适用于地球物理动态模型试验的相似材料的制备方法与流程

本发明涉及地质与勘探地球物理领域，尤其涉及一种适用于地球物理动态模型试验的相似材料的制备方法。

背景技术：

模型试验是地球物理研究的重要方法，其中相似材料的选取和制备是关键。传统地球物理模型试验方法包括水槽法和土(砂)槽法，用水或土(砂)做均匀介质来模拟均匀围岩，用金属和石墨等模拟低电阻率异常体，用环氧树脂和有机玻璃等模拟高电阻率异常体。近年来发展了一些改进的地球物理模型试验方法。例如：中国矿业大学姜志海等采用盐水作为相似材料，建立了全空间瞬变电磁超前探测物理模型；山东大学聂利超等以粉质黏土、碎石和水泥作为相似材料，制作了多元地球物理场综合探测模型。以上相似材料主要实现的是地球物理静态模型的模拟。

地球物理动态模型试验需要模型材料同时满足力学相似条件和电性相似条件，使模型的变形破坏与实际岩层的变形破坏满足一定的相似条件，同时模型的电阻率与实际岩层电阻率也满足一定的相似条件。目前，用不同配比的沙子、石膏、碳酸钙和水作为相似材料进行力学模型试验方法已经比较成熟；用水槽和土(砂)槽等进行地球物理模型试验也比较成熟。但是，还没有能同时定量满足力学相似条件和电性相似条件的相似材料及制备方法，难以满足地球物理动态模型试验的需要。

技术实现要素：

针对上述现有相似材料的不足，本发明提供一种可以同时定量满足力学相似条件和电性相似条件的适用于地球物理动态模型试验的相似材料的制备方法,，以解决常规相似材料难以实现地球物理动态模型试验的问题。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：适用于地球物理动态模型试验的相似材料的制备方法，相似材料采用沙子、石膏、碳酸钙、水、氯化钠和云母粉，其中沙子、石膏、碳酸钙和水的用量由原型力学参数决定，氯化钠的用量由原型电性参数、沙子、石膏、碳酸钙和水的用量共同决定，制备方法包括以下步骤：

步骤1)建立地质地球物理模型：将原型分块，确定分块数量，、每一块的尺寸位置、抗拉强度、抗压强度、密度和电阻率；所述分块数量和每一块的尺寸位置根据实验需要确定，所述每一块的抗拉强度和抗压强度根据原型岩石力学试验结果确定，所述每一块的电阻率根据原型电阻率测井资料确定；

步骤2)采用现有方法确定相似常数：根据原型大小、力学参数和模具尺寸，确定几何相似常数、容重相似常数、强度相似常数和弹性相似常数；

步骤3)计算沙子、碳酸钙、石膏和水的用量：根据几何相似常数，将原型每一块的尺寸转换为模型每一块的尺寸；采用现有方法，根据力学相似常数和力学参数，确定模型每一块的沙子、碳酸钙、石膏和水的用量比例；根据模型每一块的尺寸和沙子、碳酸钙、石膏和水的用量比例，确定模型每一块的沙子质量、碳酸钙质量、石膏质量和水的质量；

步骤4)计算氯化钠用量：计算每一块的沙子质量百分含量s，石膏质量百分含量g，估计模型干燥时间t；将每一块模型的电阻率ρ、沙子质量百分含量s、石膏质量百分含量g和干燥时间t带入公式c＝exp(0.91×(-9.37+0.22s-1.2g+1.73ln(0.25t)-ln(ρ)))，得到每一块的氯化钠溶液浓度c；将每一块氯化钠溶液浓度c乘以每一块模型水的质量得到每一块模型的氯化钠的质量；所述沙子质量百分含量为沙子质量除以沙子、碳酸钙和石膏质量之和；所述石膏质量百分含量为石膏质量除以沙子、碳酸钙和石膏质量之和；

步骤5)配料：用电子天平称取步骤3)计算的每一块模型所需沙子质量、碳酸钙质量、石膏质量；用电子天平称取步骤4)计算的每一块模型所需氯化钠质量；用量杯称取步骤3)计算的每一块模型所需水的质量；

步骤6)搅拌：将氯化钠放入水中得到氯化钠溶液，启动搅拌机，按照石膏，碳酸钙，沙子和氯化钠溶液的顺序将材料缓慢倒入搅拌机中搅拌3～5min，搅拌均匀；

步骤7)装模：将搅拌均匀的材料装入模具，模型每块之间的分界面上撒一层薄云母粉；

步骤8)拆模：24h～48h模型基本干燥后拆模；

步骤9)常温下继续干燥15～30天，即可得到所需相似材料模型。

进一步的，步骤1)中的原型分块，根据实验需要每一块以是层状或任意不规则形状。

进一步的，步骤2)中所述的力学参数饿抗拉强度、抗压强度和密度。

进一步的，步骤2)中所述的模具，根据实验需要是二维模具或三维模具。

进一步的，步骤3)中所述的力学相似常数包括容重相似常数、强度相似常数和弹性相似常数。

进一步的，步骤4)中所述模型干燥时间为步骤8)中模型干燥时间。

与现有方法相比，本发明方法具有的优点和效果如下：

(1)本发明制作的相似材料模型，可以同时定量满足力学相似条件和电性相似条件，解决了常规相似材料难以实现地球物理动态模型试验的问题。

(2)本发明中氯化钠的用量综合考虑了原型电性参数、沙子、石膏、碳酸钙和水的用量，并且是定量的，大大提高了模型电性参数的模拟精度。

(3)本发明采用沙子、石膏、碳酸钙、水、氯化钠和云母粉制作相似材料模型，原料成本低，制备工艺简单。

附图说明

图1为相似材料模型图。

图2为图1采前电阻率断面图。

图3为采至x＝1.9m时电阻率断面图。

图4为电阻率变化率断面图。

图5为电阻率变化率断面图附在模型照片上的示意图。

具体实施方式

以下参照具体实施例对本发明进行详细的说明。

实施例1

为了说明本发明方法的制备方法，给出了某次模型试验相似材料制备流程。

煤矿为了减轻瓦斯危害，通常在煤层上方布置一条高抽巷抽采瓦斯。为了达到最优抽采效果，高抽巷需要布置在煤层开采后上覆岩层产生的裂隙带内。某矿为了确定高抽巷的布置位置，拟采用时移高密度电法对裂隙带范围进行探测。实测之前，首先开展了模型试验，相似材料制备流程如下：

步骤1)建立地质地球物理模型：将原型分为53块，每块均为层状，根据岩石力学试验结果和电阻率测井资料，确定每一块的厚度、抗拉强度、抗压强度、密度和电阻率，如表1中为40-50层的参数。

表1地质地球物理模型(40-50层)

步骤2)确定相似常数：原型工作面走向长998m，倾斜长195m，煤层埋藏深度350m。相似模拟平台尺寸3200mm×1600mm×250mm。综合考虑模拟平台尺寸和原型几何参数，几何相似常数设置为1/300。原型岩石平均密度约为2.5t/m³，模型平均密度约为1.8t/m³，容重相似常数为原型岩石平均密度与模型平均密度的比值为1.4。强度及弹性相似常数是容重相似常数与几何相似常数的比值为420。

步骤3)计算沙子、碳酸钙、石膏和水的用量：根据几何相似常数，将原型每一层厚度转换为模型每一层厚度。根据容重相似常数、强度相似常数、弹性相似常数和原型力学参数确定模型每一层的沙子、碳酸钙、石膏和水的用量比例。采用现有方法，用量比例用配比号abc表示，b：c为碳酸钙质量与石膏质量的比值，a：1为沙子质量与(碳酸钙质量+石膏质量)的比值。配比号通过查阅配比表，即配比号与容重相似常数、强度相似常数、弹性相似常数和原型力学参数之间的经验关系表确定。最后，根据模型每一层的尺寸和沙子、碳酸钙、石膏和水的用量比例，确定模型每一层的沙子质量、碳酸钙质量、石膏质量和水的质量。其中，沙子、碳酸钙和石膏总质量根据模型平均密度和每一层的体积，估算一个值并乘以1.2的系数，保证配制的材料比实际使用的有富余，根据沙子、碳酸钙和石膏总质量和配比号，可以分别求出沙子质量、碳酸钙质量和石膏质量。水的质量是沙子、碳酸钙和石膏总质量的10％。表2中为40-50层的模型材料及用量参数。

表2模型材料及用量(40-50层)

步骤4)计算氯化钠用量：计算每一层的沙子质量百分含量s，石膏质量百分含量g，估计模型干燥时间t＝524h，和每一层的电阻率ρ带入公式c＝exp(0.91×(-9.37+0.22s-1.2g+1.73ln(0.25t)-ln(ρ)))，得到每一层的氯化钠溶液浓度c。将每一层氯化钠溶液浓度c乘以每一层水的质量得到每一层氯化钠的质量，见表2。

步骤5)配料：用电子天平称取步骤3)计算的每一层所需沙子质量、碳酸钙质量、石膏质量。用电子天平称取步骤4)计算的每一层所需氯化钠质量。用量杯称取步骤3)计算的每一层需水的质量。

步骤6)搅拌：将氯化钠放入水中得到氯化钠溶液，启动搅拌机，按照石膏，碳酸钙，沙子和氯化钠溶液的顺序将材料缓慢倒入搅拌机中搅拌3～5min，搅拌均匀。

步骤7)装模：将搅拌均匀的材料装入模具，模型每层之间的分界面上撒一层薄云母粉。

步骤8)拆模：24h～48h模型基本干燥后拆模。

步骤9)常温下继续干燥22天，得到所需相似材料模型，如图1所示。

实施例2

为了说明本发明方法的效果，给出了实施例1制作模型的模型试验效果。

图2为煤层开采前图1模型反演电阻率断面图，电阻率在5～100ω·m之间，呈层状分布。受体积效应和等值问题影响，反演电阻率是模型各层电阻率的综合反映，整体上模型反演电阻率与设计电阻率值一致。

图3、4、5分别为采至x＝1.9m时电阻率断面图、电阻率变化率断面图和电阻率变化率断面图附在模型照片上的示意图。由图3、4可见，煤层开采后，上覆地层产生变形破坏，变形破坏区域电阻率增大，最大增至原地层电阻率的5倍，电阻率异常形态与覆岩变形破坏范围一致，地球物理动态模型试验效果良好。