原標(biāo)題：

基于正交試驗(yàn)的固液耦合相似材料研究

摘 要:

為了研究礦井突水演化規(guī)律，通過正交試驗(yàn)研制出一種能同時滿足固體力學(xué)與水理性的固液 耦合相似材料，該相似材料以河沙為骨料、水泥和大白粉為膠結(jié)劑、液體石蠟和淀粉為調(diào)節(jié)劑。采用 極差分析法和方差分析法，研究了河沙粒徑、水泥含量、大白粉含量、液體石蠟含量及淀粉含量 5 個 因素對相似材料性質(zhì)的影響規(guī)律。結(jié)果表明: 兩種方法得到的結(jié)果基本一致; 河沙粒徑對相似材料密 度及滲透系數(shù)起主要控制作用，對吸水率和軟化系數(shù)影響較小; 水泥含量對相似材料強(qiáng)度起主要控制 作用，對軟化系數(shù)也有較大影響; 液體石蠟對相似材料吸水率的影響大于其他因素，對強(qiáng)度影響極不 顯著。并通過相似模擬試驗(yàn)對該相似材料的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，模擬效果良好，揭示了采動過程中導(dǎo) 水裂隙發(fā)育規(guī)律。

關(guān)鍵詞:

固液耦合; 相似材料; 正交試驗(yàn); 極差分析法; 方差分析法;

作者簡介：

張杰(1978—),男,教授,博士,主要從事淺埋煤層開采災(zāi)害與防治方面的研究。E-mail:zhangjie655@qq.com

蔡維山(1995—),男, 碩士研究生,主要從事礦業(yè)工程方面的研究。E-mail:1614920725@qq.com;

基金：

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51774229,51474173);

陜西省創(chuàng)新能力支撐計劃-科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助(2018TD-038);

“煤炭開采水資源保護(hù) 與利用”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助(SHJT-17-42.3);

引用：

張杰，蔡維山，陳誠，等． 基于正交試驗(yàn)的固液耦合相似材料研究［ J］ . 水利水電技術(shù)，2020，51( 5) : 174-182.

ZHANG Jie，CAI Weishan，CHEN Cheng，et al． Study on solid-liquid coupled similar materials based on orthogonal experiment［ J］. WaterＲesources and Hydropower Engineering，2020，51( 5) : 174-182.

---

0 引 言

長期以來,突水事故嚴(yán)重影響著煤礦安全高效生產(chǎn),給煤炭企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失且破壞了生態(tài)環(huán)境 。目前研究煤礦突水演化規(guī)律主要 手段有理論分析、數(shù)值模擬、相似模擬等,其中相似模擬試驗(yàn)具有獨(dú)特的優(yōu)勢,可以根據(jù)不同地質(zhì)條件,研究不同因素對煤礦突水的影響,非常直 觀地觀測到隨采動影響,隔水層內(nèi)裂隙出現(xiàn)的位置、大小及擴(kuò)展貫通等規(guī)律,模擬效果顯著、試驗(yàn)周期短 。但用于模擬煤礦突水演律的相 似材料必須同時滿足固體力學(xué)性能和水理性能,且遇水不會發(fā)生崩解,因此可靠的相似材料及合理的配比是影響相似模擬試驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素之 一。

目前,我國對單一固相相似材料進(jìn)行了大量的研究并取得了豐碩的研究成果。李勇等 研制了一種新型巖土工程相似材料,通過經(jīng)典力學(xué)試 驗(yàn)研究了該相似材料在不同配比下的力學(xué)性能;牛雙建等 對深部軟巖相似材料進(jìn)行了研究,獲得了不同配比下相似材料強(qiáng)度、變形、破壞特征; 李寶富等 采用正交試驗(yàn)研制出一種由砂子、碳酸鈣及石膏組成的低強(qiáng)度煤巖體相似材料。但當(dāng)涉及到滲流場與應(yīng)力場的共同作用時,即考慮水的影響因素時,僅依靠單一固相相似材料很難達(dá)到模型與原型的相似,此時固液耦合相似材料模型試驗(yàn)就體現(xiàn)出其不同于單一固相模型試驗(yàn)的作用,能夠很好地模擬出與水相關(guān)的工 程實(shí)體 。

固液耦合相似材料是近年來才開始研究的,雖然取得了一定的科研成果但研究進(jìn)度依然緩慢 。史小萌等 研究了以水泥、石膏、石英砂為原材料的相似材料在固流耦合試驗(yàn) 中的適用性,但以水泥和石膏為膠結(jié)劑的材料強(qiáng)度較大,在煤礦突水演化試驗(yàn)中適用性低;李術(shù)才等 研制出了一種新型流固耦合相似材料,并成功用于青島膠州灣海底隧道模型試驗(yàn) 研究中,為相似材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了參考;陳軍濤等 從固流耦合理論的角度出發(fā)研制了固流耦合相似材料,并將相似材料用于底板突水相似模擬試驗(yàn),分析了采動影響下 底板隔水層裂隙發(fā)育規(guī)律;張杰等 研制以固體石蠟為膠結(jié)劑的固液兩相材料解決了相似材料遇水崩解問題,固體石蠟雖然具有良好的脆性且遇水不崩解,但是受溫度影響較大,試驗(yàn) 時溫度難以控制且試驗(yàn)過程中存在安全隱患;黃慶享等 選取了砂、膨潤土、硅油和凡士林對隔水土層進(jìn)行了模擬試驗(yàn),解決隔水層塑性和水理性模擬難題,但硅油價格昂貴,凡士林 難以和其他原材料混合均勻。可以看出,固液耦合相似材料在原材料合理的選取、配比的確定、相似模型的相似度及材料性能參數(shù)的測試等方面還有諸多欠缺。

針對以往固液耦合相似材料模擬相似度低及原材料的選取等方面的不足,本文在前人研究的基礎(chǔ)上,基于正交試驗(yàn)對原材料的選取及配比進(jìn)行了研究,采用極差和方差分析法對其 特性影響因素進(jìn)行了分析,并制作了相似模型對相似材料的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。研究成果對類似相似材料的制作和進(jìn)一步發(fā)展固液耦合相似模擬試驗(yàn)技術(shù)具有一定借鑒意義。

1 原材料的選取

通過對前人的研究成果進(jìn)行分析及以往對固液耦合相似材料的研究經(jīng)驗(yàn),最終選取河沙、水泥、大白粉、液體石蠟和淀粉為試驗(yàn)原材料,自來水作為融合劑。河沙與原巖性質(zhì)相 似、廉價易得且易和其他材料混合均勻;水泥因配比變化,其強(qiáng)度變化范圍廣,對相似材料強(qiáng)度和彈性模量起主要控制作用,凝結(jié)速度快,節(jié)約試驗(yàn)時間;大白粉可以充填孔隙,增加相似材 料的彈性、拉伸性及光滑度;液體石蠟,可以減少模型干裂,增加相似材料的非親水性;淀粉性能穩(wěn)定不融于水,試驗(yàn)中提高模型干化速度,從而減小試驗(yàn)周期,而且可降低相似材料強(qiáng)度,增 加密實(shí)度,降低滲透率。其中河沙最大粒徑≤1 mm,大白粉細(xì)度為600目優(yōu)質(zhì)大白粉,水泥為525號優(yōu)質(zhì)灰色硅酸鹽水泥,淀粉為馬鈴薯淀粉,液體石蠟是醫(yī)用輕質(zhì)液狀石蠟。如圖1所 示。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計及試件制作

2.1 正交試驗(yàn)方案設(shè)計

正交試驗(yàn)是研究多因素的試驗(yàn)方法,從全面試驗(yàn)中選出有代表性的點(diǎn),使試驗(yàn)點(diǎn)分散均勻,從而達(dá)到高效、減少試驗(yàn)次數(shù)的目的 。本試驗(yàn)以河沙粒徑(A)、水泥含量(B)、 大白粉含量(C)、液體石蠟含量(D)、淀粉含量(E)為5個影響因素,每個因素下設(shè)計4個水平變量的正交試驗(yàn)方案L16(4 ),具體方案如表1所列。

圖1 相似材料原材料

表1 相似材料正交試驗(yàn)設(shè)計

2.2 試件的制作

采用雙開模具將同一配比下的相似材料制作成?50 mm×100 mm、?50 mm×50 mm、?50 mm×25 mm不同規(guī)格的圓柱形試件,每種規(guī)格試件制作6個,16組試驗(yàn)共計制作288個 試件,制作過程如圖2所示。

3 相似材料參數(shù)測試及結(jié)果分析

通過對試件物理性質(zhì)和水理性進(jìn)行測試,得到了不同配比下相似材料的密度、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、吸水率、軟化系數(shù)、滲透系數(shù)等參數(shù),其中相似材料密度分布范圍為1.5 94～1.884 g/cm ,單軸抗壓強(qiáng)度分布范圍為0.058～1.411 MPa,抗拉強(qiáng)度分布范圍為0.005～0.142 MPa,吸水率分布范圍為7.5～20.4%,軟化系數(shù)分布范圍為0.368～0.711,滲透系 數(shù)分布范圍為0.18×10 ～12.78×10 cm/s,具體結(jié)果如表2所列。

表2 相似材料正交試驗(yàn)結(jié)果

3.1 相似材料物理性質(zhì)測試結(jié)果分析

3.1.1 密度測試結(jié)果分析

待試件養(yǎng)護(hù)好后,將不同配比下的試件用高精度電子秤稱其質(zhì)量,計算出各試件的密度。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計算了各因素水平下密度的平均值、極差值及方差統(tǒng)計量,如表3所列,根據(jù) 平均值作出了各因素對密度影響的直觀圖,如圖3所示。由表3可知,A因素極差最大,E因素極差最小,說明河沙粒徑對相似材料密度起主要控制作用,淀粉對密度的影響最小,各因素對相 似材料密度影響大小依次為A>B>C>D>E;A因素的方差統(tǒng)計量最大,且大于臨界值F (3,12)=3.490,其他因素方差統(tǒng)計量小于臨界值,說明因素A對相似材料性質(zhì)影響顯著,其他因素 影響不顯著,各因素方差分析結(jié)果為A>B>D>C>E,與極差分析結(jié)果略有不同,不同在因素C和D上,但整體趨勢一致。

通過圖3分析得出相似材料密度隨著河沙粒徑增大而增加,在河沙最大粒徑>0.8 mm后,密度隨著河沙粒徑增加而緩慢增加;隨著水泥和大白粉含量的增加而增加,兩者對材料密度 影響趨勢基本一致;隨液體石蠟含量的增加先略有增加后減小,當(dāng)含量增至與河沙比值為2%后,開始減小,后趨于穩(wěn)定;淀粉對其影響不是很明顯。

圖2 試件制作流程示意

圖3 密度影響因素示意

表3 密度極差、方差分析

3.1.2 抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果分析

將規(guī)格為?50 mm×100 mm的試件,通過C43.504型美特斯微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),測得其單軸抗壓強(qiáng)度,部分試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示,其中1-1代表1 6組試驗(yàn)中第1組的第一個測試的試件,其余編號依此類推,試件單軸壓縮破壞后的形態(tài)如圖5所示,通過圖4和圖5可以看出試件單軸壓縮過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢及壓縮后的破壞 形態(tài)與原巖相似。

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意

圖5 試件單軸壓縮破壞示意

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計算了各因素水平下單軸抗壓強(qiáng)度的平均值、極差值及方差統(tǒng)計量,如表4所列,根據(jù)平均值作出了各因素對相似材料抗壓強(qiáng)度影響的直觀圖,如圖6所示。根據(jù)表4 可以看出因素B的極差最大,因素D的極差最小,說明水泥對材料抗壓強(qiáng)度起主要作用,液體石蠟對材料抗壓強(qiáng)度影響最小,各因素對相似材料單軸抗壓強(qiáng)度影響大小依次為B>E>A>C> D;B因素的方差統(tǒng)計量最大,且大于臨界值F (3,12)=3.490,其他因素方差統(tǒng)計量小于臨界值,說明因素B對相似材料性質(zhì)影響顯著,其他因素影響不顯著,各因素方差分析結(jié)果為B>E >A>C>D,與極差分析的結(jié)果一致。

通過圖6分析得出相似材料單軸抗壓強(qiáng)度隨河沙粒徑的增加而增大,當(dāng)河沙最大粒徑>0.6 mm后,抗壓強(qiáng)度增加趨勢減緩;隨膠結(jié)劑含量的增加而增加,其中隨水泥的增加量最大,當(dāng) 水泥含量從6 g增加到12 g時,抗壓強(qiáng)度從0.296 MPa增大到1.160 MPa,增加幅度為291.9%;隨液體石蠟含量的改變其強(qiáng)度變化不明顯;隨淀粉含量的增加其強(qiáng)度初始變化較小,待增加 到2 g之后逐漸減小。

圖6 抗壓強(qiáng)度影響因素示意

表4 抗壓強(qiáng)度極差、方差分析

3.1.3 抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果分析

通過C43.504型美特斯微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對規(guī)格為Φ50 mm×25 mm試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn),如圖7所示。

圖7 抗拉強(qiáng)度測試

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計算了各因素水平下抗拉強(qiáng)度的平均值、極差值及方差統(tǒng)計量,如表5所列,根據(jù)平均值作出了各因素對抗拉強(qiáng)度影響的直觀圖,如圖8所示。由表5可知,因素B的極 差最大,說明水泥對材料抗拉強(qiáng)度起主要控制作用,因素D的極差最小,說明液體石蠟對抗拉強(qiáng)度影響最小,各因素對抗拉強(qiáng)度的影響從大到小依次為B>E>C>A>D;其中B因素的方差統(tǒng) 計量最大,且大于臨界值F (3,12)=3.490,其他因素方差統(tǒng)計量小于臨界值,說明因素B對相似材料性質(zhì)影響顯著,其他因素影響不顯著,各因素方差分析結(jié)果為B>C>E>A>D,與極差分 析結(jié)果略有不同,不同在因素C和E上。

表5 抗拉強(qiáng)度極差、方差分析

由圖8可知,河沙粒徑從0.4 mm增大到0.6 mm,抗拉強(qiáng)度隨之增加,之后抗拉強(qiáng)度變化不大;抗拉強(qiáng)度隨水泥和大白粉含量的增加而增加,抗拉強(qiáng)度值隨水泥變化的改變量大于大白 粉;液體石蠟含量的改變對材料抗拉強(qiáng)度的影響不明顯;淀粉含量從1 g增加到4 g時抗拉強(qiáng)度逐漸減小。

3.2 相似材料水理性測試結(jié)果分析

3.2.1 親水性測試結(jié)果分析

將試件浸入水中進(jìn)行非親水性測試,同時定時觀察記錄,發(fā)現(xiàn)48 h后試件均未發(fā)生崩解,如圖9所示。吸水率可用來表征相似材料的親水性 ,將每種配比下規(guī)格為Φ50 mm ×100 mm、Φ50 mm×50 mm試件各取3個,利用烘干箱將所需試件烘干,用高精度電子秤稱量其質(zhì)量并記錄,將烘干后的試件浸入水中48 h后稱其質(zhì)量,計算出各試件吸水率,取其平均 值。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計算了各因素水平下吸水率的平均值、極差值及方差統(tǒng)計量,如表6所列,根據(jù)平均值作出了各因素對吸水率影響的直觀圖,如圖10所示。由表6可知,極差最大的是因 素D,說明液體石蠟對吸水率影響最大,因素A的極差最小,各因素對相似材料吸水率影響大小依次是D>E>C>B>A;D因素的方差統(tǒng)計量最大,且大于臨界值F (3,12)=3.490,其他因素 方差統(tǒng)計量小于臨界值,說明因素D對相似材料性質(zhì)影響顯著,其他因素影響不顯著,各因素方差分析結(jié)果為D>B>C>E>A,與極差分析結(jié)果略有不同,但最大和最小影響因素是一致的。

圖8 抗拉強(qiáng)度影響因素示意

圖9 試件非親水性測試

表6 吸水率極差、方差分析

由圖10可知,相似材料吸水率隨河沙粒徑的改變,其變化不大,粒徑從0.4 mm增加到0.6 mm時,材料吸水率略有降低,原因是骨料粒徑增大試件孔隙變大使膠結(jié)劑和調(diào)節(jié)劑更加與其 混合均勻,之后吸水率反而增大是由于試件孔隙過大,貯水能力增強(qiáng);隨水泥、大白粉、液體石蠟、淀粉含量的增加而減小,其中大白粉和淀粉對吸水率影響的變化趨勢相似。

3.2.2 軟化系數(shù)測試結(jié)果分析

由于相似材料在模擬試驗(yàn)中要與水接觸,所以有必要對軟化系數(shù)進(jìn)行研究,試件飽水狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度與自然風(fēng)干狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度之比為軟化系數(shù)。將測完吸水率規(guī)格為Φ50 mm ×100 mm的飽水試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),測得其飽水狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計算了各因素水平下軟化系數(shù)的平均值、極差值及方差統(tǒng)計量,如表7所列,根據(jù)平均值作出了各因素對軟化系數(shù)影響的直觀圖,如圖11所示。由表7可知,因素B的軟 化系數(shù)分布范圍為0.472～0.647,極差最大,說明因素B對軟化系數(shù)影響最大,各因素對相似材料軟化系數(shù)的影響從大到小依次為B>C>E>D>A;幾個因素的方差統(tǒng)計量都小于臨界值F (3,12)=3.490,說明這幾個因素對相似材料性質(zhì)影響都不顯著,各因素方差分析結(jié)果為B>C>E>D>A,與極差分析結(jié)果一致。

表7 軟化系數(shù)極差、方差分析

由圖11可知,軟化系數(shù)隨河沙粒徑和水泥含量的增大先增加后減小;隨大白粉、液體石蠟及淀粉的增加而增大,是由于這些原材料減小了試件的吸水率,從而使試件的飽和強(qiáng)度降低 幅度變小。

3.2.3 滲透系數(shù)測試結(jié)果分析

試驗(yàn)時采用TST-55型滲透儀對材料的滲透系數(shù)進(jìn)行測試。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計算了各因素水平下滲透系數(shù)的平均值、極差值及方差統(tǒng)計量,如表8所列,根據(jù)平均值作出了各因素對滲 透系數(shù)影響的直觀圖,如圖12所示。由表8可知,因素A的極差最大,說明河沙粒徑對滲透系數(shù)起主要控制作用,因素D的極差次之,各因素對相似材料滲透系數(shù)影響從大到小依次為A>B> D>E>C;A因素的方差統(tǒng)計量最大,且大于臨界值F (3,12)=3.490,其他因素方差統(tǒng)計量小于臨界值,說明因素A對相似材料性質(zhì)影響顯著,其他因素影響不顯著,各因素方差分析結(jié)果 為A>B>D>E>C,與極差分析結(jié)果一致。

圖10 吸水率影響因素示意

圖11 軟化系數(shù)影響因素示意

由圖12可知,滲透系數(shù)隨骨料粒徑的增大而增大,是因?yàn)楣橇狭皆龃蠛?其材料的孔隙增大,增強(qiáng)了透水能力,其中粒徑為1 mm的滲透系數(shù)是粒徑為0.4 mm的3.4倍;隨膠結(jié)劑和添 加劑含量的增加而減小,是由于膠結(jié)劑和添加劑密實(shí)了材料的孔隙,是材料更加均勻,且液體石蠟隔水性較好,因此模擬滲透性較差的巖石時,可適當(dāng)減小河沙粒徑及增加液體石蠟的含 量。

4 驗(yàn)證性試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)簡介

為了驗(yàn)證固液耦合相似材料的可靠性,以某煤礦為背景,對采動過程中導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律和隔水層穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。定制了尺寸為1000 mm×800 mm×200 mm固液兩相試驗(yàn) 臺,試驗(yàn)臺前后板由鋼化玻璃制成,便于試驗(yàn)過程觀察裂隙發(fā)育和潛水滲流規(guī)律。

為了充分驗(yàn)證相似材料的合理性,試驗(yàn)時鋪設(shè)了2個模型,模型鋪設(shè)幾何相似比為1∶50,容重相似比為1∶1.4。其中模型I采高為5 cm,關(guān)鍵層為煤層上方10 cm的砂巖;模型II采高為 5 cm,關(guān)鍵層為煤層上方40 cm處的砂巖。選取粒徑≤0.6 mm的河沙,河沙:水泥:大白粉:液體石蠟:淀粉質(zhì)量比為100∶8∶2∶3∶4作為模擬泥巖的相似材料;選取粒徑≤0.8 mm的河沙, 河沙:水泥:大白粉:液體石蠟:淀粉質(zhì)量比為100∶8∶4∶2∶3作為模擬砂巖的相似材料。巖性具體參數(shù)如表9所列,模型巖層厚度及配比如表10所列。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

在模型左右邊界各留5 m(這里進(jìn)行了幾何換算)邊界煤柱,對模型進(jìn)行分步開挖,工作面從右向左推進(jìn),每次開挖步距為2.5 m,為了便于觀察,對水體進(jìn)行了染色處理。

模型I工作面推進(jìn)7.5 m時,直接頂與上覆巖層產(chǎn)生離層;當(dāng)工作面推進(jìn)到10 m時直接頂垮落,垮落角度為72°,離層位置發(fā)育至關(guān)鍵層;當(dāng)工作面推進(jìn)到15 m處,關(guān)鍵層垮落采空區(qū)被 壓實(shí),關(guān)鍵層上覆巖層最大離層空間為5 mm,開切眼上方隔水層出現(xiàn)裂隙,但未形成涌水通道;當(dāng)工作面推進(jìn)到18 m處,工作面上方隔水層產(chǎn)生高度為40 mm下行裂隙,開切眼處隔水層 完全破壞形成涌水通道發(fā)生突水,水下瀉至采空區(qū),如圖13所示;當(dāng)工作面推進(jìn)至23 m,離層空間閉合,工作面上方隔水層產(chǎn)生新的下行裂隙;隨著工作面繼續(xù)推進(jìn),采空區(qū)逐漸被壓實(shí),當(dāng) 工作推進(jìn)到38 m處,煤層上方隔水層破壞發(fā)生突水,但水未進(jìn)入工作面。整個模型垮落形態(tài)基本是對稱的,導(dǎo)水裂隙最大高度為35 m,隔水層失穩(wěn)發(fā)生突水現(xiàn)象,隔水層最大彎曲下沉量 為1 500 mm。

圖12 滲透系數(shù)影響因素示意

表8 滲透系數(shù)極差、方差分析

表9 物理模擬巖性參數(shù)示意

圖13 局部突水

模型II工作面推進(jìn)6 m時,直接頂產(chǎn)生離層,離層高度為2 mm;當(dāng)工作面推進(jìn)到12 m處,直接頂初次垮落,垮落厚度為4 m,上覆巖層發(fā)生離層,如圖14所示;當(dāng)工作面推進(jìn)到20 m處,導(dǎo) 水裂隙發(fā)育至關(guān)鍵層底部,高度為20 m,上方隔水層產(chǎn)生微小的擠壓裂隙;當(dāng)工作面推進(jìn)到30 m處,隔水層發(fā)生彎曲下沉,原有微小的裂隙重新閉合;當(dāng)工作面推進(jìn)到40 m處,工作面左邊 煤壁上方直接頂產(chǎn)生鉸接結(jié)構(gòu)。整個過程中模型垮落形態(tài)基本是對稱的,導(dǎo)水裂隙發(fā)育至關(guān)鍵層底部再未向上繼續(xù)發(fā)育,最大高度為20 m,隔水層發(fā)生彎曲下沉且表面產(chǎn)生較小裂隙,但 未發(fā)生突水現(xiàn)象。

表10 模型巖層厚度及配比

圖14 直接頂垮落發(fā)生離層

通過兩個模型對比分析,發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵層相對于煤層的位置是影響導(dǎo)水裂隙發(fā)育的一個重要因素,關(guān)鍵層相對煤層的位置越高其導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度越低;證明了該相似材料是可以用于 固液耦合相似模擬試驗(yàn)中。為了進(jìn)一步驗(yàn)證材料的合理性,后期將該材料用于王洼煤礦水體下采煤相似模擬研究。

5 結(jié) 論

(1)在前人研究的基礎(chǔ)上研制了一種由河沙為骨料,水泥和大白粉為膠結(jié)劑,液體石蠟和淀粉為調(diào)節(jié)劑的固液耦合相似材料,該相似材料具有原材料廉價易得、無毒害環(huán)保以及配制 過程簡單等特點(diǎn)。

(2)通過正交試驗(yàn)設(shè)計,以河沙粒徑、水泥含量、大白粉含量、液體石蠟含量及淀粉含量為5個因素,每個因素設(shè)計4個水平,共計16組配比方案,通過一系列試驗(yàn)測試,得到了不同配 比下相似材料物理性和水理性的一些指標(biāo)參數(shù),為類似物理相似模擬試驗(yàn)提供參考。

(3)采用極差分析法和方差分析法研究了各因素對相似材料性質(zhì)的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)對相似材料密度影響最大的是河沙粒徑,最小的是淀粉含量;水泥對相似材料的各項(xiàng)性質(zhì)的影響都 較大,其中對材料強(qiáng)度起主要控制作用;液體石蠟對相似材料對吸水率的影響最為顯著;對軟化系數(shù)影響最大的是水泥,影響最小的是河沙粒徑;河沙粒徑對滲透系數(shù)影響最顯著,滲透系 數(shù)隨河沙粒徑增大而增大。

(4)對相似材料進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn),通過兩個模型試驗(yàn),研究了關(guān)鍵層相對煤層位置對導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律的影響,結(jié)果表明關(guān)鍵層相對煤層的位置越高,導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度越低,該相 似材料是能用于固液耦合相似模擬試驗(yàn)中的。

---

水利水電技術(shù)

水利部《水利水電技術(shù)》雜志是中國水利水電行業(yè)的綜合性技術(shù)期刊(月刊)，為全國中文核心期刊，面向國內(nèi)外公開發(fā)行。本刊以介紹我國水資源的開發(fā)、利用、治理、配置、節(jié)約和保護(hù)，以及水利水電工程的勘測、設(shè)計、施工、運(yùn)行管理和科學(xué)研究等方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)為主，同時也報道國外的先進(jìn)技術(shù)。期刊主要欄目有:水文水資源、水工建筑、工程施工、工程基礎(chǔ)、水力學(xué)、機(jī)電技術(shù)、泥沙研究、水環(huán)境與水生態(tài)、運(yùn)行管理、試驗(yàn)研究、工程地質(zhì)、金屬結(jié)構(gòu)、水利經(jīng)濟(jì)、水利規(guī)劃、防汛抗旱、建設(shè)管理、新能源、城市水利、農(nóng)村水利、水土保持、水庫移民、水利現(xiàn)代化、國際水利等。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的相似理论与模型试验_正交实验下的固液耦合相似材料研究的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。