一种地下水库坝体相似模拟实验材料及其配比的确定方法
阅读：941发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种地下水库坝体相似模拟实验材料及其配比的确定方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种地下 水 库坝体相似模拟实验材料， 地下水 库坝体相似模拟实验材料由 骨料 、胶结剂和保护剂制备而成，骨料为 河沙 ，胶结剂为速干 水泥 ，保护剂为液态 石蜡 ，地下水库坝体相似模拟实验材料中河沙、速干水泥和液态石蜡的重量比为：3:1:18。本发明还公开了一种地下水库坝体相似模拟实验材料配比的确定方法。本发明相似材料的 力 学参数和渗流参数与水库坝体相似，性质满足流固耦合相似模拟实验要求，解决了固 体模 型材 料遇水崩解和模拟中 水体 渗流的可视性问题。，下面是一种地下水库坝体相似模拟实验材料及其配比的确定方法专利的具体信息内容。
1.一种地下水库坝体相似模拟实验材料，其特征在于：所述地下水库坝体相似模拟实验材料由骨料、胶结剂和保护剂制备而成，所述骨料为河沙，所述胶结剂为速干水泥，所述保护剂为液态石蜡，所述地下水库坝体相似模拟实验材料中河沙、速干水泥和液态石蜡的重量比为3:1:18。
2.按照权利要求1所述的一种地下水库坝体相似模拟实验材料，其特征在于：所述河沙为干燥的河沙。
3.一种如权利要求1所述的地下水库坝体相似模拟实验材料配比的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、材料初步试验，分别称取骨料、胶结剂和保护剂，骨料、胶结剂和保护剂的质量比为1:1:1，将质量比为1:1:1的骨料、胶结剂和保护剂混合后制作成试件，然后将制作成的试件放置在水中浸泡48小时，通过观察试件浸泡在水中48小时后是否发生失效性崩解，来判断试件的非亲水性，如果试件浸泡在水中48小时后未发生失效性崩解，其具有良好的非亲水性，可以进行下一步配比试验；
步骤二、确定骨胶比：称取不同重量配比的骨料和胶结剂，并将每种配比的骨料和胶结剂制备成多个试件，对所有配比的试件进行强度测试，将各个配比试件测试的数据绘制成试件应力应变曲线图，将所述试件应力应变曲线图与待模拟坝体原岩平均应力应变曲线图进行对比，确定最吻合的应力应变曲线对应的骨料和胶结剂的配比；
步骤三、确定骨胶与保护剂的比例，分别称取骨料、胶结剂和保护剂，将骨料、胶结剂和保护剂组成不同质量配比的混合物料，所述混合物料中骨料和胶结剂的质量配比为步骤二中所述应力应变曲线对应的骨料和胶结剂的配比，将所述混合物料制备成试件并对各个试件进行配比标记，对所述标记好的试件进行渗透系数测试，获取试件渗透系数数据，将获取的试件渗透系数数据与待模拟坝体原岩渗透系数数据进行比较，选择与待模拟坝体原岩渗透系数数据相近似的试件渗透系数数据对应试件的配比，该配比为最终待模拟坝体相似材料的配比。
4.按照权利要求3所述的一种地下水库坝体相似模拟实验材料配比的确定方法，其特征在于：所述步骤一中将质量比为1:1:1的骨料、胶结剂和保护剂混合后制作成试件，包括如下步骤：
步骤101、称取骨料、胶结剂和保护剂即称取质量相同的河沙、速干水泥和液态石蜡；
步骤102：将步骤101中称取好的河沙、速干水泥和液态石蜡倒入搅拌锅中机械搅拌均匀，并不断搅拌；
步骤103：将搅拌均匀的河沙、速干水泥和液态石蜡的混合物料倒入试模中，使用捣具迅速压实捣紧；
步骤104：待实验材料冷却成型之后再拆除试模取出成型的试件，试件制作完成。
5.按照权利要求3或4所述的一种地下水库坝体相似模拟实验材料配比的确定方法，其特征在于：所述步骤二中称取不同重量配比的骨料和胶结剂的具体方法是：分别称取质量比为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1四种比例的骨料和胶结剂，所述并将每种配比的骨料和胶结剂制备成多个试件的具体方法是对每种配比的骨料和胶结剂分别制备20个试件。
一种地下水库坝体相似模拟实验材料及其配比的确定方法
技术领域
背景技术
[0002] 作为煤炭开采过程中水资源保护和再利用的有效手段，煤矿地下水库已 在实际工程中得以较好的应用和实施。作为地下大规模的储水设施，煤矿地 下水库坝体的稳定性是一个不容忽视的问题。矿区开采作业频繁，开采过程 中引发的来压扰动载荷对地下水库坝体构成较大的威胁，一旦出现溃坝事故 不仅是资源的浪费，也对井下设施和人员的安全的巨大威胁，因此采空区地 下水库整体隔水稳定性问题的研究就显得非常必要。
[0003] 在实验室中人们通过相似模拟实验来研究和分析采空区地下水库整体隔 水稳定性等问题，但是现有的相似材料，模拟坝体结构，所得出的坝体运动 及裂隙演化规律与实际不一致，潜水渗流规律及相关参数也与原型偏差较大， 不能很好的模拟地下水库坝体结构。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种地下水库 坝体相似模拟实验材料，其材料的力学参数和渗流参数与水库坝体相似， 性质满足流固耦合相似模拟实验要求，解决了固体模型材料遇水崩解和模 拟中水体渗流的可视性问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种地下水库坝体相似 模拟实验材料，其特征在于：所述地下水库坝体相似模拟实验材料由骨料、 胶结剂和保护剂制备而成，所述骨料为河沙，所述胶结剂为速干水泥，所 述保护剂为液态石蜡，所述地下水库坝体相似模拟实验材料中河沙、速干 水泥和液态石蜡的重量比为3:1:18。
[0006] 上述的一种地下水库坝体相似模拟实验材料，其特征在于：所述河沙 为干燥的河沙。
[0008] 步骤一、材料初步试验，分别称取骨料、胶结剂和保护剂，骨料、胶 结剂和保护剂的质量比为1:1:1，将质量比为1:1:1的骨料、胶结剂和保护 剂混合后制作成试件，然后将制作成的试件放置在水中浸泡48小时，通 过观察试件浸泡在水中48小时后是否发生失效性崩解，来判断试件的非 亲水性，如果试件浸泡在水中48小时后未发生失效性崩解，其具有良好 的非亲水性，可以进行下一步配比试验；
[0009] 步骤二、确定骨胶比：称取不同重量配比的骨料和胶结剂，并将每种 配比的骨料和胶结剂制备成多个试件，对所有配比的试件进行强度测试， 将各个配比试件测试的数据绘制成试件应力应变曲线图，将所述试件应力 应变曲线图与待模拟坝体原岩平均应力应变曲线图进行对比，确定最吻合 的应力应变曲线对应的骨料和胶结剂的配比；
[0010] 步骤三、确定骨胶与保护剂的比例，分别称取骨料、胶结剂和保护剂， 将骨料、胶结剂和保护剂组成不同质量配比的混合物料，所述混合物料中 骨料和胶结剂的质量配比为步骤二中所述应力应变曲线对应的骨料和胶 结剂的配比，将所述混合物料制备成试件并对各个试件进行配比标记，对 所述标记好的试件进行渗透系数测试，获取试件渗透系数数据，将获取的 试件渗透系数数据与待模拟坝体原岩渗透系数数据进行比较，选择与待模 拟坝体原岩渗透系数数据相近似的试件渗透系数数据对应试件的配比，该 配比为最终待模拟坝体相似材料的配比。
[0011] 上述的一种地下水库坝体相似模拟实验材料配比的确定方法，其特征 在于：所述步骤一中将质量比为1:1:1的骨料、胶结剂和保护剂混合后制 作成试件，包括如下步骤：
[0012] 步骤101、称取骨料、胶结剂和保护剂即称取质量相同的河沙、速干 水泥和液态石蜡；
[0013] 步骤102：将步骤101中称取好的河沙、速干水泥和液态石蜡倒入搅 拌锅中机械搅拌均匀，并不断搅拌；
[0014] 步骤103：将搅拌均匀的河沙、速干水泥和液态石蜡的混合物料倒入 试模中，使用捣具迅速压实捣紧；
[0015] 步骤104：待实验材料冷却成型之后再拆除试模取出成型的试件，试 件制作完成。
[0016] 上述的一种地下水库坝体相似模拟实验材料配比的确定方法，其特征 在于：所述步骤二中称取不同重量配比的骨料和胶结剂的具体方法是：分 别称取质量比为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1四种比例的骨料和胶结剂，所述 并将每种配比的骨料和胶结剂制备成多个试件的具体方法是对每种配比 的骨料和胶结剂分别制备20个试件。
[0017] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0018] 1、本发明的主材料为河沙、速干水泥和液态石蜡均来源广泛，成本 低，对人体无毒害。
[0019] 2、本发明采用河沙作为骨料，速干水泥为胶结剂，液态石蜡作为保 护剂，使得模型容易成型，凝固时间短，便于模型的快速搭建。
[0020] 3、本发明以河沙为骨料，水泥作为胶结剂增强材料的脆性及粘结性， 采用液体石蜡作为非亲水保护剂的流固相似模拟实验材料，其材料的力学 参数和渗流参数与水库坝体相似，性质满足流固耦合相似模拟实验要求， 解决了固体模型材料遇水崩解和模拟中水体渗流的可视性问题。
附图说明
[0022] 图1为本发明原岩试件的平均应力应变曲线图。
[0023] 图2为本发明不同骨胶比的应力应变曲线图。
[0024] 图3为本发明不同骨胶与保护剂比例的渗透速率曲线图。
[0025] 图4为本发明实施例坝体模型图。
[0026] 图5为本发明地下坝体模型受力计算图。
[0027] 图6为本发明实施例中真三轴压缩变形压缩模拟过程图。
[0028] 图7为本发明不同围压下轴向附加应力与轴向总应变关系对比图。
[0029] 图8为本发明相似材料配比实验流程图。
[0030] 附图标记说明:
[0031] 1—骨胶比为5:1的应力应变曲线；2—骨胶比为4:1的应力应变曲线；
[0032] 3—骨胶比为3:1的应力应变曲线；4—骨胶比为2:1的应力应变曲线；
[0033] 5—骨胶比为1:1的应力应变曲线；
[0034] 6—骨胶与保护剂比为1:19.5时的渗透速率曲线；
[0035] 7—骨胶与保护剂比为1:19时的渗透速率曲线；
[0036] 8—骨胶与保护剂比为1:18.5时的渗透速率曲线；
[0037] 9—骨胶与保护剂比为1:18时的渗透速率曲线；
[0038] 10—骨胶与保护剂比为1:17.5时的渗透速率曲线；
[0039] 11—骨胶与保护剂比为1:17时的渗透速率曲线；
[0040] 12—骨胶与保护剂比为1:16.5时的渗透速率曲线；
[0041] 13—骨胶与保护剂比为1:16时的渗透速率曲线；
[0042] 14—附加应力为5KPa时轴向附加应力与轴向总应变关系曲线图；
[0043] 15—附加应力为20KPa时轴向附加应力与轴向总应变关系曲线图；
[0044] 16—附加应力为35KPa时轴向附加应力与轴向总应变关系曲线图；
具体实施方式
[0045] 下面以神东矿区地下水库坝体相似模拟实验材料研究对本发明进行 说明：
[0047] 在物理模拟实验中，选择合适的模型材料是模拟的关键环节之一，根 据相似材料模拟实验理论，即流固耦合相似准则和相似材料应具有的性质， 相似模型材料应具有非亲水、低渗透性、塑性变形特征。因而流固两相模 拟实验首先要研制非亲水的模拟材料，而且这些非亲水性相似模拟材料要 与原型力学性质相似，长期以来，非金属矿山采场的模拟实验主要是针对 工作面及上覆一定厚度的围岩展开的，选取的材料为脆性单相材料。人工 坝体模拟实验需要考虑坝体遇水不崩解、具有相似强度、相似隔水性等性 质的要求，因此需要探索合理的坝体相似材料和配比。
[0048] 关于基岩相似材料的成分选取，以往的手段主要有两种：一种是固相 模型中选取干净的河沙作为骨料，选用石膏和大白粉作为胶结材料。该种 材料的强度能够满足基岩层的单相模拟要求，但是遇水易崩解，考虑到坝 体与水体渗流耦合作用的试验要求，试验材料必须满足遇水后强度不易失 效的要求，因此该方法在在模拟人工坝体时不适用。另一种方法是两相模 型中采用干燥河沙与固态石蜡进行基岩材料的配制方法，按照不同配比在 熔融状态下充分混合后的材料性质，能够满足不同基岩层的强度、塑性、 非亲水性的要求，并且经过了大量的试验，验证了该材料的脆性-塑性-水 理性的优越性。但不足的是，实验人员在相似材料配置过程中，对于固态 石蜡的熔融温度难以准确控制把握，同时由于固态石蜡的主要成分为固态 高级烷烃的混合物，熔点在42℃～54℃，在加热和烘炒过程中如果对于加 热皿的温度控制不够精确，石蜡易在高温下释放出大量“青烟”，经过相 关资料查阅分析“青烟”的主要成分为：壬烷、庚烷、辛烷、己烷、戊烷 等一些液态烷烃的蒸气，如果在相似材料配置过程中被实验人员少量吸入， 对呼吸道有一定的刺激影响，当试验室通风不畅情况下，高浓度石蜡蒸气 会对实验人员造成一定的麻醉效果，长时间接触的话，可能会有各种身体 不适的状况发生。鉴于目前相似模拟实验室的恒温烘炒装置及去害气体通 风设施的不齐全，因此亟待需要选取一种新的流固耦合基岩层相似材料配 制方法。由于石蜡的非亲水性已经得到了大量试验的验证，同时为了减少 挥发性有毒蒸气对试验人员身体的潜在损害，因此本论文选取液态石蜡作 为一种改良材料用于基岩相似材料的配制，液态石蜡为无色半透明油状液 体，无臭、无味，不溶于水、乙醇，溶于挥发油，混溶于多数非挥发性油， 对光、热、酸等稳定，同时可以作为相似材料的薄膜固化剂起到促进水泥 与沙之间的水合作用。
[0049] 鉴于以上材料分析结果，本发明使用筛选后的干燥河沙作为骨料，同 时为了增加基岩材料的强度，选用速干水泥作为胶结剂增强基岩的脆性及 粘结性，采用液体石蜡作为非亲水保护剂。这些材料价格低廉，方便获取， 便于模型的快速搭建。
[0050] 材料确定后可对材料的比配进行确定，具体步骤如下：
[0051] (一)材料的初步实验
[0052] 分别称取骨料、胶结剂和保护剂，骨料、胶结剂和保护剂的质量比为 1:1:1，将质量比为1:1:1的骨料、胶结剂和保护剂混合后制作成试件，然 后将试放置在水中浸泡48小时，通过观察试件浸泡在水中48小时后是否 发生失效性崩解，来判断试件的非亲水性，如果试件浸泡在水中48小时 后未发生失效性崩解，其具有良好的非亲水性，可以进行下一步配比试验。
[0053] 其具体方法为：采用物理天平称取实验中所需的骨料、胶结剂和保护 剂，胶结剂和保护剂的质量比为1:1:1，将称取并配合好的骨料、胶结剂和 保护剂倒入搅拌锅中进行机械干拌均匀并不断搅拌。其不断搅拌，一方面 使胶凝材料与骨料混合均匀，另一方面保证材料不宜快速凝结。制作试件 之前，先在模具的内表面涂润滑油以便拆模，这样保证了试件的质量。由 于实验材料加热后容易黏结模具，为了保证试件的表面质量，选用三轴试 验所用的双开模具制作圆柱体试样。将拌好的混合料倒入试模中，迅速用 捣具压实捣紧，等实验材料冷却成型之后再拆。由于模型材料的强度较小 拆模后还要对试件养护，每组试件制作三个，并进行编号收藏以备测试。 将试放置在水中浸泡48小时，通过观察试件浸泡在水中48小时后是否发 生失效性崩解，来判断试件的非亲水性，如果试件浸泡在水中48小时后 未发生失效性崩解，其具有良好的非亲水性，可以进行下一步配比试验。 初步验证完成后进行骨胶比的确定。
[0054] (二)骨胶比的确定：
[0055] 称取不同重量配比的骨料和胶结剂，并将每种配比的骨料和胶结剂制 备成多个试件，对所有配比的试件进行强度测试，将各个配比试件测试的 数据绘制成试件应力应变曲线图，将所述试件应力应变曲线图与待模拟坝 体原岩平均应力应变曲线图进行对比，确定最吻合的应力应变曲线对应的 骨料和胶结剂的配比。
[0056] 其具体方法为：由于水泥与水之间的配比前人已做大量研究，可以作 为参考使用，故本发明主要确定河沙、水泥与液态石蜡之间的合理配比， 主要需要满足两个条件，首先材料强度需要与基岩原型应力应变曲线规律 相似；其次材料水理性质需要与原型基岩层相似，这里选取主要指标渗透 系数作为配比达标的判别标准。
[0057] 为提高配比设计效率，采用分层递进法来确定合理比例，相似材料配 比实验流程如图8所示。
[0058] 按照分层递进流程，以不同配比进行了大量试件的制作。第一步，确 定骨胶比a，按照以往经验，选用骨胶比1:1、2:1、3:1、4:1、5:1四种比 例(重量比)各制作20个试件进行强度测试。
[0059] 本实施例中主要是以神东矿区地质条件为依据，根据人工坝体取样强 度测试，神东矿区人工坝体力学特性见表1，原岩试件的平均应力应变测 试结果如图1，不同骨胶比的应力应变全程曲线如图2所示。
[0060] 表1人工坝体力学特性表
[0061]
[0062]
[0063] 由测试结果可得，将原岩应力应变经过相似换算后，与其最吻合的应 力应变曲线为骨胶比3:1，因此将流程图第一步基岩骨胶比a确定为3:1。
[0064] (三)确定骨胶与保护剂的比例：
[0065] 分别称取骨料、胶结剂和保护剂，将骨料、胶结剂和保护剂组成不同 质量配比的混合物料，所述混合物料中骨料和胶结剂的质量配比为步骤二 中所述应力应变曲线对应的骨料和胶结剂的配比，将所述混合物料制备成 试件并对各个试件进行配比标记，对所述标记好的试件进行渗透系数测试， 获取试件渗透系数数据，将获取的试件渗透系数数据与待模拟坝体原岩渗 透系数数据进行比较，选择与待模拟坝体原岩渗透系数数据相近似的试件 渗透系数数据对应试件的配比，该配比为最终待模拟坝体相似材料的配比。
[0066] 其具体方法为：实验中主要测试骨胶比为3:1时不同保护剂比例的渗 透系数，根据达西定律，渗透系数就是在单位水压梯度下，通过垂直于水 流方向的单位材料截面积的水流速度。由于相似模拟实验中的几何相似常 数都比较大，一般为100左右，实验材料的强度相对较小，所以实验中采 用导水率仪测试方法测试材料的渗透系数，渗透系数的计算公式如下。 式中，K为渗透系数，其单位为mm/h；L为实验材料 厚度，其单位为mm；h为水层厚度，其单位为mm；tn为间隔时间，其 单位为h。其中Q为：式中，Q为n次渗出平均水量， 其单位为mm3；Q1、Q2、Q3…Qn为每次
渗水量，其单位为mm3；S为横截面 积，其单位为mm2。
渗水量，其单位为mm3；S为横截面 积，其单位为mm2。
[0067] 取实验材料完全放入水中浸泡48小时后开始测试，实验时用集水筒 进程采集，待实验持续1小时稳定后开始计时，每隔1小时进行读数一次， 并记录下渗出的水量Q1…Qn。按照实验材料不同配比中胶凝剂比例从大到 小，其中8组配比材料的渗透系数见表2所示。基本规律是验材料中保护 剂比例越小，渗透系数越大，也进一步说明了材料越亲水，其渗透性越强。
[0068] 表2实验材料渗透系数/mm.h-1
[0069]
[0070] 现场取样的人工坝体渗透系数测试结果为10.24～26.25mm/h，实验几 何相似常数Cl＝100，容重相似常数Cγ＝1.56，由流固耦合相似准则可得渗透 系数相似常数CK＝6.4，由此可计算出实验材料的渗透系数为1.62～ 4.10mm/h。由表2可知保护剂比例在1:16～1:20区间的材料实测的渗透系 数满足实验要求，材料的渗透系数介于相似理论的计算值内，材料的渗透 性和人工坝体是相似的。
[0071] 通过大量试件的测定数据范围的逼近如图3所示的不同骨胶与保护剂 比例的渗透速率曲线图，对不同骨胶与保护剂比例的试件测定得到的渗透 速率差异较大，其中1:17.5与1:18的渗透速率接近于人工坝体渗透速率换 算值，但是1:17.5的渗透速率波动较
1:18略大，因此这里选取1:18的比 例较为合理。
1:18略大，因此这里选取1:18的比 例较为合理。
[0072] 经过上述基岩模拟材料的配比设计及性质测定，最终选取基岩骨胶比 a为3:1，骨胶与保护剂比例b为1:18，即干燥河沙、速干水泥、液态石蜡 的比值为3:1:18。
[0073] 测试实验过程中难免会有误差存在，为了验证以上所得配比参数的准 确性，对试样进行真三轴固液耦合压缩模拟计算，材料配比按照3:1:18的 比例进行赋值，试样采用基于Drucker-Prager(德鲁克-普拉格)屈服准则 的塑性本构模型，如图4和图5所示。并匹配Mohr-Coulomb准则，采用 水压力施加围压，轴向采用位移控制加载，如图6所示。不同围压下轴向 附加应力与轴向总应变关系对比图如图7所示，通过对比分析可得，所得 人工坝体相似材料配比符合原位坝体的变形破坏规律，能够满足流固耦合 条件下的试验要求。
[0074] 本发明根据地下水库人工坝体流-固两相模拟试验的要求，进行了相似 材料的研制，包括骨料、胶结剂、保护剂材料的选取及配比试验，模型材 料试件的制作，模型材料试件的力学参数测试和水理性质分析。根据试验 结果，筛选出适合作为流固模型制作的相似材料及配比，根据连续介质的 流固耦合数学模型，推导了岩体介质的弹性力学相似条件和水的流体力学 相似条件，依据弹性力学相似和流体力学相似给定的流固耦合相似准则， 确定流固耦合相似模拟的理论基础。通过力学性能实验和相似材料配比实 验的多次逼近，研制了与原型的对应配比的实验材料，材料具有良好的非 亲水性，力学变形性能稳定的特点。相关耦合参数测试表明，实验材料的 弹性力学参数与渗流力学参数与原型相似，满足流固耦合相似模拟实验的 要求。通过基于Drucker-Prager准则的三轴压缩模拟计算表明，所得人工 坝体相似材料配比符合原位坝体的变形破坏规律，能够满足流固耦合条件 下的试验要求。
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