一种用于深部高应力环境下矿山工程围岩相似模拟材料

摘要

本发明提供一种用于深部高应力环境下矿山工程围岩相似模拟材料，属于矿山技术领域。该材料在常规水泥、砂、水相似材料用料配比上，加入铁精粉、重晶石粉、滑石粉、石膏、甘油进行材料配比，拌合均匀材料，制作Φ50×100mm、50×50×50mm和Φ50×25mm标准试件分别进行称重、单轴压缩试验、变角剪切试验和巴西劈裂试验，测得容重、弹性模量、抗压强度、泊松比、内摩擦角、黏聚力和抗拉强度。本材料质量百分比含量为砂37.15％‑42.70％、铁精粉7.11％‑11.14％、重晶石粉4.98％‑8.48％、滑石粉7.42％‑10.68％、水泥16.94％‑22.30％、石膏1.78％‑3.72％、水11.41％‑16.94％、甘油0.73％‑1.65％，新型相似材料硬脆特点明显，能够用于模拟深部高应力环境下矿山工程围岩高容重、高弹模、高强度的特点，为进一步进行矿山工程深部开采相似模拟试验提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及矿山技术领域，特别是指一种用于深部高应力环境下矿山工程围岩相似模拟材料。

背景技术

深部开采是我国金属矿产资源开发面临的迫切问题，也是解决我国金属矿产资源量严重不足矛盾的最主要途径。

目前，国外有大批金属矿进入深部开采，开采深度超过1000m的金属矿山有80余座，其中多数位于南非。我国的金属矿山也有一批进入深部开采，如夹皮沟金矿1600m、会泽铅锌矿1360m、红透山铜矿1300m、冬瓜山铜矿1100m、寿王坟铜矿1000m等。近几年正在兴建的或计划兴建的一批大中型金属矿山，基本上全部为深部地下开采。深部资源潜力巨大，也是矿业发展的必然。大深度和大规模的开采面对一系列的重大工程技术难题：进入深部开采后，破碎岩体增多、地应力增大、涌水量加大、井温升高、矿体赋存状况和开采技术条件、环境条件严重恶化。然而我国金属矿深部开采正在起步阶段，又深部现场环境复杂多变，现场试验的条件不易具备；而直接采用实际结构尺寸进行试验研究也是不可能实现的，并具有很大的局限性。借助相似理论原理，采用物理相似模型进行研究，是解决工程实际问题的有效途径之一。

山东大学岩土中心在分岔隧道地质力学模型试验的过程中，针对国内外已有模型试验相似材料研制出了一种复合材料，称为铁晶砂胶结岩土相似材料。该材料以铁精粉、重晶石粉、石英砂为骨料，以石膏粉为调节剂，以松香酒精溶液为胶结剂，通过调整材料的力学参数，具有力学参数变化范围广、容重高、性能稳定等优点(张绪涛.深部洞室分区破裂机理与数值模拟分析研究[D].山东大学,2015.)，然而，深部高应力环境下的围岩各项参数与我们常用的浅层普通围岩有较大的不同，深部高应力环境下矿山工程的围岩具有高容重、高弹模、高强度的特点，现有的传统相似材料配比表并不能满足深部高应力环境下围岩的相似模拟，所以，研究一种能够用于深部高应力环境下矿山工程围岩的新型相似模拟材料是解决问题的关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于深部高应力环境下矿山工程围岩相似模拟材料。

该材料由砂、铁精粉、重晶石粉、滑石粉、水泥、石膏、水和甘油搅拌混合均匀而成。其中，各组分比例为：砂37.15％-42.70％、铁精粉7.11％-11.14％、重晶石粉4.98％-8.48％、滑石粉7.42％-10.68％、水泥16.94％-22.30％、石膏1.78％-3.72％、水11.41％-16.94％、甘油0.73％-1.65％。

各组分的粒度为：砂:普通河砂不大于20目；铁精粉:不大于100目；重晶石粉:不大于325目；滑石粉:不大于1250目；水泥:普通42.5#硅酸盐水泥不大于20目；石膏:不大于120目。

上述材料在混合搅拌过程中，在室温下配备即可，各固体材料先充分均匀拌合，甘油加入水中充分搅拌，然后再固液混合搅拌至均匀。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

(1)按照本配比方案生成的相似材料，能够准确符合物理相似试验参数要求，进行物理模拟试验模型的制备；

(2)本材料具有高弹模、高强度的特点，可以模拟高应力条件下矿山工程围岩高容重、高弹模、高强度的特性；

(3)本材料创新加入铁精粉、重晶石粉、滑石粉、石膏、甘油进行材料配比，与深部矿山环境更协调，进行深部高应力环境下围岩物理试验模型效果更好。

(4)本材料所用材料无毒无害，价格低廉容易获取，工艺简便，干燥周期短，所配得的材料参数稳定准确，是一种物美价廉的模拟材料。

附图说明

图1为本发明的用于深部高应力环境下矿山工程围岩相似模拟材料配比试验技术路线图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种用于深部高应力环境下矿山工程围岩相似模拟材料，该材料由砂、铁精粉、重晶石粉、滑石粉、水泥、石膏、水和甘油搅拌混合均匀而成。其中，各组分比例为：砂37.15％-42.70％、铁精粉7.11％-11.14％、重晶石粉4.98％-8.48％、滑石粉7.42％-10.68％、水泥16.94％-22.30％、石膏1.78％-3.72％、水11.41％-16.94％、甘油0.73％-1.65％。

如图1所示，对该材料进行配比时，过程如下：

(1)粗颗粒材料过筛去除杂质，保证粒度：砂:普通河砂不大于20目；铁精粉:不大于100目；重晶石粉:不大于325目；滑石粉:不大于1250目；水泥:普通42.5#硅酸盐水泥不大于20目；石膏:不大于120目；

(2)按设计配比称量各种材料，拌合均匀制备试件；材料在混合搅拌过程中，在室温下配备即可，各固体材料先充分均匀拌合，甘油加入水中充分搅拌，然后再固液混合搅拌至均匀；

(3)制作Φ50×100mm标准岩石试件，每组配比配置六个试件，用游标卡尺测量试件实际尺寸，用电子秤称重，测得材料容重；进行单轴压缩试验，测得材料容重、弹性模量、抗压强度、泊松比；

(4)制作50×50×50mm标准岩石试件，每组配比配置六个试件，进行变角剪切试验，测得材料内摩擦角、黏聚力；

(5)制作Φ50×25mm标准岩石试件，每组配比配置六个试件，进行巴西劈裂试验，测得材料抗拉强度；

(6)调整材料配比，综合测得试块各项指标，使其满足深部高应力环境下围岩的容重、弹性模量、黏聚力、内摩擦角、抗压强度、抗拉强度、泊松比参数。

查阅汇总深部高应力环境下矿山工程围岩物理力学参数，选取原岩物理力学详细参数如表1。

表1原岩物理力学参数

根据所要模拟剖面的具体范围，确定试验几何相似比为1：100，即模型几何相似常数α_l＝100。

因为应变、内摩擦角、泊松比相似常数：

又：α_σ＝α_lα_ρ＝α_lα_γ，α_σ＝α_Eα_ε，α_σ＝α_lα_ρ＝α_lα_γ＝α_E；

故：弹性模量、强度、黏聚力、应力相似常数：α_E＝α_R＝α_c＝α_σ＝α_lα_γ。

由此可知：重度相似常数确定以后即可确定其他参数。可试取一系列的重度相似常数如表2，通过对比具体实施结果，选取合适的相似配比。

表2不同相似常数下相似材料参数

实施例1：

1)按砂42.70％、铁精粉7.11％、重晶石粉4.98％、滑石粉10.68％、水泥17.79％、石膏1.78％、水14.23％、甘油0.73％的质量百分比含量进行配比。

2)将上述配料混合搅拌均匀，制备Φ50×100mm、50×50×50mm、Φ50×25mm标准岩石试件各六个，放入养护箱养护一周。

3)通过称重、单轴压缩试验、变角剪切试验、巴西劈裂试验测得材料各项参数，容重：2.26g/cm³、弹性模量：608MPa、黏聚力：0.0931MPa、内摩擦角：43.29°、抗压强度：1.2Mpa、抗拉强度：0.14Mpa、泊松比：0.21。此配比组合能够满足α_r＝1.3时原岩相似模拟，说明此配比组合所得相似材料可以模拟高应力条件下矿山工程围岩高容重、高弹模、高强度特性。

实施例2：

1)按砂37.15％、铁精粉11.14％、重晶石粉5.21％、滑石粉7.42％、水泥22.30％、石膏3.72％、水11.41％、甘油1.65％的质量百分比含量进行配比。

2)将上述配料混合搅拌均匀，制备Φ50×100mm、50×50×50mm、Φ50×25mm标准岩石试件各六个，放入养护箱养护一周。

3)通过称重、单轴压缩试验、变角剪切试验、巴西劈裂试验测得材料各项参数，容重：2.14g/cm³、弹性模量：541.8MPa、黏聚力：0.1194MPa、内摩擦角：40.87°、抗压强度：1.52Mpa、抗拉强度：0.21Mpa、泊松比：0.24。此配比组合能够满足α_r＝1.4时原岩相似模拟，说明此配比组合所得相似材料具有高弹模、高抗压强度、高抗拉强度的特性。

实施例3：

1)按砂37.30％、铁精粉8.48％、重晶石粉8.48％、滑石粉8.48％、水泥16.94％、石膏2.37％、水16.94％、甘油1.01％的质量百分比含量进行配比。

2)将上述配料混合搅拌均匀，制备Φ50×100mm、50×50×50mm、Φ50×25mm标准岩石试件各六个，放入养护箱养护一周。

3)通过称重、单轴压缩试验、变角剪切试验、巴西劈裂试验测得材料各项参数，容重：2.04g/cm³、弹性模量：561MPa、黏聚力：0.1518MPa、内摩擦角：42.27°、抗压强度：1.3Mpa、抗拉强度：0.11Mpa、泊松比：0.21。此配比组合能够满足α_r＝1.5时原岩相似模拟，说明此配比组合所得相似材料具有高弹模、高强度的特性。

以上所述是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。