CN104819898A - 采动岩石裂隙扩展试验装置与试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采动岩石裂隙扩展试验装置与试验方法，包括透明圆筒容器，透明圆筒容器的顶部设有顶盖、底部设有空心圆盘，透明圆筒容器通过顶盖上的开口与注水加压装置连接，并在连接管道上设有流量计，透明圆筒容器的侧壁连接有压力表和溢流阀，透明圆筒容器的下部设有集水箱。通过注水加压装置控制水压，并模拟含水层的补给水源向透明圆筒容器内注水。可以通过室内试验对采动岩石裂隙扩展规律进行初步探测，便于对裂隙发展进行人为的控制，减少矿井突水灾害事故。

Description

采动岩石裂隙扩展试验装置与试验方法

技术领域

本发明涉及一种矿井采动岩石裂隙扩展的评价试验技术，尤其涉及一种采动岩石裂隙扩展试验装置与试验方法。

背景技术

煤层开采后对围岩进行了扰动，围岩中原岩应力将重新分布，当原岩应力超过岩石的强度时将发生变形、破坏和移动，煤层顶板中产生大小、方向和密度各异的裂隙。位于顶板上部的泥岩风化后，强度大幅度降低，当基岩厚度小，尤其位于露头区附近的煤层顶板上部岩层的软化效应更加明显。砂岩风化后，强度降低，孔隙率增大，富水性增强，可能成为中等—强富水性含水层。根据风化岩石的力学性质，岩石风化后塑性增大，工程实践和室内试验表明岩石软化后遇少量的低孔隙水压力水时有利于裂隙的弥合，对于导水裂缝带发育高度的抑制作用较为明显。

然而，若采动岩石裂隙上方覆盖有高孔隙水压含水层，采动裂隙通道直接贯通含水层后高水压的冲刷作用将引起裂隙发生扩展，易导致矿井发生突水溃砂安全事故。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(2000年版)，松散层底部为弱富水性含水层，满足留设防砂安全煤(岩)柱的条件，其目的是允许导水裂缝带波及到该含水层，但不允许垮落带贯通，防砂安全煤(岩)柱高度(H_s)为垮落带(H_m)和保护层(H_b)之和(见图1)。垮落带是指脱离岩层母体，失去连续性，呈不规则岩块或似层状巨块向采空区冒落的岩层，位于覆岩的最下部，紧贴煤层。垮落带内裂隙大，连通性强，是水体和泥沙溃入工作面的畅通通道。保护层的主要作用是提高所留设安全煤柱的可靠性。对于防砂安全煤(岩)柱，保护层确保垮落带不波及弱富水性的水体。松散层底部砂层孔隙水压随松散层厚度的增大而增大，弱富水含水层具有高孔隙水压的特征，当保护层位于基岩风化带，采动后导水裂缝带进入风化带，风化岩石中产生微小裂隙，在高压水冲刷作用下采动岩石裂隙将扩展，贯通下方宽度较大的裂缝通道，成为畅通的突水溃砂通道，保护层难以再起到安全保护的作用，工作面可能发生突水、溃砂事故。在我国已有许多矿区留设防砂安全煤(岩)柱时依然发生突水、溃砂事故，因此非常有必要研究采动岩石裂隙扩展与孔隙水压和其他因素的关系及裂隙扩展变化规律，为改进防砂安全煤(岩)柱的留设方法提供工程依据和技术支持。

目前，对于采动岩石裂隙在高水压作用下裂隙扩展变化规律不明确，尚无岩石裂隙扩展的评价方法和试验，尤其是采动岩石裂隙扩展的试验装置及试验方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以通过室内试验对高水压作用下采动岩石裂隙扩展规律进行初步探测的采动岩石裂隙扩展试验装置与试验方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的采动岩石裂隙扩展试验装置，包括透明圆筒容器，所述透明圆筒容器的顶部设有顶盖、底部设有空心圆盘，所述透明圆筒容器通过顶盖上的开口与注水加压装置连接，并在连接管道上设有流量计，所述透明圆筒容器的侧壁连接有压力表和溢流阀，所述透明圆筒容器的下部设有集水箱。

本发明的上述的采动岩石裂隙扩展试验装置实现采动岩石裂隙扩展试验方法，包括步骤：

首先，将岩石试件放入所述透明圆筒容器内，所述岩石试件为圆柱状结构，所述圆柱状结构沿纵向轴线切开作为初始裂隙，并在切开面的靠近两侧的部位设有垫片，并通过所述垫片的厚度控制初始裂隙的宽度，之后用防护层缠紧，缠紧后的岩石试件的外径与所述透明圆筒容器的内径相当；

然后，通过注水加压装置控制水压，并模拟含水层的补给水源向所述透明圆筒容器内注水；

之后，通过施加不同的水压来观测裂隙扩展变化情况，同时记录注水的流量和压力表压力；

通过集水箱收集试验过程中漏失的泥水。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的采动岩石裂隙扩展试验装置及试验方法，由于包括透明圆筒容器，透明圆筒容器的顶部设有顶盖、底部设有空心圆盘，透明圆筒容器通过顶盖上的开口与注水加压装置连接，并在连接管道上设有流量计，透明圆筒容器的侧壁连接有压力表和溢流阀，透明圆筒容器的下部设有集水箱，通过注水加压装置控制水压，并模拟含水层的补给水源向所述透明圆筒容器内注水，可以通过室内试验对采动岩石裂隙扩展规律进行初步探测，便于对裂隙扩展进行人为的控制，减少矿井突水灾害事故。

附图说明

图1为现有技术中防砂安全煤(岩)柱留设示意图。

图2a、图2b分别为本发明实施例提供的采动岩石裂隙扩展试验装置和岩石试件的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的采动岩石裂隙扩展试验装置的简化示意图。

图4a、图4b、图4c分别为本发明实施例变水压岩石裂隙扩展试验中的压力变化、流量变化、裂隙变化试验结果示意图。

图5a、图5b、图5c分别为本发明实施例变裂隙宽度岩石裂隙扩展试验中的压力变化、流量变化、裂隙变化试验结果示意图。

图6a、图6b、图6c分别为本发明实施例变空心底盘岩石裂隙扩展试验中的压力变化、流量变化、裂隙变化试验结果示意图。

图7a、图7b、图7c分别为本发明实施例不同岩石强度岩石裂隙扩展试验中的压力变化、流量变化、裂隙变化试验结果示意图。

图8a、图8b、图8c分别为本发明实施例中的起始动压弥合率与压裂比的关系中，同裂隙起始动压弥合率与压裂比的关系示意图、不同试件裂隙弥合面积与压裂比的关系示意图、不同试件起始动压弥合率与压裂比的关系示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的采动岩石裂隙扩展试验装置及试验方法，其较佳的具体实施方式是：

包括透明圆筒容器，所述透明圆筒容器的顶部设有顶盖、底部设有空心圆盘，所述透明圆筒容器通过顶盖上的开口与注水加压装置连接，并在连接管道上设有流量计，所述透明圆筒容器的侧壁连接有压力表和溢流阀，所述透明圆筒容器的下部设有集水箱。

所述透明圆筒容器的顶部和底部分别设有法兰，所述顶盖和空心圆盘分别通过螺钉连接在顶部和底部的法兰上，所述底部的法兰和空心圆盘固定在底座上，所述空心圆盘中部的圆孔的直径为20mm至40mm。

本发明的上述的采动岩石裂隙扩展试验装置实现采动岩石裂隙扩展试验方法，其较佳的具体实施方式是：

包括步骤：

首先，将岩石试件放入所述透明圆筒容器内，所述岩石试件为圆柱状结构，所述圆柱状结构沿纵向轴线切开作为初始裂隙，并在切开面的靠近两侧的部位设有垫片，并通过所述垫片的厚度控制初始裂隙的宽度，之后用防护层缠紧，缠紧后的岩石试件的外径与所述透明圆筒容器的内径相当；

然后，通过注水加压装置控制水压，并模拟含水层的补给水源向所述透明圆筒容器内注水；

之后，通过施加不同的水压来观测裂隙扩展变化情况量，同时记录注水的流量和压力表压力；

通过集水箱收集试验过程中漏失的泥水。

所述防护层包括保鲜膜、遇水膨胀带和生料带。

所述垫片厚度为0.2mm至0.6mm，试验采用压力为0.1MPa至0.3MPa。

所述垫片厚度分别为0.2mm、0.4mm和0.6mm，试验采用压力分别为0.1MPa、0.2MPa和0.3MPa，试验采用的空心圆盘中部圆孔的直径分别为20mm和40mm。

通过本发明的采动岩石裂隙扩展试验装置与试验方法，可以通过室内试验对采动岩石裂隙扩展规律进行初步探测，便于对裂隙发展进行人为的控制，减少矿井突水灾害事故。

具体实施例：

如图1所示，为防砂安全煤(岩)柱留设方法。

1、试验设计思路：

1)根据研究区水文地质、工程地质条件及岩样特征，简化煤层采动后高水压作用下覆岩裂隙扩展地质模型。将实地钻孔中所取的岩芯制作为高度5cm，中部制作不同宽度“‖”状裂隙的岩石试件，用于模拟采动引起的覆岩破坏裂隙岩块。

2)采用透明圆筒容器盛装已制作的标准岩石试件，试件上方视为含水层，利用注水加压装置模拟含水层的补给水源。在试验装置底部设置圆形临空面(不同孔径底盘)，用于模拟采动后下部岩层裂隙的大小和范围。空心底盘下方自由空间类似为工作面的空间。

3)采用控制变量法定量的探究孔隙水压、岩石强度、岩石采动裂隙宽度和下部岩层裂隙大小四个因素对岩石裂隙扩展的影响。

4)根据试验结果总结分析高水压作用下岩石裂隙扩展规律，制定相应的突水、溃砂防治措施，以指导相关技术人员对水体下采煤做出正确方法和决策。

2、采动岩石裂隙扩展试验装置：

如图2a、图2b所示，采动岩石裂隙扩展试验装置包括：1.注水加压装置；2.流量计；3.顶盖；4.橡胶垫片；5.压力表；6.溢流阀；7.带法兰的透明圆筒容器；8.防护层；9.岩石试件；10.垫片；11.空心圆盘；12.集水箱。

透明圆筒容器底部的法兰和空心底盘通过螺钉固定于底座上，顶盖也通过螺钉和容器法兰连接；注水加压装置用于控制水压的变量，模拟含水层的补给水源，试验采用压力分别为0.1MPa、0.2MPa和0.3MPa，试验过程中通过施加不同的水压来观测裂隙扩展量；流量计用于记录流过岩石试件裂隙的涌水量；压力表用于监测圆筒容器筒壁的压力；圆筒容器用于盛装岩石试件；防护层由保鲜膜、遇水膨胀带和生料带组成，用于防止试件周边磕碰掉块和试验中防止试件周边漏水提高密封性；垫片用于控制岩石试件初始裂隙宽度，垫片厚度为0.2、0.4和0.6mm；圆形空心底盘用于模拟下部岩层采动破坏裂缝的范围大小，制作有20和40mm的空心直径底盘；集水箱用于收集试验过程中漏失的(泥)水。

3、试验原理：

将试验装置简化示意图如图3所示。岩石试件裂隙视为小管道，水量从铅直圆管由上向下流出，取岩石试件底部露空面为基准面O—O，沿流线取过流断面1—1和2—2，其中过流断面2—2和基准面O—O重合。

由于试验中断面1—1至断面2—2的距离短，忽略沿程阻力损失，根据流体力学考虑局部阻力损失伯努利方程：

式中，z₁，z₂——过流断面1-1和2-2处的位能，其中z₁＝H，z₂＝0，m；p₁，p₂——过流断面1-1和2-2处的压力，p₁由压力表测得，为相对压力，则p₂＝0，Pa；v₁，v₂——过流断面1-1和2-2处的流速，m/s；γ——水的容重，N/m³；g——重力加速度，m/s²。h_r——局部阻力损失。

水流流过圆筒容器和岩石试件时管径突然变小，局部阻力损失为：

沿程阻力损失系数ζ与S₂成反比，试验中岩石试件裂隙宽度最大为0.2mm，长度为40mm，S_2min＝8mm²。假设流过裂隙的水量达到最大时裂隙扩展截面面积不再增大，且与注水加压装置的管道内径(20mm)相等，则S_2max＝314mm²。圆筒容器的内径为70mm，S₁＝3846.5mm²。经计算，ζ值为0.46～0.5，选取较大值0.5。

试验中流量Q通过流量计进行监测，根据流量守恒定律，则：

Q＝S₁·v₁＝S₂·v₂       (2)

式中，S₁，S₂——过流断面1-1和2-2处的截面面积，m²。

将各已知参数和式(2)带入式(1)得出某时刻裂隙扩展截面面积为：

由此看出除p₁和Q外，其他参数均为恒定值，过流断面2-2(岩石试件底部裂隙面)的面积S₂与压力表观测值p₁成反比，与流量Q成正比。因此，通过观测和分析压力表和流量计示数可得出岩石试件的裂隙扩展时压力和流量随时间的变化以及裂隙扩展变化规律。

4、试验方法：

4.1、岩石试件制备：

由于现场难以取得符合试验要求的规格试件，所以通过现场取样在实验室加工制作岩石试件。

1)试件制备所需器具：

(1)切割机：用于切割岩石试件；

(2)砂布：60#(细粒)和120#(粗粒)，用于打磨岩石试件，使表面平整；

(3)20分度游标卡尺：用于测量裂隙长度和岩石试件直径；

(4)手工锯：用于修整切割后岩芯的凸出部分；

(5)岩样夹：用于固定岩芯以便于切割；

(6)其他：钢卷尺、小刀、生料带、垫片、试样盒、保湿膜、胶带、玻璃胶、塑料软管和喷水壶等。

2)试件制备：

(1)将现场取得的岩样从包装袋中取出，剥去胶带和保鲜膜。查看岩性、颜色、结构特征和完整性，将工程地质特征和强度相近的同岩性岩样分为一组。

(2)根据试验要求用切割机将每组岩样切割成长度为5cm块段，再沿中心轴纵向切割为两半。切削岩样时，对岩样的层位、颜色、夹杂物、裂隙和均匀性进行描述，对低塑性和高灵敏度的软岩，制样时不得扰动。

(3)利用粗砂布将岩芯的上下表面和纵向切面打磨平整，再用细砂布修整。

(4)将不同厚度的垫片置于试件中心切面两端，利用玻璃胶枪在垫片位置外侧打胶，以防试验中周边漏水。打胶后的岩芯即为岩石裂隙扩展试验的标准岩石试件。

(5)利用保鲜膜将制作好的岩石试件包裹封装后分组，并贴好标签，标明土样的来源、层位和强度等相关参数，放置于试件箱以备用。

4.2、试验方案：

考虑孔隙水压、裂隙宽度、岩石强度和采动岩石下方裂隙宽度四个因素进行采动岩石裂隙扩展试验。由于受试验条件和试验材料的限制，试验方案确定如下：

1)方案一：变孔隙水压试验。该试验分为3组，取同一区段岩石强度相近的岩石试件，设置裂隙宽度为0.2mm，空心底盘直径为40mm，将水压分别设定为0.1MPa、0.2MPa和0.3MPa。

2)方案二：变裂隙宽度试验。该试验分为3组，取同一区段岩石强度相近的岩石试件，设定水压为0.2MPa，空心底盘直径为40mm，将裂隙宽度分别设置为0.2、0.4和0.6mm。

3)方案三：变空心底盘试验。该试验分为3组，取同一区段岩石强度相近的岩石试件，设定水压为0.2MPa，设置裂隙宽度为0.2mm，空心底盘直径分别选取20和40mm。

4)方案四：不同岩石强度试验。该试验分为2组，设定水压为0.2MPa，设置裂隙宽度为0.2mm，空心底盘直径为40mm，取不同区段岩石强度差异较大的岩石试件。

以上四个试验方案中，重复性试验可做一组。

4.3试验步骤：

(1)检查试验装置各部件的完好性：连接试验装置，容器底部安装实心底盘，使容器形成密闭空间，打开溢流装置，调试水压箱水压，观察不同水压的水流情况、水压表、流量计和溢流装置的稳定性及试验装置的密封性。

(2)安装岩石试件：按照标号取一组岩石试件，外部包裹保鲜膜至外径为70mm左右，表面缠裹生料带和遇水膨胀带，包裹过程中双手握住不断转动，以确保包裹均匀后，自内壁涂抹薄层凡士林的圆筒容器的下端钻进，以防保护层脱落，在岩石试件顶端和低端边缘打玻璃胶，以增强密封性，确保周边不漏水。

(3)连接试验装置：容器底部放置橡胶垫片，盖上空心底盘，并用螺丝拧紧，将容器置于不锈钢底座上并固定，用手轻轻摇晃，检测是否固定完好。

(4)连接注水加压装置：连接水压箱出水管和容器顶盖，且进行密封处理，确保试验过程中不漏水，顶盖和容器法兰间垫橡胶垫片，利用螺丝拧紧，底座下方放置集水箱。

(5)试验装置安装完成后，检查试验装置的完好性，确保连接无误。

(6)启动试验系统，并记录流量计和压力表的数据。

(7)压力表示数为零，并稳定后，停止试验，取出岩石试件，对试件表面的裂隙进行拍照，绘制素描图，并测量裂隙的最小和最大深度。

5、试验结果与分析：

根据之前在相邻工作面取岩样所做的点荷载强度、干燥饱和吸水率和崩解试验得出基岩风化带的厚度为21.5m。本试验取岩性相同，层位和风化程度不同的两组岩石试件进行采动岩石裂隙扩展试验，试验前对两组试件进行干燥饱和吸水率和点荷载强度试验，结果见表1，岩石试件具体描述如下：

试件组1，岩性为泥岩，灰色和土黄色相间，砂泥状结构，断口含有少量细砂颗粒，手感较粗糙，结构相对松散，孔隙多，位于煤层顶板上方30～32m处，属于风化带上部，天然含水率为4.94％，干燥饱和吸水率为42.53％。由于风化泥岩的强度低，点荷载试验中试件压裂时仪器示数为0，根据点荷载仪的量程范围判断该试件的点荷载强度小于0.5kN。

试件组2，岩性为铝质泥岩，以灰白色为主，泥状结构，手感细腻、润滑，断口无砂，结构致密，但塑性低，易破裂，位于煤层顶板上方22～23m处，属于风化带中下部，天然含水率为2.37％，干燥饱和吸水率为28.83％。由于风化泥岩的强度低，点荷载试验中试件压裂时仪器示数为0，根据点荷载仪的量程范围判断该试件的点荷载强度小于0.5kN。

表1 干燥饱和吸水率试验结果

四种方案的试验结果和各变量随时间变化见表2和图4a、图4b、图4c～图7a、图7b、图7c。由于压力表示数小于0.015MPa时数据记录准确率低，压力低时裂隙扩展变化不明显，并且流量基本处于稳定状态，因此以压力降为0.015MPa时为界限对数据进行整理和分析。通过理论计算和试验结束后对裂隙扩展宽度进行测量对比对压力降为0时的裂隙扩展最终状态进行分析。

表2 各方案岩石裂隙扩展试验结果表

方案一试验数据变化看出，裂隙贯通后水压瞬间减小，初设水压为0.1MPa时，短时间内岩石试件底部有滴水现象，滴水速度逐渐减小，压力增大至恒定，流量逐渐减小至0，主要由于岩石具有吸水膨胀的特性，试件遇水后膨胀，使微小裂隙弥合，在低水压作用下微小裂隙难以扩展。水压为0.2MPa和0.3MPa时，随时间变化压力不断减小，流量逐渐增大并趋于稳定，压力和流量的变化速率基本呈逐渐减小的趋势，压力降至0.015MPa时流量分别稳定于0.217L/s和0.247L/s，表明压力增大到一定程度时，裂隙发生扩展。0.3MPa水压作用下与0.2MPa相比压力和流量变化曲线较陡，压力减小速率和流量增大速率大，压力和流量稳定的时间短，相应的裂隙扩展时间减小。个别点出现压力和流量反向震荡，是由于较大颗粒物被冲刷后对裂隙造成一定的堵塞，颗粒物掉落后，压力和流量再次出现波动。裂隙扩展面积近似呈直线变化，压力大时曲线陡，斜率大，裂隙扩展速率随压力增大而增大。试件遇水膨胀，由于试验中注水加压装置的设定水压决定最大水流量，最大流量随初设水压的增大而增大，流量变化至稳定时，设定压力越大裂隙扩展面积阈值越大。试件上表面受承压水的冲刷力的作用和下表面受水流的入渗作用，弱面处软化随水流流走，试件上下表面形成圆形不平整裂隙面，裂隙扩展为“∞”状，切面受水流的拖拽力形成凹凸不平的裂隙面，压力越大裂隙扩展越明显。

方案一试验结果表明，含水层孔隙水压达到临界水头压力时采动岩石裂隙发生扩展，压力愈大裂隙扩展程度愈大，含水层水源受补给量越充分，裂隙扩展越大，并且风化岩石具有短时间内遇水崩解的性质，水源补给充分时可导致导水裂缝带岩块进一步破碎，与垮落带沟通，成为畅通的突水溃砂通道。水压和水源补给量对裂隙扩展影响明显，因此通过探查水源补给通道截断水源和疏水降压的方式可减小采动岩石裂隙的扩展。

方案二试验数据变化看出，水压恒定时，初始裂隙愈大引起的瞬时水压降愈明显，裂隙越大三种裂隙扩展引起的压力变化状态基本一致，曲线斜率由大变小，表明压力减小速率逐渐减小。裂隙大，初始流量大，流量逐渐增大并趋于稳定，为0.217L/s，同等设定压力下流量最大值相同。同等压力下裂隙扩展面积近似呈直线变化，裂隙扩展速率相近，裂隙扩展面积随时间的变化而增大，岩石遇水膨胀瞬时裂隙面积小于初始设置裂隙面积。裂隙扩展面积相等时，初始裂隙大的扩展时间短。流量达到最大时裂隙扩展面积为46.55mm²。

方案二试验结果表明，含水层孔隙水压和水源补给量稳定时，采动引起的岩石破断裂隙大，初始涌水量大，高压水冲刷作用下短时间内裂隙将扩展，易发生突水溃砂。导水裂缝带宽度对裂隙扩展影响明显，因此可通过限厚开采和顶板注浆加固的方法降低采动对覆岩的扰动，减小导水裂缝带发育高度，减小含水层下采动引起的裂隙初始宽度，以避免发生突水溃砂事故。

方案三试验数据变化看出，空心底盘直径小，阻力大，压力表示数相对较大，泄压速度慢。底盘孔径40mm等于裂隙宽度，裂隙通道畅通，流量大，55分钟左右流量逐渐相接近。裂隙扩展速度具有先增大后减小的趋势，底盘孔径小阻力大，裂隙扩展速度小，裂隙截面面积相等时孔径大的时间短。孔径为20mm起始压力先增大后减小，流量与裂隙面积相反，受阻力作用裂隙起始弥合现象较明显。

方案三试验结果表明，导水裂缝带下部的垮落带岩块破坏程度越大，裂隙发育强，造成的裂隙通道越畅通，使上方的采动裂隙在高水压作用下扩展程度增大。反之，下方垮落带裂隙较小时有利于导水裂缝带裂隙的弥合。当直接顶或垮落带范围内的岩层较坚硬，尤其强度大的砂岩易造成垮落带破碎，采前可适当采取注水软化的方法，减小垮落带的高度和破裂程度。

方案四试验数据变化看出，岩石风化程度高时，天然含水率和干燥饱和吸水率高，孔隙率大，强度低，同裂隙同水压作用下，水压降低速率小，水压降至0.015MPa时间长。不同强度同裂隙岩石试件裂隙扩展过程中水量逐渐增大并稳定至0.217L/s，试件组2的流量曲线陡，增长速率大，受岩石遇水膨胀性的影响，不同强度岩石起始流量不同。岩石遇水膨胀瞬时裂隙面积小于初始设置值，裂隙扩展面积同样近似呈直线变化，随时间的变化而增大，试件组2裂隙扩展速率大，流量达到稳定时裂隙扩展面积为42.875mm²。

方案四试验结果表明，岩石风化程度对采动裂隙扩展影响大，含水层孔隙水压和水源补给量稳定时，风化程度低裂隙扩展速度快。风化带上部裂隙导通含水层后，下部更易扩展，突水溃砂危险性增大，因此开采过程中需减小对顶板岩层的扰动，最大程度的减小导水裂缝带发育高度，使风化程度大的区域起到保护的作用。

岩石的膨胀性是指软岩浸水后体积增大的性质，增大后的体积与原体积之比称为岩石的膨胀率。不同裂隙宽度不同水压作用下岩石的膨胀率不同，将静水压状态下岩石的膨胀率称为静压膨胀率，动水压作用下受水压冲刷的影响，岩石遇水膨胀后的体积明显减小，将此状态下膨胀率称为动压膨胀率。由于试验过程中难以将岩石试件遇水后的体积直接进行测量，岩石试件裂隙遇水后的面积变化可根据试验得出，将裂隙截面面积减小部分与原截面面积之比称为裂隙弥合率。裂隙在高水压作用下将得以扩展，裂隙弥合率发生变化，将岩石试件遇水后初始的弥合率称为起始动压弥合率。两组岩石试件裂隙弥合结果如表3所示，起始动压弥合率与压裂比的关系如图8a、图8b、图8c所示。

表3 岩石试件裂隙面积变化及起始动压弥合率

注：压裂比为初始设定压力与裂隙初设面积之比。

由表3和图8a、图8b、图8c看出，同组岩石试件初设裂隙恒定下，弥合面积和起始动压弥合率随压裂比的增大而减小，主要是由于压力大且流量大时对裂隙的冲刷力大，试件遇水后切面发生软化被水流冲走，减小了裂隙弥合的有效面积。同组岩石试件初设水压一定时裂隙弥合面积随压裂比的增大而减小，主要是由于裂隙面积大时泄压大对裂隙的冲刷力小，但起始动压弥合率随压裂比的增大而增大，表明同压力下裂隙越小弥合率越高，有利于裂隙的弥合。同压裂比下受风化程度和孔隙率的影响，岩石试件组2与试件组1相比弥合面积和起始动压弥合率均比较小，裂隙的最大弥合面积分别为12mm²和10mm²左右。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种采动岩石裂隙扩展试验装置，其特征在于，包括透明圆筒容器，所述透明圆筒容器的顶部设有顶盖、底部设有空心圆盘，所述透明圆筒容器通过顶盖上的开口与注水加压装置连接，并在连接管道上设有流量计，所述透明圆筒容器的侧壁连接有压力表和溢流阀，所述透明圆筒容器的下部设有集水箱。

2.根据权利要求1所述的采动岩石裂隙扩展试验装置与试验方法，其特征在于，所述透明圆筒容器的顶部和底部分别设有法兰，所述顶盖和空心圆盘分别通过螺钉连接在顶部和底部的法兰上，所述底部的法兰和空心圆盘固定在底座上，所述空心圆盘中部的圆孔的直径为20mm至40mm。

3.一种权利要求1或2所述的采动岩石裂隙扩展试验装置实现采动岩石裂隙扩展试验方法，其特征在于，包括步骤：

首先，将岩石试件放入所述透明圆筒容器内，所述岩石试件为圆柱状结构，所述圆柱状结构沿纵向轴线切开作为初始裂隙，并在切开面的靠近两侧的部位设有垫片，并通过所述垫片的厚度控制初始裂隙的宽度，之后用防护层缠紧，缠紧后的岩石试件的外径与所述透明圆筒容器的内径相当；

然后，通过注水加压装置控制水压，并模拟含水层的补给水源向所述透明圆筒容器内注水；

之后，通过施加不同的水压来观测裂隙扩展变化情况量，同时记录注水的流量和压力表压力；

通过集水箱收集试验过程中漏失的泥水。

4.根据权利要求3所述的采动岩石裂隙扩展试验方法，其特征在于，所述防护层包括保鲜膜、遇水膨胀带和生料带。

5.根据权利要求4所述的采动岩石裂隙扩展试验方法，其特征在于，所述垫片厚度为0.2mm至0.6mm，试验采用压力为0.1MPa至0.3MPa。

6.根据权利要求5所述的采动岩石裂隙扩展试验方法，其特征在于，所述垫片厚度分别为0.2mm、0.4mm和0.6mm，试验采用压力分别为0.1MPa、0.2MPa和0.3MPa，试验采用的空心圆盘中部圆孔的直径分别为20mm和40mm。