文志杰，姜鵬飛，景所林，曹志國(guó),管彥太

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590; 2.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100011; 3.青島正方能源科技有限公司，山東 青島 266520; 4.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299)

在能源危機(jī)日趨嚴(yán)峻的今天，煤炭依舊是中國(guó)重要的基礎(chǔ)能源。但隨著采掘時(shí)間和開采強(qiáng)度增加，東部地區(qū)淺部煤炭資源逐漸枯竭，而深部開采又面臨高地?zé)?、高地?yīng)力等問(wèn)題。因此，煤炭工業(yè)生產(chǎn)中心逐漸向儲(chǔ)量大、埋深淺的中西部地區(qū)轉(zhuǎn)移。西部礦區(qū)(晉陜蒙甘寧)2019年煤炭產(chǎn)量約占全國(guó)產(chǎn)量70%，但水資源匱乏，僅占全國(guó)3.9%，面臨著水資源短缺、資源開采與生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展等難題[1-3]。針對(duì)西部礦區(qū)水資源匱乏與煤炭資源開發(fā)不協(xié)調(diào)的情況，以顧大釗院士領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)提出煤礦地下水庫(kù)技術(shù)，有效解決了資源開采與生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的難題[4-5]。但受采動(dòng)影響，煤礦地下水庫(kù)底板原有結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，形成“下四帶”:礦壓破壞帶、新增損傷帶、原始損傷帶、原始導(dǎo)高帶[6]。地下水庫(kù)中的水體受水頭壓力作用在破壞損傷的底板中發(fā)生滲流，對(duì)底板產(chǎn)生二次破壞，進(jìn)而影響水庫(kù)壩體的穩(wěn)定性;在地下水庫(kù)群工程條件下，水庫(kù)底板受滲流破壞失穩(wěn)會(huì)直接導(dǎo)致下層水庫(kù)水位超限，影響水庫(kù)安全平穩(wěn)運(yùn)行。因此，研究煤礦地下水庫(kù)底板在應(yīng)力-滲流耦合條件下滲流發(fā)生規(guī)律與破壞特征對(duì)地下水庫(kù)安全平穩(wěn)運(yùn)行具有積極意義。

針對(duì)大型地下工程流固耦合現(xiàn)象，單純的理論研究和數(shù)值模擬不能較直觀的反映地下工程在流固二相條件下的情況，越來(lái)越多的學(xué)者開始采用相似模擬試驗(yàn)的研究方法[7-13]。姜耀東等[14]研制了工作面底板水壓模擬裝置，并利用設(shè)備模擬研究工作面回采過(guò)程中承壓水對(duì)頂?shù)装迤茐牡挠绊?李術(shù)才等[15-16]以青島膠州灣海底隧道為背景，研制了海底隧道流固耦合模型試驗(yàn)系統(tǒng)和海底隧道新型可拓展突水模型試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了流固耦合模型試驗(yàn)研究;陳曉祥等[17]研制了混凝土黏結(jié)面應(yīng)力-滲流耦合試驗(yàn)裝置，為研究應(yīng)力作用下黏結(jié)面的滲透性提供了新的測(cè)試手段;熊祖強(qiáng)等[18]進(jìn)行了底板裂隙演化相似模擬試驗(yàn);黎良杰等[19]針對(duì)底板突水進(jìn)行了模型總體設(shè)計(jì)及相似材料的選擇;張保良等[20]研制了煤層底板承壓水導(dǎo)升模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，分析煤層底板承壓水導(dǎo)升規(guī)律和直觀展現(xiàn)突水通道形成過(guò)程。流固耦合作用問(wèn)題復(fù)雜，相關(guān)滲流相似模擬試驗(yàn)研究成果較少，且現(xiàn)有的室內(nèi)試驗(yàn)裝置多集中于底板突水研究，還需要在應(yīng)力-滲流耦合條件下煤礦地下水庫(kù)底板滲流方向提出一種直觀有效的研究手段。

鑒于此，筆者從研究煤礦地下水庫(kù)底板巖層滲流問(wèn)題入手，針對(duì)煤礦地下水庫(kù)底板滲流系統(tǒng)研制及規(guī)律問(wèn)題開展技術(shù)研究，擬在研制用以模擬地下水庫(kù)的物理試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，通過(guò)室內(nèi)相似模擬試驗(yàn)，揭示滲流發(fā)生過(guò)程，探究水庫(kù)底板滲流規(guī)律，為預(yù)防底板滲流和水庫(kù)失穩(wěn)提供一種試驗(yàn)途徑和方法。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)的研制

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其組成

滲流模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)(氣壓加載裝置)、試驗(yàn)箱系統(tǒng)(供水裝置)和計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物裝配圖，如圖1所示。

圖1 滲流試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Simulated test system

1.1.1伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)

現(xiàn)階段針對(duì)底板突水和頂板透水相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多數(shù)都是通過(guò)柱塞泵、穩(wěn)壓器和配套控制系統(tǒng)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)水壓控制，存在運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)需頻繁停啟補(bǔ)水泵問(wèn)題，對(duì)水泵電機(jī)、機(jī)封損害較大，且柱塞泵中的油液對(duì)污染較敏感，要求有較高的過(guò)濾精度，對(duì)使用和維護(hù)要求高。為解決上述問(wèn)題，并使系統(tǒng)適應(yīng)模擬煤礦地下水庫(kù)實(shí)際環(huán)境下的滲透水壓力，作者研制了伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)主要由底座、伺服控制器、行星減速機(jī)和增壓筒等部分組成。其中增壓筒腔內(nèi)氣壓變化控制由氣壓加載裝置實(shí)現(xiàn)，可為增壓筒一次性提供0.8 MPa的最大氣壓值。裝置利用伺服控制器和行星減速器實(shí)現(xiàn)絲杠穩(wěn)定推進(jìn)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制端軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同氣壓的精準(zhǔn)控制、長(zhǎng)時(shí)恒壓。該系統(tǒng)可以輔助實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)箱系統(tǒng)在不同滲透水壓力下的水庫(kù)滲流規(guī)律模擬研究，是滲流模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)力部分。圖3為伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)Fig.2 Servo stabilized voltage control system

圖3 伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理Fig.3 Structure and working principle of servo stabilized voltage control system

表1 伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of servo stabilized voltage control system

1.1.2試驗(yàn)箱系統(tǒng)

為滿足模擬煤礦地下水庫(kù)底板滲流試驗(yàn)要求，在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，研發(fā)設(shè)計(jì)了煤礦地下水庫(kù)底板滲流系統(tǒng)試驗(yàn)箱。該試驗(yàn)箱在保證氣密性基礎(chǔ)上利用氣壓模擬替代地下水庫(kù)中水體壓力和上覆巖層產(chǎn)生的礦山壓力，進(jìn)行地下水庫(kù)底板滲流相似模擬試驗(yàn)。圖4為滲流模擬試驗(yàn)箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，主框架為由一定規(guī)格的槽鋼、角鋼及鋼板焊接而成的鋼架結(jié)構(gòu)，經(jīng)校核，裝置的強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度δs=240 MPa)和剛度(E=400 MPa)滿足實(shí)驗(yàn)要求。為模擬煤礦地下水庫(kù)儲(chǔ)水運(yùn)行環(huán)境，試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)了密封側(cè)和敞口側(cè)兩部分，密封側(cè)腔體模擬地下水庫(kù)密閉儲(chǔ)水空間。密封側(cè)與敞口側(cè)中間設(shè)計(jì)可移動(dòng)擋板，可以實(shí)現(xiàn)密封側(cè)與敞口側(cè)的分隔，保證密封側(cè)腔體的氣密性。同時(shí)可通過(guò)移動(dòng)擋板改變矩形孔(200 mm×300 mm)通過(guò)面積。試驗(yàn)箱前側(cè)為高強(qiáng)度透明亞克力板，在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，可以有效觀察試驗(yàn)中水位變化。裝置利用密封槽和密封條實(shí)現(xiàn)密封，使用螺栓緊固，以保證裝置密封性符合試驗(yàn)要求。假設(shè)水體在氣壓1 MPa時(shí)壓縮性可以忽略不計(jì)，試驗(yàn)箱系統(tǒng)利用氣壓變化表征煤礦地下水庫(kù)水位改變引起的滲壓變化，實(shí)現(xiàn)水位高度變化時(shí)水庫(kù)滲流規(guī)律模擬研究。

圖4 試驗(yàn)箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of test chamber

相似物理模型最大尺寸為(長(zhǎng)×寬×高)1 000 mm×600 mm×500 mm，其中采空區(qū)與壩體的位置和尺寸可以根據(jù)具體地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整。由于設(shè)備配件較為笨重，為此準(zhǔn)備可移動(dòng)懸臂吊(最大承重為1 000 kg)，主要用于試驗(yàn)箱密封蓋移動(dòng)和可移動(dòng)擋板上下移動(dòng)，此外還可以輔助試驗(yàn)箱整體動(dòng)作。

1.1.3計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)主要通過(guò)DH5929動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。模型在不同方位布設(shè)孔隙水壓力傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線連接到采集系統(tǒng)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件控制采集系統(tǒng)以獲得孔隙水壓力和流量等方面的全面數(shù)據(jù)信息。在模型中立體布設(shè)孔隙水壓力傳感器以獲得模型不同位置滲壓和流量變化，綜合分析地下水庫(kù)底板在應(yīng)力-滲流耦合作用下滲流演化規(guī)律。主要設(shè)備如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)設(shè)備Fig.5 Monitoring service

1.2 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)

1.2.1技術(shù)參數(shù)

相似物理模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)最大為500 mm×600 mm×500 mm;系統(tǒng)最大滲透水壓力為0.8 MPa;系統(tǒng)穩(wěn)壓精度為0.1 kPa;系統(tǒng)最長(zhǎng)穩(wěn)壓時(shí)間為7 d。

1.2.2技術(shù)特點(diǎn)

本模擬試驗(yàn)系統(tǒng)具有如下顯著特點(diǎn):① 高滲壓。系統(tǒng)最大滲透壓力為0.8 MPa;② 可操作性強(qiáng)，試驗(yàn)箱為鋼架結(jié)構(gòu)，密封側(cè)模擬煤礦地下水庫(kù)儲(chǔ)水運(yùn)行時(shí)高壓環(huán)境，利用高氣壓模擬滲透水壓，進(jìn)行地下水庫(kù)底板滲流相似模擬試驗(yàn)。前透明有機(jī)玻璃板便于觀察與記錄滲流發(fā)生，采空區(qū)與壩體的位置和尺寸可以根據(jù)具體地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整;③ 載荷均勻分布。利用氣壓模擬替代煤礦地下水庫(kù)由不同水位產(chǎn)生的滲透水壓力和由上覆巖層產(chǎn)生的礦山壓力，可實(shí)現(xiàn)外部壓力均勻分布于相似模擬物理模型;④ 穩(wěn)壓持續(xù)加載。裝置利用伺服控制器和行星減速器實(shí)現(xiàn)絲杠穩(wěn)定推進(jìn)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制端軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同氣壓精準(zhǔn)控制、長(zhǎng)時(shí)恒壓，進(jìn)而為試驗(yàn)提供合適的恒定氣壓值。

1.2.3系統(tǒng)密閉性特征

為測(cè)試本試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)密封性能的可靠性，觀測(cè)其保水能力和承壓能力，將可移動(dòng)擋板降至最低點(diǎn)，使其底端與試驗(yàn)箱底面緊密接觸，并對(duì)交接處用密封材料進(jìn)行密封處理。隨后向密封側(cè)箱體注水，并加裝密封蓋。通過(guò)氣壓加載裝置和伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)，向密封側(cè)箱體提供0.8 MPa氣壓，持續(xù)48 h，觀測(cè)并記錄箱體內(nèi)液面高度，結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在0～2 h內(nèi)，液面有明顯下降，但箱體四周無(wú)明顯漏液，可能為密封條吸水所致。隨著測(cè)試時(shí)間增長(zhǎng)，在讀數(shù)允許誤差范圍內(nèi)，液面沒(méi)有明顯變化。測(cè)試結(jié)果顯示，在最大輸入氣壓(0.8 MPa)和最大儲(chǔ)水體積(90%)等共同荷載條件下，試驗(yàn)箱體無(wú)明顯漏液和變形，滿足試驗(yàn)過(guò)程的密封性要求。

2 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 模型試驗(yàn)內(nèi)容

2.1.1工程概況

鄂爾多斯大型聚煤盆地東北部為神東礦區(qū)，煤炭資源豐富，礦區(qū)地層由老至新由三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組(T3y)、侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)、新生代第四系沉積層(Q)組成。神東礦區(qū)大柳塔井田主要可采煤層包括1-2，2-2，3-1，4-2和5-2煤層。煤層埋藏淺，首層煤埋深一般在70～150 m。1-2煤層與5-2煤層間距大致為170 m。地下水庫(kù)建于1-2煤層和2-2煤層。

1-2煤層厚3.0～6.9 m，平均5.3 m，煤層為近水平煤層，直接底多為泥巖、砂質(zhì)泥巖;基本底為粉砂巖、中砂巖。直接底遇水后易泥化，強(qiáng)度大幅降低。

2-2煤層厚度3.9～4.5 m，平均厚度為4.3 m。煤層直接頂為粉、細(xì)砂巖，基本頂以中砂巖為主，煤層頂板中等穩(wěn)定。煤層直接底為泥巖、砂質(zhì)泥巖;基本底為粉、細(xì)砂巖。煤層及頂板裂隙中含裂隙水，地質(zhì)資料如圖7所示，相關(guān)巖層力學(xué)參數(shù)見表2，其中，γ為容重;E為彈性模量;δb為抗拉強(qiáng)度;δc為抗壓強(qiáng)度;μ為泊松比。

圖7 部分地質(zhì)鉆孔柱狀Fig.7 Histogram of some geological boreholes

表2 圍巖物理力學(xué)性能參數(shù)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

2.1.2相似理論基礎(chǔ)

胡耀青等[21]采用均勻連續(xù)介質(zhì)的固流耦合數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)了固流耦合相似理論，得到

(1)

式中，CG為剪切彈性模量相似比;Cu為位移相似比;Cl為幾何相似比;Cλ為拉梅常數(shù)相似比;Cγ為容重相似比;Ce為體積應(yīng)變相似比;Cρ為密度相似比;Ct為時(shí)間相似比。

根據(jù)式(1)可知，模型相似要求CG=Cλ;幾何相似要求Cu=CeCl;彈性模量相似要求CGCe=CγCl;應(yīng)力相似要求Cσ=CγCl。

筆者采用等效介質(zhì)模型對(duì)滲流場(chǎng)進(jìn)行研究，假設(shè)kx=ky=kz=k，則

(2)

式中，kx,ky,kz分別為不同方向的滲透系數(shù);Ck為滲透系數(shù)相似比;k′,k″分別為原型和模型的滲透系數(shù);Cs為貯水系數(shù)相似比;S′,S″分別為原型和模型的貯水系數(shù);CQ為滲流量相似比;Q′，Q″分別為原型和模型的滲流量。

將式(2)代入滲流方程并與原型相比則有

(3)

式中，Cp為水壓力相似比，Cp=CλCl;CW為源匯項(xiàng)相似比。

2.1.3試驗(yàn)方案

因地下水庫(kù)尺寸較大，難以實(shí)現(xiàn)全尺寸模擬。因此，本文旨在驗(yàn)證底板滲流模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備合理性的前提下，選取現(xiàn)場(chǎng)部分區(qū)域(1∶200的模擬比例)研究地下水庫(kù)底板在垂向二維平面內(nèi)的滲流規(guī)律。

由于相似模擬試驗(yàn)工作量大，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，所以本文僅設(shè)計(jì)非均質(zhì)底板試驗(yàn)(由滲透率不同的多層相似模擬材料層組成的整體巖層，以滿足分層巖層和不同巖性巖層的要求)。根據(jù)相似理論基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中施加的穩(wěn)定氣壓(模擬水體壓力和上覆巖層產(chǎn)生的礦山壓力)為30 kPa。

如圖8所示，為模擬上下層水庫(kù)，預(yù)先在模擬巖層3下留設(shè)采空區(qū)，填裝大粒徑砂石用以模擬采空區(qū)破碎頂板巖石。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)底板巖層中的孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并記錄箱體內(nèi)水量的變化，以得到滲漏量的變化。

圖8 試驗(yàn)?zāi)Ｐ弯佋O(shè)方案Fig.8 Test model laying project

2.2 模型試驗(yàn)相似材料的研制

2.2.1相似材料配比設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)相似材料模型鋪設(shè)選用的材料大部分為砂子、碳酸鈣和石膏等，此類材料鋪設(shè)而成的模型遇水后強(qiáng)度變化很大，極易崩解，考慮到滲流模擬試驗(yàn)的特殊性，研制可在固液耦合環(huán)境下模擬巖石力學(xué)性質(zhì)的相似材料是本次試驗(yàn)基礎(chǔ)和前提。固液耦合相似材料選用非親水性有機(jī)凝結(jié)材料作為膠結(jié)劑進(jìn)行制模保證其能保持強(qiáng)度不發(fā)生崩解、軟化[19]。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文試驗(yàn)選擇低熔度優(yōu)質(zhì)石蠟(58號(hào))和凡士林作為膠結(jié)劑，以砂子和碳酸鈣作為骨料，并配以適量的調(diào)節(jié)劑制作非親水相似模擬材料，以滿足模擬煤礦地下水庫(kù)儲(chǔ)水運(yùn)行時(shí)在煤柱壩體對(duì)底板壓應(yīng)力不變的情況下，不同滲透水壓下水庫(kù)底板巖層的滲流情況，相似材料的基本成分配比見表3。為滿足地下水庫(kù)特殊條件，相似材料在相同的相對(duì)密度下，砂子粒徑范圍為0.8～1.0 mm，以達(dá)到與膠結(jié)劑有較好的膠結(jié)能力。

2.2.2相似材料基本力學(xué)參數(shù)

本試驗(yàn)運(yùn)用課題組研發(fā)的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行相似模擬材料試件單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試件為直徑50 mm，高度100 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件，如圖9所示。

圖9 試件單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試Fig.9 Test of uniaxial compressive strength of the specimen

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試得出各組配比下相似材料的強(qiáng)度見表3。試驗(yàn)結(jié)果表明，材料的抗壓強(qiáng)度和彈性模量可調(diào)節(jié)范圍較大，抗壓強(qiáng)度變化為0.4～0.6 MPa，彈性模量為60～120 MPa，可模擬不同類型的中低強(qiáng)度巖石。

表3 相似材料配比及試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Similar material ratio and test results

2.2.3親水性測(cè)試

巖體礦物顆粒間的引力作用和膠結(jié)作用因水分子滲入而削弱，使巖體產(chǎn)生軟化膨脹和崩解，從而降低巖體強(qiáng)度，筆者通過(guò)吸水率和浸泡后的試件強(qiáng)度折減程度2個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行研究。

(1)材料吸水率。為排除實(shí)驗(yàn)的偶然性，在每個(gè)配比中選取3個(gè)試件，共計(jì)27個(gè)試件(圖10)，對(duì)試件浸泡時(shí)間做梯度設(shè)計(jì)，分別為24，48和72 h。對(duì)其進(jìn)行吸水率平均值統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 不同配比吸水率統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistical data of water absorption of different proportion

圖10 吸水率測(cè)試Fig.10 Water absorption test

李術(shù)才等[10]在研究中指出:相似模擬材料試件在浸泡72 h后，吸水率穩(wěn)定在0.5%～3.5%，屬于非親水性材料。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，不同時(shí)長(zhǎng)下試件的吸水率范圍基本穩(wěn)定在1.1%～3.4%，屬于非親水材料。本文研究試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)大約為24 h，因此材料非親水性可以滿足試驗(yàn)要求。

(2)試件強(qiáng)度折減?？紤]煤礦地下水庫(kù)儲(chǔ)水運(yùn)行后，水庫(kù)圍巖長(zhǎng)期處于浸水條件下，本文制備試件用于崩解試驗(yàn)，以獲取浸泡后相似材料試件的巖石參數(shù)。將制備好的試件置于水中浸泡24 h后進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測(cè)試，并觀察崩解情況，計(jì)算試件浸泡后的強(qiáng)度折減情況。表5為浸泡前后部分試件強(qiáng)度對(duì)比。

表5 浸泡前后部分試件強(qiáng)度對(duì)比Table 5 Comparison of strength of specimens before and after soaking MPa

測(cè)試結(jié)果分析:試件浸泡24 h的強(qiáng)度為浸泡前試件強(qiáng)度的94.4%，試驗(yàn)期間相似材料強(qiáng)度折減為5.6%，可以滿足試驗(yàn)要求。

2.2.4滲透系數(shù)測(cè)試

模擬材料要求滲透性相似，需對(duì)制作出來(lái)的試件進(jìn)行滲透系數(shù)測(cè)試。在各組別親水性測(cè)試結(jié)果相差不大的前提下，考慮不同配比下試件單軸抗壓強(qiáng)度，選取可模擬目標(biāo)巖層的相似材料配比編號(hào)為B，E，I，并對(duì)其進(jìn)行滲透性測(cè)試。

試驗(yàn)采用TST-55型滲透儀(變水頭)(圖11,12)測(cè)試各組配比材料滲透系數(shù)，用滲透系數(shù)k來(lái)表征相似材料滲透性大小，測(cè)試結(jié)果見表6。

表6 滲透系數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 6 Result of permeability coefficient test

圖11 TST-55型滲透儀裝配圖Fig.11 TST-55 permeameter assembly drawing

基于滲透系數(shù)相似比計(jì)算公式，可得滲透系數(shù)相似比約為9.4，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，B，E，I組別與原巖的滲透系數(shù)基本滿足相似比，可以滿足神東礦區(qū)圍巖在流固耦合作用下相似模擬實(shí)驗(yàn)要求。

圖12 TST-55型滲透儀裝置Fig.12 TST-55 permeameter

2.3 模擬試驗(yàn)過(guò)程

2.3.1模型試驗(yàn)步驟

按照調(diào)配好的比例將相似模擬材料進(jìn)行分層填充鋪設(shè)，鋪設(shè)時(shí)用密封材料對(duì)鋪設(shè)模型與試驗(yàn)箱體接觸邊界進(jìn)行密封處理，以降低邊界效應(yīng)。鋪設(shè)步驟如下：

(1)利用可移動(dòng)懸臂吊將試驗(yàn)箱密封側(cè)密封蓋移開，便于填充材料；

(2)鋪設(shè)底層材料并將傳感器通過(guò)中間可移動(dòng)擋板下的空間預(yù)先埋設(shè)，線束統(tǒng)一從非密封側(cè)引出；

(3)當(dāng)模型鋪設(shè)達(dá)到一定高度后，在模型底部留設(shè)與上部對(duì)應(yīng)的模擬采空區(qū)，并填充大粒徑砂子；

(4)在預(yù)定位置埋設(shè)傳感器，按照方案設(shè)計(jì)將調(diào)配好的材料依次分層鋪設(shè)并壓實(shí)；

(5)模型鋪設(shè)完成后，自然靜置24 h。按方案設(shè)計(jì)模擬采空區(qū)，填充大粒徑的砂子并注入水；

(6)將設(shè)備組裝完畢，準(zhǔn)備開始試驗(yàn)。

試驗(yàn)具體操作過(guò)程如圖13所示。

圖13 試驗(yàn)過(guò)程Fig.13 Experimental process

2.3.2傳感器布設(shè)與標(biāo)定

(1)傳感器布設(shè)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)布設(shè)BS-1型孔隙水壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)滲流發(fā)生過(guò)程中圍巖內(nèi)不同位置孔隙水壓變化規(guī)律。模型中傳感器布設(shè)位置如圖14所示，共布設(shè)8個(gè)，各組傳感器間隔100 mm，埋在不同巖性巖層的界面。其中，測(cè)點(diǎn)1，2和測(cè)點(diǎn)7，8位于距模型表面100 mm的位置，接著自上而下間隔100 mm依次為測(cè)點(diǎn)3，4和測(cè)點(diǎn)5，6。

圖14 孔隙水壓力傳感器布設(shè)Fig.14 Layout of pore water pressure sensor

(2)傳感器標(biāo)定。由于試驗(yàn)中傳感器傳出的是應(yīng)變值，在試驗(yàn)結(jié)束后需要對(duì)其進(jìn)行處理，基于傳感器標(biāo)定結(jié)果將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為力值。試驗(yàn)中部分傳感器標(biāo)定結(jié)果如圖15所示。

圖15 孔隙水壓力傳感器的標(biāo)定(部分)Fig.15 Calibration of pore water pressure sensor

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1孔隙水壓力特征分析

通過(guò)對(duì)1，3，5測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理，繪制出如圖16所示的孔隙水壓力和時(shí)間關(guān)系曲線，可以將孔隙水壓力變化分為若干階段，如圖17所示。

圖16 測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力與時(shí)間的關(guān)系Fig.16 Relationship between pore water pressure and time

圖17 孔隙水壓力隨時(shí)間變化的若干階段Fig.17 Pore water pressure changes with time in several stages

(1)初始維持階段。該階段內(nèi)流體尚未接觸傳感器，測(cè)得為初始值，壓力大小取決于測(cè)點(diǎn)與流體初始位置的相對(duì)距離，2者呈正相關(guān)關(guān)系。

(2)增大階段。該階段內(nèi)流體到達(dá)測(cè)點(diǎn)周圍，測(cè)點(diǎn)周圍的巖層孔隙率減小導(dǎo)致孔隙水壓力逐漸增大。受巖層巖性、滲透率和鋪設(shè)模型的不均質(zhì)性及測(cè)點(diǎn)與流體初始位置相對(duì)距離的影響，水壓力增幅不斷波動(dòng)。測(cè)點(diǎn)1較測(cè)點(diǎn)3，5更靠近高壓水源，因此首先呈現(xiàn)孔隙水壓力增大和增長(zhǎng)快速的現(xiàn)象。增大階段中孔隙水壓力曲線略有起伏，可能由于在水壓力作用下滲流通道的堵塞和重新打開，或者模擬巖層節(jié)理和非均質(zhì)造成。

(3)峰值波動(dòng)階段。當(dāng)測(cè)點(diǎn)周圍的巖層孔隙達(dá)到儲(chǔ)蓄極限后，多余水體在滲透水壓力作用下向下方流動(dòng)，當(dāng)孔隙通道不能滿足流動(dòng)的情況下，水體便會(huì)在測(cè)點(diǎn)附近蓄能。在測(cè)點(diǎn)附近，當(dāng)流入量與流出量不均衡的時(shí)候，便會(huì)造成孔隙水壓力大小的波動(dòng)。

(4)衰減階段。當(dāng)流體在測(cè)點(diǎn)附近蓄能達(dá)到可以突破小通道并貫穿巖層時(shí)，由于水體流失，測(cè)點(diǎn)附近的孔隙水壓力快速減小。測(cè)點(diǎn)1，3周圍壓力下降是由水體進(jìn)入下一巖層引起，測(cè)點(diǎn)5在巖層3預(yù)先留設(shè)的采空區(qū)附近，接近自由面，因此測(cè)點(diǎn)5周圍的孔隙水壓力才會(huì)急速減小。

(5)穩(wěn)定階段。當(dāng)模型中的所用孔隙都被連接貫通時(shí)，水體不斷進(jìn)入模擬巖層，最終從自由面流出，滲流路徑上的測(cè)點(diǎn)周圍孔隙水壓力基本趨于穩(wěn)定。

2.4.2滲水量特征分析

試驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)非密封側(cè)自由面位置出現(xiàn)水跡后，即可以認(rèn)為底板已經(jīng)失去擋水的作用。隨時(shí)間的延長(zhǎng)，滲水量逐漸增大，隨即對(duì)滲水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，結(jié)果如圖18所示。開始試驗(yàn)后，滲流量快速增大，單位時(shí)間內(nèi)增幅由大變小，并隨時(shí)間推移，滲流量大小趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定階段滲流量為14～15 mL/s。滲流量與孔隙水壓力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，孔隙水壓力達(dá)到穩(wěn)定階段的時(shí)間約為500 s，滲流量趨于穩(wěn)定的時(shí)間約為600 s，之后有波動(dòng)。滲流量隨時(shí)間變化曲線中的波動(dòng)，分析認(rèn)為是因?yàn)闈B流通道和滲透系數(shù)突變?cè)斐?。前文中已?jīng)提到，滲流通道堵塞和重新打開會(huì)直接影響孔隙水壓力，也會(huì)對(duì)滲流量大小產(chǎn)生影響。

圖18 滲水量隨時(shí)間變化曲線Fig.18 Curve of water leakage with time

在理想狀況下，滲透系數(shù)一定，施加的滲透壓力越大，滲流速度越大;過(guò)流面積一定，滲流速度越大，滲流流量越大。但是，受過(guò)流斷面和滲透系數(shù)影響，滲透壓力與滲流量之間的正比關(guān)系存在偏差，2者之間僅呈正相關(guān)關(guān)系(圖18)。因?yàn)槟M模型較大，滲流路徑不確定，導(dǎo)致過(guò)流斷面不確定;另外，模擬模型是分層鋪設(shè)，因此滲透系數(shù)不同，即使是同一分層，由于試驗(yàn)操作誤差的存在也會(huì)導(dǎo)致滲透系數(shù)的差異。同時(shí)，材料自身性質(zhì)和模擬模型本身節(jié)理等差異也會(huì)造成滲透壓力與滲流流量之間的正比關(guān)系產(chǎn)生偏差。

3 結(jié) 論

(1)研制的地下水庫(kù)底板滲流模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要由伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)、試驗(yàn)箱系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三大部分組成。伺服穩(wěn)壓控制系統(tǒng)創(chuàng)新地利用氣壓力替代水壓力模擬地下水庫(kù)水頭高度產(chǎn)生的滲透水壓力和上覆巖層產(chǎn)生的礦山壓力，壓力控制范圍為0～0.8 MPa;試驗(yàn)箱系統(tǒng)為鋼架結(jié)構(gòu)，最大模型尺寸為1 000 mm×600 mm×500 mm(長(zhǎng)×寬×高)，其中采空區(qū)與壩體的位置和尺寸可以根據(jù)具體條件進(jìn)行調(diào)整。

(2)為真實(shí)模擬巖體材料的物理力學(xué)特性，選擇河砂和碳酸鈣為骨料、石蠟和凡士林為膠結(jié)劑，調(diào)配適用于神東礦區(qū)地質(zhì)條件的流固耦合模擬材料，并對(duì)其進(jìn)行密度、強(qiáng)度、親水性和滲透系數(shù)的測(cè)試。結(jié)果顯示，所調(diào)配的非親水材料單軸抗壓強(qiáng)度范圍為0.4～0.6 MPa，彈性模量為60～120 MPa，可模擬不同類型的中低強(qiáng)度巖石，吸水率范圍基本穩(wěn)定在1.1%～3.4%，滲透系數(shù)測(cè)試表明材料的滲透性主要受膠結(jié)劑質(zhì)量占比和碳酸鈣質(zhì)量占比的影響，范圍為6.73×10-6～2.39×10-4cm/s。

(3)開展底板滲流相似模擬試驗(yàn)，獲得了可以宏觀表征巖層滲流的孔隙水壓力和滲流量信息，歸納了滲流與孔隙水壓力、滲流量變化之間的規(guī)律，驗(yàn)證了設(shè)備的合理性和實(shí)用性?？紫端畨毫ψ兓话阈枰?jīng)歷初始值穩(wěn)定階段、增大階段、峰值波動(dòng)階段、衰減階段和穩(wěn)定階段，最大增幅大約為0.8 kPa，穩(wěn)定階段后孔隙水壓力與初始值相差約為0.1 kPa。同一層位不同位置測(cè)點(diǎn)和不同層位相同位置測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力變化曲線趨勢(shì)基本上是一致的，增大階段、峰值波動(dòng)階段、衰減階段的持續(xù)時(shí)間和變化速率主要與測(cè)點(diǎn)位置、模擬巖層巖性、滲透率和材料非均質(zhì)性有關(guān);衰減階段和穩(wěn)定階段表明為模擬巖層滲流通道已經(jīng)形成并貫通。滲流量變化與孔隙水壓力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本上是一致的，穩(wěn)定階段滲流量范圍為14～15 mL/s，滲流量大小受過(guò)流斷面大小和滲透系數(shù)的影響。