨胀过 程中做功全部作用于围岩，且不产生其他能量的损失，基于Flory-Huggins理论计算单位 面积单个黄豆作用的力为0. 4-1.IMPa，在膨胀过程中产生的能力足已使底板模拟材料发生 破裂。
[0009] 对于模拟断层的相似材料，材料在水的作用下能发生明显软化，保证了材料的亲 水性性能；断层模拟材料需满足能够模拟岩性固体变形等物理学性质以及渗透性相似的特 点；在物理试验过程中，断层材料在于承压水导通的状况下，能够模拟断层的破坏活化和突 水通道的形成与演化，即正常深井开采条件下，断层模拟自主由下至上发生破坏；断层材料 可以微观模拟水压制裂，单元化模拟岩石的损伤破坏。
[0010] 作为本发明的一个优选方案，上述黄豆的平均直径为8. 0mm-12mm，河沙的粒径小 于 6mm〇
[0011] 上述技术方案直接带来的有益技术效果是：
[0012] 断层材料在水压和矿压共同作用下，材料首先发生破裂，破裂的主要方式为横向 贯穿破坏，以及少部分纵向微裂隙。该配比的实验材料具有较好的渗透性和物理力学性质， 黄豆的平均直径、河沙的粒径、黄豆的比例适中，该配比的材料具有"桥梁"作用，利用其吸 水致裂围岩模拟水压致裂裂隙的主动影响作用，进而模拟承压水作用下的断层活化；材料 在内膨胀完全，与模拟实验的时间要求相符。
[0013] 本发明的另一任务是提供上述相似材料的制备方法，依次包括以下步骤：
[0014] a、按照重量份配比分别称取原料，将黄豆、河沙、碳酸钙和石膏一起加入至搅拌装 置中混合均匀；
[0015]b、向混合均匀的原料中加入水，继续搅拌，直至原料达到一定的可塑性和流动性 时停止；
[0016] c、将步骤b所得原料放入试模中，按照实际地质构造的空间位置及分布形态进行 铺设，常温下冷却、固化得相似材料。
[0017] 上述方案直接带来的有益技术效果是：
[0018] 将混合的原料搅拌至具有一定的可塑性和流动性时停止，搅拌程度与所模拟的地 质构造有关，模拟断层地质构造时，材料具有较强的吸附性能，能够吸附围岩材料上并按照 设计地质产状进行铺设；模拟隐伏构造时，材料需呈粉状，利用工具充填入地质间隙中，进 而实现水在隐伏构造保压及膨胀致裂的作用；模拟陷落柱等块体状地质构造时，材料需内 干外湿，外部保证材料的吸附作用，内部保证材料具有较强的吸水作用。
[0019] 优选的，步骤a中原料在搅拌装置中的温度为25°C。
[0020] 上述方案直接带来的有益技术效果是：
[0021] 25°C室温下，河沙、碳酸钙、石膏和水混合材料凝固相对较快，游离水含量降低速 度较快，降低制作过程中水对黄豆的影响作用，保证材料中黄豆在制作过程中不会发生较 为明显的膨胀。
[0022] 本发明相似材料的使用方法，包括以下步骤：
[0023] 第一步、依据研究要求及实际地质条件，选择合适的实验装置和固流耦合相似材 料；
[0024] 第二步、设计合适的相似模型，标注需要模拟地质构造的空间位置；
[0025] 第三步、将用相似材料制作的煤矿底板铺设在试验台的底部，层与层之间铺撒定 量云母粉，并铺设传感器进行实验数据的采集；
[0026] 第四步、按照地质空间位置和产状切割围岩材料，进而添加用于模拟煤矿开采构 造突水的相似材料并固定；
[0027] 第五步、模型静置24h进行垂直及水平附加应力加载，设定水压加载，进行试验。
[0028] 本发明的有益技术效果为：
[0029] 本发明采用原料黄豆、河沙、碳酸钙和石膏共同制备得到的相似材料，其具有较强 的可塑性，单轴抗压强度可达0. 1-0. 8Mpa，在矿压和水的共同作用下产生羽状排列的张剪 节理，发生纵向贯穿破坏，以及少部分横向微裂隙破坏，具有较真实可信的模拟作用。
[0030] 本发明实验材料在水的作用下能发生明显软化，具有"桥梁"作用，利用其吸水致 裂围岩模拟水压致裂裂隙的主动影响作用，进而模拟承压水作用下的断层活化和和构造裂 隙的扩展。
【附图说明】
[0031] 下面结合附图对本发明做进一步清楚、详细的说明：
[0032] 图1为本发明相似材料直径与体积变化曲线图。
[0033] 图2为本发明相似材料裂隙活化形成的均匀破裂形式示意图；
[0034] 图3为本发明相似材料裂隙活化形成的中部破裂形式示意图；
[0035] 图4为本发明相似材料裂隙活化形成的两端破裂形式示意图；
[0036] 图5为本发明相似材料使用模型铺设示意图；
[0037] 图6为本发明相似材料模拟断层附近应力变化云图；
[0038] 图中，1、粉砂岩，2、泥岩，3、灰岩，4、纵向微裂隙，5、横向贯穿破坏，6、横向破坏，7、 纵向贯穿破坏，8、相似材料。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
[0040] 本发明所选原料，黄豆的规格为平均直径在8. 0mm-12mm之间，碳酸钙为轻质碳酸 钙，石膏为熟石膏，河沙的粒径小于6mm。
[0041] 本发明用于制备相似材料的原料，其重量份数分别为：黄豆10. 1-20. 3份、河沙 33. 0-59. 0份、碳酸钙20-40份和石膏1. 5-7. 0份。
[0042] 根据上述重量份数，可根据重量份数数值范围配伍成多种组合，下面例举其中的 一部分做详细说明。
[0043] 实施例1 :
[0044] 按照总原料为100份来计，其中黄豆10. 1份，河沙40份，碳酸钙40份，石膏7份， 其余为水。
[0045] 实施例2 :
[0046] 按照总原料为100份来计，其中黄豆10. 1份，河沙59份，碳酸钙20份，石膏1. 5 份，其余为水。
[0047] 实施例3 :
[0048] 按照总原料为100份来计，其中黄豆20. 3份，河沙40份，碳酸钙30份，石膏5份， 其余为水。
[0049] 实施例4 :
[0050]按照总原料为100份来计，其中黄豆15份，河沙33份，碳酸钙40份，石膏7份，其 余为水。
[0051] 实施例5:
[0052] 按照总原料为100份来计，其中黄豆15份，河沙40份，碳酸钙30份，石膏5份，其 余为水。
[0053] 下面对实施例1和实施例5的制备方法做详细说明：
[0054] 实施例1相似材料的具体制备方法，依次包括以下步骤：
[0055] a、按照重量份配比分别称取原料，其中黄豆10. 1份，河沙40份，碳酸钙40份，石 膏7份，将材料一起加入至搅拌装置中混合均匀；
[0056] b、向混合均匀的原料中加入水，继续搅拌，按照试验设计模拟断层地质构造，材料 具有较强的吸附性能，使材料达到一定的可塑性和流动性；
[0057] c、将步骤b所得原料放入试模中，按照实际地质构造的空间位置及分布形