CN102608263B - 基于渗流场与应力场耦合的断裂突水研究试验方法 - Google Patents
基于渗流场与应力场耦合的断裂突水研究试验方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102608263B CN102608263B CN201210041569.3A CN201210041569A CN102608263B CN 102608263 B CN102608263 B CN 102608263B CN 201210041569 A CN201210041569 A CN 201210041569A CN 102608263 B CN102608263 B CN 102608263B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fracture
- water
- right cylinder
- test specimen
- field
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于渗流场与应力场耦合的断裂突水研究试验方法,藉由该方法可以得出断裂突水规律以及突水临界值,其包括如下步骤:首先从现场取样后进行室内加工成标准的圆柱体,后对圆柱体按一定角度和一定宽度进行竖向剖分;其次对剖分后的圆柱体试件进行填充,填充要求为断裂带充填物。最后把填充好的试件进行隔水处理,放置到试验台上进行试验。本发明能够真实反映渗流场与应力场耦合的断裂突水规律。
Description
技术领域
本发明特别涉及煤矿工程、地下工程、隧道工程等领域的一种在扰动条件下渗流与应力耦合断裂突水研究试验方法。
背景技术
煤炭作为我国主体能源的状况还将持续相当长的一段时间。为了满足国民经济日益发展的需要,煤层开采的深度在不断地增加,部分矿区的上组煤已经回采完毕,生产重心逐步向受水威胁更大的下组煤转移,全国煤炭开采的发展趋势将由开采上组煤转到下组煤深部开采。这使得矿井开采水平不断延深,更多煤矿受到的底板岩溶承压含水层水压越来越大,水文地质条件也变得越复杂,致使突水威胁越来越严重。根据以往我国矿井突水资料的不完全统计,多数学者得出,因断裂构造而引发的底板突水次数占总突水次数的75%以上,其原因为断裂是煤矿底板中最薄弱的环节,而突水总是选择煤层底板中最脆弱的块段。所以断裂将是矿井突水的重点研究区域。另外,在其他领域同样遇到类似的问题,如深埋隧道遇断裂突水涌泥问题,水利水电中地下空间引水涵洞遇断裂涌水或突水问题。从诸多研究中提炼出一个关键的科学问题是扰动条件下渗流场与应力场耦合作用引发断裂突水机理研究。
一般的断裂突水研究仅在理论推导方面考虑了渗流和应力的耦合作用,而在试验方法方面,没有考虑渗流场与应力场耦合作用,单从渗流角度去研究突水,或者考虑了水压与围压的因素,但都不能真正做到渗流场和应力场的耦合效应。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足,提出一种基于渗流场与应力场耦合的断裂突水研究试验方法,其能够真实反映渗流场与应力场耦合的断裂突水规律。
为实现上述发明目的,本发明采用了如下技术方案:
一种基于渗流场与应力场耦合的断裂突水研究试验方法,包括如下步骤:
(1)取断裂体附近的围岩或取水泥砂浆或混凝土根据相似比进行模拟处理制成圆柱体,而后沿设定角度对圆柱体进行竖向剖分,所述设定角度是根据现场断裂倾角确定,所述剖分的宽度是利用相似比与现场断裂破碎带宽度进行比较后确定;
(2)将剖分后形成的两个半圆柱体中间用现场断裂带充填物或模拟断裂破碎带充填物进行填充,使之成为完整的圆柱体试件;
(3)在圆柱体试件中进行隔水处理,以防止围岩的水和孔压的水进行串通,而后将圆柱体试件置于试验台上进行试验。
所述模拟断裂破碎带充填物优选采用黏土。
所述模拟断裂破碎带充填物尤其优选采用砂质黏土。
进一步的,步骤(3)中试验工况为测定不同围压下,圆柱体试件劈裂时的内水压力水平,其加载方式为:首先加轴压,将圆柱体试件固定于加载轴线上,然后围压和孔压同时加载,至设定围压值时,停止加载围压,孔压继续增大,直至圆柱体试件破坏。
附图说明
图1是本发明一优选实施例中现场取样室内加工后形成的试件初成品的结构示意图;
图2是图1所示试件初成品沿竖向剖分的结构示意图;
图3是将图2所示剖分后试件初成品进行填充形成圆柱体试件的结构示意图;
图4是图3所示圆柱体试件在试验时的安装状态示意图。
具体实施方式
本案发明人经长期研究和实践,针对现场工况,并考虑扰动情况下含水层中水的渗流场与围岩的应力场相互耦合作用,提出一种物理模拟试验方法来研究断裂突水机理(特别是高水压情况之下),其方案包括如下步骤:
(1)制样:包括试件的制备和断裂带充填物选取两方面。试件制备建议现场取样后进行室内加工。取样标准为断裂体附近的围岩,室内取芯要求为直径150mm、100mm、80mm(如图1所示,C为圆柱体中心,B为半径,H为圆柱体试件的高度),后沿一定角度对圆柱体10进行竖向剖分(如图2所示)。角度是根据现场断裂倾角确定。剖分的宽度可以利用相似比与现场断裂破碎带宽度进行比较。
剖分后两半圆柱体11、12中间用现场断裂带充填物13如断层泥进行填充,使之成为完整的圆柱体(如图3所示)。但需要补充说明的是:若在现场无法取样情况下,可以借助于水泥砂浆或混凝土,根据相似比进行模拟处理进行试件制备,同时断裂带充填物可以用黏土或者砂质黏土来模拟断裂破碎带充填物。
(2)试验过程:把试件进行处理后,放到试验台中进行试验(如图4所示,σz为轴压,P为水压,σr为围压),处理过程为:在填充完毕的圆柱体试件中进行隔水处理,以防止围岩的水和孔压的水进行串通。试验台要求:水压以围压、孔压多路加压、卸压功能,同时轴压、围压、孔压的具有稳压功能,具有轴压、围压、孔压自动采集功能。水流通过断裂带填充物的流量可以从渗透排水孔进行量取。
试验工况为测定不同围压下,试件劈裂时的内水压力水平。加载方式为:首先加轴压,将试件固定于加载轴线上,然后围压和孔压同时加载,至设定围压值时,停止加载围压,孔压继续增大,直至试件破坏。试件破坏时,有沉闷破裂声,并伴有大量水渗出,并且孔压迅速下降至围压同等水平后同步迅速下降。这些现象说明,在试验条件下,裂缝一旦开裂,迅速扩展,直至完全开裂。
试验结论:通过试件设计、试验方法的应用,模拟现场采动以及与高压水渗流相互作用的过程,得到了断裂突水的判据及条件。重点以不同的轴压、围压、水压,连续观测渗出水量,分析轴压、围压、水压以及围岩与水压比等关系。最后确定断裂突水规律以及突水临界值。
与现有技术相比,本发明提出综合考虑含水层的水压、断裂体的所处的竖向地应力、围岩的构造应力,同时考虑渗流场和应力场的耦合效应,比仅仅考虑地应力或者水压作用得到突水判据更加合理,更加符合工程现场实际情况。
Claims (1)
1.一种基于渗流场与应力场耦合的断裂突水研究试验方法,其特征在于,它包括如下步骤:
(1)取断裂体附近的围岩或取水泥砂浆或混凝土根据相似比进行模拟处理制成圆柱体,而后沿设定角度对圆柱体进行竖向剖分,所述设定角度是根据现场断裂倾角确定,所述剖分的宽度是利用相似比与现场断裂破碎带宽度进行比较后确定;
(2)将剖分后形成的两个半圆柱体中间用现场断裂带充填物或模拟断裂破碎带充填物进行填充,使之成为完整的圆柱体试件;
(3)在圆柱体试件中进行隔水处理,以防止围岩的水和孔压的水进行串通,而后将圆柱体试件置于试验台上进行试验,试验工况为测定不同围压下,圆柱体试件劈裂时的内水压力水平,加载方式为:首先加轴压,将圆柱体试件固定于加载轴线上,然后围压和孔压同时加载,至设定围压值时,停止加载围压,孔压继续增大,直至圆柱体试件破坏;
其中,所述模拟断裂破碎带充填物优选采用砂质黏土。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201210041569.3A CN102608263B (zh) | 2012-02-23 | 2012-02-23 | 基于渗流场与应力场耦合的断裂突水研究试验方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201210041569.3A CN102608263B (zh) | 2012-02-23 | 2012-02-23 | 基于渗流场与应力场耦合的断裂突水研究试验方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN102608263A CN102608263A (zh) | 2012-07-25 |
CN102608263B true CN102608263B (zh) | 2014-11-19 |
Family
ID=46525803
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201210041569.3A Expired - Fee Related CN102608263B (zh) | 2012-02-23 | 2012-02-23 | 基于渗流场与应力场耦合的断裂突水研究试验方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN102608263B (zh) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104569352B (zh) * | 2015-01-23 | 2016-09-28 | 中国矿业大学 | 奥灰顶部充填带结构判别指标的确定方法 |
CN109538296B (zh) * | 2018-10-22 | 2020-10-16 | 重庆交通大学 | 一种岩溶隧道突水预警计算模型及计算方法 |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN201037819Y (zh) * | 2007-04-20 | 2008-03-19 | 中国矿业大学 | 松散承压含水层载荷传递作用的实验装置 |
CN101625352A (zh) * | 2009-08-05 | 2010-01-13 | 山东大学 | 一种隧道开挖岩溶突水试验方法及监测装置 |
CN101881182A (zh) * | 2010-07-14 | 2010-11-10 | 中国矿业大学(北京) | 矿井断裂构造延迟突水模拟预测评价方法 |
CN101949800A (zh) * | 2010-08-24 | 2011-01-19 | 清华大学 | 压扭多轴加载试验机 |
CN102252918A (zh) * | 2011-06-30 | 2011-11-23 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 含天然气水合物沉积物三轴试验装置及其试验方法 |
CN102323159A (zh) * | 2011-08-12 | 2012-01-18 | 河海大学 | 高应力高水力梯度大剪切变形下土与结构物接触渗透仪 |
CN102400714A (zh) * | 2010-09-11 | 2012-04-04 | 中国矿业大学 | 一种高水压、高应力和自动开采的矿井水害综合模拟系统及试验方法 |
CN102411042A (zh) * | 2011-08-23 | 2012-04-11 | 河海大学 | 一种渗流侵蚀应力耦合管涌试验装置 |
CN202216944U (zh) * | 2011-08-09 | 2012-05-09 | 山东大学 | 一种海底隧道突水模型试验的密封性加水装置 |
-
2012
- 2012-02-23 CN CN201210041569.3A patent/CN102608263B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN201037819Y (zh) * | 2007-04-20 | 2008-03-19 | 中国矿业大学 | 松散承压含水层载荷传递作用的实验装置 |
CN101625352A (zh) * | 2009-08-05 | 2010-01-13 | 山东大学 | 一种隧道开挖岩溶突水试验方法及监测装置 |
CN101881182A (zh) * | 2010-07-14 | 2010-11-10 | 中国矿业大学(北京) | 矿井断裂构造延迟突水模拟预测评价方法 |
CN101949800A (zh) * | 2010-08-24 | 2011-01-19 | 清华大学 | 压扭多轴加载试验机 |
CN102400714A (zh) * | 2010-09-11 | 2012-04-04 | 中国矿业大学 | 一种高水压、高应力和自动开采的矿井水害综合模拟系统及试验方法 |
CN102252918A (zh) * | 2011-06-30 | 2011-11-23 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 含天然气水合物沉积物三轴试验装置及其试验方法 |
CN202216944U (zh) * | 2011-08-09 | 2012-05-09 | 山东大学 | 一种海底隧道突水模型试验的密封性加水装置 |
CN102323159A (zh) * | 2011-08-12 | 2012-01-18 | 河海大学 | 高应力高水力梯度大剪切变形下土与结构物接触渗透仪 |
CN102411042A (zh) * | 2011-08-23 | 2012-04-11 | 河海大学 | 一种渗流侵蚀应力耦合管涌试验装置 |
Non-Patent Citations (17)
Title |
---|
刘伟韬 等.断层破碎带变形破坏失稳过程模拟.《煤田地质与勘探》.2009,第37卷(第3期), * |
刘志军 等.承压水上采煤断层突水的固流耦合研究.《煤炭学报》.2007,第32卷(第10期), * |
刘爱华等.深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统研制及应用.《岩石力学与工程学报》.2009,(第07期), * |
卜万奎 等.断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究.《岩石力学与工程学报》.2009,第28卷(第2期), * |
岩体水力劈裂试验研究;王国庆等;《采矿与安全工程学报》;20060130(第04期);第480-484页 * |
岩石混凝土类材料单裂纹水力劈裂研究述评;李宗利等;《水利水运工程学报》;20050120(第01期);第67-74页 * |
承压水上采煤断层突水的固流耦合研究;刘志军 等;《煤炭学报》;20071031;第32卷(第10期);第1046-1050页 * |
断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究;卜万奎 等;《岩石力学与工程学报》;20090228;第28卷(第2期);第387-394页 * |
断层破碎带变形破坏失稳过程模拟;刘伟韬 等;《煤田地质与勘探》;20090630;第37卷(第3期);第34-36页 * |
李宗利等.岩石混凝土类材料单裂纹水力劈裂研究述评.《水利水运工程学报》.2005,(第01期), * |
李玉寿等.煤系地层岩石渗透特性试验研究.《实验力学》.2006,(第02期), * |
深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统研制及应用;刘爱华等;《岩石力学与工程学报》;20090715(第07期);第1135-1141页 * |
煤系地层岩石渗透特性试验研究;李玉寿等;《实验力学》;20060630(第02期);第129-134页 * |
王国庆等.岩体水力劈裂试验研究.《采矿与安全工程学报》.2006,(第04期), * |
近松散层采煤覆岩采动裂缝水砂突涌临界水力坡度试验;隋旺华 等;《岩石力学与工程学报》;20071031;第26卷(第10期);第2085-2091页 * |
陈红江.第三章 渗流-应力共同作用下类岩石试件试验研究.《裂隙岩体应力-损伤-渗流耦合理论、试验及工程应用研究 工程科技II辑》.2011,C038-51. * |
隋旺华 等.近松散层采煤覆岩采动裂缝水砂突涌临界水力坡度试验.《岩石力学与工程学报》.2007,第26卷(第10期), * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN102608263A (zh) | 2012-07-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107831295B (zh) | 用于模拟采动断层活化灾变的试验方法 | |
CN105116101B (zh) | 一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统及其使用方法 | |
CN201007871Y (zh) | 保水采煤固液耦合三维物理模拟试验架 | |
CN105181927B (zh) | 多场耦合低渗煤层水力压裂模拟试验方法 | |
CN105784945B (zh) | 用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料及制备方法 | |
CN107036917B (zh) | 深部围岩岩爆冲击倾向性的室内试验方法 | |
CN104020192A (zh) | 瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置及方法 | |
CN110865176A (zh) | 隧道突水突泥开挖模拟装置及模拟突水突泥灾害的方法 | |
CN109507393B (zh) | 一种室内覆岩离层量测量及注浆控制模拟系统及其方法 | |
Zhou et al. | A 3D model of coupled hydro-mechanical simulation of double shield TBM excavation | |
CN101308126A (zh) | 一种水下开采顶板渗流突水试验方法及装置 | |
CN110441159A (zh) | 水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置及方法 | |
CN204807400U (zh) | 岩石裂隙灌浆效果测试装置 | |
CN109470576A (zh) | 用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统及试验方法 | |
CN103884597A (zh) | 煤层水力压裂诱导围岩应力变化的模拟测量装置及方法 | |
CN105134129A (zh) | 基于径向强力膨胀瓦斯抽采封孔方法 | |
Zhou et al. | Effect of localized water pressure on mountain tunnels crossing fracture zone | |
CN205404294U (zh) | 大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置 | |
CN107991188A (zh) | 一种基于岩心残余应力水平预测水力裂缝复杂性的方法 | |
Shi et al. | Failure mechanism analysis for tunnel construction crossing the water-rich dense fracture zones: A case study | |
CN102608263B (zh) | 基于渗流场与应力场耦合的断裂突水研究试验方法 | |
Mohammed et al. | Slope stability analysis of Southern slope of Chengmenshan copper mine, China | |
CN209372589U (zh) | 用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统 | |
CN108442913B (zh) | 煤岩煤样包覆型水泥靶多脉冲压裂地面模拟实验方法 | |
CN114108609A (zh) | 一种采空区多级分段精准充灌深成桩施工工艺及方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141119 Termination date: 20170223 |
|
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |