本发明涉及一种煤层岩溶陷落柱突水模型试验相似模拟材料及其制备方法。
背景技术：
煤层岩溶陷落柱是发现于我国华北地区的一种特殊地质现象。岩溶陷落柱的存在,不仅破坏了煤层的正常赋存,更有导水陷落柱是矿井生产的极大水害威胁。岩溶陷落柱属于隐伏垂向构造，其导致的突水具有隐蔽性、突发性且与岩溶水有天然联系等特点，对煤矿安全生产及当地人民生活危害极大。
地质力学模型试验可模拟多种地质条件、开采条件下的巷道围岩变形破坏特征，直观反映所研究系统的物理、力学现象，弥补理论分析与现场试验的不足。在满足相似原理的前提下，能够更加准确地对现场方案实施效果进行提前测试，有效地避免了工程施工后由于方案不合理造成的安全与经济问题。模型试验具有其独特的优越性，在国内外岩土与采矿工程界得到了广泛应用，通过大量的地质力学模型试验来研究地下工程设计和施工方法的优化，进行施工过程力学规律的探索，成为开展地下工程研究的必要手段
但是现在的地下工程模型试验存在着许多明显的不足，尤其是在相似材料的研发方面，大多数只注重物理特性方面的相似模拟，极少考虑到材料的力学特性。虽然有少数相似试验考虑到流-固耦合作用，但是模型试验中难以模拟复杂地质情况下软岩的力学特性，导致实验结果与实际情况不相符。对高力学参数情况下的围岩相似材料的研发比较常见，但是低应力条件下的煤层相似材料的配比却十分罕见。对于煤层大型岩溶陷落柱滞后突水很少有模型试验能够成功模拟，也无法得到相应的研究成果。
技术实现要素：
本发明为了解决上述问题，提出了一种煤层岩溶陷落柱突水模型试验相似模拟材料及其制备方法，尤其适用于煤层大型岩溶陷落柱滞后突水模型试验，本发明能在较大范围内调节材料的强度、渗透性和稳定性，可模拟较大强度范围的岩溶陷落柱煤层。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种煤层岩溶陷落柱突水模型试验相似模拟材料，由以下重量份的组分组成：石英砂1份，腻子粉0.09份，重石晶粉0.10份，凡士林或石油脂0.13份，拌合水0.09份，炭黑0.02份。
所述石英砂的粒径小于9mm，且级配均匀。
所述石膏粉的细度为400-600目
所述滑石粉的细度为800-1400目。
所述拌合水为自来水。
上述相似材料的制备方法，包括以下步骤：
1)首先根据待模拟的工程地质条件岩溶陷落柱煤层物理力学参数，按照确定好的配比称取石英砂、腻子粉、重石晶粉、凡士林和拌合水；
2)将石英砂、腻子粉、重石晶粉三种细粒材料混合并搅拌均匀，静置后，筛去较大的胶结颗粒，加入称量好的拌合水，充分搅拌；
3)将凡士林加热至50℃～65℃，使其熔为液态；
4)将液态凡士林与步骤3)所得材料混合，加入炭黑，并充分搅拌，室温下冷却，得到用于模型试验的煤层相似材料。
本发明的工作原理：
以腻子粉和石英砂为骨料，调节材料重度；以重石晶粉为胶结剂，炭黑作为染色剂，实现对煤层特性的模拟；以凡士林为阻水剂，调节材料的渗透性，同时也作为材料的塑性胶结剂，用于模拟不同力学特性条件下的煤层陷落柱式突水特征，既能实现在高力学参数时的开挖陷落突水，又能模拟力学参数较低时的煤层陷落柱渗水及扰动突水特性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明能实现在保持相似材料具有一定的强度的情况下模拟煤层陷落柱在渗流作用的流-固耦合特性；
(2)本发明能在不影响材料的整体性质的前提下，依据实际煤层的地质状况设计试验模型；
(3)本发明在调控水理特性和力学特性的同时，可以模拟各种类别和渗透系数的陷落柱煤层，模拟出能随着时间推演的力学和渗流特性；
(4)本发明能够在物理力学参数较低的情况下较好的模拟陷落柱煤层的流固-耦合作用；
(5)本发明适用范围广泛，可以用于模拟不同力学特性条件下的煤层岩溶陷落柱式突水特征，既能实现在高力学参数时的开挖底板突水，又能模拟力学参数较低时的煤层陷落柱渗水及扰动突水特性；能在较大范围内调节材料的强度、渗透性和稳定性，可模拟较大强度范围的陷落柱煤层。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是材料的试样在单轴抗压条件下的应力应变曲线图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在相似材料的研发方面，大多数只注重物理特性方面的相似模拟，极少考虑到材料的力学特性不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种煤层大型岩溶陷落柱滞后突水模型试验的煤层相似模拟材料。
由以下重量份的组分组成的：石英砂1份，腻子粉0.09份，重石晶粉0.10份，凡士林(石油脂)0.13份，拌合水0.09份，炭黑0.02份。
石英砂的粒径小于9mm，且级配均匀。
石膏粉的细度为400-600目
滑石粉的细度为800-1400目。
拌合水为自来水。
凡士林(石油脂)为透明无毒的医药凡士林。
本发明的煤层大型岩溶陷落柱滞后突水模型试验中模拟陷落柱煤层的相似材料，采用重石晶粉作为胶结剂，以凡士林调节剂，同时用作塑性胶结剂，既能使材料遇水后具有一定的稳定系数，同时又可以保证材料的渗流性，也能使渗透性增强；采用凡士林来调节材料的水理特性，也能调节材料的渗透性；
采用石英砂和腻子粉作为骨料，调节材料的重度以及强度和弹性模量等，材料主要参数范围如表1所示，在单轴抗压条件下的应力应变曲线如图1所示。
表1
本发明的煤层大型岩溶陷落柱滞后突水模型试验中模拟岩溶陷落柱煤层的相似材料，研究了可用模型试验中模拟陷落柱煤层的相似材料的技术方案和制备方法，使了煤层陷落柱突水相似模型试验得以实现，解决了较低力学参数情况下相似试验难以与真实地质情况相符的难题，也可模拟了同种地质条件下材料强度、渗透性的测定及破坏机理，使得出的实验结果能更好的去指导实际工程应用。
本发明选用石英砂、腻子粉、重石晶粉、凡士林(石油脂)、拌合水、炭黑作为陷落柱煤层相似材料的组成成份。其中，重石晶粉作为主要胶结剂，凡士林作为塑性胶结剂，能保证煤层相似材料既具有强度，又具有一定的塑性，在实验中不会遇水溶解，同时能够承受一定的压强。在较低力学参数下，可以实现相似材料在水力作用下的强度降低以及渗透性增强，最终形成突水通道；石英砂、腻子粉作为骨料，通过调节比重来模拟相似材料的强度、内聚力和内摩擦角等。凡士林(石油脂)的含量既能调节材料的粘结强度，也能调节相似材料的渗透系数，保证材料的物理力学性质和水理特性都满足实验要求；凡士林可以调节相似材料的渗透性、强度和弹性模量，随着含量的增加，其对强度和弹性模量的调节作用与重石晶粉相反，通过调节二者的比例，可以改变材料的力学特性和水理特性。
本发明所用的石膏粉细度为700目；石英砂粒径小于7mm，且级配均匀；滑石粉的细度为1000目；凡士林为白色无毒的医用级凡士林。
制备煤层大型陷落柱滞后突水模型试验中模拟断层的相似材料
原料组成为：石英砂1份，腻子粉0.09份，重石晶粉0.10份，凡士林(石油脂)0.13份，拌合水0.09份，炭黑0.02份。
制备方法为：
1)首先根据待模拟的工程地质条件陷落柱煤层物理力学参数，按照确定好的配比称取石英砂、腻子粉、重石晶粉、凡士林和拌合水；
2)将石英砂、腻子粉、重石晶粉三种细粒材料混合并搅拌均匀，静置半小时，筛去较大胶结颗粒，加入称量好的拌合水，充分搅拌；
3)将凡士林加热至50℃～65℃，使其熔为液态；
4)将液态凡士林与步骤3)所得材料混合，加入炭黑，并充分搅拌，室温下冷却5～10min，即得用于模型试验的煤层相似材料。
所得材料在单轴抗压条件下的应力应变如图1所示，反应了试件在加载过程中随着荷载的增加，应变的变化过程，符合相似条件对相似材料的要求。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。