宮玉菲朱國維姜雨璞史東京

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083;2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京 100083

物理模型的構(gòu)建可以很好地反映某個區(qū)域的局部地質(zhì)構(gòu)造,模擬井下煤巖隱蔽致災(zāi)異常體實體物理模型。國家重點研發(fā)計劃“煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素動態(tài)智能探測技術(shù)研究”提出在新元礦區(qū)構(gòu)建煤礦井下隱蔽地質(zhì)體動態(tài)智能識別實驗室。本文根據(jù)陽泉新元礦區(qū)地質(zhì)異常體分布特征,通過相似材料實驗,對實驗室煤層、頂?shù)装寮爱惓ｓw充填配比進行實驗研究,分析對比原煤及原位測試數(shù)據(jù),選定了實驗室施工最優(yōu)配比,為井下實驗室建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。

國內(nèi)外研究人員對能夠模擬實際地質(zhì)情況的地球物理模型的相似材料展開了深入的研究[1-3]。1960年前蘇聯(lián)地質(zhì)學(xué)家就地震波探測問題,提出通過改變物理模型相似材料的溫度達到控制相似材料彈性的方法。國內(nèi)學(xué)者對相似材料的研究始于20世紀70年代,王漢鵬等[4-8]在新型相似材料開發(fā)領(lǐng)域取得較多創(chuàng)新成果,選擇粉質(zhì)黏土作為相似模型的骨料,控制模型的含水百分比和模型的壓實強度后制作了視電阻率相似材料模型;康向濤等[9]模擬原煤相似材料,運用單因素分析法研究煤粉對試樣強度的關(guān)系;董金玉等[10-12]分別采用正交試驗和數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法,探討了原料組分占比對相似材料物理、力學(xué)性質(zhì)的影響;孔令強等[13-15]將砂子作為相似材料的骨料,模擬原煤的物理力學(xué)性能和地震特征的影響規(guī)律;程久龍等[16]將砂子作為相似材料骨料,選擇石膏、水泥和水作為膠結(jié)劑,保證制作模型的材料與研究對象強度和變形參數(shù)上的相似準則,研究相似材料的電性參數(shù)等性質(zhì),滿足物理相似;高華禮等[17-18]對相似材料中水分的影響和相似材料配比量化方法進行研究。

綜上所述,前人對相似材料的強度、地震、電阻率等物性參數(shù)采用單因素到多水平多因素的正交試驗方法進行研究,做出了很多前沿性貢獻。本文依據(jù)前人研究基礎(chǔ),對新元礦區(qū)煤巖層及地質(zhì)異常區(qū)域[19]進行相似材料模擬實驗,探究了影響相似材料物性參數(shù)的因素,對比前期測試物性參數(shù),確定了相似材料模擬配比,為井下實驗室的施工提供數(shù)據(jù)支撐。

1 模擬材料選擇及配比依據(jù)

1.1 模擬材料選擇

本次對模擬煤層、頂?shù)装?、陷落柱及斷層進行相似材料的配比實驗,選用的材料主要有煤粉、砂石、水泥、水、石膏、土、氯化鈉溶液等。其中,煤粉打磨并篩分為細煤粉(粒徑＜2 mm)及粗煤粉(粒徑＜5 mm)兩類,砂石選用粒徑小于1 mm、1～3 mm、3～5 mm 的砂及粒徑小于2 cm 石子,水泥為普通硅酸鹽水泥P.O 42.5,氯化鈉溶液質(zhì)量分數(shù)為0.3%。

1.2 配比設(shè)計依據(jù)

礦區(qū)煤層、頂?shù)装搴偷刭|(zhì)異常區(qū)(陷落柱、斷層和采空區(qū))在每種地球物理探測方法下會產(chǎn)生不同的響應(yīng)特征。煤層的地球物理響應(yīng)特征為高電阻率、高聲波時差、低密度、低自然伽馬的“兩高兩低”特征,密度主要分布范圍為1.3～1.8 g/cm3,縱波速度在1 500～2 500 m/s 之間;頂?shù)装宓牡厍蛭锢眄憫?yīng)特征為低電阻率、低聲波時差、高密度,密度一般在2.4～2.8 g/cm3,縱波速度2 500～4 000 m/s;陷落柱及斷層具有高耐水性、低強度、高滲透率的特性。

在設(shè)計煤層、頂?shù)装?、陷落柱及斷層相似材料時,根據(jù)不同巖性構(gòu)造,調(diào)整材料配比含量及粒徑等,滿足煤巖層及地質(zhì)異常體不同的物理力學(xué)性質(zhì)。

2 配比方案設(shè)計

實驗采用正交試驗設(shè)計方法,它是一種針對多因素多水平且因素間可能存在交互作用的分式析因研究方法?？煞奖惴治鰧嶒炛泄橇?煤粉及砂)和膠結(jié)材料(水泥)對各測試數(shù)據(jù)的影響。

2.1 煤層配比

在相似材料的煤層配比實驗中選用不同含量煤粉、砂子和水泥進行正交試驗,設(shè)計30 組不同材料配比方案進行實驗試塊的制備。煤層模擬所用相似材料中,煤粉的粒徑分為粗細兩種,其中20 組采用細煤粉(粒徑小于2 mm),10 組采用粗煤粉(粒徑小于5 mm),砂都選用粒徑小于1 mm,用水量視煤粉(研磨機研磨篩選)干濕程度不同,控制在12%～14%。表1、表2分別為選用細、粗煤粉制作煤層相似材料試塊的配比方案。

表1 細煤粉煤層相似材料配比方案Table 1 Ratio scheme of similar materials in fine pulverized coal seams %

表2 粗煤粉煤層相似材料配比方案Table 2 Ratio scheme of similar materials in coarse pulverized coal seams %

2.2 頂?shù)装迮浔?/h3>

煤層頂?shù)装宓南嗨撇牧夏M實驗選擇砂、水泥、石膏和氯化鈉溶液等材料進行。選用粒徑小于1 mm 的砂作為骨料,石膏水泥作為膠結(jié)劑。實驗配比中,石膏主要用來降低模型的密度,而制作試塊時用質(zhì)量分數(shù)為0.3% 的氯化鈉溶液替代水,可以滿足實際巖層電性條件。頂?shù)装鍖嶒炁浔确桨敢姳?。

表3 頂?shù)装迮浔确桨窽able 3 Roof and floor ratio scheme

2.3 陷落柱及斷層配比

陷落柱及斷層的實驗配比是在頂?shù)装鍖嶒炁浔鹊幕A(chǔ)上增大砂的粒徑等級(陷落柱試塊用砂采用1～3 mm 和3～5 mm 粒徑)及添加石膏、煤粉等材料,對煤層陷落柱及斷層進行一個相似材料的模擬。按照模擬陷落柱對滲透性、密度、結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)的不同要求進行不同的配比實驗,其中陷落柱要求保證一定的滲透性,而斷層需在結(jié)構(gòu)上滿足介于煤層與頂?shù)装宓奶匦浴?/p>

3 多物理參數(shù)實驗測試

3.1 波速測試

3.1.1 常溫常壓測試

波速測試所用的儀器為超聲波脈沖發(fā)射接收器及DSOX2014A 數(shù)字存儲示波器。

本文波速數(shù)據(jù)選取試塊膠結(jié)養(yǎng)護后測得的平均值進行分析。

圖1為煤層試塊密度隨配比變化圖。由圖1看出,試塊密度處于1.1～1.5 g/cm3,煤粉含量與密度大小呈反比關(guān)系,煤粉含量越高,密度越小。

圖1 煤層試塊密度變化Fig.1 Density variation of coal seam test block

圖2為細煤粉和粗煤粉試塊波速由小到大升序排列的配比分布圖?？梢钥闯?相同配比條件下,粗煤粉試塊的波速明顯高于細煤粉試塊。在配料制樣過程中,粗煤粉試塊比細煤粉試塊更易于膠結(jié)成形,可能是因為粗煤粉結(jié)構(gòu)破壞小些,更易與水泥混合膠結(jié);而細煤粉顆粒較細,需加大水的含量增加固結(jié),細煤樣試塊更松散且易碎。

圖2 煤層試塊縱波降序排列Fig.2 Longitudinal wave descending sequence arrangement diagram of coal seam test block

在圖2(a)中,將速度相近的L-2、I-4、E-7、B-8 和L-1、G-4、B-7、I-6 及K-2、G-6、C-7 各看成一組,對比發(fā)現(xiàn):試塊中水泥含量高,其波速也高,且煤和砂子對其影響較小,說明在影響波速的因素中水泥的含量起主要作用。在圖2(b)中,將L-3、J-4 和I-4、H-5 對比發(fā)現(xiàn):在水泥含量相同情況下,砂子含量高,其波速也高。

同樣完成頂?shù)装濉⑾萋渲蛿鄬釉噳K的常溫常壓波速測試,并隨時間監(jiān)測試塊波速密度變化。頂?shù)装濉⑾萋渲蛿鄬涌v波波速分別處于1 800～3 000 m/s、1 900～2 600 m/s 和1 200～3 000 m/s范圍。

圖3為陷落柱試塊15 d 縱波波速與時間關(guān)系?？梢钥吹?拆模初期波速隨時間呈明顯上升趨勢,表明試塊在制作后隨著水分的蒸發(fā)膠結(jié)硬化較快,波速上升比較明顯;后期隨著試塊逐漸膠結(jié),波速趨于平穩(wěn)。

圖3 陷落柱試塊15 d 縱波波速與時間關(guān)系Fig.3 15 d longitudinal wave velocity and time diagram of collapse column test block

3.1.2 圍壓波速測試

礦區(qū)井下實驗室建設(shè)不僅需要掌握常壓環(huán)境下的物性參數(shù),還需要模擬井下圍壓條件對試塊進行實驗。利用煤炭資源與安全開采國家重點實驗室OLYMPUS 5077PR 聲波發(fā)射器、RS-ST01C 非金屬聲波檢測儀,對試驗樣品進行0～30 MPa 圍壓加壓條件下縱、橫波速度測試,得到相關(guān)圍壓波速數(shù)據(jù)。

圍壓波速測試主要目的是模擬井下壓力環(huán)境下相似材料波速變化。實驗發(fā)現(xiàn),煤層、頂?shù)装寮爱惓^(qū)試塊在圍壓下波速都呈現(xiàn)隨壓力增大而增大的變化趨勢。

圖4所示是頂?shù)装逶噳K縱波波速隨圍壓變化關(guān)系,隨著圍壓的升高,波速呈增大趨勢。對比各類型試塊的圍壓-波速變化,隨圍壓壓力的增加,波速增加,波速增加范圍介于200～900 m/s。

圖4 頂?shù)装逶噳K縱波波速隨圍壓變化Fig.4 Longitudinal wave velocity variation with confining pressure of the top and bottom test blocks

3.2 電阻率測試

選擇對稱4 極裝置測量試塊電阻率。其中,A、B 為供電電極,讀電流表示數(shù);M、N 為測量電極,讀電壓。按照上述觀測方式和實驗儀器,對試塊的電阻率進行測量計算。

圖5 電阻率測量示意圖Fig.5 Schematic diagram of resistivity measurement

對稱4 極裝置的特點是AM=NB,記錄點取在MN 中點。電阻率ρs表示為

式中,ΔUMN為測量電極M、N 的電勢差,V;I為測量電流,A;KAB為裝置系數(shù)。

對試塊初凝和養(yǎng)護穩(wěn)定后分別進行電阻率測試,發(fā)現(xiàn)試塊含水率是影響電阻率數(shù)值的主要因素。含水率低,電阻率降低。因為頂?shù)装寮爱惓^(qū)域的相似材料試塊制作采用0.3%氯化鈉溶液,因此電阻率值較煤層試塊偏低,可以滿足煤巖層的電性規(guī)律。

圖6是含煤量不同的煤層相似材料電阻率變化圖。含煤量60% 以下,電阻率較低;含煤量超過60%,電阻率增高。

圖6 煤層試塊不同含煤率電阻率變化Fig.6 Resistivity variation diagram of test block with different coal content

圖7為試塊不同含砂率電阻率變化圖。可以看出,不同含砂率的煤相似材料的視電阻率變化趨勢大體相同,而隨著含煤率的升高,視電阻率有上升的趨勢。因此,樣品含砂率的大小對于樣品視電阻率的影響不明顯,含煤率對于視電阻率有較明顯的影響。

圖7 試塊不同含砂率電阻率變化Fig.7 Resistivity variation diagram of test block with different sand content

3.3 介電常數(shù)測試

采用LJD-B 介電常數(shù)介質(zhì)損耗測試儀測試介電常數(shù)。測量每個樣本的介電常數(shù)需要用9 個不同頻率的電容。測量樣品需要處理成厚度小于5 mm 的圓形薄片。本次實驗所測介電常數(shù)值為試塊養(yǎng)護處理后的穩(wěn)定值。

煤層相似材料試塊的介電常數(shù)值為2～8。煤層試塊介電常數(shù)隨頻率變化關(guān)系如圖8所示,可見介電常數(shù)值隨電容頻率的增高而降低。

圖8 煤層試塊介電常數(shù)隨頻率變化Fig.8 Permittivity varies with frequency

圖9為煤層和頂?shù)装逶噳K介電常數(shù)在不同配比下的變化圖。由圖9(a)看出,煤層相似材料試塊介電常數(shù)值隨煤粉含量的增大呈增高趨勢。因此,可以通過增加煤粉含量提高相似材料的介電常數(shù)。由圖9(b)可以看出,頂?shù)装逶噳K介電常數(shù)低一些,數(shù)值在2～5 之間,且隨著砂膠比的增大呈減小趨勢,而隨測量頻率的增高而減小。

圖9 不同配比介電常數(shù)變化Fig.9 Permittivity changes at different ratios

4 數(shù)據(jù)分析及選型

4.1 原煤巖數(shù)據(jù)對比分析

根據(jù)新元礦區(qū)早期原煤巖樣的檢測資料,該研究區(qū)所采煤樣的平均密度為1.485 g/cm3,縱波波速介于1 700～2 300 m/s,平均約2 000 m/s;頂?shù)装寤規(guī)r及砂質(zhì)泥巖的平均密度為2.538 g/cm3,縱波波速介于3 500～4 500 m/s。由于原煤樣采集及制備受所采煤樣破碎性影響嚴重,該數(shù)據(jù)所測原煤樣品為結(jié)構(gòu)致密樣品。實際原煤平均數(shù)據(jù)應(yīng)略低于該數(shù)據(jù)值。

分析本次試驗試塊測試數(shù)據(jù),結(jié)合試塊制備膠結(jié)性及松散程度,認為煤層施工最優(yōu)配比為:煤粉含量50%～60%,砂含量10%～15%,水泥含量20%～25%。該配比范圍內(nèi)密度介于1.3～1.5 g/cm3,常溫常壓下縱波波速平均為1 600 m/s,施加圍壓后,縱波波速為1 900 m/s。其中,E-4 的配比(煤粉、砂和水泥含量分別為55%、10% 和25% )試樣/試塊物性參數(shù)與原煤煤層最相似。

模擬頂板相似材料選擇砂膠比3,石膏水泥比2∶8 的配比,其測試數(shù)據(jù)密度為2.38 g/cm3,圍壓縱波波速為3 800 m/s。模擬底板相似材料選擇砂膠比2.5,石膏水泥比3∶7 的配比,其測試數(shù)據(jù)密度為2.23 g/cm3,圍壓縱波波速為3 300 m/s。與原煤頂?shù)装鍢悠返拿芏扰c波速范圍比較符合。

4.2 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對比分析

在新元礦研究區(qū)現(xiàn)場采用MMS-1 型礦井多波地震儀器,選用1 m 小道間距,以錘擊方式進行地震縱、橫波速度測試工作,得到已知構(gòu)造、煤層、頂?shù)装宓目v、橫波速度值。表4為 陷落柱X78 地震縱橫波速度原位測試結(jié)果,位于模型巷道三484號測點位置,測點平行巷道掘進工作面布置。表5為斷層F5 縱、橫波速度原位測試結(jié)果,測點范圍在斷層F5 南北向。

根據(jù)表4和表5測試結(jié)果,確定陷落柱相似材料模擬選用砂57.5%、煤10%、石膏4.5%、水泥18% (骨料∶膠結(jié)劑為3∶1)作為井下實驗室施工配比,其試塊測試密度(2.15 g/cm3)及縱波波速(3 500 m/s)介于煤層與頂?shù)装逯g。

表4 陷落柱X78 地震縱橫波速度原位測試結(jié)果Table 4 In-situ test results of compressional and shearing wave velocity of collapse column X78

表5 斷層F5 縱橫波速度原位測試結(jié)果Table 5 In situ test results of compressional and shearing wave velocity of fault F5

斷層的施工根據(jù)實際情況分上、中、下段不同配比,頂部施工選用煤層與頂板材料混合,中部采用煤層與頂、底板材料混合,下部采用煤層與底板材料混合,以保證斷層的上、中、下結(jié)構(gòu)分別與頂板、煤層、底板相似。

5 結(jié) 論

(1) 實驗確定了影響相似材料試塊波速的主要因素是密度。具體可以改變水泥含量、壓力等來調(diào)節(jié)試塊密度。電阻率的主要影響因素為試塊的含水量,模擬煤層的電阻率略高于其他結(jié)構(gòu)。煤層的介電常數(shù)高于頂?shù)装?其數(shù)值范圍分別是2～8和2～5。

(2) 現(xiàn)場施工建設(shè)與實驗室相似材料實驗的規(guī)模及環(huán)境存在差異,結(jié)合現(xiàn)場原位波速測試數(shù)據(jù),選定煤層、頂板和底板的試塊常壓縱波波速分別為1 600 m/s、3 800 m/s 和3 300 m/s。

(3) 確定最優(yōu)配比分別是:煤層模擬選用E-4(煤粉、砂和水泥含量為55%、10%和25%);頂板選擇砂膠比3,石膏水泥比2∶8 的配比;底板選擇砂膠比2.5,石膏水泥比3∶7 的配比;陷落柱選用砂57.5%、煤10%、石膏4.5%、水泥18% (骨料∶膠結(jié)劑3∶1)作為施工配比。