[发明专利]流固耦合中隔水层相似模拟材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及水文地质学与采矿学相结合的技术领域，尤其涉及一种流固耦合中隔水层相似模拟材料及其制备方法。

背景技术

流固耦合问题的相似模拟一直是研究的难点，主要是充当隔水层的材料抗水性研究，因此开展不同配比方案材料的抗水性研究是流固耦合模拟实验的基础。为增强实验材料抗水性，目前主要选择的添加剂有硅油、凡士林、石蜡，文献中可供参考的材料配方较少，而且没有考虑同时选用石蜡和凡士林来改善材料抗水性的成果。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种抗水性能良好的流固耦合中隔水层相似模拟材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种流固耦合中隔水层相似模拟材料，包括如下组分：中粗砂、石膏、碳酸钙、石蜡和凡士林；石蜡的质量掺量大于中粗砂、石膏、碳酸钙质量之和的8％，小于15％。

所述的凡士林的质量掺量大于中粗砂、石膏、碳酸钙质量之和的8％，小于15％。

本发明还包括制备上述流固耦合中隔水层相似模拟材料的方法，包括以下步骤：将中粗砂、石膏、碳酸钙按一定质量配比组成粉末，模拟5种岩层，中粗砂、石膏、碳酸钙的质量比分别是中砂岩＝7∶3∶7、砂质泥岩＝7∶6∶4、粉砂岩＝7∶5∶5、煤层＝9∶7∶3、细砂岩＝7∶4∶6，掺入凡士林和石蜡分别占粉末总质量的8％～15％；均匀搅拌压制成试件，各组试件经自然养护后制成抗水性能好的流固耦合中隔水层相似模拟材料。

均匀搅拌压制成试件，各组试件经自然养护后制成抗水性能好的流固耦合中隔水层相似模拟材料。

通过上述本发明的技术方案，本发明的流固耦合中隔水层相似模拟材料具有良好的抗水性能。

附图说明

图1石蜡抗压强度的影响曲线示意图；

图2石蜡和凡士林掺量对材料抗压强度的影响曲线示意图；

图3凡士林对材料弹性模量影响曲线示意图；

图4浸水后材料的单轴抗压强度的变化曲线示意图；

图5石蜡掺量对材料抗压强度渗透系数的影响曲线示意图；

图6石蜡掺量为8％时的吸水量变化曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明：

本发明的目的是：通过开展了流固耦合相似材料配比实验工作，选用石蜡和凡士林来改善材料抗水性，开展了不同配比的材料试件单轴抗压强度测试、浸水性、渗透性和吸水性实验，制作出抗水性能较好的流固耦合相似材料。

针对实际综合地层柱状图中的5种岩层(即中砂岩、砂质泥岩、粉砂岩、煤层、细砂岩)，利用中粗砂、石膏、碳酸钙、石蜡和凡士林按一定配比均匀搅拌压制成试件，各组试件经自然养护后测定其渗透率，并计算渗透系数，同时结合现场隔水层渗透性参数和岩土渗透性分级标准，将渗透系数小于10^-5(cm/s)为抗水性良好的判别准则，共完成48组实验。材料抗水性的实现，主要是掺入添加剂能够改善抗水性，使结晶体的孔隙及溶解度发生变化，阻止水分子的侵入。这种掺入法简单，效果好。共设计48组实验，部分抗水实验方案及参数测试结果如表1。

表1部分抗水实验方案及参数测试结果表

注：当调节剂的掺入量为零时，需掺入13％的水作为调节剂；

(1)抗水性实验相似材料的主要材料为石英砂、碳酸钙、石膏、石蜡、凡士林。按照石蜡和凡士林掺量从0～10％的配比方案，模型材料可以实现对原型地层的低强度、大变形和抗水性的相似模拟。

(2)调节石蜡的掺量可以改变试件的抗压强度，石蜡的掺量越高，试件的强度就越高，当石蜡的掺量达到8％以后，塑性变形能力较小，抗压强度增大，但抗压强度增幅变慢。

(3)凡士林作为良好的变形添加剂，有助于实现相似模拟材料的低强度和大变形特性。而石蜡具有良好的非亲水性，可以控制相似材料的渗透性，模拟岩层的水理性。凡士林和石蜡的合理搭配，优势互补，制作的模拟实验材料，能满足固液耦合相似模拟实验对材料抗水性的要求实验。

(4)不同配比方案的实验结果，获得了相似材料不同配比时的力学和抗水性变化规律，为确定不同类型隔水层的相似材料配比方案提供了依据。