流固耦合相似材料配比实验及其性能研究

潘 瑶 董 瑞 申建军 岑宁静 徐 瑞 刘 妍 吉凯璐 张 鑫

（滨州学院 化工与安全学院， 山东 滨州 256600）

0 前言

由于我国水文地质条件十分复杂，在煤矿重特大灾害事故中，水害事故起数仅次于瓦斯事故。更为严重的是，我国中东部大部分矿区浅部煤炭资源枯竭，不得不进行下组煤或者下水平开采，逐渐转为深部开采矿井，深井底板水害对矿井安全高效开采造成了巨大威胁。实践表明，煤层开采过程中出现临空面，使煤层底板应力重新分布，进而引起新裂隙的萌生、扩展，裂隙逐步扩展延伸以至相互搭接贯通，进而导致裂隙扩展至采空区临空面，即底板突水通道形成是以裂隙扩展为起因，以裂隙贯通为突破口。利用流固耦合相似材料模拟开展采动条件下的岩石裂隙扩展演化规律，对深井底板水害防治工作具有重要意义。因此，流固耦合相似材料的选择显得尤为重要。

1 流固耦合相似材料实验设计及试件制作

1.1 流固耦合相似材料选择

流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影响流体运动，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。配置流固耦合相似材料必须要考虑具有憎水性[1]，能够很好地模拟原岩层一些力学性质，其次具有较好的憎水性[2]。流固耦合材料配置试验材料：

骨料：砂（d≤2mm）；胶结剂：轻质碳酸钙、石膏、石蜡；调节剂：重晶石粉。

1.2 试验方案设计

试验共设计3 个因素，分别为A-碳酸钙石膏比、B-重晶石粉/骨料、C-石蜡/干拌料，每个方案做3 个试件，进行标号，记为Aij，i-试验号，j-试件序号，对试件进行脱膜，保养7d 干燥后，选出一个进行憎水性试验。详见表1。

表1 相似材料设计方案

1.3 相似材料试件的制作

模型制作采用几何尺寸为规格φ50mm×100mm 标准圆柱试件，高径比为2.0。在配置相似材料时，根据配比对砂子、碳酸钙石膏的试验用量。在对石蜡进行融化之前，将块状石蜡切碎，缩短石蜡融化时间，省时高效。试验过程如下：

（1）砂、石膏、碳酸钙、重晶石粉四种材料混合搅拌均匀，加热至65℃；

（2）将石蜡倒入加热的混合材料中，不断搅拌使其融化，使混合材料与石蜡均匀混合；

（3）在拌和好的相似材料迅速加入同等温度的热水进行搅拌；

（4）快速装模并捣试至规定高度；

（5）待试件成型后，进行脱膜、晾晒。

图1 自然养护下的试件

2 实验数据处理分析

对浸泡后的试件进行拍照跟踪，详情如下图：

图2 浸泡1d 的试件

图3 浸泡3d 的试件

图4 浸泡5d 的试件

图5 浸泡7d 的试件

试件A4-1 再放泡水后2min 内发生崩解，这是由于剩余该配比的胶结材料中碳酸钙以及重晶石粉的比例过大，导致相似材料的粘结性不够，因此遇水发生崩解。

其余3 个试件浸泡5d 后，试件表面脱落情况基本稳定，不再继续脱落，达到饱和状态，说明试件具有一定的憎水性。

对试件进行重量、直径、高度等方面的测量计，使用万能伺服试验机进行抗压试验，得出浸泡前后的抗压强度详细数据，详见表2。

表2 流固耦合相似材料配比

对上述数据进行处理，画出应力-应变曲线，见图6～图11：

图6 配比A1 应力-应变曲线图

图7 配比A1 试件破坏图

图8 配比A2 应力-应变曲线图

图9 配比A2 试件破坏图

图10 配比A3 应力-应变曲线图

图11 配比A3 试件破坏图

3 试验结果

通过实验数据，可以得到试件的软化系数：

式中：K——材料的软化系数；

f——材料在饱和状态下的抗压强度；

F——材料干燥状态下的抗压强度。

根据公式（1）可得到试件A1～A3 的软化系数分别为0.02、0.05、0.08。

在相同质量砂子、碳酸钙和石膏的情况下，石蜡的掺入量越多，相似材料的憎水性越好。一般软化系数取值范围0～1，当岩石软化系数等于或于0.75 时，应定为软化岩石。

试件吸水率：

式中：W——吸水率；

mw——试件浸泡7d 后质量的增加量；

md——试件浸泡前的质量。

根据公式（2）可得到试件A1～A3 的吸水率分别为0.15%、0.19%、0.11%。

吸水率越小，说明试件憎水性越好。通过软化系数、吸水率以及试件浸泡脱落情况的得出，试件A3 的配比最优，即当石蜡的添加量为8%时，憎水性能良好。

4 结论

在流固耦合相似材料配置过程中，取得了一些成果并发现了不足之处：

（1）石蜡的加入量为4%、6%时，试件的憎水性效果不理想，当石蜡的添加量≥8%时，憎水性能良好；

（2）当相似材料中的重晶石粉、轻质碳酸钙添加量过多时，会导致试件过于松散，粘结性不够，即使石蜡的添加量多，也不能很好地起到憎水性的效果；

（3）通过计算出的相似材料软化系数过小，不能够很好地模拟实际岩石的抗水性性能，若需要配置软化系数大于0.75%的相似材料，则需对实验方案进行改进。