CN105891447B - 承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置及可视化方法 - Google Patents

承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置及可视化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置及可视化方法,涉及含断层构造煤层底板突水相似试验技术领域,其包括试验架,侧板,加载板,透明玻璃挡板,相似模型存放腔,侧压加载系统,垂直加载系统,水压加载系统,信号采集与处理系统,相似模型;相似模型铺设过程中,在预定位置同步埋设应力、位移、渗压、温度等多元信息传感器,采用分布式光纤光栅技术进行监测,试验中通过侧压加载系统和垂直加载系统加载随埋深线性增大的水平载荷和均布竖向垂直载荷,能模拟煤系地层的真实受力状态,直接用水力模拟承压水,能够真实反演承压水在采动断层活化裂隙内的渗透、冲刷作用及形成突水通道的过程,方法简单、过程可视化程度高。

Description

承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置及可视 化方法
技术领域
[0001] 本发明涉及含断层构造煤层底板突水相似试验技术领域,具体涉及一种承压断层 采动活化与突水通道形成过程相似试验装置及可视化方法。
背景技术
[0002] 我国煤炭资源丰富,但赋存地质条件复杂,使得煤矿开采中地质灾害时有发生。随 着煤矿开采深度及开采强度的进一步增大,回采工作面受底板奥灰岩溶水的威胁日益严 重,特别是含断层构造的回采工作面,其突水预测及防治问题更为突出。矿井突水在造成经 济损失和人员伤亡的同时,也对矿区水资源与环境造成了严重的污染和破坏。因此,有效遏 制矿井水害的发生,已成为众多矿井所共同面对的热点问题和技术难题。
[0003] 断层活化突水是煤矿突水的一种重要形式,其具有较强的隐敝性和难确定性,易 造成重大灾难,严重威胁着煤矿的安全生产。工作面回采期间,引起采场围岩应力变化,使 得承压水在合适的应力环境下通过劈裂、扩张、贯通、破坏隔水层内断层等构造裂隙的同时 进一步向上导升,从而诱导矿井水害的发生。据统计,全国80%的煤矿突水事故是由断层活 化引起的,而绝大多数是原始地质条件下的非导水断层在采动影响下活化而诱发的突水。 国内外学者在底板断层活化突水机理方面进行了研究,对煤矿水害防治起到了积极指导作 用,但随着开采深度、开采强度的增大,底板突水,特别是底板断层突水问题对工作面安全 快速推进的影响日益严重,其防治难度更大。由于采场底板断层活化突水机理的复杂性及 研宄手段的局限性,对底板断层活化突水机理及其监测预报的研究还主要集中在理论分 析、数值模拟及非流固耦合相似试验方面,缺乏底板断层活化及突水通道形成过程的动态 监测与可视化研究,不能从根本上预测及防治承压水上采动断层活化突水,使得许多矿井 为了防止断层活化突水不得不放弃大量煤炭资源的开采而留作防水煤柱,更多的则因底板 水威胁而暂时无法开采。
[0004] 相似试验是以相似理论为基础的模型试验技术,利用事物或现象间存在的相似或 类似等特征来研宄自然规律,适用于那些难以用理论分析方法获取结果的研究领域。含断 层煤层底板岩层破坏引发断层突水的过程实质上是在采动矿压和底板含水层水压共同作 用下,承压水导升带与采动断层活化破坏带沟通进而形成导水通道的演化与灾变过程。由 于底板断层突水问题的特殊性,人们不可能在现场观察到底板断层采动活化与突水通道的 形成过程,而理论分析过程中对许多因素做了大量简化。鉴于相似试验具有直观性强、灵活 性好、效率高、重复性好等优点,对含断层煤层底板突水过程进行物理相似模拟,可以形象、 直观的再现承压水上采动断层裂隙产生、扩展、贯通,并最终活化形成导水通道的动^过 程。
[0005] 通过专利检索,存在以下已知的技术方案:
[0006] 专利 1:
[0007] 申请号:201210491050.5,申请日:2012-11-27,授权公告日:2013—04_03,本发明 公开了一种可控制模拟承压水加载与底板破坏关系的实验平台,包括底部液压分离式加载 系统、弹簧组、底部承载应力转化板、称重传感器、顶部承载应力转化板、顶部液压加载系 统、应变计、数据采集和处理系统、模型框架和电源;底部液压分离式加载系统置于模型框 架底部,顶部液压加载系统置于模型框架顶部,底部液压分离式加载系统上部依次装有称 重传感器、底部承载应力转化板和弹簧组;顶部液压加载系统下部装有顶部承载应力转化 板,在顶部和底部承载应力转化板之间形成一个空腔,其内设置铺设材料;应变计设置在铺 设材料中;称重传感器和应变计与数据采集和处理系统连接。
[0008] 该专利可以相似模拟研究工作面回采过程中底板岩层变形、底鼓、破坏规律以及 承压水对底板岩层的作用机理和底板岩层裂隙发育情况,以此直观判断底板是否发生突 水。该实验平台利用弹簧组代替承压水对煤层底板岩层进行载荷加载,模拟底板岩层的变 形、破坏,但无法反演承压水在底板岩层裂隙中的渗流及其对裂隙冲刷形成突水通道的过 程。
[0009] 专利 2:
[0010] 申请号:201110264763.3,申请日:2011-09-08,授权公告日:2012-02-22,本发明 公开了一种用于模拟采动煤层底板突水的试验系统及其方法,其包括试验架,并且该试验 架顶部设置有纵向加载机构,该纵向加载机构上设置有水平布置的加载板,该试验架的左 右两侧分别设置有横向加载机构,两侧的横向加载机构相向布置,横向加载机构上设置有 一竖直布置的侧板,加载板压在侧板的上边,该试验架的前后两侧分别设置有由高强度透 明材料制成的面板,加载板、两个侧板、两个面板与试验架的底部形成一用于放置试样的容 纳空间;试验架的底部下方设置有一水槽,该水槽与高压水缸相连通;该底部上设置有与该 水槽相连通的透水区域,该透水区域的周边设置用于密封的橡皮囊。
[0011] 该专利提供了一种反演煤层底板突水的试验装置及其方法,解决了模拟煤层底板 突水过程中承压水的作用及演示了导水通道的形成过程,但该试验装置无法模拟承压水对 底板岩层的渗透侵蚀作用,仅强调了承压水对底板岩层的冲刷渗透作用。另外,该试验装置 不能模拟研宄侧向载荷对底板岩层破坏、裂隙扩展、贯通及承压水递进导升的影响规律。
[0012] 专利 3:
[0013] 申请号:201410466083.3,申请日:2014-09-15,授权公告日:2014-12_10,本发明 涉及一种用于模拟煤层底板突水的试验装置及其方法,可有效解决模拟煤层底板突水过程 中承压水的作用,演示导水通道的形成过程并收集相关数据的问题,技术方案是,包括实验 架和顶部加载系统,实验架的下部内装有水平的储水加载板,实验架的外部装有拆卸式的 挡板,储水加载板和挡板之间的实验架内部构成用于容纳模拟材料的实验空间,底梁上装 有底部加载系统,储水加载板的上表面均布有连通实验空间和其内腔的出水孔,下表面均 布有与其内腔相连通的注水孔,注水孔上装有自由端伸入水槽内水体的注水管道,本发明 不但解决了压力变化难以控制的问题,更起到水力冲刷渗透作用,是模拟煤层底板突水试 验装置上的创新。
[0014] 该专利公开了一种用于模拟采动煤层底板突水的试验系统及其方法,通过在试验 架底部下方设置水槽实现承压水对底板岩层的直接水力加载,并通过横向加载机构实现了 底板岩层的侧向载荷加载,但该横向加载机构仅能单一的对煤层底板下部的底板岩层进行 侧向载荷的加载,无法对相似试验模型整体进行侧向载荷的加载,更无法反演煤系地层随 埋深增加其侧向载荷线性增大的受力状态。另外,现有试验装置主要模拟研究无断层构造 的完整底板的突水问题,对于含断层构造底板突水的相似模拟,尤其是采动断层活化及突 水通道形成过程的再现、可视化等相关细节问题还未见诸报道。由此可见,现有模拟煤层底 板突水的相似试验装置有待于更进一步改进、完善,以更好的应用于承压水上采动断层活 化及突水通道形成过程的可视化相似模拟研宄。
[0015] 通过以上的检索发现,以上技术方案没有影响本发明的新颖性;并且以上专利文 件的相互组合没有破坏本发明的创造性。
[0016] 为了解放大量的煤炭资源,同时保证承压水上含断层煤层的安全带压开采,必须 对采场底板断层活化突水的演化规律进行相似试验研宄,分析承压断层采动活化及突水通 道的形成过程,才能更好的解析断层活化突水机理,预测及防治采场底板断层活化突水。因 此,有必要开展承压水上采动断层活化与突水通道形成过程的相似试验装置与可视化方法 研宄,实现承压水上含断层煤层的安全高效开采。
发明内容
[0017] (一)解决的技术问题
[0018] 本发明所要解决的技术问题是提供了一种承压断层采动活化与突水通道形成过 程相似试验装置及可视化方法,以克服现有装置无法模拟承压水对底板岩层的渗透侵蚀作 用,仅强调了承压水对底板岩层的冲刷渗透作用,无法对相似试验模型整体进行侧向载荷 的加载,更无法反演煤系地层随埋深增加其侧向载荷线性增大的受力状态,不能模拟研宄 侧向载荷对底板岩层破坏、裂隙扩展、贯通及承压水递进导升的影响规律的问题;同时,现 有的试验装置主要用于模拟研宄无断层构造的完整底板的突水问题,对于含断层构造底板 突水的相似模拟,尤其是采动断层活化及突水通道形成过程的再现、可视化方面的研宄难 以通过现有的试验装置进行。
[0019](二)技术方案
[0020]为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:一种承压断层采动活化与 突水通道形成过程相似试验装置,包括试验架(1),侧板(2),加载板(3),透明玻璃挡板⑷, 相似模型存放腔(5),侧压加载系统(6),垂直加载系统(7),水压加载系统(8),信号采集处 理系统(9)和相似模型(10),所述试验架(1)包括底座(1-1),顶梁(1-2)和竖梁(1-3),所述 底座(1-1)连接有竖梁(1-3),所述竖梁(1-3)连接有顶梁(1-2),所述底座(1-1)上竖向连接 有两个侧板(2);所述透明玻璃挡板⑷包括前透明玻璃挡板(4-1),后透明玻璃挡板(4-2), 透明玻璃挡板左竖向凹槽(4-3),透明玻璃挡板右竖向凹槽(4-4)和开挖窗口(4-5),所述底 座(1-1)和侧板(2)连接有前透明玻璃挡板(4-1)和后透明玻璃挡板(4-2),所述前透明玻璃 挡板(4-1)和后透明玻璃挡板(4-2)上各设有一个透明玻璃挡板左竖向凹槽(4-3)和透明玻 璃挡板右竖向凹槽(4-4),所述加载板(3)包括竖向布置的加载板(3-1)和水平布置的加载 板(3_2),所述透明玻璃挡板左竖向凹槽(4_3)和透明玻璃挡板右竖向凹槽(4-4)的宽度大 于竖向布置的加载板(3-1)的厚度,所述透明玻璃挡板左竖向凹槽(4-3)和透明玻璃挡板右 竖向凹槽(4-4)内密封连接有竖向布置的加载板(3_1);所述底座(1-1),侧板(2),前透明玻 璃挡板(4-1)和后透明玻璃挡板(4-¾构成相似模型存放腔(5),所述竖梁(1-3)连接有侧压 加载系统(6),所述顶梁(1-2)连接有垂直加载系统(7),所述相似模型存放腔(5)底部的底 座(l-l)连接有水压加载系统(8),所述相似模型存放腔⑸内连接有相似模型(10),所述相 似模型(10)连接有信号采集与处理系统(9)。
[0021] 进一步的,所述侧压加载系统⑹包括侧向水平加载装置(6-1),液压油管(6_2), 第一三通阀(6-3),稳压装置(6_4),液压阀门(6_5)和液压控制装置¢-6),所述竖梁(1_3) 连接有侧向水平加载装置(6_D,所述侧向水平加载装置(6-1)连接有竖向布置的加载板 (3-1)和液压油管(6_2),所述液压油管(6-2)连接有液压控制装置(e-6),所述液压油管(6_ 2)上按侧向水平加载装置®_1)至液压控制装置(6_6)方向依次设有第一三通阀¢-3),稳 压装置(6-4)和液压阀门(6-5);所述侧向水平加载装置(6-1)包括液压油缸(6-la),活塞杆 (6-lb),球头(6-lc)和垫块(6-ld),所述竖梁(1-3)连接有液压油缸(e-la),所述液压油缸 (6-la)连接有液压油管(6-2)和活塞杆(6-lb),所述活塞杆(6-lb)连接有球头(6-lc),所述 球头(6-lc)连接有垫块(6-ld)。
[0022] 进一步的,所述垂直加载系统(7)包括竖向垂直加载装置(7_1),第二液压油管(7-2),第二三通阀(7-3),第二稳压装置(7-4),第二液压阀门(7-5)和第二液压控制装置(7-6),所述顶梁(1_2)连接有竖向垂直加载装置(7-1),所述竖向垂直加载装置(7-1)连接有水 平布置的加载板(3-2)和第二液压油管(7-2),所述第二液压油管C7-2)连接有第二液压控 制装置(7-6),所述第二液压油管(7-2)上按竖向垂直加载装置(7-1)至第二液压控制装置 (7-6)方向依次设有第二三通阀(7_3),第二稳压装置(7-4)和第二液压阀门(7-5);所述竖 向垂直加载装置(7-1)包括第二液压油缸(7_la),第二活塞杆(7-lb),第二球头(7-lc)和第 二垫块(7-ld),所述顶梁(1-2)连接有第二液压油缸(7-la),所述第二液压油缸(7-la)连接 有第二液压油管(7_2)和第二活塞杆(7_lb),所述第二活塞杆(7-lb)连接有第二球头C7-lc),所述第二球头(7-lc)连接有第二垫块(7-ld)。
[0023] 进一步的,所述水压加载系统⑻包括承压水存贮槽(8-1),承压多孔透水钢篦(8_ 2) ,高压水管(8-3),水压稳压装置(8-4),注水阀(8-5),水压控制装置(8-6),水箱(8-7),第 三三通阀(8-8),排水卸压阀(8-9)和排气阀(8-10),所述底座(1-1)上设有承压水存贮槽 (8-1),所述承压水存贮槽(8_1)上方连接有承压多孔透水钢篦(8-2),所述承压水存忙槽 (8-1)连接有排气管和高压水管(8-3),所述排气管上设有排气阀(8_1〇),所述高压水管(8- 3) 连接有水压控制装置(8-6)和水箱(8_7),所述高压水管(8-3)上靠近承压水存!1C槽(8-1) 处设有水压稳压装置(8-4),所述高压水管(8-3)分流处设有第三三通阀(8-8),所述高压水 管(8-3)上第三三通阀(8-8)与水压控制装置(8-6)之间设有注水阀(8-5),所述高压水管 (8-3)上第三三通阀(8-8)与水箱(8_7)之间设有排水卸压阀(8_9)。
[0024] 进一步的,所述底座(1-1)上承压水存贮槽(8_1)上方处设有凹形台阶(8-la),所 述凹形台阶(8-la)内连接有承压多孔透水钢篦(8-2),所述承压多孔透水钢篦(8-2)上均布 密布设有圆形通孔(8-2a)和十字型沟槽(8_2b)。
[0025] 进一步的,所述信号采集与处理系统(9)包括突水前兆信息采集与处理系统(9-1),声发射信号采集与处理系统(9_2)和视电阻率信号采集与处理系统(9一3);
[0026] 所述突水前兆信息采集与处理系统(9_1)包括光纤传感器阵列(9-la),光纤分路 器(9-lb),光纤光栅解调装置(9_lc),前兆信息采集与处理的PC机(9-ld)和光缆(9-le),所 述光纤传感器阵列(9-la)包括光纤应力传感器(9-lal),光纤位移传感器(9_la2),光纤渗 压传感器(9-la3)和光纤温度传感器(9_la4),所述光纤应力传感器(9-lal),光纤位移传感 器(9-la2),光纤渗压传感器(9-la3)和光纤温度传感器(9-la4)通过光缆(9-le)连接有光 纤分路器(9-lb),所述光纤分路器(9-lb)通过光缆(9_le)连接有光纤光栅解调装置(9- lc) ,所述光纤光栅解调装置(9-lc)通过光缆(9-le)连接有前兆信息采集与处理的PC机(9- ld) ;
[0027] 所述声发射信号采集与处理系统(9-2)包括声发射探头(9_2a),DS5-16B型全信息 声发射信号分析仪(9_2b),声发射信号采集与处理的PC机(9_2c)和信号传输导线(9-ld), 所述声发射探头(9_2a),通过信号传输导线(9-Id)连接有DS5_16B型全信息声发射信号分 析仪(9-2b),所述DS5-16B型全信息声发射信号分析仪(9_2b)通过信号传输导线(9-ld)连 接有声发射信号采集与处理的PC机(9_2c);
[0028] 所述视电阻率信号采集与处理系统(9-3c)包括网络并行电路铜片电极(9_3a), WBD型网络并行电法仪(9_3b),surfer或illustrator软件辅助绘图的PC机(9-3c),铜质漆 包信号传输导线(9-3d),所述网络并行电路铜片电极(9-3a)通过铜质漆包信号传输导线 (9-3d)连接有WBD型网络并行电法仪(9_3b),所述WBD型网络并行电法仪(9-3b)通过铜质漆 包信号传输导线(9-3d)连接有surfer或illustrator软件辅助绘图的PC机(9_3c)。
[0029] 进一步的,所述相似模型(10)包括煤层底板(10-1),开采煤层(10-2),煤层顶板 (10-3)和承压断层(10-4),所述水压加载系统(8)连接有煤层底板(10-1),所述煤层底板 (10-1)连接有开采煤层(10-2),所述开采煤层(10-2)连接有煤层顶板(10-3),所述煤层底 板(10-1),开采煤层(10-2)和煤层顶板(10-3)侧面通过加载板(3-1)连接有侧压加载系统 (6),所述煤层顶板(10-3)通过加载板(3-2)连接有垂直加载系统(7),所述煤层底板(10-1),开采煤层(10-2)和煤层顶板(10-3)内设有承压断层(10-4);所述煤层底板(10-1)内的 承压断层(10-4)附近埋设有至少四个光纤应力传感器(9-lal),光纤位移传感器(9-la2), 光纤渗压传感器(9_la3),光纤温度传感器(9-la4),声发射探头(9-2a)和网络并行电路铜 片电极(9_3a)。
[0030] 进一步的,所述煤层底板(10-1)的原料包括细砂,滑石粉,高岭土,石膏,水泥,凡 士林,硅油和水;所述开采煤层(10-2)的原料包括煤粉,滑石粉,石膏,凡士林,硅油和水;所 述煤层顶板(1〇_3)的原料包括粗砂,细砂,滑石粉,高岭土,石膏,水泥,凡士林,硅油和水; 所述承压断层(10-4)的原料包括粗砂,滑石粉,高岭土,石膏,凡士林,硅油,黄豆和水;
[0031] 所述细砂粒径小于2臟,粗砂粒径小于7mm、大于5mm,滑石粉细度为1250目,高岭土 含二氧化硅45%、细度为400目,煤粉粒径小于0.1mm,水泥为优质白色硅酸盐水泥、强度 32.5MPa,凡士林为无毒医用级白色凡士林、融点45-6(TC,硅油为粘度1500cs的二甲基硅 油,水为自来水,黄豆为破碎的干黄豆,块度直径小于2. 〇mm。
[0032] —种承压断层采动活化与突水通道形成过程可视化相似试验方法,包括以下步 骤:
[0033] 1)材料配比:依据待模拟的含断层煤层工作面的水文地质条件和煤层、顶底板岩 层性质,确定煤层底板(10-1)、开采煤层(10-2)、煤层顶板(10_3)各岩层及承压断层(10_4) 相似模拟材料的配比,以此确定各岩层所需各种原料的用量;
[0034] 2)材料配置:根据煤层底板(10-1)、开采煤层(1〇_2)、煤层顶板(1〇-3)各分层材料 组分的性质,严格按照比例称取各分层所需的各种骨料和胶结剂,将骨料和胶结剂混合搅 拌均勻,加入适量的拌合水充分搅拌,并加入硅油调节剂搅拌均匀,将凡士林加热至45t:〜 60°C使其熔为液态,迅速与材料混合搅拌均匀,并装入相应的相似材料容器,等待模型铺 设;
[0035] 3)模型铺设:将搅拌均匀的煤层底板模拟材料铺设在试验架的底部,其上 依次铺设开采煤层(10-2)、煤层顶板(1〇_3)模拟材料,且层与层之间铺撒定量的云母粉,与 此同时,模型铺设过程中在预定监测位置埋设光纤应力传感器(9-lal),光纤位移传感器 (9-la2),光纤渗压传感器(9_la3),光纤温度传感器(9-la4),声发射探头(9-2a)和网络并 行电路铜片电极(9-3a),待模型铺设完毕后,依据承压断层(10-4)空间位置及其产状,切割 煤层底板(10-1),开采煤层(1〇-2)和煤层顶板(1〇-3)岩层,进而添加填充承压断层(1〇-4) 模拟材料,并进行夯实固定;
[0036] 4)模型加载:待铺设的模型干燥后,利用第二液压控制装置(7-6)控制竖向垂直加 载装置(7-1)对相似模型(10)的煤层顶板(1〇-3)施加一定的均布垂直载荷,利用液压控制 装置(6-6)控制侧向水平加载装置(6-1)对相似模型(10)的侧向施加随埋深线性增大的水 平载荷,试验过程中均布竖向垂直载荷与线性增大的侧向水平载荷保持恒定,并利用水压 加载系统(8)对相似模型的底部施加一定均布压力的承压水;
[0037] 5)模型开挖:依据模型相似比,计算模型每步开挖尺寸,待煤层中开挖的开切眼稳 定后,自开切眼向着断层方向分步开挖,模拟工作面的正常推进,直至开挖到过断层一定距 离;模拟开挖期间,通过透明玻璃挡板观察煤层顶底板岩层变形、破坏,断层围岩裂隙产生、 扩展、贯通及断层围岩渗流突变形成突水通道的过程;
[0038] 6)信号采集与处理:模拟开挖期间,同步利用突水前兆信息采集系统(9-1)、声发 射信号采集系统(9-2)、视电阻率信号采集系统(9-3)采集工作面推进过程中底板断层围岩 应力、位移、渗流、温度等信息的演化规律及断层活化裂隙能量分布特征与承压水在裂隙中 的渗流突变特征,并利用相应的处理系统对采集的信号进行处理分析;
[0039] 7)影响因素:改变模型地质与边界条件,如煤层埋深、含水层水压、断层倾角、岩层 性质及厚度、垂直载荷及水平载荷,重复上述试验步骤,研究采动矿压、隔水层厚度、含水层 水压、断层倾角、开采深度、侧向载荷、工作面推进距离及断层围岩特征参数对承压断层破 坏形式、突水路径及活化突水机理的影响规律,再现不同地质、边界条件下承压断层采动活 化与突水通道的形成过程。
[0040] (三)有益效果
[0041] 本发明提供了一种承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置及可视 化方法,公开了一种能够逼真模拟含断层煤层底板突水的试验装置,其反演承压断层采动 活化与突水通道形成过程的方法简单,其过程可视化程度高,采用相似模型进行试验,模型 铺设过程中即埋入监测装置,实现模型内部情况的监测,试验过程中直接用水力模拟承压 水,能够真实模拟承压水在采动断层活化裂隙内的渗透、冲刷作用,该装置竖向能施加均布 的垂直载荷,侧向能施加随埋深增加其载荷线性增大的水平载荷,能模拟煤系地层的真实 受力状态,监测系统基于分布式光纤光栅技术,避免人为形成渗流裂隙通道,能够实现应 力、位移、渗压、温度等多元信息的实时并行在线采集和综合分析,监测的可靠性与精确度 局。
附图说明
[0042]图1为承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置结构的剖面示意图; [0043]图2为承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置结构的侧视示意图; [0044]图3为承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置透明玻璃挡板与加载 板结构的俯视示意图;
[0045]图4为承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置承压多孔透水钢篦上 表面结构示意图;
[0046]图5为承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置承压多孔透水钢篦下 表面结构示意图;
[0047]图6为承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置相似模型侧压加载、 垂直加载、水压加载与信号采集测点布置示意图。
[0048]图中:
[0049] 1、试验架,卜1、底座,卜2、顶梁,卜3、竖梁;
[0050] 2、侧板;
[0051] 3、加载板,3-1、竖向布置的加载板,3-2、水平布置的加载板;
[0052] 4、透明玻璃挡板,4-1、前透明玻璃挡板,4-2、后透明玻璃挡板,4-3、透明玻璃挡板 左竖向凹槽,4-4、透明玻璃挡板右竖向凹槽,4-5、开挖窗口;
[0053] 5、相似模型存放腔;
[0054] 6、侧压加载系统,6-1、侧向水平加载装置,6-la、液压油缸,6-lb、活塞杆,6-lc、球 头,6-ld、垫块;6-2、液压油管,6-3、第一三通阀,6-4、稳压装置,6-5、液压阀门,6-6、液压控 制装置;
[0055] 7、垂直加载系统,7-1、竖向垂直加载装置,7-la、第二液压油缸,7-lb、第二活塞 杆,7-lc、第二球头,7_ld、第二垫块;7_2、第二液压油管,7_3、第二三通阀,7_4、第二稳压装 置,7-5、第二液压阀门,7-6、第二液压控制装置;
[0056] 8、水压加载系统,8-1、承压水存贮槽,8-1 a、凹形台阶,8-2、承压多孔透水钢篦,8-2a、圆形通孔,8-2b、十字型沟槽,8-3、高压水管,8-4、水压稳压装置,8-5、注水阀,8-6、水压 控制装置,8-7、水箱,8-8、第三三通阀,8-9、排水卸压阀,8-10、排气阀;
[0057] 9、信号采集与处理系统,9-1、突水前兆信息采集与处理系统,9-la、光纤传感器阵 列,9-lal、光纤应力传感器,9-la2、光纤位移传感器,9-la3、光纤渗压传感器,9-la4、光纤 温度传感器,9-lb、光纤分路器,9-lc、光纤光栅解调装置,9-ld、前兆信息采集与处理的PC 机,9-le、光缆,9-2、声发射信号采集与处理系统,9_2a、声发射探头,9-2b、DS5_16B型全信 息声发射信号分析仪,9-2c、声发射信号采集与处理的PC机,9-2d、信号传输导线,9-3、视电 阻率信号采集与处理系统,9-3a、网络并行电路铜片电极,9_3b、WBD型网络并行电法仪,9-3c、surfer或illustrator软件辅助绘图的PC机,9_3d、铜质漆包信号传输导线;
[0058] 10、相似模型,10-1、煤层底板,1 〇-2、开采煤层,10-3、煤层顶板,10-4、承压断层。
具体实施方式
[0059] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例, 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部 分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出 创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0060] 结合图1〜6所示,包括试验架1,侧板2,加载板3,透明玻璃挡板4,相似模型存放腔 5,侧压加载系统6,垂直加载系统7,水压加载系统8,信号采集处理系统9和相似模型10,所 述试验架1包括底座1-1,顶梁1-2和竖梁1-3,所述底座1_1连接有竖梁1-3,所述竖梁1-3连 接有顶梁1_2,所述底座1-1上竖向连接有两个侧板2;所述透明玻璃挡板4包括前透明玻璃 挡板4-1,后透明玻璃挡板4_2,透明玻璃挡板左竖向凹槽4-3,透明玻璃挡板右竖向凹槽4-4 和开挖窗口 4-5,所述底座1-1和侧板2连接有前透明玻璃挡板4-1和后透明玻璃挡板4-2,所 述前透明玻璃挡板4-1和后透明玻璃挡板4-2上各设有一个透明玻璃挡板左竖向凹槽4-3和 透明玻璃挡板右竖向凹槽4-4,所述加载板3包括竖向布置的加载板3-1和水平布置的加载 板3-2,所述透明玻璃挡板左竖向凹槽4-3和透明玻璃挡板右竖向凹槽4-4的宽度大于竖向 布置的加载板3-1的厚度,所述透明玻璃挡板左竖向凹槽4-3和透明玻璃挡板右竖向凹槽4-4内密封连接有竖向布置的加载板3-1;所述底座1-1,侧板2,前透明玻璃挡板4-1和后透明 玻璃挡板4-2构成相似模型存放腔5,所述竖梁1-3连接有侧压加载系统6,所述顶梁1-2连接 有垂直加载系统7,所述相似模型存放腔5底部的底座1-1连接有水压加载系统8,所述相似 模型存放腔5内连接有相似模型1〇,所述相似模型1〇连接有信号采集与处理系统9。
[0061] 进一步的,所述侧压加载系统6包括侧向水平加载装置6-1,液压油管6_2,第一三 通阀6-3,稳压装置6_4,液压阀门6_5和液压控制装置6-6,所述竖梁1_3连接有侧向水平加 载装置6-1,所述侧向水平加载装置6-1连接有竖向布置的加载板3-1和液压油管6-2,所述 液压油管6-2连接有液压控制装置6-6,所述液压油管6_2上按侧向水平加载装置6-1至液压 控制装置6_6方向依次设有第一三通阀6_3,稳压装置6-4和液压阀门6_5;所述侧向水平加 载装置6-1包括液压油缸6-la,活塞杆6_lb,球头6-lc和垫块6-ld,所述竖梁1-3连接有液压 油缸6-la,所述液压油缸6-la连接有液压油管6_2和活塞杆6_lb,所述活塞杆6_lb连接有球 头6-lc,所述球头6-lc连接有垫块6-ld。
[0062] 进一步的,所述垂直加载系统7包括竖向垂直加载装置7_1,第二液压油管7_2,第 二三通阀7-3,第二稳压装置7-4,第二液压阀门7_5和第二液压控制装置7_6,所述顶梁1 -2 连接有竖向垂直加载装置7-1,所述竖向垂直加载装置卜1连接有水平布置的加载板3-2和 第二液压油管7-2,所述第二液压油管7_2连接有第二液压控制装置7-6,所述第二液压油管 7-2上按竖向垂直加载装置7-1至第二液压控制装置7-6方向依次设有第二三通阀7_3,第二 稳压装置7-4和第二液压阀门7_5;所述竖向垂直加载装置7_1包括第二液压油缸,第二 活塞杆7-lb,第二球头7-lc和第二垫块7_ld,所述顶梁1-2连接有第二液压油缸7-la,所述 第二液压油缸7-la连接有第二液压油管7_2和第二活塞杆7-lb,所述第二活塞杆7-lb连接 有第二球头7-lc,所述第二球头7-lc连接有第二垫块7-ld。 一
[0063] 进一步的,所述水压加载系统8包括承压水存贮槽8-1,承压多孔透水钢篦8-2,高 压水管8-3,水压稳压装置8_4,注水阀8_5,水压控制装置8-6,水箱8-7,第三三通阀8_8,排 水卸压阀8-9和排气阀8-10,所述底座1-1上设有承压水存贮槽8-1,所述承压水存贮槽8 一1 上方连接有承压多孔透水钢篦8_2,所述承压水存贮槽8-1连接有排气管和高压水管8_3,:5 述排气管上设有排气阀8-10,所述高压水管8-3连接有水压控制装置8-6和水箱8-7,所述尚 压水管8-3上靠近承压水存贮槽8-1处设有水压稳压装置8-4,所述高压水管8_3分流处设有 第三三通阀8-8,所述高压水管8_3上第三三通阀S-8与水压控制装置8-6之间设有注水阀 5,所述高压水管8-3上第三三通阀8_8与水箱8_7之间设有排水卸压阀8-9。
[0064] 进一步的,所述底座1-1上承压水存贮槽8-1上方处设有凹形台阶8-la,所述凹形 台阶8-la内连接有承压多孔透水钢篦8-2,所述承压多孔透水钢篦8-2上均布密布设有圆形 通孔8-2a和十字型沟槽8-2b。 _
[0065] 进一步的,所述信号采集与处理系统9包括突水前兆信息采集与处理系统9_1,声 发射信号采集与处理系统9-2和视电阻率信号采集与处理系统9-3;
[0066] 所述突水前兆信息采集与处理系统9-1包括光纤传感器阵列9-la,光纤分路器9 -lb,光纤光栅解调装置9_lc,前兆信息采集与处理的PC机9-ld和光缆9-le,所述光纤传感器 阵列9-la包括光纤应力传感器9-lal,光纤位移传感器9-la2,光纤渗压传感器9_la3和光纤 温度传感器9-la4,所述光纤应力传感器9-lal,光纤位移传感器9_la2,光纤渗压传感器9-la3和光纤温度传感器9-la4通过光缆9-le连接有光纤分路器9-lb,所述光纤分路器9-lb通 过光缆9-1 e连接有光纤光栅解调装置9-1 c,所述光纤光栅解调装置9-1 c通过光缆9-1 e连接 有前兆信息采集与处理的PC机9-ld;
[0067] 所述声发射信号采集与处理系统9-2包括声发射探头9-2a,DS5-16B型全信息声发 射信号分析仪9-2b,声发射信号采集与处理的PC机9-2c和信号传输导线9-Id,所述声发射 探头9-2a,通过信号传输导线9_ld连接有DS5-16B型全信息声发射信号分析仪9-2b,所述 DS5-16B型全信息声发射信号分析仪9-2b通过信号传输导线9-1 d连接有声发射信号采集与 处理的PC机9-2c;
[0068] 所述视电阻率信号采集与处理系统9-3c包括网络并行电路铜片电极9-3a,WBD型 网络并行电法仪9_3b,surfer或illustrator软件辅助绘图的PC机9-3c,铜质漆包信号传输 导线9-3d,所述网络并行电路铜片电极9-3a通过铜质漆包信号传输导线9-3d连接有WBD型 网络并行电法仪9_3b,所述WBD型网络并行电法仪9-3b通过铜质漆包信号传输导线9-3d连 接有surfer或illustrator软件辅助绘图的PC机9-3c。
[0069]进一步的,所述相似模型10包括煤层底板10-1,开采煤层10-2,煤层顶板10-3和承 压断层10-4,所述水压加载系统8连接有煤层底板10-1,所述煤层底板10-1连接有开采煤层 10 - 2,所述开采煤层10-2连接有煤层顶板10-3,所述煤层底板10-1,开采煤层10-2和煤层顶 板10-3侧面通过加载板3-1连接有侧压加载系统6,所述煤层顶板10-3通过加载板3-2连接 有垂直加载系统7,所述煤层底板10-1,开采煤层10-2和煤层顶板10-3内设有承压断层10-4;所述煤层底板10-1内的承压断层(10-4)附近埋设有至少四个光纤应力传感器9-lal,光 纤位移传感器9- la2,光纤渗压传感器9- la3,光纤温度传感器9- la4,声发射探头9-2a和网 络并行电路铜片电极9-3a。
[0070]进一步的,所述煤层底板(10-1)的原料包括细砂,滑石粉,高岭土,石膏,水泥,凡 士林,硅油和水;所述开采煤层(10-2)的原料包括煤粉,滑石粉,石膏,凡士林,硅油和水;所 述煤层顶板(10-3)的原料包括粗砂,细砂,滑石粉,高岭土,石膏,水泥,凡士林,硅油和水; 所述承压断层(10-4)的原料包括粗砂,滑石粉,高岭土,石膏,凡士林,硅油,黄豆和水;
[0071]所述细砂粒径小于2mm,粗砂粒径小于7mm、大于5mm,滑石粉细度为1250目,高岭土 含二氧化硅45%、细度为400目,煤粉粒径小于〇.lmm,水泥为优质白色硅酸盐水泥、强度 32.5MPa,凡士林为无毒医用级白色凡士林、融点45-6(TC,硅油为粘度1500cs的二甲基硅 油,水为自来水,黄豆为破碎的千黄豆,块度直径小于2.0mm。
[0072]具体使用时,包括以下步骤:
[0073] D材料配比:依据待模_拟的含断层煤层工作面的水文地质条件和煤层、顶底板岩 后性质’确定煤层底板10-1、开米煤层1〇-2、煤层顶板1〇—3各岩层及承压断层1〇—4相似模拟 材料的配比,以此确定各岩层所需各种原料的用量;
[0074] 2)材料配置:根据煤层底板km、开采煤层10—2、煤层顶板1〇—3各分层材料组分的 性质,严格按照比例称取各分层所需的各种骨料和胶结剂,将骨料和胶结剂混合搅拌均匀, 加入适量的拌合水充分搅拌,并加入硅油调节剂搅拌均匀,将凡士林加热至45«c〜6(rc使 其溶为液态,迅速与材料混合搅拌均匀,并装入相应的相似材料容器,等待模型铺设;
[0075] 模型铺设:将搅拌均匀的煤层底板⑴^模拟材料铺设在试验架的底部,其上依 次铺设开采煤层10_2、煤层顶板1〇_3模拟材料,且层与层之间铺撒定量的云母粉,与此同 时,计算与确定多个模型监测位置,在模型铺设过程中于多个预定监测位置埋设光纤应力 传感器9-lal,光纤位移传感器9-la2,光纤渗压传感器9-la3,光纤温度传感器9-la4,声发 射探头9_2a和网络并行电路铜片电极9-3a,待模型铺设完毕后,依据承压断层1〇_4空间位 置及其广状,切割煤层底板10-1,开采煤层1〇_2和煤层顶板1〇—3岩层,进而添加填充承压断 层10-4模拟材料,并进行夯实固定;
[0076] 4)模型加载:待铺设的模型千燥后,利用第二液压控制装置7_6控制竖向垂直加载 装置7-1对相似模型10的煤层顶板10-3施加一定的均布垂直载荷,利用液压控制装置6-6控 制侧向水平加载装置6-1对相似模型10的侧向施加随埋深线性增大的水平载荷,试验过程 中均布竖向垂直载荷与线性增大的侧向水平载荷保持恒定,并利用水压加载系统8对相似 模型的底部施加一定均布压力的承压水;
[0077] 5)模型开挖:依据模型相似比,计算模型每步开挖尺寸,待煤层中开挖的开切眼稳 定后,自开切眼向着断层方向分步开挖,模拟工作面的正常推进,直至开挖到过断层一定距 离;模拟开挖期间,通过透明玻璃挡板观察煤层顶底板岩层变形、破坏,断层围岩裂隙产生、 扩展、贯通及断层围岩渗流突变形成突水通道的过程;
[0078^ 6)信号采集与处理:模拟开挖期间,同步利用突水前兆信息采集系统9_丨、声发射 信号采集系统9-2、视电阻率信号采集系统9_3采集工作面推进过程中底板断层围岩应力、 位移、渗流、温度等信息的演化规律及断层活化裂隙能量分布特征与承压水在裂隙中的渗 流突变特征,并利用相应的处理系统对采集的信号进行处理分析;
[0079] 7)影响因素:改变模型地质与边界条件,如煤层埋深、含水层水压、断层倾角、岩层 性质及厚度、垂直载荷及水平载荷,重复上述试验步骤,研宄采动矿压、隔水层厚度、含水层 水压、断层倾角、开采深度、侧向载荷、工作面推进距离及断层围岩特征参数对承压断层破 坏形式、突水路径及活化突水机理的影响规律,再现不同地质、边界条件下承压断层采动活 化与突水通道的形成过程。
[0080]综上,本发明实施例具有如下有益效果:公开了一种能够逼真模拟含断层煤层底 板突水的试验装置,其反演承压断层采动活化与突水通道形成过程的方法简单,其过程可 视化程度高,采用相似模型进行试验,模型铺设过程中即埋入监测装置,实现模型内部情况 的监测,试验过程中直接用水力模拟承压水,能够真实模拟承压水在采动断层活化裂隙内 的渗透、冲刷作用,该装置竖向能施加均布的垂直载荷,侧向能施加随埋深增加其载荷线性 增大的水平载荷,能模拟煤系地层的真实受力状态,监测系统基于分布式光纤光栅技术,避 免人为形成渗流裂隙通道,能够实现应力、位移、渗压、温度等多元信息的实时并行在线采 集和综合分析,监测的可靠性与精确度高。 ~
[0081]需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实 体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存 在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖 非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要 素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备 所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在 包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0082]以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例 对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施 例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者 替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置,包括试验架(1),侧板 (2),加载板(3),透明玻璃挡板⑷和相似模型存放腔(5),其特征在于:还包括侧压加载系 统(6),垂直加载系统(7),水压加载系统(8),信号采集处理系统⑼和相似模型(10),所述 试验架(1)包括底座(1-1),顶梁(1-2)和竖梁(1-3),所述底座(1-1)连接有竖梁(1-3),所述 竖梁(1-3)连接有顶梁(1_2),所述底座(w)上竖向连接有两个侧板(2);所述透明玻璃挡 板⑷包括前透明玻璃挡板(4-1),后透明玻璃挡板(4-2),透明玻璃挡板左竖向凹槽(4-3), 透明玻璃挡板右竖向凹槽(4-4)和开挖窗口(4-5),所述底座(1-1)和侧板(2)连接有前透明 玻璃挡板(4-1)和后透明玻璃挡板(4-2),所述前透明玻璃挡板(4-1)和后透明玻璃挡板(4-2)上各设有一个透明玻璃挡板左竖向凹槽(4-3)和透明玻璃挡板右竖向凹槽(4-4),所述加 载板(3)包括竖向布置的加载板(3_1)和水平布置的加载板(3-2),所述透明玻璃挡板左竖 向凹槽(4-3)和透明玻璃挡板右竖向凹槽(4-4)的宽度大于竖向布置的加载板(3-1)的厚 度,所述透明玻璃挡板左竖向凹槽(4-3)和透明玻璃挡板右竖向凹槽(4-4)内密封连接有竖 向布置的加载板(3_1);所述底座(1-1),侧板(2),前透明玻璃挡板(4-1)和后透明玻璃挡板 (4-2)构成相似模型存放腔(5),所述竖梁(1-3)连接有侧压加载系统(6),所述顶梁(1-2)连 接有垂直加载系统(7),所述相似模型存放腔(5)底部的底座(1-1)连接有水压加载系统 ⑻,所述相似模型存放腔⑸内连接有相似模型(10),所述相似模型(10)连接有信号采集 与处理系统⑼; 所述相似模型(10)包括煤层底板(10-1),开采煤层(10-2),煤层顶板(10-3)和承压断 层(10-4),所述煤层底板(10-1)的原料包括细砂,滑石粉,高岭土,石膏,水泥,凡士林,硅油 和水;所述开采煤层(10-2)的原料包括煤粉,滑石粉,石膏,凡士林,硅油和水;所述煤层顶 板(1〇_3)的原料包括粗砂,细砂,滑石粉,高岭土,石膏,水泥,凡士林,硅油和水;所述承压 断层(10-4)的原料包括粗砂,滑石粉,高岭土,石膏,凡士林,硅油,黄豆和水; 侧压加载系统⑹用于对相似模型(10)的侧向施加随埋深线性增大的水平载荷。
2.根据权利要求1所述的一种承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置, 其特征在于:所述侧压加载系统(6)包括侧向水平加载装置(6-1),液压油管(6-2),第一三 通阀(6_3),稳压装置(6-4),液压阀门(6-5)和液压控制装置(6-6),所述竖梁(1-3)连接有 侧向水平加载装置(6-1),所述侧向水平加载装置(6-1)连接有竖向布置的加载板(3-1)和 液压油管(6_2),所述液压油管(6-2)连接有液压控制装置(6-6),所述液压油管(6-2)上按 侧向水平加载装置(6-1)至液压控制装置(6-6)方向依次设有第一三通阀(6-3),稳压装置 (6-4)和液压阀门(6-5);所述侧向水平加载装置(6-1)包括液压油缸(6-la),活塞杆(6-lb),球头(6-lc)和垫块(6-ld),所述竖梁(1-3)连接有液压油缸(6-la),所述液压油缸(6-la)连接有液压油管(6_2)和活塞杆(6-lb),所述活塞杆(e-lb)连接有球头(6-lc),所述球 头(6-1 c)连接有垫块(6-ld)。
3.根据权利要求1所述的一种承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置, 其特征在于:所述垂直加载系统(7)包括竖向垂直加载装置(7_1),第二液压油管(7-2),第 二三通阀(7-3),第二稳压装置(7-4),第二液压阀门(7-5)和第二液压控制装置(7-6),所述 顶梁(1-2)连接有竖向垂直加载装置(7-1),所述竖向垂直加载装置(7-1)连接有水平布置 的加载板(3-2)和第二液压油管(7-2),所述第二液压油管(7-2)连接有第二液压控制装置 (7-6),所述第二液压油管(7-2)上按竖向垂直加载装置(7-1)至第二液压控制装置(7-6)方 向依次设有第二三通阀(7-3),第二稳压装置(7-4)和第二液压阀门(7_5);所述竖向垂直加 载装置(7-1)包括第二液压油缸(7-la),第二活塞杆(7-lb),第二球头(7-lc)和第二垫块 (7-ld),所述顶梁(1-2)连接有第二液压油缸(7-la),所述第二液压油缸(7-la)连接有第二 液压油管(7-2)和第二活塞杆(7-lb),所述第二活塞杆(7-lb)连接有第二球头(7-lc),所述 第二球头(7-lc)连接有第二垫块(7-ld)。
4. 根据权利要求1所述的一种承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置, 其特征在于:所述水压加载系统(8)包括承压水存贮槽(8-1),承压多孔透水钢篦(8-2),高 压水管(8-3),水压稳压装置(8_4),注水阀(8-5),水压控制装置(8-6),水箱(S-7),第三三 通阀(8-8),排水卸压阀(8-9)和排气阀(8-10),所述底座(1-1)上设有承压水存贮槽(8-1), 所述承压水存贮槽(8-1)上方连接有承压多孔透水钢篦(8_2),所述承压水存贮槽(8-1)连 接有排气管和高压水管(8-3),所述排气管上设有排气阀(8-10),所述高压水管(8-3)连接 有水压控制装置(8-6)和水箱(8-7),所述高压水管(8_3)上靠近承压水存贮槽(8-1)处设有 水压稳压装置(8-4),所述高压水管(8-3)分流处设有第三三通阀(8-S),所述高压水管(8-3)上第三三通阀(8-8)与水压控制装置(8-6)之间设有注水阀(8-5),所述高压水管(8-3)上 第三三通阀(8-8)与水箱(8-7)之间设有排水卸压阀(S_9)。
5. 根据权利要求4所述的一种承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置, 其特征在于:所述底座(1_1)上承压水存贮槽(8-1)上方处设有凹形台阶(8-la),所述凹形 台阶(8-la)内连接有承压多孔透水钢篦(8_2),所述承压多孔透水钢篦(8-2)上设有均匀分 布的圆形通孔(8_2a)和十字型沟槽(8_2b)。
6. 根据权利要求1所述的一种承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置, 其特征在于:所述信号采集与处理系统(9)包括突水前兆信息采集与处理系统(9-1),声发 射信号采集与处理系统(9-2)和视电阻率信号采集与处理系统(9_3); 所述突水前兆信息采集与处理系统(9-1)包括光纤传感器阵列(9-la),光纤分路器(9-lb),光纤光栅解调装置(9-lc),前兆信息采集与处理的PC机(9-ld)和光缆(9-le),所述光 纤传感器阵列(9-la)包括光纤应力传感器(9-lal),光纤位移传感器(9-la2),光纤渗压传 感器(9-la3)和光纤温度传感器(9_la4),所述光纤应力传感器(9-lal),光纤位移传感器 (9-la2),光纤渗压传感器(9_la3)和光纤温度传感器(9_la4)通过光缆(9_le)连接有光纤 分路器(9-lb),所述光纤分路器(9-lb)通过光缆(9-le)连接有光纤光栅解调装置(9-lc), 所述光纤光栅解调装置(9-lc)通过光缆(9-le)连接有前兆信息采集与处理的PC机(9-ld); 所述声发射信号采集与处理系统(9-2)包括声发射探头(9-2a),DS5-16B型全信息声发 射信号分析仪(9_2b),声发射信号采集与处理的PC机(9-2c)和信号传输导线(9-ld),所述 声发射探头(9_2a)通过信号传输导线(9_ld)连接有DS5-ieB型全信息声发射信号分析仪 (9-2b),所述DS5-16B型全信息声发射信号分析仪(9-2b)通过信号传输导线(9-ld)连接有 声发射信号采集与处理的PC机(9-2c); 所述视电阻率信号采集与处理系统(9_3)包括网络并行电路铜片电极(9_3a),WBD型网 络并行电法仪(9_3b),surfer或illustrator软件辅助绘图的PC机(9_3c),铜质漆包信号传 输导线(9-3d),所述网络并行电路铜片电极(9_3a)通过铜质漆包信号传输导线(9-3d)连接 有WBD型网络并行电法仪(9_3b),所述WBD型网络并行电法仪(9_3b)通过铜质漆包信号传输 导线(9-3d)连接有surfer或illustrator软件辅助绘图的PC机(9-3c)。
7.根据权利要求1所述的一种承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置, 其特征在于:所述相似模型(10)包括煤层底板(10-1),开采煤层(1〇-2),煤层顶板(1〇—3)和 承压断层(10-4),所述水压加载系统(8)连接有煤层底板(10-1),所述煤层底板(1(M)连接 ^开采煤层(10-2),所述开采煤层(10-2)连接有煤层顶板(10-3),所述煤层底板do—D,开 采煤层(10-2)和煤层顶板(10-3)侧面通过加载板(3_1)连接有侧压加载系统(份,所述煤层 顶板(1〇-3)通过加载板(3-¾连接有垂直加载系统C7),所述煤层底板(10—;〇,开采煤层 (10-2)和煤层顶板(10-3)内设有承压断层(10-4);所述煤层底板(10-1)内的承压断层(1〇一 4)附近埋设有光纤应力传感器(9-lal),光纤位移传感器(9_la2),光纤渗压传感器(9_ la3),光纤温度传感器(9_la4),声发射探头¢-¾)和网络并行电路铜片电极(9—3a),这六 个检测器的数量均为四个。
8.根据权利要求7所述的一种承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置, 其特征在于: 所述煤层底板(10-1)的原料包括细砂,滑石粉,高岭土,石膏,水泥,凡士林,硅油和水; 所述开采煤层(10-2)的原料包括煤粉,滑石粉,石膏,凡士林,硅油和水;所述煤层顶板(1〇二 3)的原料包括粗砂,细砂,滑石粉,高岭土,石膏,水泥,凡士林,硅油和水;所述承压断层 (1〇-4)的原料包括粗砂,滑石粉,高岭土,石膏,凡士林,硅油,黄豆和水; 所述细砂粒径小于2mm,粗砂粒径小于7mra、大于5mm,滑石粉细度为1250目,高岭土含二 氧化桂45 %、细度为400目,煤粉粒径小于0.1mm,水泥为优质白色娃酸盐水泥、强度 32.5MPa,凡士林为无毒医用级白色凡士林、融点45-60°C,硅油为粘度1500CS的二甲基石圭 油,水为自来水,黄豆为破碎的干黄豆,块度直径小于2.0mm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试 验装置的可视化方法,其特征在于,包括以下步骤: 1) 材料配比:依据待模拟的含断层煤层工作面的水文地质条件和煤层、顶底板岩层性 质,确定煤层底板(1〇-1)、开采煤层(10-2)、煤层顶板(10-3)各岩层及承压断层(10—4)相似 模拟材料的配比,以此确定各岩层所需各种原料的用量; 2) 材料配置:根据煤层底板(10-1)、开采煤层(10_2)、煤层顶板(10-¾各分层材料组分 的性质,严格按照比例称取各分层所需的各种骨料和胶结剂,将骨料和胶结剂混合搅拌均 匀,加入适量的拌合水充分搅拌,并加入桂油调节剂搅拌均匀,将凡士林加热至45 °C〜60°C 使其熔为液态,迅速与材料混合搅拌均匀,并装入相应的相似材料容器,等待模型铺设; 3) 模型铺设:将搅拌均匀的煤层底板(10-1)模拟材料铺设在试验架的底部,其上依次 铺设开采煤层(10-2)、煤层顶板(10_3)模拟材料,且层与层之间铺撒定量的云母粉,与此同 时,模型铺设过程中在预定监测位置埋设光纤应力传感器(9-lal),光纤位移传感器(9-la2),光纤渗压传感器©-la3),光纤温度传感器(9-la4),声发射探头(9-2a)和网络并行电 路铜片电极(9-3a),待模型铺设完毕后,依据承压断层(10-4)空间位置及其产状,切割煤层 底板(10-1),开采煤层(1〇_2)和煤层顶板(10-¾岩层,进而添加填充承压断层(10-4)模拟 材料,并进行夯实固定; 4) 模型加载:待铺设的模型干燥后,利用第二液压控制装置(7-e)控制竖向垂直加载装 置(7-1)对相似模型(10)的煤层顶板(10_3)施加一定的均匀分布垂直载荷,利用液压控制 装置(6_6)控制侧向水平加载装置(6-1)对相似模型(10)的侧向施加随埋深线性增大的水 平载荷,试验过程中均匀分布竖向垂直载荷与线性增大的侧向水平载荷保持恒定,并利用 水压加载系统(8)对相似模型的底部施加一定的均匀分布承压水; 5) 模型开挖:依据模型相似比,计算模型每步开挖尺寸,待煤层中开挖的开切眼稳定 后,自开切眼向着断层方向分步开挖,模拟工作面的正常推进,直至开挖到过断层一定距 离;模拟开挖期间,通过透明玻璃挡板观察煤层顶底板岩层变形、破坏,断层围岩裂隙产生、 扩展、贯通及断层围岩渗流突变形成突水通道的过程; 6) 信号采集与处理:模拟开挖期间,同步利用突水前兆信息采集与处理系统(9-1),声 发射信号采集与处理系统(9-2)、视电阻率信号采集与处理系统(9-3)采集工作面推进过程 中底板断层围岩应力、位移、渗流、温度信息的演化规律及断层活化裂隙能量分布特征与承 压水在裂隙中的渗流突变特征,并利用相应的处理系统对采集的信号进行处理分析; 7) 影响因素:改变模型地质与边界条件,具体为煤层埋深、含水层水压、断层倾角、岩层 性质及厚度、垂直载荷及水平载荷,重复上述试验步骤,研宄采动矿压、隔水层厚度、含水层 水压、断层倾角、开采深度、侧向载荷、工作面推进距离及断层围岩特征参数对承压断层破 坏形式、突水路径及活化突水机理的影响规律,再现不同地质、边界条件下承压断层采动活 化与突水通道的形成过程; 所述相似模型(10)包括煤层底板(10-1),开采煤层(10-2),煤层顶板(10-3)和承压断 层(10-4),所述煤层底板(1〇-1)的原料包括细砂,滑石粉,高岭土,石膏,水泥,凡士林,硅油 和水;所述开采煤层(10-2)的原料包括煤粉,滑石粉,石膏,凡士林,硅油和水;所述煤层顶 板(10-3)的原料包括粗砂,细砂,滑石粉,高岭土,石膏,水泥,凡士林,硅油和水;所述承压 断层(10-4)的原料包括粗砂,滑石粉,高岭土,石膏,凡士林,硅油,黄豆和水。
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地下工程流–固耦合试验新技术及其在充填型岩溶管道突水模型试验中的应用;周毅等;《岩土工程学报》;20150731;第37卷(第7期);第1232-1240页 *
带压开采煤层底板断层活化突水机理试验研究;李振华等;《中南大学学报(自然科学版)》;20150526;第46卷(第5期);第1806-1811页 *
断层带岩体采动效应的相似材料模拟研究;吴基文等;《岩石力学与工程学报》;20071231;第26卷(第增2期);第4170-4175页 *
松散承压含水层下采煤的流固耦合模型试验与数值分析研究;李利平等;《岩土工程学报》;20130430;第35卷(第4期);第679-690页 *
海底隧道新型可拓展突水模型试验系统的研制及应用;李术才等;《岩石力学与工程学报》;20141215;第33卷(第12期);第2409-2418页 *
深部开采隐伏构造扩展活化及突水试验研究;张士川等;《岩土力学》;20151110;第36卷(第11期);第3112页左栏第3段、第3113-3114页3.1-3.3、第3115页右栏第1段、第3116页3.4以及图2-4 *
高陡边坡与崩落法地下开采相互影响机理模型试验研究;张定邦;《中国博士学位论文全文数据库(电子期刊)工程科技Ⅰ辑》;20140415(第4期);第B021-4页 *

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