一種采動覆巖垮裂三維內部空間展布形態(tài)模擬方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種模擬探測方法，尤其涉及一種采動覆巖垮裂三維內部空間展布形 態(tài)模擬方法。
【背景技術】
[0002] 地質構造千差萬別，其內部的本構關系極其復雜，現有技術無法通過理論推導或 計算等手段，進行合理、有效的預測或預知，進而采取有效的預防措施防范于未然。即，盡可 能減少或者消除煤礦開采過程中可能引起的覆巖彎曲沉降、裂隙擴展及斷裂垮落，進而導 致煤礦冒頂、沖擊地壓、煤與瓦斯突出、工作面透水和地表塌陷等事故和災害的發(fā)生。
[0003] 截至目前，現有技術中，對于煤礦開采過程中可能引起的各種地質變動或變化，最 有效的技術手段仍然是通過模擬實驗的方法：以針對具體的煤礦采掘進行盡可能的仿真模 擬，盡可能多地"發(fā)現"和"掌握"其內在的、可能產生的各種變化因素和影響程度。
[0004] 本領域的技術人員知悉，采場上覆巖層的空間展布形態(tài)是決定覆巖破壞程度、運 動狀態(tài)及應力狀態(tài)的關鍵性因素，因此，采用行之有效的技術手段，以獲得采場上覆巖層的 空間展布形態(tài)，對于優(yōu)化采煤工作面開拓開采布局，保障煤礦安全生產具有十分重要的意 義。
[0005] 現有技術中，對采動覆巖變形破壞特征的有效研究手段主要有現場實測和物理模 擬兩種。
[0006] 由于采場上覆巖層隱蔽性的特點，現場研究采用的方法是鉆孔漏失量法、鉆孔電 視法、預埋位移計和應力計法，但僅局限于巖梁斷裂高度及范圍的探索，巖梁斷裂高度及范 圍不能明確反映采場上覆巖層的空間展布形態(tài)，即僅能證明裂隙或斷裂的存在，但它的存 在形式及狀態(tài)并不明確，同時現場實測也存在周期長、成本高等缺點；
[0007] 現有技術中的物理模擬實驗可以對覆巖變形破壞進行直接觀測，但也僅停留在對 模型表面的觀測，對于模型內部覆巖垮裂形態(tài)尚缺乏可有效探測的技術手段。

【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明的目的是，提供一種采動覆巖垮裂三維內部空間展布形態(tài)模擬方法，其具 有模擬仿真相似度高、操作簡便、實驗重復性和再現性好，對采動覆巖垮裂三維內部空間展 布形態(tài)的變化規(guī)律和形態(tài)的結果記錄形象直觀，所記錄的結果真實、可靠、無偏差和遺漏等 特點。
[0009] 本發(fā)明為實現上述目的所采用的技術方案是，一種采動覆巖垮裂三維內部空間展 布形態(tài)模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0010] 第一步，依據煤系地層綜合柱狀圖及各巖層的物理力學測試結果，獲得各巖層巖 性、厚度和物理力學參數；
[0011] 第二步，根據幾何相似比和應力相似比，確定模型的幾何尺寸和各巖層的相似材 料的配比；
[0012] 所述相似材料為多種憎水性材料的混合物，其中摻加有一定比例的淀粉；
[0013] 第三步，將上述相似材料按所需模擬的煤系地層情況，在模具內進行分層鋪設，在 每不同巖性的巖層與巖層之間，采用云母片進行隔離、分層；直至全部鋪設完成，制成相似 材料模型；
[0014] 第四步，脫模，并對所獲得的相似材料模型進行采煤工作面模擬開采；
[0015] 第五步，采煤工作面模擬開采完成后，根據相似材料模型覆巖的直觀垮落形態(tài)，確 定相似材料模型頂部垂直鉆孔的具體布局、鉆孔數量以及鉆孔、深度；
[0016] 然后，從相似材料模型頂部垂直向下鉆若干數量的孔；鉆孔完成后，向所鉆孔中灌 注碘溶液，碘溶液注入量的上限以在孔中不產生未滲透的積液為前提；
[0017] 第六步，向所鉆孔中灌注流動性好的、低粘度的環(huán)氧樹脂；
[0018] 待環(huán)氧樹脂凝固后，環(huán)氧樹脂在模型內部將形成空間三維展布形態(tài)的樹狀模型；
[0019] 第七步，對相似材料模型進行水平分層剖面，對由碘溶液滲透并與淀粉反應呈現 藍色的軌跡和上述環(huán)氧樹脂所形成的空間三維展布形態(tài)的樹狀模型，進行拍照和測繪，以 記錄覆巖層的裂隙分布狀況、斷裂和離層的位置信息，以及斷裂和離層的具體尺寸數據；
[0020] 第八步，將上述所得各信息、數據進行匯總，即得采動覆巖垮裂三維內部空間結構 展布形態(tài)。
[0021] 上述技術方案直接帶來的技術效果是，巧妙地運用淀粉遇碘變藍的顯色反應，進 行"示蹤"，對煤層開采后，覆巖垮裂位置進行準確定位；并采用將具有灌注流動性好，凝結 時間較短，凝固后有一定強度的環(huán)氧樹脂及時灌注至煤層開采模擬試樣的內部，待其凝結 固化后，形成仿真度極高的煤層開采引起的覆巖垮裂形態(tài)。
[0022] 本發(fā)明這一技術思想的精巧構思，有效地解決了現有技術只能從外部進行觀察， 并且由于是事后觀測、記錄的時間方面的延后、記錄結果失真、痕跡證據無法同步、準確地 "被記錄被固化"所致的實驗"系統(tǒng)誤差"；
[0023] 以及由于實驗操作人員不可避免地，對于肉眼很難，甚至是無法全面、準確地觀測 到的各種細微痕跡及其變化軌跡，所造成的等各種實驗"偶然誤差"。
[0024] 即，相對于現有技術，上述系列技術手段的采用，大幅度的提高了實驗結果的真實 性和準確性。
[0025] 與此同時，上述技術方案，其操作簡便、模擬仿真相似度高、實驗重復性和再現性 好，對采動覆巖垮裂三維內部空間展布形態(tài)的變化規(guī)律和形態(tài)的結果記錄形象直觀。
[0026] 優(yōu)選為，上述憎水性材料為砂子、石蠟、凡士林和液壓油；
[0027] 上述砂子、石蠟、液壓油、凡士林和淀粉的質量比為40 : 1 : 1 : 0.47-1.2 : 1. 5-1. 8〇
[0028] 該優(yōu)選技術方案直接帶來的技術效果是，我們的經驗表明：砂子、石蠟、液壓油和 凡士林的質量比為40 : 1 : 1 : 0.47-1. 2,可以充分滿足各種類型的表土、粉砂巖、砂質泥 巖、中砂巖、炭質泥巖、煤層等的仿真模擬，且由于石蠟凝固的膠凝、定型效果好，試樣成型 操作簡便等特點。
[0029] 需要指明的是，上述技術方案中，淀粉的具體質量配比量，可以依據不同的實驗操 作習慣、不同的實驗人員對最終顯色情況的具體要求或效果，進行適度的增加或者減少。
[0030] 進一步優(yōu)選，上述凡士林為工業(yè)凡士林。
[0031] 該優(yōu)選技術方案直接帶來的技術效果是，原料來源廣、成本低。
[0032] 進一步優(yōu)選，上述碘溶液的溶質為單質碘，溶劑為乙醇、三氯甲烷、四氯化碳或乙 醚溶液。
[0033] 該優(yōu)選技術方案直接帶來的技術效果是，這主要考慮的是試劑取材簡便，以及碘 單質在上述各溶劑中的溶解度大等常規(guī)因素。
[0034] 進一步優(yōu)選，上述相似材料的配制方法和鋪設方法如下：
[0035] 在攪拌或翻炒狀態(tài)下，將砂子加熱至70_85°C;
[0036] 將石蠟、凡士林和液壓油置于容器內，采用水浴加熱方式加熱至65_70°C，并攪拌 均勻，制成液態(tài)混合物；
[0037] 然后，將上述液態(tài)混合物傾倒入70_85°C的砂子中，快速拌和均勻，完成相似材料 的配制；
[0038] 然后，將所配置成的相似材料在溫度處于石蠟的凝固點之上的狀態(tài)下，進行快速 鋪設即可。
[0039] 該優(yōu)選技術方案直接帶來的技術效果是，上述方法步驟中所涉及到的溫度、速度 快慢等參數，主要考慮到的是，石蠟的熔點，以及避免溫度過高所致凡士林和液壓油揮發(fā)、 冒煙，以及避免淀粉原料的變性等方面的因素，所進行合理的選擇。
[0040] 顯而易見，本領域的技術人員基于公知常識，在本發(fā)明的核心技術思想的指導下， 對