流固耦合相似材料配比實驗及其性能研究

潘 瑤 董 瑞 申建軍 岑寧靜 徐 瑞 劉 妍 吉凱璐 張 鑫

（濱州學(xué)院 化工與安全學(xué)院， 山東 濱州 256600）

0 前言

由于我國水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，在煤礦重特大災(zāi)害事故中，水害事故起數(shù)僅次于瓦斯事故。更為嚴(yán)重的是，我國中東部大部分礦區(qū)淺部煤炭資源枯竭，不得不進(jìn)行下組煤或者下水平開采，逐漸轉(zhuǎn)為深部開采礦井，深井底板水害對礦井安全高效開采造成了巨大威脅。實踐表明，煤層開采過程中出現(xiàn)臨空面，使煤層底板應(yīng)力重新分布，進(jìn)而引起新裂隙的萌生、擴展，裂隙逐步擴展延伸以至相互搭接貫通，進(jìn)而導(dǎo)致裂隙擴展至采空區(qū)臨空面，即底板突水通道形成是以裂隙擴展為起因，以裂隙貫通為突破口。利用流固耦合相似材料模擬開展采動條件下的巖石裂隙擴展演化規(guī)律，對深井底板水害防治工作具有重要意義。因此，流固耦合相似材料的選擇顯得尤為重要。

1 流固耦合相似材料實驗設(shè)計及試件制作

1.1 流固耦合相似材料選擇

流固耦合力學(xué)的重要特征是兩相介質(zhì)之間的相互作用，變形固體在流體載荷作用下會產(chǎn)生變形或運動。變形或運動又反過來影響流體運動，從而改變流體載荷的分布和大小，正是這種相互作用將在不同條件下產(chǎn)生形形色色的流固耦合現(xiàn)象。配置流固耦合相似材料必須要考慮具有憎水性[1]，能夠很好地模擬原巖層一些力學(xué)性質(zhì)，其次具有較好的憎水性[2]。流固耦合材料配置試驗材料：

骨料：砂（d≤2mm）；膠結(jié)劑：輕質(zhì)碳酸鈣、石膏、石蠟；調(diào)節(jié)劑：重晶石粉。

1.2 試驗方案設(shè)計

試驗共設(shè)計3 個因素，分別為A-碳酸鈣石膏比、B-重晶石粉/骨料、C-石蠟/干拌料，每個方案做3 個試件，進(jìn)行標(biāo)號，記為Aij，i-試驗號，j-試件序號，對試件進(jìn)行脫膜，保養(yǎng)7d 干燥后，選出一個進(jìn)行憎水性試驗。詳見表1。

表1 相似材料設(shè)計方案

1.3 相似材料試件的制作

模型制作采用幾何尺寸為規(guī)格φ50mm×100mm 標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件，高徑比為2.0。在配置相似材料時，根據(jù)配比對砂子、碳酸鈣石膏的試驗用量。在對石蠟進(jìn)行融化之前，將塊狀石蠟切碎，縮短石蠟融化時間，省時高效。試驗過程如下：

（1）砂、石膏、碳酸鈣、重晶石粉四種材料混合攪拌均勻，加熱至65℃；

（2）將石蠟倒入加熱的混合材料中，不斷攪拌使其融化，使混合材料與石蠟均勻混合；

（3）在拌和好的相似材料迅速加入同等溫度的熱水進(jìn)行攪拌；

（4）快速裝模并搗試至規(guī)定高度；

（5）待試件成型后，進(jìn)行脫膜、晾曬。

圖1 自然養(yǎng)護(hù)下的試件

2 實驗數(shù)據(jù)處理分析

對浸泡后的試件進(jìn)行拍照跟蹤，詳情如下圖：

圖2 浸泡1d 的試件

圖3 浸泡3d 的試件

圖4 浸泡5d 的試件

圖5 浸泡7d 的試件

試件A4-1 再放泡水后2min 內(nèi)發(fā)生崩解，這是由于剩余該配比的膠結(jié)材料中碳酸鈣以及重晶石粉的比例過大，導(dǎo)致相似材料的粘結(jié)性不夠，因此遇水發(fā)生崩解。

其余3 個試件浸泡5d 后，試件表面脫落情況基本穩(wěn)定，不再繼續(xù)脫落，達(dá)到飽和狀態(tài)，說明試件具有一定的憎水性。

對試件進(jìn)行重量、直徑、高度等方面的測量計，使用萬能伺服試驗機進(jìn)行抗壓試驗，得出浸泡前后的抗壓強度詳細(xì)數(shù)據(jù)，詳見表2。

表2 流固耦合相似材料配比

對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，畫出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖6～圖11：

圖6 配比A1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

圖7 配比A1 試件破壞圖

圖8 配比A2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

圖9 配比A2 試件破壞圖

圖10 配比A3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

圖11 配比A3 試件破壞圖

3 試驗結(jié)果

通過實驗數(shù)據(jù)，可以得到試件的軟化系數(shù)：

式中：K——材料的軟化系數(shù)；

f——材料在飽和狀態(tài)下的抗壓強度；

F——材料干燥狀態(tài)下的抗壓強度。

根據(jù)公式（1）可得到試件A1～A3 的軟化系數(shù)分別為0.02、0.05、0.08。

在相同質(zhì)量砂子、碳酸鈣和石膏的情況下，石蠟的摻入量越多，相似材料的憎水性越好。一般軟化系數(shù)取值范圍0～1，當(dāng)巖石軟化系數(shù)等于或于0.75 時，應(yīng)定為軟化巖石。

試件吸水率：

式中：W——吸水率；

mw——試件浸泡7d 后質(zhì)量的增加量；

md——試件浸泡前的質(zhì)量。

根據(jù)公式（2）可得到試件A1～A3 的吸水率分別為0.15%、0.19%、0.11%。

吸水率越小，說明試件憎水性越好。通過軟化系數(shù)、吸水率以及試件浸泡脫落情況的得出，試件A3 的配比最優(yōu)，即當(dāng)石蠟的添加量為8%時，憎水性能良好。

4 結(jié)論

在流固耦合相似材料配置過程中，取得了一些成果并發(fā)現(xiàn)了不足之處：

（1）石蠟的加入量為4%、6%時，試件的憎水性效果不理想，當(dāng)石蠟的添加量≥8%時，憎水性能良好；

（2）當(dāng)相似材料中的重晶石粉、輕質(zhì)碳酸鈣添加量過多時，會導(dǎo)致試件過于松散，粘結(jié)性不夠，即使石蠟的添加量多，也不能很好地起到憎水性的效果；

（3）通過計算出的相似材料軟化系數(shù)過小，不能夠很好地模擬實際巖石的抗水性性能，若需要配置軟化系數(shù)大于0.75%的相似材料，則需對實驗方案進(jìn)行改進(jìn)。