CN107449708A - 一种模拟多形态组合煤体裂隙对水运移阻隔效果的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟多形态组合煤体裂隙对水运移阻隔效果的方法，包括以下步骤：（1）模具制作：制作正方体结构模具，模具上下口敞开，制作与模具尺寸匹配的底板两块，（2）预制裂隙制作：将钢板固定在圆盘凹槽上使预制裂隙固定在模具内部，将搅拌好的煤粉放入模具中；使用底板a，能得到不同角度、不同宽度、贯通或非贯通的单一裂隙；使用底板b，能得到不同的裂隙组合；（3）试件密封；（4）注水：在试件上部放置与试件底面积相同的海绵，向海绵中注入红墨水；（5）高速摄像机记录：通过高速摄像机与500ml量杯中水量的增加速度共同观测、记录，比较不同形态、不同组合裂隙对水运移的阻隔效果。本发明制作方法简便、便于操作。

Description

一种模拟多形态组合煤体裂隙对水运移阻隔效果的方法
技术领域
本发明涉及一种模拟多形态组合煤体裂隙对水运移阻隔效果的方法，主要研究在预制不同形态裂隙、不同组合裂隙的条件下对水运移的阻隔效果的方法。
背景技术
在煤矿生产过程中，防治水问题是生产及科研的一大技术难题。近年来，透水事故造成的死亡人数急剧增加，所以研究煤层水的赋存特征及运移规律显得尤为重要。在煤层中，水运移的主要通道是裂隙和断层。煤作为一种不均质的多孔隙体，其内部裂隙发育成熟，而且裂隙分布是十分复杂的，由于裂隙的存在,使得煤层中水的流动方向、流量在很大程度上取决于裂隙的分布方向、几何形态、组合关系。在生产过程中，裂隙受压力的影响，不断扩展和压密，这时水的运移情况也会发生变化，当裂隙扩展到一定程度，水的流动会从层流变为紊流，当附近赋存有含水层，就会发生涌流，造成突水事故的发生。所以研究水在煤层裂隙中的运移情况十分必要。
罗荣武发表的论文“预置裂隙试件的力学参数及其渗流特性试验研究”(2009,中南大学.第89页)中，采用了纵向预制裂隙渗流试验方法，裂隙处于无填充物，贯通状态，压力水通过试件上表面预制裂隙渗流，下表面与空气相通的方法来研究水在裂隙中的渗流，但其将裂隙作为水的运移通道，而在煤样中预制横向裂隙研究裂隙对水运移的阻隔作用的研究较少。
申请号为201610574945.3的中国发明专利介绍了一种针对流体在致密岩体交叉裂隙中渗流机理研究的模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置，但其使用的是岩石试件，而在煤试件中预制裂隙的研究中鲜见报道。
在煤试件横向预制裂隙，纵向渗流，不同形态、不同组合的裂隙对水的运移具有一定的阻隔作用，所以研究在横向上预制不同形态、不同组合的裂隙对水运移的阻隔情况是十分必要的，这可以为煤矿透水事故防治提供重要科学依据。
发明内容
本发明旨在提供一种模拟多形态组合煤体裂隙对水运移阻隔效果的方法，制作的预制裂隙试件很好地观测到不同裂隙形态、裂隙组合对水运移的阻隔效果。
本发明提供了一种模拟多形态组合煤体裂隙对水运移阻隔效果的方法，包括以下步骤：
(1)模具制作：模具尺寸根据需要制作成100mm×100mm×100mm，模具上下口敞开，制作与模具尺寸匹配的100mm×100mm的底板两块，底板厚10mm；底板a有以底板中心m为圆心、直径为50mm的圆形孔洞；底板b有分别以点n1,n2为圆心、直径为50mm的两个圆形孔洞，其中n1、n2为位于底板的中线上的两个相切圆的圆心；上述圆形孔洞处设有与其尺寸匹配的圆盘，圆盘可嵌在圆形孔洞上，圆盘上有刻度且能自由旋转，初始状态圆盘位于0°角；圆盘沿直径方向开有凹槽；可将厚度分别为0.5mm、1mm、1.5mm的钢板***凹槽内。
(2)预制裂隙制作：将钢板固定在圆盘凹槽上使预制裂隙固定在模具内部，然后将原始煤样粉碎，筛取粒度为0.2-0.25mm的煤粉；向煤粉中加入蒸馏水(使制成的型煤试件含水率达2％),并搅拌均匀；将搅拌好的煤粉放入模具中；使用装有底板a的模具，旋转圆盘，使圆盘角度分别0°、30°、60°、90°；在煤矿中不同构造部位煤层裂隙的发育程度也不同，褶皱部位裂隙密度大，长度和高度均相对较大，尤其是背斜轴部，裂隙宽度最大达0.28-1.4mm，所以选取长度为100mm，厚度分别为0.5mm、1mm、1.5mm的钢板以改变预制裂隙的厚度；通过选取长度为50mm的钢板，以形成非贯通裂隙，用以模拟不同角度、不同宽度、贯通或非贯通的单一裂隙；使用装有底板b的模具，旋转两个圆盘，使两个预制裂隙处于平行、汇交的几何位置关系，用以模拟不同的裂隙组合。在200t刚性实验机上以100MPa的压力制成100mm×100mm×100mm的标准型煤试件。采用正交设计，减少重复试验组数，制得试件16组。
(3)试件密封：翻转试件，使预制裂隙处于水平方向，然后将与水平方向垂直的四个平面套一层透明热缩管，使用热风枪加热，使热缩管收缩，密封试件，避免水从侧面渗流。将煤样称重后置于内部尺寸边长比试件大6mm的容器中，可以使试件裹上热缩管刚好放入容器。容器底部为透水板，且接有500ml量杯。
(4)注水：在试件上部放置与试件底面积相同的海绵，向海绵中注入500ml的红墨水，使用海绵充当水源时，为自然渗流，许多实际问题中,大小裂隙交错出现,且多被细颗粒介质所充填,使地下水的流动在整体上十分缓慢,基本上符合达西定律,本方法可看作水在微孔隙及死端孔隙中的扩散运动，当水由湿润较强的区域向湿润较差而曲率又较小的区域作扩散运动时,扩散运动是单维的，用下式来表示：
式中，△Mk为扩散后煤中水分的增量；
D为扩散系数；
X为液体沿毛细管运动的距离；
T为时间。
假若时间是从扩散过程开始算起即t＝0，并在所讨论的区域与液体扩散源的边界(如在预制裂隙边界)的水分增量是可能的最大值即X＝0，将初始和边界条件代入上式，则可得到由分子扩散运动使煤样中水分增加量为：
式中，a为在给定时间内由于分子扩散运动使微孔隙中水分增加而充填孔隙的系数，由实验得到,它与毛细管、液体的性质有关；r为毛细管半径。
控制温度为25℃，放置2d。
(5)高速摄像机记录：在容器一侧加装可视窗，使用高速摄像机通过可视窗观察红墨水在试件中的扩散运动，实时记录预制裂隙上表面的水珠的悬挂时间、500ml量杯中水量增加速度，用以比较不同形态、不同组合预制裂隙对水运移的阻隔效果。
上述模拟方法，所述步骤(1)中模具底板能嵌入圆盘，圆盘上有刻度且能自由旋转，圆盘沿直径方向开有凹槽，不同厚度的钢板能***凹槽内。
所述步骤(2)中，使用装有底板a的模具，旋转圆盘，使圆盘角度分别为0°、30°、60°、90°；选取长度为100mm，厚度分别为0.5mm、1mm、1.5mm的钢板以改变预制裂隙的厚度；选取长度为50mm的钢板，以形成非贯通裂隙，用以模拟不同角度、不同宽度、贯通或非贯通的单一裂隙；
使用装有底板b的模具，旋转两个圆盘，使两个预制裂隙处于平行、汇交的几何位置关系，用以模拟不同的裂隙组合。
所述步骤(3)中对试件密封的方法是：使用透明热缩管，置于容器中，试件与容器紧密贴合。
所述步骤(3)中，所述容器下部有透水板，透水板下方接有500ml量杯，记录水量的收集情况。
所述步骤(4)注水过程中，通过海绵注水，使水均匀从试件上表面开始扩散。
所述步骤(4)中，通过注入红墨水，能随时观察到水在试件中的扩散运动。
所述步骤(5)中，通过高速摄像机与500ml量杯中水量的增加速度共同观测、记录，比较不同形态、不同组合裂隙对水运移的阻隔效果。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种模拟多形态组合煤体裂隙对水运移的阻隔效果的物理模拟方法，预制裂隙的制作方法简便、操作方便，使用高速摄像机与量杯简单有效的观察出裂隙的边界效应对水的阻隔作用。
附图说明
图1为装有底板a的模具的结构示意图。
图2为装有底板b的模具的结构示意图。
图3为不同角度0°、30°、60°、90°预制裂隙的示意图。
图4为不同组合预制裂隙(平行、汇交)的示意图。
图5为本发明方法试验示意图。
其中1-钢板，2-圆盘，3-模具，4-凹槽，5-透水板，6-容器，7-500ml量杯，8-海绵，9-可视窗，10-预制裂隙。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
图1、2所述的模具的结构示意图中，其中1是钢板，2是圆盘，3是模具，4是凹槽，钢板的规格参数有厚度分别为0.5mm、1mm、1.5mm、长×宽为100mm×50mm的3组和厚度分别为0.5mm、1mm、1.5mm、长×宽为50mm×50mm的3组，共6组；模具主要由上下口敞开，尺寸为100mm×100mm×100mm的框架与同框架尺寸匹配的长×宽为100mm×100mm、厚度为10mm的底板a、b两块分别组装而成；在图1中底板上开设有以底板中心m为圆心、直径为50mm的圆形孔洞，并配有凹槽宽度分别为0.5mm、1mm、1.5mm、直径为50mm的圆盘1组；在图2中底板b开设有以n1,n2为圆心、直径为50mm的两个圆形孔洞，其中n1、n2为位于底板的中线上的两个相切圆的圆心；并配有凹槽宽度分别为0.5mm、1mm、1.5mm、直径为50mm的圆盘2组。
图3所述的不同角度0°、30°、60°、90°预制裂隙的示意图中，0°预制裂隙的制作方法为将钢板固定在圆盘凹槽上使预制裂隙1固定在模具内部，旋转圆盘，使圆盘角度为0°，然后将原始煤样粉碎，筛取粒度为0.2-0.25mm的煤粉。向煤粉中加入27ml蒸馏水，并搅拌均匀。将搅拌好的煤粉放入模具中，在200t刚性实验机上以100MPa的压力制成100mm×100mm×100mm的0°预制裂隙型煤试件。30°、60°、90°预制裂隙型煤试件通过旋转圆盘角度，重复上述步骤，即可制得。
图4所述的不同组合预制裂隙的示意图中，两组预制裂隙的几何位置关系分别为平行与汇交，其可以通过使用装有底板b的模具实现，旋转圆盘，使两组钢板分别处于平行与汇交的位置，将原始煤样粉碎，筛取粒度为0.2-0.25mm的煤粉。向煤粉中加入27ml蒸馏水，并搅拌均匀。将搅拌好的煤粉放入模具中，在200t刚性实验机上以100MPa的压力制成100mm×100mm×100mm的不同组合预制裂隙型煤试件。
图5所述的本发明方法试验示意图中，其中5是透水板，6是容器，7是500ml量杯，8是海绵，9是可视窗，10是预制裂隙。通过透明热缩管将预制裂隙型煤试件密封后放入容器，在试件上部放置海绵，向海绵中注入500ml的红墨水，红墨水在试件中扩散至容器底部，通过容器底部透水板流入500ml量杯。在试验过程中使用高速摄像机从可视窗实时记录预制裂隙上表面的水珠的悬挂时间、500ml量杯中水量增加的速度，观测红墨水在预制裂隙型煤试件中的扩散运动。控制室温为25℃，试验时间为2d。
采用本发明模拟多形态组合煤体裂隙对水运移阻隔效果的方法，具体包括以下步骤：
(1)模具制作：如图1和2所示，模具尺寸根据需要制作成100mm×100mm×100mm，模具3上下口敞开，制作与模具尺寸匹配的100mm×100mm的底板两块，底板厚10mm；底板a有以底板中心m为圆心、直径为50mm的圆形孔洞，底板b有以n1,n2为圆心、直径为50mm的两个圆形孔洞，其中n1、n2为位于底板的中线上的两个相切圆的圆心；另有与圆形孔洞尺寸匹配的圆盘2，圆盘2可嵌在圆形孔洞上，圆盘2上有刻度且能自由旋转，初始圆盘位于0°角。圆盘沿直径方向有凹槽4。可将厚度分别为0.5mm、1mm、1.5mm的钢板1***凹槽4内。
(2)预制裂隙制作：将钢板1固定在圆盘凹槽4上使预制裂隙10固定在模具3内部，然后将原始煤样粉碎，筛取粒度为0.2-0.25mm的煤粉。向煤粉中加入适量蒸馏水,并搅拌均匀。将搅拌好的煤粉放入模具中。使用装有底板a的模具，旋转圆盘，使圆盘角度分别0°、30°、60°、90°；在煤矿中不同构造部位煤层裂隙的发育程度也不同，褶皱部位裂隙密度大，长度和高度均相对较大，尤其是背斜轴部，裂隙宽度最大可达0.28-1.4mm，所以选取长度为100mm，厚度分别为0.5mm、1mm、1.5mm的钢板以改变预制裂隙的厚度；通过选取长度为50mm的钢板，以形成裂隙半贯通，用以模拟不同角度、不同宽度、贯通或非贯通的单一裂隙；使用装有底板b的模具，旋转两个圆盘，使两个预制裂隙处于平行、汇交的几何位置关系，用以模拟不同的裂隙组合。在200t刚性实验机上以100MPa的压力制成100mm×100mm×100mm的标准型煤试件。采用正交设计，减少重复试验组数，制得试样16组。
(3)试样密封：翻转试样，使预制裂隙处于水平方向，然后将与水平方向垂直的四个平面套一层透明热缩管，使用热风枪加热，使热缩管收缩，密封试样，避免水从侧面渗流。将煤样称重后置于内部尺寸边长比试样大6mm的容器6中，可以使试样裹上热缩管刚好放入容器。容器底部为透水板5，且接有500ml量杯7。
(4)注水：在试样上部放置与试样底面积相同的海绵8，向海绵8中注入55.81ml的红墨水，使用海绵充当水源时，为自然渗流，许多实际间题中,大小裂隙交错出现,且多被细颗粒介质所充填,使地下水的流动在整体上十分缓慢,基本上符合达西定律,本方法可看为水在微孔隙及死端孔隙中的扩散运动，当水由湿润较强的区域向湿润较差而曲率又较小的区域作扩散运动时,扩散运动是单维的，用下式来表示：
式中
△Mk为扩散后煤中水分的增量；
D为扩散系数；
X为液体沿毛细管运动的距离；
T为时间。
假若时间是从扩散过程开始算起即t＝0，并在所讨论的区域与液体扩散源的边界(如在预制裂隙边界)的水分增量是可能的最大值即X＝0，将初始和边界条件代入上式，则可得到由分子扩散运动使煤样中水分增加量为：
a为在给定时间内由于分子扩散运动使微孔隙中水分增加而充填孔隙的系数，由实验得到,它与毛细管、液体的性质有关；r为毛细管半径。
控制室温为25℃，放置2d。
(5)高速摄像机记录：在容器一侧加装可视窗9，使用高速摄像机通过可视窗观察红墨水在试样中的扩散运动，实时记录预制裂隙上表面的水珠的悬挂时间、500ml量杯中水量增加的情况，用以比较不同形态、不同组合预制裂隙对水运移的阻隔效果。
总结上述具体实施方法，本发明提供的预制裂隙型煤试件制作方法与现有方法相比，采取旋转圆盘角度、使用装有底板b的模具、更换不同厚度钢板、使用长×宽为50mm×50mm的钢板等措施，能得到含不同角度、不同宽度、贯通或非贯通的单一裂隙以及不同裂隙组合的试件。本发明的试验方法与现有试验相比，通过使用红墨水与高速摄像机实现试件中水扩散运动的可视化，可用于分析不同预制裂隙试件中水的运移规律；本发明所述的试验方法能实现多形态组合煤体裂隙对水运移的阻隔效果的有效模拟，通过高速摄像机记录的预制裂隙上表面的水珠的悬挂时间、500ml量杯中水量增加速度的数据，可以用以比较不同形态、不同组合预制裂隙对水运移的阻隔效果，为煤矿透水事故防治提供重要科学依据。

Claims (9)

1.一种模拟多形态组合煤体裂隙对水运移阻隔效果的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)模具制作：
制作正方体结构的模具，模具上下口敞开，制作与模具尺寸匹配的底板两块，底板a上有以底板中心m为圆心、直径为50mm的圆形孔洞，底板b有分别以点n1,n2为圆心、直径为50mm的两个圆形孔洞，其中n1、n2为位于底板的中线上的两个相切圆的圆心；在圆形孔洞处设有尺寸匹配的圆盘，圆盘上有刻度且能自由旋转，初始状态圆盘位于0°角；
(2)预制裂隙制作：将钢板固定在圆盘凹槽上使预制裂隙固定在模具内部，然后将原始煤样粉碎，筛取粒度为0.2-0.25mm的煤粉；向煤粉中加入蒸馏水，使制成的型煤试件含水率达2％,并搅拌均匀；将搅拌好的煤粉放入模具中；使用底板a，能得到不同角度、不同宽度、贯通或非贯通的单一裂隙；使用底板b，能得到不同的裂隙组合；
在200t刚性实验机上以100MPa的压力制成100mm×100mm×100mm的标准型煤试件；采用正交设计，减少重复试验组数，制得试件16组；
(3)试件密封：翻转试件，使预制裂隙处于水平方向，然后将与水平方向垂直的四个平面套一层透明热缩管，使用热风枪加热，使热缩管收缩，密封试件，避免水从侧面渗流；将煤样称重后置于容器中，容器底部为透水板；
(4)注水：在试件上部放置与试件底面积相同的海绵，向海绵中注入红墨水，使用海绵充当水源时，为自然渗流；水的扩散运动是单维的，用下式来表示：
<mrow> <mo>&amp;part;</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;M</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>/</mo> <mo>&amp;part;</mo> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mo>&amp;part;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mo>&amp;part;</mo> <msub> <mi>M</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>/</mo> <mo>&amp;part;</mo> <mi>X</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mo>&amp;part;</mo> <mi>t</mi> </mrow>
式中，△Mk为扩散后煤中水分的增量；
D为扩散系数；
X为液体沿毛细管运动的距离；
T为时间；
假若时间是从扩散过程开始算起即t＝0，并在所讨论的区域与液体扩散源的边界的水分增量是可能的最大值即X＝0，将初始和边界条件代入上式，得到由分子扩散运动使煤样中水分增加量为：
<mrow> <msub> <mi>M</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mi>a&amp;pi;r</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>X</mi> <mo>=</mo> <msup> <mi>a&amp;pi;r</mi> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>k</mi> </msub> <msqrt> <mi>t</mi> </msqrt> </mrow>
式中，a为在给定时间内由于分子扩散运动使微孔隙中水分增加而充填孔隙的系数，由实验得到,它与毛细管、液体的性质有关；r为毛细管半径；
控制温度为25℃，放置2d；
(5)高速摄像机记录：在容器一个竖直面加装可视窗，使用高速摄像机通过可视窗观察红墨水在试件中的扩散运动，实时记录预制裂隙上表面的水珠的悬挂时间、500ml量杯中水量增加速度，用以比较不同形态、不同组合预制裂隙对水运移的阻隔效果。
2.根据权利要求1所述的模拟多形态组合煤体裂隙对水运移阻隔效果的方法，其特征在于：所述步骤(1)中模具底板的圆形孔洞能嵌入圆盘，圆盘沿直径方向开有凹槽，不同厚度的钢板能***凹槽内。
3.根据权利要求2所述的模拟多形态组合煤体裂隙对水运移阻隔效果的方法，其特征在于：所述不同厚度的钢板是指厚度分别为0.5mm、1mm、1.5mm的钢板。
4.根据权利要求1所述的模拟多形态组合煤体裂隙对水运移阻隔效果的方法，其特征在于：所述模具尺寸制作成100mm×100mm×100mm，制作与模具尺寸匹配的100mm×100mm的底板两块，底板厚10mm。
5.根据权利要求1所述的模拟多形态组合煤体裂隙对水运移阻隔效果的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，使用装有底板a的模具，旋转圆盘，使圆盘角度分别0°、30°、60°、90°；选取长度为100mm，厚度分别为0.5mm、1mm、1.5mm的钢板以改变预制裂隙的厚度；选取长度为50mm的钢板，以形成非贯通裂隙，用以模拟不同角度、不同宽度、贯通或非贯通的单一裂隙；
使用装有底板b的模具，旋转两个圆盘，使两个预制裂隙处于平行、汇交的几何位置关系，用以模拟不同的裂隙组合。
6.根据权利要求1所述的模拟多形态组合煤体裂隙对水运移阻隔效果的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，选取容器的内部尺寸边长比试件大6mm，使试件裹上热缩管刚好放入容器；所述容器下部有透水板，透水板下方接有500ml量杯，记录水量的收集情况。
7.根据权利要求1所述的模拟多形态组合煤体裂隙对水运移阻隔效果的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，对试件密封的方法是：使用透明热缩管，置于容器中，试件与容器紧密贴合。
8.根据权利要求1所述的模拟多形态组合煤体裂隙对水运移阻隔效果的方法，其特征在于：所述步骤(4)注水过程中，通过海绵注水，使水均匀从试件上表面开始扩散；通过注入红墨水，能随时观察到水在试件中的扩散运动。
9.根据权利要求1所述的模拟多形态组合煤体裂隙对水运移阻隔效果的方法，其特征在于：所述步骤(5)中，通过高速摄像机与500ml量杯中水量的增加速度共同观测、记录，比较不同形态、不同组合裂隙对水运移的阻隔效果。
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