基于矿井物理模型构建的煤岩体相似材料物性参数分析

为研究煤岩层地质异常体的地球物理响应特征,本文基于矿井工作面煤岩层结构,构建煤岩隐蔽致灾异常体实体物理模型,并进行相似材料模拟实验。通过均质设计和正交设计方法,用煤粉、砂子和水泥对山西某矿区的煤层、顶板、底板、陷落柱和断层的相似材料配比及其波速、电阻率、介电常数等物性参数进行了实验测试。研究结果表明材料对物性参数的影响规律如下:相比于煤粉和砂的含量,水泥含量是影响波速的主要因素;介电常数与电阻率受材料含水性的影响较高,含水率越高电阻率及介电常数呈降低趋势,实验测得的地质结构物性参数响应特征与其实际地球物理响应规律基本一致。实验数据、煤岩样和原位探测结果对比分析可知,各地质结构单元的最佳充填配比如下:煤层配比选用煤粉、砂和水泥含量为61.11%、11.11%和27.78%;顶板选择砂胶比2:1,石膏水泥比2∶8;底板选择砂胶比3:1,石膏水泥比4:6;断层选用砂75%、石膏10%、水泥15%;陷落柱选用砂66.7%、石膏6.67%、水泥26.6%。本次重点研究了各种地质构造物理模型的材料配比及其物理性质,可为后续模型构建提供数据支撑,对地球物理方法的应用及技术示范提供了良好的实验平台。