黏土隔水层仿真模拟实验加水因子影响规律研究

张 沛

(西安科技大学能源学院,陕西西安 710054)

黏土隔水层仿真模拟实验加水因子影响规律研究

张 沛

(西安科技大学能源学院,陕西西安 710054)

隔水层的采动隔水性研究是实现浅埋煤层保水开采的关键,物理相似模拟是研究的重要手段。通过选取加水因子,对黏土隔水层物理模拟实验中加水量对模型的影响程度进行了研究,得出加水因子影响规律,为实现仿真模拟奠定了基础。

黏土隔水层;相似模拟;保水开采;加水因子

陕北榆树神府矿区大部分地区松散风积沙层下存在着由第四系中更新统离石黄土 (Q21)和第三系上新统三趾马红土 (N2)组成的黏土层,为砂层含水层的直接隔水底板,是该地区重要的隔水层。隔水层之上蕴藏着宝贵的潜水,对脆弱的地表植被生长起着关键作用;同时也是该地区居民生活和工业优质用水水源。由于煤层埋藏浅,顶板基岩一般比较薄[1],随着矿区大规模的开发,浅埋煤层开采引起的地表水土流失问题日益受到关注。

隔水层的采动隔水性研究是实现浅埋煤层保水开采的关键,对于矿区绿色矿山[2]建设有重要意义。物理相似模拟实验是矿山岩层控制的主要研究手段之一。为研究隔水层的采动隔水性,对黏土隔水层相似材料进行了专门的研究[3],除考虑一般相似材料的强度要求外,还考虑了变形、水理性等因素,选取了硅油和凡士林为胶结剂,膨润土和石英砂为骨料作为相似材料。

在配制大多数相似材料时,均需用水来拌和其他相似原料[4]。水在配制相似材料中的作用主要表现在 3方面:一是作为相似材料之一;二是大部分胶结材料需在水的作用下才能凝结,起到对充填材料的胶结作用;三是满足制作模型的工艺要求。

水的含量对土性质的影响很大,而离石黄土与三趾马红土隔水层的含水量达到了 12%以上,水已为土层的组成部分之一。所选用的胶结材料为膨润土,其胶结作用需水来实现,同时在水的拌和下,模型的制作也容易。因此,有必要对模型制作过程中加水量进行研究以确定不同含水量对模型性能的影响程度,从而为实现仿真模拟奠定基础。

1 加水因子的选取

在进行仿真模拟所选取的相似材料中,水对膨润土的作用效果最显著,二者间的作用是相似模型性质的主要影响因素之一,所以选取模型制作中所加水的质量m水与所用膨润土的质量m土的比值作为加水因子ω。即:

2 加水因子的影响规律

2.1 加水因子对试样强度的影响规律

在满足工艺及胶结剂需水量情况下,用 5组不同的加水因子来研究强度随加水因子的变化规律,得到强度 (σ)与加水因子 (ω)的关系曲线,如图1所示。

图 1 试件强度与加水因子关系曲线

由强度与加水因子关系曲线可以得出:

(1)σ随ω的增大呈现先增大,至极值,然后减小的变化过程。

(2)当ω <0.1时,σ随ω的增大而增大。说明试件中的水量小于使膨润土全部起胶结作用的量,未能与其充分作用。

(3)当ω =0.1时,σ到极值。说明膨润土在水的作用下,胶结性发挥至最大。

(4)当ω >0.1时,σ随ω的增大而变小。说明试件中的水量已过饱和,试样内部颗粒外围的结合水膜半径增大,相互间作用力减弱,试件逐渐呈现“软化”,进入可塑状态。

2.2 加水因子对试样力学性质的影响规律

通过试验,得出在加水因子分别取 0.1,0.15和 0.25时,试样的应力应变全曲线,如图 2。从图中可以得到:加水因子对试样的力学性质有着较强的影响,随着加水因子的增大,试样的全应力应变曲线由陡峭向平滑过渡,试样的变形能力增强。随着加水因子的增大,试样内部的水量增多,内部颗粒间的水膜加厚,相互间的吸力减弱、内部摩擦力减小,在外界压力作用下各颗粒间错动容易沿水膜滑移,试样整体外观上呈现出变形变异的趋势。

图 2 不同加水因子下的应力应变曲线

2.3 加水因子对试样渗透性的影响规律

通过试验,得出试样的渗透速率随加水因子的变化曲线,如图 3所示。由图 3可以得到:

(1)试样的渗透速率随加水因子的增大呈先减少后增大的变化过程。

(2)当ω =0.1～0.15时,试件的渗透速率较小,抗渗性能较好。这与水与膨润土的作用关系有关。

图 3 试样渗透速率与加水因子关系曲线

2.4 加水因子对试样膨胀性能的影响规律

加水因子对试样的膨胀变形有着较大的影响,通过试验得出试样膨胀率与加水因子关系曲线,如图 4。由此可知,试样的膨胀率随加水因子的增大而减小。试样的加水因子越大,就越接近胀限含水量,则膨胀的余地就越小,最终的膨胀量就不大。

图 4 试样膨胀率与加水因子关系曲线

3 结论

(1)可选取模型制作中所加水的质量与所用膨润土的质量的比值作为加水因子,定量描述水在模拟实验中的作用程度。

(2)试样强度随加水因子的增大呈现先增大至极值,然后减小的变化过程;随着加水因子的增大,试样的全应力应变曲线由陡峭向平滑过渡,试样的变形能力增强;试样的渗透速率随加水因子的增大呈先减少后增大的变化;试样的膨胀率随加水因子的增大而减小。

[1]黄庆享 .浅埋煤层长壁开采顶板结构与岩层控制研究 [M].中国矿业大学出版社,2000.

[2]李 纯,马俊枫,刘全明 .综放采场围岩压力分布规律相似材料模拟实验研究 [J].煤矿开采,2007,12(4).

[3]钱鸣高,许家林,缪协兴 .煤矿绿色开采技术 [J].中国矿业大学学报,2003,32(4):343-348.

[4]黄庆享,侯志成,张文忠,等 .黏土隔水层相似材料胶结剂的正交实验分析 [J].采矿与安全工程学报,2007,24 (1):42-46.

[5]顾大钊 .相似材料和相似模型 [M].徐州:中国矿业大学出版社,1995.

[责任编辑:李宏艳]

Influence Rules ofWatering Ratio in Simulation Experiment of Clay Aquiclude

ZHANG Pei

(Energy School,Xi’an University of Science&Technology,Xi’an 710054,China)

Research on impermeability of aquiclude is the key to realizingminingwithout destroyingwater resource under shallow buried condition and analogue simulation is an important method for that.This paper researched influence of watering ratio on model in simulation experiment of clay aquiclude by selectingwater amount.It obtained influence rules ofwatering ratio and provided basic data for simulation.

clay aquiclude;analogue simulation;miningwithout destroyingwater;watering ratio

TD325

A

1006-6225(2010)05-0024-02

加水因子,可定量描述水在模拟实验中的作用程度,从而可确定在不同相似配比下的用水量,也易控制制模的用水量提高制模效率,同时,也可以综合考虑用水量、胶结量对强度、渗透性影响程度。

2010-03-30

张 沛 (1979-),男,河南泌阳人,在职博士,主要从事矿山岩层控制的教学和研究工作。