具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

本实施例提供的人工模拟非连续裂隙试样制法方法，包括：利用钻孔窥视仪对红庆梁煤矿主斜井砂岩段围岩内部裂隙及含水情况进行观察，如图1所示。分析可知，砂岩段围岩含水、裂隙发育、围岩软弱等不利因素的客观存在性。从现场掘进工作断面进行了现场取样如图2所示，并运回试验室进行了砂岩试样测定了岩石的密度、含水率、成分含量等参数。

岩石的密度是指单位体积内岩石的重量。岩石的天然密度是岩石处于天然含水率时的质量与体积的比值。

通过下式计算岩石重度，试验记录见表1。

式中：m——天然含水岩石的重量，kg；

γ——岩石的天然重度，kN/m³；

V——岩石的体积，cm³。

表1现场岩样密度测值

图3为含水率测试试验图，试样的天然含水率按下式计算得到，即：

式中：m_s——天然质量，g；

m_d——干燥质量，g。

ω——含水率，％

含水率试验试验结果见表2。

表2现场岩样含水率试验结果

基于该岩样遇水软化后，弱胶结软岩易产生崩解破碎变形的特性，利用偏光镜和高倍显微镜以及扫描电镜给出的弱胶结遇水软化软岩组织结构，以及通过X射线衍射分析，测得该岩层组成成分主要为石英、钾长石、钠长石和粘土矿物，而粘土矿物中主要为蒙脱石和高岭石，成分比重见表3。该岩样石英及长石含量占比约为67.2％，粘土矿物含量占比约为32.6％，符合泥质粉砂岩矿物含量组成占比，即粘土含量为50～25％，粉砂含量为70～50％。

表3X射线衍射分析岩石矿物成分分析结果

在已有相似材料研究基础上泥质粉砂岩化学组分的分析，此次类粉砂岩相似材料的主要材料为石英砂、32.5普通硅酸盐水泥、自来水(为保证后续预制裂隙试样稳定，相似材料配比试验采用饱和谷氨酸钠溶液)等，石英砂粒径选用小于等于0.075mm的粉砂。为更加准确、科学确定出所满足此次研究的相似配比，采用正交设计方法进行类砾岩相似材料配比设计，主要考虑因素为水胶比(水与水泥质量比)、砂胶比(砂子与水泥质量比)、泥胶比(杂质成分与水泥质量比)及泥质种类(滑石粉、石膏、膨润土干燥后打粉过300目筛网粉土)相似材料试验固体成分如图4所示，此次试验采取4因素、3水平的正交设计方案L9(3⁴)，类粉砂岩相似材料正交设计水平详见表4所示。

表4类粉砂岩相似材料正交设计水平

相似材料配比正交设计：

利用正交设计助手软件，将表4中各因素设计水平按照正交设计表L9(3⁴)进行安排，共计9组配比方案，具体配比方案详见表5所示。

表5类粉砂岩相似材料正交配比方案

相似材料配比试验结果：

将上述每个配比方案做4个组对比试件。将制作养护好的试件进行常规物理力学特性试验，同时也对各组参数试验结果进行了极差分析，一定程度上均能满足已有影响因素的变化规律，并直接给出类粉砂岩相似材料物理力学参数测试结果，详见表6所示。

表6正交试验类粉砂岩相似材料物理力学参数

通过所获得的泥质粉砂岩岩物理力学各参数进行比较分析，因此，将泥质粉砂岩的渗透系数作为类粉砂岩相似材料的主要相似参数。原岩试样的渗透系数5.65×10^-6cm/s，从科学计数法的角度分析表6中9种配比方案所得到的相似材料渗透系数，只有L-3和L-5两个配比方案得到的渗透系数在数量级(×10^-6)上基本一致，其余存在几乎数量级的差异，但L-3膨润土方案中与抗压强度与原岩差距较大，原岩试样与L-5配比相似材料各个物理力学参数如表7所示。

表7原岩与类粉砂岩相似材料物理力学参数

将上表7中各物理力学参数进行计算相似参数比(原岩与相似材料之比)，计算结果如表8所示。

表8原岩与类粉砂岩相似材料相似参数比

从表8分析可知，C_E≈C_c≈C_σc≈C_σt≈1，均满足设定的相似准则。综合考虑，采用L-5正交配比方案来模拟红庆梁煤矿主斜井中含地下水裂隙发育的粉砂岩围岩，类粉砂岩相似材料配比为：水泥:砂子:水:滑石粉＝2:5:1:4，粒径小于0.075mm的粉砂、325硅酸盐水泥及饱和谷氨酸钠溶液。

本发明为向相似材料试样添加某种固体掺料，后通过相关处理手段使置换出固体掺料使固体掺料在制样压密过程中曾占用的空间体积成为影响超声波在试件内部传播速度的空间裂隙。通过多领域的咨询和大量阅读文献，利用晶体的溶解性来实现预制裂隙所占体积的置换。经相关查阅后，晶体选择谷氨酸钠晶体横截面直径约为0.15～1mm，长约为6～8mm，几何尺寸较为均匀一致，符合预制裂隙所需长径比，该晶体基本物理特性见表9。

表9谷氨酸钠基本物理特性

同时该晶体溶解度随着水温的上升而迅速提高，如图5溶解度曲线所示，为此在制备预制裂隙的操作过程中加入两点考虑：其一，在将相似材料固体组份搅拌均匀后用常温下饱和谷氨酸钠溶液代替纯净水，尽可能减少加水搅拌后加入晶体，晶体与砂浆中的水发生溶解造成压密过程中的体积损失；其二，在置换出晶体所占裂隙体积时尽可能利用温度对晶体溶解度的影响，并以此为晶体是否完全置换成裂隙的判断依据。

制作裂隙过程分为试样的制备养护阶段、预制裂隙水处理阶段、预制过水裂隙成型检测阶段、裂隙含量与完整性工程检测指标转化四个阶段，其制备方法如下：

(1)按照上述试验确定的L-5号配合比：水泥:砂:滑石粉＝1:2.5:2搅拌均匀，加入水灰比1:2对应质量的谷氨酸钠溶液充分搅拌，加入按照孔隙率计算后对应质量的谷氨酸钠晶体并搅拌均匀。分层装入单轴、三轴试验所需试样尺寸模具，每次分层击实装料前将上表面刮毛后装料，标准圆柱试样在径向加装喉箍约束、矩形试样四周通过钢板固定，试样上表面覆盖钢板防止防止上表面顶鼓。

(2)在试件空气养护28天之后，将试件放入平底金属容器中，加水至试件上表面8～10cm，后对金属容器加热，直至水体沸腾，继续加热2～3分钟，待容器中水体冷却至室温后将试件上下颠倒，在倒置过程当中试件始终处于液面以下，加热过程中容器内液面下降较大时，向容器内补注清水并再次加热，再次沸腾冷却至室温后，将试样从水中取出放入事先准备好的真空饱和容器中，饱和容器内事先注入清水，负压控制在0.8MPa，真空饱和48h，此水处理过程重复三次，且要求平底金属容器及真空饱和容器每次结束操作后，对容器内壁进行清洗。

(3)过水裂隙成型检测阶段即取出最后一次真空饱和装置内部水体，现将其透过滤纸过滤，滤净固体杂质后，将水体倒入洁净器皿加热蒸发掉容器内水体，若无晶体析出则认为试件内部已形成分布均匀、几何尺寸较统一的过水裂隙，若有大量晶体析出则重复水处理阶段操作。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。