隔水层再造效果的实验室模拟及测试方法

1.本发明涉及一种隔水层再造效果的实验室模拟及测试方法，属于矿山水资源保护领域，尤其适用于复合隔水层再造效果的实验室模拟及测试。


背景技术：

2.我国的能源禀赋决定着煤炭资源必将长期作为我国主体能源，但煤炭资源开采的同时会造成一系列环境问题，其中最为突出的问题之一便是水资源流失，煤炭资源开采会使上覆岩层产生裂隙，而当裂隙扩展至隔水层并与含水层或地表水联通时便会导致水资源流失，并进一步导致地表植被枯萎，严重破坏生态环境。
3.隔水层再造技术是目前解决水资源流失问题的重要技术手段之一，而进行隔水层再造后需对其再造效果进行评价，其中力学性质是影响其隔水性能、评价再造效果的重要指标，但隔水层往往并非单一岩层，而是由多层厚度不一的岩层组成的复合隔水层，其再造效果测试难度较大。因此，研发一种隔水层再造效果的实验室模拟及测试方法，该方法是对再造隔水层特别是复合隔水层进行实验室模拟及测试的可行方法，对于再造隔水层的力学性能测试及再造效果评价具有重要意义，应用前景广阔。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种隔水层再造效果的实验室模拟及实测方法，实现隔水层再造效果的实验室模拟及测试，以评价隔水层再造效果，促进隔水层再造技术的发展。
5.一种隔水层再造效果的实验室模拟及测试方法，包括：
6.步骤a、根据现场勘测资料，掌握隔水层空间赋存特征；
7.之后现场钻孔取样，得到隔水层各岩层厚度hi(i＝1，2，3，
…
，n)，其中n为隔水层岩层数；
8.步骤b、根据隔水层各岩层实际厚度hi，制作实验室用隔水层岩石标准试样，其中隔水层岩石标准试样为圆柱形标准试样；
9.步骤c、将隔水层岩石标准试样置于可拆卸的模具内，测试隔水层岩石试样的抗压强度f
c1
；
10.步骤d、向模具内注入隔水性胶结浆体材料模拟隔水层再造过程；
11.步骤e、养护后拆模，设置和步骤c中相同的测试条件，测试隔水层充填再造后的抗压强度f
c2
；
12.步骤f、按照圆柱标准试样与模具尺寸的抗压强度转换系数k，计算得到隔水层充填再造后岩石试样的抗压强度fc；
13.步骤g、对比隔水层岩石标准试样的抗压强度f
c1
、隔水层再造后圆柱标准试件的抗压强度fc，以评估隔水层充填再造的工程效果。
14.优选地，隔水层岩石标准试样为按照隔水层各岩层厚度比例制作的圆柱形标准试样；其中，隔水层对应岩性岩石试样厚度hi的构建模型为：
[0015][0016]
式中：hi—隔水层各岩层实际厚度，mm；
[0017]hi
—隔水层对应岩性岩石试样厚度，mm。
[0018]
优选地，可拆卸的模具为一立方体，所述模具包括一用于承载加载物的底板，所述底板的侧边均可以拆卸地安装一侧板。
[0019]
优选地，步骤c具体为：将模具的侧板拆下，将底板置于单轴抗压强度测试机测试台上，将隔水层岩石标准试样置于底板上进行并单轴抗压强度测试；其中，实验加载速度为0.5～0.8mpa/s。
[0020]
优选地，步骤d具体为：在底板上安装侧板，配制并向模具内注入实际隔水层再造所用隔水性材料浆液来模拟充填再造隔水层，之后静置直至浆液凝固。
[0021]
优选地，隔水性胶结浆体材料包括矸石、风积沙、粉煤灰、水泥、水玻璃以及速凝剂等一种或多种。
[0022]
与现有技术相比，本发明的优点为：本发明的隔水层再造效果的实验室模拟及测试方法，可通过实验室模拟及测试掌握隔水层充填再造工程效果，为煤炭资源安全开采与水资源保护提供理论与工程借鉴，该方法实用性强、操作简单、有益效果明显，丰富绿色开采理论，扩大充填采煤的应用范围和效果。
附图说明
[0023]
图1为本发明一种隔水层再造效果的实验室模拟及测试方法流程图。
[0024]
图2为某矿复合隔水层示意图。
[0025]
其中：1-表土层，2-含水层，3-复合隔水层。
[0026]
图3为隔水层岩石标准试样示意图。
[0027]
图4为本发明一种隔水层再造效果的实验室模拟及测试方法的专用模具示意图。
[0028]
其中：4-侧板，5-底板，6-紧固螺丝。
[0029]
图5为隔水层岩石标准试样测试示意图。
[0030]
图6为隔水层岩石标准试样再造后测试示意图。
[0031]
其中：7-隔水层岩石标准试样，8-隔水性胶结浆体材料。
具体实施方式
[0032]
下面将结合示意图对本发明的隔水层再造效果的实验室模拟及实测方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
[0033]
某矿上覆岩层中含水层下存在复合隔水层，由于煤层埋深较浅且采高较大，在进行煤炭开采后上覆岩层裂隙导通含水层，隔水层造破坏形成导水裂隙带，造成地下水流失，并严重损害地表生态环境，在进行隔水层注浆充填再造后，需掌握现场隔水层再造工程效果。
[0034]
结合本发明一种隔水层再造效果的实验室模拟及测试方法，描述其具体步骤如下：
[0035]
步骤a、首先根据现场勘测资料，掌握隔水层空间赋存特征；在本实施例中，如图2所示，隔水层为复合岩层3，包括三层岩层。由现有技术可知，复合岩层上覆盖含水层2和表土层1。
[0036]
之后现场钻孔取样，得到隔水层各岩层厚度hi(i＝1，2，3，
…
，n)，其中n为隔水层岩层数。在本实施例中，隔水层各岩层厚度h1、h2、h3分别为4m、10m、6m。
[0037]
步骤b、根据隔水层各岩层实际厚度hi，制作实验室用隔水层岩石标准试样7。
[0038]
隔水层岩石标准试样7为按照隔水层各岩层厚度比例制作的圆柱形标准试样。
[0039]
其中，隔水层岩石标准试样7中，隔水层对应岩性岩石试样厚度hi的构建模型为：
[0040][0041]
式中：hi—隔水层各岩层实际厚度，mm；
[0042]hi
—隔水层对应岩性岩石试样厚度，mm。
[0043]
在本实施例中，隔水层对应岩性岩石试样厚度h1、h2、h3分别为20mm、50mm、30mm。
[0044]
根据隔水层对应岩性岩石试样厚度h1、h2、h3，制作隔水层岩石标准试样7。
[0045]
步骤c、将隔水层岩石标准试样7置于可拆卸的模具内，测试隔水层岩石试样的抗压强度f
c1
。
[0046]
其中，可拆卸的模具为一正立方体，边长为100mm。模具包括一用于承载加载物的底板5，所述底板5的侧边均可以拆卸地安装一侧板4，侧板4之间通过紧固螺丝6固定且可拆卸。
[0047]
具体的，将模具的侧板4拆下，将底板5置于单轴抗压强度测试机测试台上，将隔水层岩石标准试样7置于底板5上并进行单轴抗压强度测试；其中，实验加载速度为0.5～0.8mpa/s。经测试得隔水层岩石试样(圆柱标准试件)的抗压强度f
c1
为32.85mpa。
[0048]
步骤d、向模具内注入隔水性胶结浆体材料8模拟隔水层再造过程。其中，隔水性胶结浆体材料8一般由矸石、风积沙、粉煤灰、水泥、水玻璃以及速凝剂等一种或多种组成，其中粗骨料粒径一般在0～0.15mm之间。
[0049]
具体的，在底板5上安装侧板4，配制并向模具内注入实际隔水层再造所用隔水性材料浆液(质量比矸石：风积沙：水泥：水玻璃：速凝剂＝20:10:5:2:1，水灰比为0.8)来模拟充填再造隔水层，之后静置直至浆液凝固。
[0050]
步骤e、养护后拆模，设置和步骤c中相同的测试条件，测试隔水层充填再造后的抗压强度f
c2
。
[0051]
具体的，将凝固的隔水层岩石标准试样7置于温度为20
±
2℃，相对湿度95％以上的标准养护箱内养护7～28d。
[0052]
以相同加载速度(0.5～0.8mpa/s)进行单轴抗压强度测试，测试得养护后的隔水层充填再造后的抗压强度f
c2
为7.46mpa。
[0053]
步骤f、参考《混凝土结构设计规范》，按照正立方体与圆柱标准试件之间的抗压强度转换系数k(取0.80)，通过式(2)计算得到隔水层充填再造后岩石试样的抗压强度fc为
5.97mpa。
[0054]
其中，抗压强度转换系数k计算方法如下：
[0055]
fc＝kf
c2
(2)
[0056]
式中：fc—隔水层充填再造后岩石试样的抗压强度，mpa；
[0057]fc2
—隔水层充填再造后的抗压强度，mpa；
[0058]
k—抗压强度转换系数，一般取值为0.7～1.0。
[0059]
最后，对比隔水层岩石试样的抗压强度f
c1
、隔水层再造后岩石试样的抗压强度fc，以评估隔水层充填再造的工程效果。
[0060]
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。