CN109470576A - 用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统及试验方法，属于矿井突水模拟技术领域。其包括试验台、垂直加载机构及水平加载机构，垂直加载机构位于试验台顶部，并用于向待测试样提供垂向应力，水平加载机构分别位于所述试验台的两侧，其分别向待测试样提供水平应力，水平加载机构向待测试样进行不均布加载，每个水平加载机构均包括加压单元及侧板，侧板内设置有腔体，在腔体内排列有可移动的刚性块体与弹性块体，且在开口处始终布置刚性块体，腔体其余位置的刚性块体与弹性块体呈间隔排布。本发明能够模拟深井高水压与底板岩性变化、底板突水全过程，从而获得底板突水的相关数据，应用于生产作业中，提高了采煤层作业的安全性。
Description
技术领域
本发明属于矿井突水模拟技术领域，具体涉及一种模拟隐伏构造底板突水的试验系统及试验方法。
背景技术
20世纪初，匈牙利、前苏联等国家对煤矿底板岩层结构及破坏特征进行大量研究。Reibieic建立了水压、隔水层厚度与底板突水的关系；斯列萨列夫研究了承压水作用下煤层底板破坏机制，推导出理论安全水压值计算公式。在我国，矿井突水方面的研究与实践一直走在世界前列，先后出现“下三带”理论、薄板结构理论、“强渗通道”学说、“零位破坏”与“原位张裂”理论、“关键层”理论、“递进导升”学说、“岩-水应力关系”学说等理论成果。
众多学者采用力学分析、室内试验、数值模拟等方法对底板突水进行了研究。张士川等[1]对深部开采隐伏构造扩展活化及突水灾变进行试验研究，探讨分析了突水路径形成的时空演化规律；陈忠辉等[2]建立了煤矿隐伏断层突水断裂力学模型，推导了导水断层发生劈裂破坏的临界水压力以及影响因素；李利平等[3]研究了充填型断层滞后突水的灾变演化机制，分析了采动影响断层形态产状、充填性、导水性的变化及其对断层活化突水通道形成过程的影响；赵庆彪等[4]提出了华北型煤田深部开采底板“分时段分带突破”突水机理；焦阳等[5]研究了含隐伏溶洞底板的滞后突水机理；乔伟等[6]进行了综放开采断层活化突水渗-流转换试验研究，分析了综放开采断层活化突水渗流转换现象；李连崇等[7]通过有限元数值仿真研究了含断层煤层开采底板采动裂隙形成、断层活化到突水通道形成的全过程；卜万奎等[8]分析了断层倾角对断层活化及底板突水的影响；张文泉[9]基于弹塑性理论及数理统计方法，分析了完整底板和断裂结构底板的突水机制；张伟杰等[10]研究了基于岩体极限平衡理论的完整近水平煤层底板突水力学机制。
已往学者在大断层与突水预测方面进行了大量研究工作，但近年发生的突水事故绝大多数是由于隐伏构造或小断层群采动活化诱发的，因此采用大断层突水理论分析隐伏构造及小断层群突水机理还有待商榷。深部岩体具有大变形、强流变性等特点，隐伏构造突水呈现隐蔽性、滞后性、突发性，目前隐伏构造活化形成突水通道的时空演化规律方面研究还较为薄弱。隐伏构造活化突水灾害本质是隐伏构造在采动应力及承压水水压作用下活化断裂形成导水通道诱发底板突水，属于应力-渗流耦合作用下裂纹传播失稳问题。已有研究成果主要集中在应力-渗流耦合条件下二维裂纹传播破裂特征及理论，但将其拓展到三维，考虑高应力-高裂隙水压条件下三维裂纹传播破裂机制及时空演化特征方面的研究还鲜有报道。
现有技术相关文献：
[1]张士川,郭惟嘉,孙文斌,等.深部开采隐伏构造扩展活化及突水试验研究[J].岩土力学,2015,36(11):3111-3120.
[2]陈忠辉,胡正平,李辉,等.煤矿隐伏断层突水的断裂力学模型及力学判据[J].中国矿业大学学报,2011,40(5):673-677.
[3]李利平,李术才,石少帅,等.基于应力-渗流-损伤耦合效应的断层活化突水机制研究[J].岩石力学与工程学报,2011,(S1):3295-3304.
[4]赵庆彪,赵昕楠,武强,等.华北型煤田深部开采底板“分时段分带突破”突水机理[J].煤炭学报,2015,40(7):1601-1607.
[5]焦阳,白海波.煤层底板含隐伏溶洞滞后突水机理[J].煤炭学报,2013,38(S2):377-382.
[6]乔伟,胡戈,李文平.综放开采断层活化突水渗-流转换试验研究[J].采矿与安全工程学报,2013,30(1):30-37.
[7]李连崇,唐春安,梁正召,等.含断层煤层底板突水通道形成过程的仿真分析[J].岩石力学与工程学报,2009,28(2):290-297.
[8]卜万奎,茅献彪.断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(2):386-394.
[9]张文泉.矿井(底板)突水灾害的动态机制及综合判测和预报软件开发研究[D].青岛:山东科技大学,2004.
[10]张伟杰,李术才,魏久传,等.基于岩体极限平衡理论的煤层底板突水危险性预测[J].山东大学学报(工学版),2013,43(1):86-91.
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统及试验方法，其能够模拟深井高水压与底板岩性变化、底板突水全过程，从而获得底板突水的相关数据，应用于生产作业中，提高了采煤层作业的安全性。
本发明的任务之一在于提供一种用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统。
本发明采用了以下技术方案：
一种用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统，其包括试验台、垂直加载机构及水平加载机构，所述的垂直加载机构位于所述的试验台顶部，并用于向待测试样提供垂向应力，所述的水平加载机构设置有两个，分别位于所述试验台的两侧，二者位置相对，分别向待测试样提供水平应力，所述的水平加载机构向所述的待测试样进行不均布加载，每个水平加载机构均包括加压单元及侧板，所述的侧板内设置有腔体，所述侧板上设置有呈条状的开口，所述的开口与所述的腔体内部相通，在所述的腔体内排列有可移动的刚性块体与弹性块体，且在所述开口处始终布置刚性块体，所述腔体其余位置的刚性块体与弹性块体呈间隔排布；
所述的垂直加载机构包括加载板，所述加载板水平布置，当对所述加载板进行加载时，位于开口处的刚性块体顶在所述的加载板上；
所述的试验台的前后两侧分别设置有面板，位于前后的面板、两个侧板、加载板及位于试验台底部的底板形成待测试样的容纳空间；
在所述的底板上设置有水槽及与所述水槽连通的透水区域，所述的水槽与高压水缸相通，通过所述高压水缸向水槽内提供带颜色的水。
作为本发明的一个优选方案，待测试样的长、宽、高分别为1.2m、1m与0.5m。
作为本发明的另一个优选方案，在该透水区域的周边设置用于密封的橡皮囊。
进一步的，所述的面板采用钢化玻璃材料制成。
本发明的另一任务在于提供一种用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统的试验方法，依次包括以下步骤：
a将底板铺设在试验台的底部，并在底板的上方与下方均铺设多个传感器，相向的水平加载机构通过对应的侧板向底板施加水平加载应力；
b在底板上方铺设材料，若需模拟煤层，则其所选材料为河砂、碳酸钙、石蜡和凡士林，四者的质量配比依次为8:1:1:9；若模拟粉砂岩，则其所选材料为河砂、碳酸钙、石蜡和凡士林，四者的质量配比依次为8:1:6:4；若模拟泥岩，则其所选材料为河砂、碳酸钙、石蜡和凡士林，四者的质量配比依次为8:1:3:7；若模拟灰岩，则其所选材料为河砂、碳酸钙、石蜡和凡士林，四者的质量配比依次为8:1:5:5；若模拟断层材料，则其所选材料为河砂、石膏、碳酸钙和吸水树脂，四者的质量配比依次为8:6:1:2；
在隐伏构造和承压水含水层之间铺设隔水层，在隐伏构造附近的隔水层留开口，供模拟承压水进入构造内；隔水层材料为发泡水泥材料；在煤层与水之间铺设发泡水泥；
c在煤层上铺设顶板，待顶板铺设完毕后，垂直加载机构对顶板施加垂直应力，同时高压水缸向水槽内填充压力恒定的高压水；
d挖掘煤层同时收集相应信息，直至底板突水。
本发明所带来的有益技术效果为：
在试验台上设置一容纳试样的容纳空间，将试样放置在容纳空间内，施加垂直应力与水平加载应力，然后开挖煤层收集相关数据，模拟深井高水压与底板岩性变化、底板突水全过程，从而获得底板突水的相关数据，应用于生产作业中，提高了采煤层作业的安全性，本发明操作简单，使试验更真实。断层材料中加入吸水树脂，该材料吸水膨胀，更易形成裂隙，与实际情况更相符。同时，隔水层采用发泡水泥材料，避免装置涌水四处扩散，渗透到上部，让突水沿裂隙贯通，更能模拟现场情况。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明试验系统的结构示意图；
图2、3、4为本发明试验方法不同隐伏构造倾角的结构示意图(分别为30度、45度、60度)；
图5、图6为本发明类岩石材料试件内部裂纹分布图；
图7为本实施例某煤矿透水事故示意图；
图8、图9为本发明隐伏构造突水结构示意图；
图中：1、试验台，2、垂直加载机构，3、加载板，4、水平加载机构，5、侧板，6、容纳空间，7、水槽，8、高压水缸；
α、隐伏构造倾角，h、隐伏构造与煤层底板垂高，H0、“上三带”高度，M、煤厚，F、隐伏构造。
具体实施方式
本发明提出了一种用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统及试验方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
如图1所示，本发明一种用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统，包括试验台1，在该试验台1顶部设置有垂直加载机构2，该垂直加载机构2上设置有水平布置的加载板3，垂直加载机构2可以采用两个独立的千斤顶，可以同时向加载板3施加相同的垂直应力。该试验台1的左右两侧分别设置有水平加载机构4，两侧的水平加载机构4相向布置，水平加载机构4上设置有一竖直布置的侧板5，加载板3压在侧板5的上边，该试验台1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3、两个侧板5、两个面板与试验台1的底部形成一用于放置试样的容纳空间6，试样采用顶板、煤层与底板的结构方式，其模型的长宽高分别为1.2m、1m与0.5m，使其与容纳空间6相适应，方便了用户操作。试验台1的底部下方设置有一水槽7，该水槽7可以采用现有技术中已知的技术形式，该水槽7与高压水缸8相连通，为水槽7提供恒定压力的高压水，该高压水缸8也可以采用伺服水控制系统，更方便控制水槽7的水压、水流量。如图4所示的，该底部上设置有与该水槽7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，当该垂直加载机构2向试样施加垂直应力时，使试样与橡皮囊接触更加紧密，提高了其密封性能。
为了更进一步提高本发明的性能，侧板5内设置有腔体，侧板5的上边开设有条形开口，该条形开口与腔体相连通，腔体内排列有能滑动的刚性块体与弹性块体，刚性块体与弹性块体交错排列，该条形开口处始终为一刚性块体，该条形开口处的刚性块体顶在加载板3上，当向试样施加垂直应力时，刚性块体挤压弹性块体，使加载板3施加的垂直应力更均匀，使应力更有效的在试样内传递；当相向试样施加水平加载应力时，该条形开口处的刚性块体可以沿加载板3水平加载位移，使剪切力更真实。并且刚性块体一般采用条形钢块，弹性块体为条形橡胶块，其截面为椭圆形，更进一步的提高了侧板5的柔性加压性能，面板一般采用钢化玻璃面板，可以适量观察高压水在试样中运行的规律，方便了用户研究底板突水的规律。并且可以在条形开口处更换不同高度的刚性块体，进而实现了调整条形口处刚性块体的高度，实现了调整容纳空间6容积大小的目的，可以将试样的顶板与煤层设置在刚性块体的上方、加载板3的下方，进而使顶板与煤层只受到垂直载荷，而底板设置在两个侧板5之间，受到垂直载荷与水平加载载荷；也可以将整个试样放置在容纳空间6内，使试样各个部分都受到垂直载荷与水平加载载荷，也就是说使顶板、煤层与底板均受到垂直载荷与水平加载载荷。增加了试验方式与试验手段，使试样受力模式更真实，提高了试验结果的准确性与真实性。
本发明采用左右方向的相向的水平加载机构4，当然根据需要可以固定一个侧板5进行单向加载，不但可以有效固定底板模块，亦可通过水平加载载荷，单独试验模拟高地应力的底板破坏情况，以便于位控和力控。同时针对顽固岩性底板，加载可使断层构造活化或压实，来改变断层构造带的影响破坏带大小，进而监测开采煤层前后水流参数及材料力学相关参数变化。并且，水槽7采用具有一定支撑结构的不锈钢水槽，其尺寸一般为1.2m*0.3m*0.2m(长*高*宽)，试验台1的底部上开设有尺寸为0.75m*0.15m(长*宽)的透水区域，可使底板直接与高压水接触，比如高压水的水压载荷为1.5MPa，根据需要也可以变换水压载荷，实现了恒定高水压的情况以及变化水压力的条件。也可以在水槽7的右侧下方有出水孔，便于试验结束后放水。水采用有色水，便于观察分析承压水的导升、扩散及渗流路径等情况，方便了用户操作与记录相关状态。
本发明试验系统可模拟裂隙或断层、陷落柱等地质构造，底板含不同地质构造时侧向加载应力不同，拓展了本发明的应用空间。
本发明，用于模拟隐伏构造底板突水的试验方法，该试验方法研制能够模拟深井岩石力学性质的相似材料是深部模拟试验的基础和前提，经过大量的室内试验证明，选用有机凝结材料作为胶结剂进行制模满足模拟耦合状态下岩石变形破坏特征。采用前期制作的固流耦合相似模拟材料，通过改变胶结剂和骨料的含量，掌握了该材料各组分在不同配比条件下材料力学性能变化规律。实验中将各向同性相似材料按岩层位置均匀铺设试验台中，采用材料充填的方式制作断层、陷落柱等构造，完整底板不设计初始裂隙，试验过程模型底板产生的裂隙均在水压矿压作用下自发形成。
结合图2至图4所示，采用本发明试验系统，可进行不同构造产状、不同应力状态下底板隐伏构造活化突水模拟试验，获得构造产状、应力状态影响下隐伏构造活化突水灾变的孕育过程，分析底板隐伏构造活化特征及应力场、位移场时空演化规律，探明隐伏构造裂隙发育传播与构造产状、三维应力之间的内在关联。
(1)以某矿水文地质条件为研究背景，确定模型相似比及设计方案，结合图2-图4所示，
(2)采用与该试验系统配套的非亲水相似模拟材料(石蜡、凡士林、碳酸钙等)模拟底板岩层，顶板以上岩层不涉及流固耦合问题，采用砂、石膏、吸水树脂、发泡水泥、水配比相应模拟材料，各分层间铺撒云母粉分隔；
(3)模拟煤层配比为河砂、碳酸钙、石蜡和凡士林在材料中的所占质量百分比为8:1:1:9，表示河砂、碳酸钙、石蜡和凡士林的质量百分比分别为80％、10％、6％和4％(以下均是)。
(4)模拟粉砂岩配比为河砂、碳酸钙、石蜡和凡士林在材料中的所占质量百分比。为8:1:6:4。
(5)模拟泥岩配比为河砂、碳酸钙、石蜡和凡士林在材料中的所占质量百分比为8:1:3:7。
(6)模拟灰岩配比为河砂、碳酸钙、石蜡和凡士林在材料中的所占质量百分比为8:1:5:5。
(7)断层材料采用采用河砂、石膏、碳酸钙和吸水树脂的质量比为：8:6:1:2。
(8)在隐伏构造和承压水含水层之间铺设隔水层，在隐伏构造附近的隔水层留开口，供模拟承压水进入构造内。隔水层材料为发泡水泥材料。
(9)为防止试验过程承压水的溢出，对试验台边界部位封打密封胶，为减少摩擦，并在两侧加载板等处涂抹润滑油；
(10)按照各分层尺寸自下而上进行材料铺设，根据试验需要设置不同构造产状及三维应力，在模型底板岩层及隐伏构造周围布设土应力、水流量等传感器；
(11)模型铺设完成后，施加外部垂直σ1和水平载荷σ2，σ3方向为被动约束力，室温养护一周后加载预置水压(试验外部垂直载荷、水平载荷及预制水压由模型相似比确定)，开始煤层开挖；
(12)将试验过程中隐伏构造起裂角度、传播路径与前述获得的三维裂纹破裂计算模型进行对比修正。
(13)试验系统中，水槽内填充有高压有色水如图8、图9所示。
本发明试验方法，具体为：
第一步、将底板铺设在试验台的底部，并在底板的上方与下方均铺设多个传感器，相向的水平加载机构通过对应的侧板向底板施加水平加载应力；
第二步、在底板上方铺设材料，其中，煤层、粉砂岩、泥岩、灰岩的铺设顺序，本领域技术人员可根据实际需要进行调整，若需模拟煤层，则其所选材料为河砂、碳酸钙、石蜡和凡士林，四者的质量配比依次为8:1:1:9；若模拟粉砂岩，则其所选材料为河砂、碳酸钙、石蜡和凡士林，四者的质量配比依次为8:1:6:4；若模拟泥岩，则其所选材料为河砂、碳酸钙、石蜡和凡士林，四者的质量配比依次为8:1:3:7；若模拟灰岩，则其所选材料为河砂、碳酸钙、石蜡和凡士林，四者的质量配比依次为8:1:5:5；若模拟断层材料，则其所选材料为河砂、石膏、碳酸钙和吸水树脂，四者的质量配比依次为8:6:1:2；
在隐伏构造和承压水含水层之间铺设隔水层，在隐伏构造附近的隔水层留开口，供模拟承压水进入构造内；隔水层材料为发泡水泥材料；在煤层与水之间铺设发泡水泥；
第三步、在煤层上铺设顶板，待顶板铺设完毕后，垂直加载机构对顶板施加垂直应力，同时高压水缸向水槽内填充压力恒定的高压水；
第四步、挖掘煤层同时收集相应信息，直至底板突水。
图5、图6中为本发明利用数值模拟软件模拟类岩石材料试件在内部预置不同角度裂隙后，采用岛津AG-X250力学试验机，开展煤岩体三维裂隙扩展特性的力学实验，不同角度预制裂隙的煤岩试件进行单轴压缩实验后试件内部的裂纹分布情况。
图7为本实施例某煤矿透水事故示意图，随着煤层的开挖，隐伏构造与煤层底板之间分层受力改变，应力降低，含水层中高承压水沿着隐伏构造往上突水，由于底板破坏带的出现，高承压水极易突破采空区底板，造成煤矿透水事故。
本发明未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
需要说明的是：在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统，其包括试验台、垂直加载机构及水平加载机构，所述的垂直加载机构位于所述的试验台顶部，并用于向待测试样提供垂向应力，所述的水平加载机构设置有两个，分别位于所述试验台的两侧，二者位置相对，分别向待测试样提供水平应力，其特征在于：
所述的水平加载机构向所述的待测试样进行不均布加载，每个水平加载机构均包括加压单元及侧板，所述的侧板内设置有腔体，所述侧板上设置有呈条状的开口，所述的开口与所述的腔体内部相通，在所述的腔体内排列有可移动的刚性块体与弹性块体，且在所述开口处始终布置刚性块体，所述腔体其余位置的刚性块体与弹性块体呈间隔排布；
所述的垂直加载机构包括加载板，所述加载板水平布置，当对所述加载板进行加载时，位于开口处的刚性块体顶在所述的加载板上；
所述的试验台的前后两侧分别设置有面板，位于前后的面板、两个侧板、加载板及位于试验台底部的底板形成待测试样的容纳空间；
在所述的底板上设置有水槽及与所述水槽连通的透水区域，所述的水槽与高压水缸相通，通过所述高压水缸向水槽内提供带颜色的水。
2.根据权利要求1所述的一种用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统，其特征在于：待测试样的长、宽、高分别为1.2m、1m与0.5m。
3.根据权利要求1所述的一种用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统，其特征在于：在该透水区域的周边设置用于密封的橡皮囊。
4.根据权利要求1所述的一种用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统，其特征在于：所述的面板采用钢化玻璃材料制成。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统的试验方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
a将底板铺设在试验台的底部，并在底板的上方与下方均铺设多个传感器，相向的水平加载机构通过对应的侧板向底板施加水平加载应力；
b在底板上方铺设材料，若需模拟煤层，则其所选材料为河砂、碳酸钙、石蜡和凡士林，四者的质量配比依次为8:1:1:9；若模拟粉砂岩，则其所选材料为河砂、碳酸钙、石蜡和凡士林，四者的质量配比依次为8:1:6:4；若模拟泥岩，则其所选材料为河砂、碳酸钙、石蜡和凡士林，四者的质量配比依次为8:1:3:7；若模拟灰岩，则其所选材料为河砂、碳酸钙、石蜡和凡士林，四者的质量配比依次为8:1:5:5；若模拟断层材料，则其所选材料为河砂、石膏、碳酸钙和吸水树脂，四者的质量配比依次为8:6:1:2；
在隐伏构造和承压水含水层之间铺设隔水层，在隐伏构造附近的隔水层留开口，供模拟承压水进入构造内；隔水层材料为发泡水泥材料；在煤层与水之间铺设发泡水泥；
c在煤层上铺设顶板，待顶板铺设完毕后，垂直加载机构对顶板施加垂直应力，同时高压水缸向水槽内填充压力恒定的高压水；
d挖掘煤层同时收集相应信息，直至底板突水。
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