CN111337648B - 大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置与测试方法，涉及岩石力学与承压渗透试验领域，其包括试验架，加载板，试样存放腔，侧压加载系统，垂直加载系统，水压加载系统，水温调节系统，信号采集与处理系统；通过制备大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样，该试验装置与测试方法可以研究水‑力耦合下矩形空洞不同开挖深度突水过程中单一裂隙围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度等多场前兆信息的演化规律、耦合特性及影响因素；该试验装置的水压加载系统、水温调节系统和侧压加载系统，能较好模拟承压水上含断层煤系地层的地质力学环境，反演分析深部承压水上回采工作面内采动断层突水机理，更好监测预警采动断层突水。

Description

大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验测试 方法

技术领域

本发明涉及岩石力学与承压渗透试验领域，特别涉及一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置与测试方法。

背景技术

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。随着煤矿开采深度和开采强度的增大，工作面受下伏奥灰岩溶水的威胁日益严重，特别是深部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。

断层突水是煤矿突水的一种重要形式，具有较强的隐敝性和难确定性，易造成重大突水事故，严重威胁着煤矿的安全生产。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。采动引起断层围岩应力变化，产生变形、破坏裂隙，使得承压水沿着断层带向上导升，诱发断层突水。断层突水过程具有围岩应力、位移、渗透性变化以及水压增大、温度改变等一系列前兆信息，这些前兆信息是断层突水监测预警的前提和依据。由于断层突水机理的复杂性及研究手段的局限性，目前仅监测分析断层突水过程中的应力、位移等前兆信息的演化规律，对断层突水过程中的裂隙、渗流、温度等前兆信息的演化规律还不明确，缺乏断层突水过程中的应力、位移、裂隙、渗流、温度等多场前兆信息演化规律、耦合特性及影响因素的系统研究，不能有效监测预警采动断层突水，使得许多矿井为了防止采动断层突水不得不放弃大量煤炭资源的开采而留作防水煤柱，更多的则因下伏奥灰岩溶水的威胁而暂时无法开采。

目前，在采动断层突水机理的理论分析和数值模拟研究方面取得了丰富的研究成果。但由于受试验装置、试样制备及试样尺寸的限制，在采动断层突水机理的室内试验研究方面尚处在起步阶段，缺乏相应的试验装置、合理的试验试样及可行的测试方法。专利“大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置及测试方法(201610115649.7)”，通过构建承压水加载系统和三向不等压加载系统，实现了大尺寸层状岩石三向不等压受力状态下的承压渗透特性。但该试验装置仅能测试研究完整的层状岩石，无法研究含断层等构造裂隙的岩石；另外，该试验装置仅能测试研究层状岩石承压渗透破坏过程中的应力、应变及其渗透性，不能测试研究含断层等构造裂隙岩石承压渗透破坏过程中的应力、位移、裂隙、渗流、温度多场前兆信息的时空演化规律、耦合特性及影响因素，无法获得含断层等构造裂隙岩石承压渗透破坏过程中温度的演化信息。因此，迫切需要制备合理的试验试样，构建与之匹配的试验装置及可行的测试方法，特别是构造裂隙岩石突水过程中温度信息的再现和采集，开展采动断层突水机理方面的室内试验研究工作，探索采动断层突水过程中的应力、位移、裂隙、渗流、温度多场前兆信息的时空演化规律、耦合特性及影响因素，有效监测预警采动断层突水，以期实现深部含断层工作面的安全带压开采。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置与测试方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置，包括试验架、加载板、试样存放腔、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，所述试验架包括底座，所述加载板位于所述试验架内部，所述加载板与所述底座围设形成试样存放腔，所述侧压加载系统、垂直加载系统，分别通过所述加载板从侧面施加水平、从顶部施加垂直的压力给放置在所述试样存放腔的大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样；所述信号采集与处理系统用于采集和处理试验过程中产生的信号数据；所述底座中央设置有凹槽，所述水压加载系统与所述凹槽连通；所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样的底部开设有凹型底槽，当所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样放置于所述试样存放腔时，所述凹型底槽全面覆盖着所述凹槽；所述水压加载系统将水注入到所述凹槽中，通过所述凹槽给所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样底部施加水压。

作为本发明一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置的一种优选，所述凹槽位于所述底座的中央，所述凹型底槽位于所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样底部的中央。

作为本发明一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置的另一种优选，所述凹槽和凹型底槽的断面均为方形，且尺寸相同。

作为本发明一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置的又一种优选，还包括水温调节系统，所述水温调节系统与所述凹槽连通，所述水温调节系统通过调节所述凹槽中水的温度，对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样底部施加稳定温度的高温水。

作为本发明一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置的又一种优选，所述水温调节系统包括与所述凹槽连接的保温水管，以及依次设置在所述保温水管上的恒温装置、水温调节阀、水温控制装置；所述恒温装置设置在靠近所述凹槽的这一端。

作为本发明一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置的再一种优选，所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样为立方体砂岩或粉砂岩岩石试样。

作为本发明一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置的又一种优选，所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样上还设置有单一裂隙和矩形空洞，所述矩形空洞位于大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样的中上部，所述单一裂隙位于凹型底槽和矩形空洞之间，所述单一裂隙从所述凹型底槽的顶部倾斜向上延伸，所述矩形空洞从所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样的某一侧面开挖形成。

作为本发明一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置的又一种优选，所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样的前后、左右四个面，除矩形空洞外，均采用聚乙烯红外增透膜密封。

作为本发明一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置的再一种优选，所述加载板与所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样相接触的那一面形状、尺寸相同。

本发明还提供了利用前述装置进行大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验测试方法，包括如下步骤：

1)试样制备：从煤矿深部承压含水层上方煤层底板岩层获取完整性较好的大尺寸砂岩或粉砂岩岩块，在实验室内加工成立方体岩石试样；利用小型电钻和水射流切割技术，首先，在岩石试样底部中央开挖出断面尺寸为方形的凹型底槽；其次，在岩石试样某一侧面的中上部开挖出断面尺寸为矩形、且具有一定深度的矩形空洞；最后，通过岩石试样底部的凹型底槽，在矩形空洞下方切割出一定倾角、长度和宽度的单一裂隙，单一裂隙的走向与矩形空洞的断面平行，从而制备出满足试验要求的大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样；

2)测试布置：利用耦合剂粘贴的方法，在大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样前后两个面上按照一定的方位和间距至少各粘贴布置两个电阻应变片和六个声发射探头；利用手持小型电钻，在大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样左右两个侧面内各钻出一定数目、间距和深度的小孔，左右两个侧面内至少各埋设九个网络并行电路铜片电极，并利用导电胶密封小孔以保证网络并行电路铜片电极与岩石试样较好耦合；除矩形空洞外，利用聚乙烯红外增透膜，将大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样前后、左右四个面密封，将大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样放置在试验装置的试样存放腔内，在大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样前方1m位置处，与矩形空洞平行高度布置红外热像仪和高速照相机；

3)试样加载：将大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样放置在试验装置的试样存放腔内，并保证大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样的底部与试样存放腔底部的底座完全密闭吻合，以及大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样底部的凹型底槽与试验装置底座中央的凹槽完全吻合；首先，利用垂直加载系统，对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样顶部施加一定的垂直均布载荷；其次，利用侧压加载系统，对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样左右两个侧面施加一定的水平均布载荷；最后，利用水压加载系统和水温调节系统，通过试验装置底座中央的凹槽对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样底部施加一定稳定压力和温度的高压水；

4)数据采集：利用垂直加载系统，增大施加作用在大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样顶部的垂直载荷，并利用应力应变数据采集与处理系统、声发射信号采集与处理系统、视电阻率信号采集与处理系统、红外热像仪和高速照相机同步采集水-力耦合下大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样矩形空洞突水过程中单一裂隙围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度多场前兆信息；通过采集的应力应变数据、声发射信号、视电阻率信号、红外辐射能量和温度信息和可见光图像信息演化过程的分析，研究大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水过程中单一裂隙围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度多场前兆信息的演化规律与耦合特性；

5)影响因素：改变凹型底槽内的水压和水温、单一裂隙的倾角、长度、宽度、充填与否，以及单一裂隙与矩形空洞垂直间距和水平应力载荷，重复上述试验步骤，研究矩形空洞开挖不同深度时，水-力耦合下大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样矩形空洞突水过程中单一裂隙围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度多场前兆信息的演化规律与耦合特性，以及凹型底槽内水压和水温、单一裂隙倾角、长度、宽度、充填与否，以及单一裂隙与矩形空洞垂直间距和水平应力载荷对单一裂隙围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度多场前兆信息的影响规律，反演分析深部承压水上回采工作面内采动断层突水过程中断层围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度多场前兆信息的演化规律、耦合特性及影响因素。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置与测试方法，通过制备大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样，该试验装置与测试方法可以研究水-力耦合下矩形空洞不同开挖深度突水过程中单一裂隙围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度多场前兆信息的演化规律、耦合特性及影响因素，反演分析深部承压水上回采工作面内采动断层突水机理；该试验装置与测试方法，特别是制备的大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样，进一步丰富了煤系地层采动断层突水机理在室内试验研究方面的手段和方法；该试验装置的水压加载系统和水温调节系统可以对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样底部施加稳定压力和温度的高压、高温水，通过采集水压、温度等信息，能更好的监测预警采动断层突水；该试验装置的侧压加载系统可以对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样两侧施加一定的水平载荷，能较好模拟含断层煤系地层的地质力学环境，有利于采动断层突水多场前兆信息的真实再现。

大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样底部中央开挖有凹型底槽，其能将凹槽内的高压和高温水约束在岩石试样内部，更有利于研究大尺寸含裂隙岩石矩形空洞不同开挖深度突水过程中单一裂隙围岩多场前兆信息的演化规律与耦合特性；除矩形空洞外，大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样前后、左右四个面均采用聚乙烯红外增透膜密封，其能有效避免试验过程中裂隙水意外渗出，还能保证岩石试样表面和矩形空洞红外辐射能量和温度信息的有效采集。

附图说明

图1为本发明所提供试验装置的左右剖面示意图；

图2为本发明所提供试验装置的前后剖面示意图；

图3为本发明所提供试验装置的上下剖面示意图；

图4为本发明所提供试验装置的侧视示意图；

图5为大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样示意图；

图6(a)为图5的右视图，(b)为图5的正视图；

图7为矩形空洞不同开挖深度的岩石试样侧面示意图：(a)开挖深度50mm，(b)开挖深度75mm，(c)开挖深度100mm；

图8为电阻应变片、声发射探头、网络并行电路铜片电极、FLIR T250红外热像仪和Nikon Z7高速照相机布置示意图；

图中：

1、试验架，1-1、底座，1-2、竖梁，1-3、顶梁，1-4、凹槽；

2、加载板，2-1、竖向布置的加载板，2-2、水平布置的加载板；

3、试样存放腔；

4、侧压加载系统，4-1、侧向水平加载装置，4-1a、液压油缸，4-1b、活塞杆，4-1c、球头，4-1d、垫块，4-2、支撑立柱，4-3、液压油管，4-4、稳压装置，4-5、液压阀门，4-6、液压控制装置；

5、垂直加载系统，5-1、竖向垂直加载装置，5-1a、第二液压油缸，5-1b、第二活塞杆，5-1c、第二球头，5-1d、第二垫块，5-2、第二液压油管，5-3、第二稳压装置，5-4、第二液压阀门，5-5、第二液压控制装置；

6、水压加载系统，，6-2、高压水管，6-3、水压稳压装置，6-4、注水阀，6-5、水压控制装置，6-6、水箱，6-7、三通阀，6-8、排水或排气阀；

7、水温调节系统，7-1、保温水管，7-2、恒温装置，7-3、水温调节阀，7-4、水温控制装置；

8、信号采集与处理系统，8-1、应力应变数据采集与处理系统，8-1a、电阻应变片，8-1b、LB-IV型多通道数字应变仪，8-1c、应力应变数据采集与处理的PC机，8-1d、应力应变数据传输导线，8-2、声发射信号采集与处理系统，8-2a、声发射探头，8-2b、DS5-16B型全信息声发射信号分析仪，8-2c、声发射信号采集与处理的PC机，8-1d、声发射信号传输导线，8-3、视电阻率信号采集与处理系统，8-3a、网络并行电路铜片电极，8-3b、WBD型网络并行电法仪，8-3c、Surfer或Illustrator软件辅助绘图的PC机，8-3d、铜质漆包信号传输导线，8-4、FLIR T250红外热像仪，8-4a、红外辐射能量和温度探测器，8-4b、内置LED照明灯、SD卡和FLIR BuildIR合成软件的合成数码照相机，8-4c、红外热像仪支架，8-5、Nikon Z7高速照相机，8-5a、内置LED照明灯和SD卡的可见光高速照相机，8-5b、照相机支架；

9、大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样，9-1、凹型底槽，9-2、单一裂隙，9-3、矩形空洞。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明方案做进一步详细描述：

如图1～4所示，一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置，包括试验架1，加载板2，试样存放腔3，侧压加载系统4，垂直加载系统5，水压加载系统6，水温调节系统7，信号采集与处理系统8和大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9。

试验架1包括底座1-1，竖梁1-2，顶梁1-3；底座1-1连接有两个竖梁1-2，竖梁1-2连接有顶梁1-3，底座1-1中央开挖有凹槽1-4，加载板2包括竖向布置的加载板2-1和水平布置的加载板2-2，底座1-1、竖向布置的加载板2-1和水平布置的加载板2-2构成试样存放腔3，竖梁1-2连接有侧压加载系统4，顶梁1-3连接有垂直加载系统5，底座1-1中央的凹槽1-4连接有水压加载系统6和水温调节系统7，试样存放腔3内放置有大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9，大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9连接有信号采集与处理系统8。

侧压加载系统4包括侧向水平加载装置4-1，支撑立柱4-2，液压油管4-3，稳压装置4-4，液压阀门4-5和液压控制装置4-6，竖梁1-2连接有侧向水平加载装置4-1，底座1-1上竖向连接有两个支撑立柱4-2，侧向水平加载装置4-1穿过支撑立柱4-2连接有竖向布置的加载板2-1和液压油管4-3，液压油管4-3连接有液压控制装置4-6，液压油管4-3上按侧向水平加载装置4-1至液压控制装置4-6方向依次设有稳压装置4-4和液压阀门4-5；侧向水平加载装置4-1包括液压油缸4-1a，活塞杆4-1b，球头4-1c和垫块4-1d，竖梁1-2连接有液压油缸4-1a，液压油缸4-1a连接有液压油管4-3和活塞杆4-1b，活塞杆4-1b穿过支撑立柱4-2连接有球头4-1c，球头4-1c连接有垫块4-1d；侧压加载系统4通过竖向布置的加载板2-1，对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9左右两侧施加一定的水平均布载荷。

垂直加载系统5包括竖向垂直加载装置5-1，第二液压油管5-2，第二稳压装置5-3，第二液压阀门5-4和第二液压控制装置5-5，顶梁1-3连接有竖向垂直加载装置5-1，竖向垂直加载装置5-1连接有水平布置的加载板2-2和第二液压油管5-2，第二液压油管5-2连接有第二液压控制装置5-5，第二液压油管4-2上按竖向垂直加载装置5-1至第二液压控制装置5-5方向依次设有第二稳压装置5-3和第二液压阀门5-4；竖向垂直加载装置5-1包括第二液压油缸5-1a，第二活塞杆5-1b，第二球头5-1c和第二垫块5-1d，顶梁1-3连接有第二液压油缸5-1a，第二液压油缸5-1a连接有第二液压油管5-2和第二活塞杆5-1b，第二活塞杆5-1b连接有第二球头5-1c，第二球头5-1c连接有第二垫块5-1d；垂直加载系统5通过水平布置的加载板2-2，对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9顶部施加一定的垂直均布载荷。

水压加载系统6包括高压水管6-2，水压稳压装置6-3，注水阀6-4，水压控制装置6-5，水箱6-6，三通阀6-7和排水或排气阀6-8，高压水管6-2与凹槽1-4连通，高压水管6-2连接有水压控制装置6-5和水箱6-6，高压水管6-2上靠近承压水存贮槽6-1处设有水压稳压装置6-3，高压水管6-2分流处设有三通阀6-7，高压水管6-2上三通阀6-7与水压控制装置6-5之间设有注水阀6-4，高压水管6-2上三通阀6-7与水箱6-6之间设有排水或排气阀6-8；水压加载系统6通过底座1-1中央的凹槽1-4，对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9底部施加一定稳定压力的高压水。

水温调节系统7包括保温水管7-1，恒温装置7-2，水温调节阀7-3和水温控制装置7-4，凹槽1-4与保温水管7-1连通，保温水管7-1连接有水温控制装置7-4，保温水管7-1上靠近承压水存贮槽6-1处设有恒温装置7-2，保温水管7-1上恒温装置7-2与水温控制装置7-4之间设有水温调节阀7-3；水温调节系统7通过底座1-1中央的凹槽1-4，对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9底部施加一定稳定温度的高温水。

信号采集与处理系统8包括应力应变数据采集与处理系统8-1，声发射信号采集与处理系统8-2，视电阻率信号采集与处理系统8-3，FLIR T250红外热像仪8-4和Nikon Z7高速照相机8-5；

应力应变数据采集与处理系统8-1包括电阻应变片8-1a，LB-IV型多通道数字应变仪8-1b，应力应变数据采集与处理的PC机8-1c和应力应变数据传输导线8-1d，电阻应变片8-1a通过应力应变数据传输导线8-1d连接有LB-IV型多通道数字应变仪8-1b，LB-IV型多通道数字应变仪8-1b通过应力应变数据传输导线8-1d连接有应力应变数据采集与处理的PC机8-1c；通过应力应变数据的采集与分析，研究大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水过程中单一裂隙围岩应力和位移的演化规律与耦合特性；

声发射信号采集与处理系统8-2包括声发射探头8-2a，DS5-16B型全信息声发射信号分析仪8-2b，声发射信号采集与处理的PC机8-2c和声发射信号传输导线8-1d，声发射探头8-2a通过声发射信号传输导线8-1d连接有DS5-16B型全信息声发射信号分析仪8-2b，DS5-16B型全信息声发射信号分析仪8-2b通过声发射信号传输导线8-1d连接有声发射信号采集与处理的PC机8-2c；通过声发射信号的采集与分析，研究大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水过程中单一裂隙围岩裂隙的演化规律与耦合特性；

视电阻率信号采集与处理系统8-3包括网络并行电路铜片电极8-3a，WBD型网络并行电法仪8-3b，Surfer或Illustrator软件辅助绘图的PC机8-3c和铜质漆包信号传输导线8-3d，网络并行电路铜片电极8-3a通过铜质漆包信号传输导线8-3d连接有WBD型网络并行电法仪8-3b，WBD型网络并行电法仪8-3b通过铜质漆包信号传输导线8-3d连接有Surfer或Illustrator软件辅助绘图的PC机8-3c；通过视电阻率信号的采集与分析，研究大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水过程中单一裂隙围岩渗流的演化规律与耦合特性；

FLIR T250红外热像仪8-4包括红外辐射能量和温度探测器8-4a，内置LED照明灯、SD卡和FLIR BuildIR合成软件的合成数码照相机8-4b和红外热像仪支架8-4c，红外热像仪支架8-4c连接有红外辐射能量和温度探测器8-4a，红外辐射能量和温度探测器8-4a连接有内置LED照明灯、SD卡和FLIR BuildIR合成软件的合成数码照相机8-4b；FLIR T250红外热像仪8-4放置于大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9前方1m位置处，通过红外辐射能量和温度信息的采集与分析，研究大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水过程中单一裂隙围岩温度的演化规律与耦合特性；

Nikon Z7高速照相机8-5包括内置LED照明灯和SD卡的可见光高速照相机8-5a和照相机支架8-5b，内置LED照明灯和SD卡的可见光高速照相机8-5a连接有照相机支架8-5b；Nikon Z7高速照相机8-5放置于大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9前方1m位置处，通过可见光图像信息的采集与分析，研究大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水过程中试样宏观裂隙的演化规律与耦合特性。

如图5～8所示，大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9包括凹型底槽9-1，单一裂隙9-2和矩形空洞9-3，凹型底槽9-1位于大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9底部的中央，矩形空洞9-3位于大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9的中上部，单一裂隙9-2位于凹型底槽9-1和矩形空洞9-3之间；

具体的，大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9为150mm×150mm×150mm的立方体砂岩或粉砂岩岩石试样，其底部中央开挖有断面尺寸为70mm×70mm、深度为20mm的凹型底槽9-1，大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9，在其某一侧面的中上部开挖有断面尺寸为70mm×10mm、深度为50mm或75mm或100mm的矩形空洞9-3，大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9通过其底部的凹型底槽9-1，在矩形空洞9-3下方切割出一定倾角、长度和宽度的单一裂隙9-2；

大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9开挖有矩形空洞9-3的侧面为岩石试样的前面，与之相对的面为岩石试样的后面，矩形空洞9-3两侧的面为岩石试样的左右两个侧面；大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9底部的凹型底槽9-1与岩石试样前后、左右四个面的距离为40mm，大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9前面的矩形空洞9-3与岩石试样顶部的距离为50mm，与岩石试样左右两个侧面的距离为40mm，大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9内单一裂隙9-2的走向与矩形空洞9-3的断面平行，其走向长度为20mm，与岩石试样左右两个侧面的距离为65mm；

大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9底部中央的凹型底槽9-1通过底座1-1中央的凹槽1-4连接有水压加载系统6和水温调节系统7，大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9左右两个侧面通过竖向布置的加载板2-1连接有侧压加载系统4，大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9顶部通过水平布置的加载板2-2连接有垂直加载系统5，大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9前后两个面上至少各布置两个电阻应变片8-1a和六个声发射探头8-2a，左右两个侧面内至少各埋设九个网络并行电路铜片电极8-3a，大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9的矩形空洞9-3与其前方1m位置处的FLIR T250红外热像仪8-4和Nikon Z7高速照相机8-5平行相对；

大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9前后、左右四个面，除矩形空洞外，采用聚乙烯红外增透膜密封；聚乙烯红外增透膜在7.3-14.3μm波段范围内具有良好的红外透明性，其能有效避免试验过程中裂隙水意外渗出，还能保证岩石试样表面和矩形空洞红外辐射能量和温度信息的有效采集；

大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9底部的凹型底槽9-1能将凹槽1-4内的高压和高温水约束在岩石试样内部，更有利于研究大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水过程中单一裂隙围岩多场前兆信息的演化规律与耦合特性。

大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置底座1-1的断面尺寸为200mm×200mm，其中央开挖的凹槽1-4断面尺寸为70mm×70mm，与凹形底槽断面尺寸一样，本实施例中采用的是两者断面尺寸相同，当然也可以是凹槽的断面尺寸大于凹形底槽的，目的是为了防止凹槽中的水溢出。

进一步的，大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置加载板2的断面尺寸为150mm×150mm，其断面尺寸、形状与大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9左右两个侧面相同；

进一步的，大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置，除液压油管、高压水管、保温水管等辅助配件外，均由具有一定刚度和强度的45号钢铸造加工而成，且其内外表层均镀有一定厚度的聚苯乙烯保温层和聚四氟乙烯绝缘层。

如上的方法，其具体操作步骤为：

1)试样制备：从煤矿深部承压含水层上方煤层底板岩层获取完整性较好的大尺寸砂岩或粉砂岩岩块，在实验室内加工成尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体岩石试样；利用小型电钻和水射流切割技术，首先，在岩石试样底部中央开挖出断面尺寸为70mm×70mm、深度为20mm的凹型底槽9-1，其与岩石试样前后、左右四个面的距离为40mm；其次，在岩石试样某一侧面的中上部开挖出断面尺寸为70mm×10mm、深度为50mm或75mm或100mm的矩形空洞9-3，其与岩石试样顶部的距离为50mm，与岩石试样左右两个侧面的距离为40mm；最后，通过岩石试样底部的凹型底槽9-1，在矩形空洞(9-3)下方切割出一定倾角、长度和宽度的单一裂隙9-2，单一裂隙9-2的走向与矩形空洞9-3的断面平行，其走向长度为20mm，与岩石试样左右两个侧面的距离为65mm，从而制备出满足试验要求的大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9；

需要说明的是，当矩形空洞9-3的开挖深度为50mm时，表示矩形空洞9-3靠近单一裂隙9-2；当矩形空洞9-3的开挖深度为75mm时，表示矩形空洞9-3揭露单一裂隙9-2；当矩形空洞9-3的开挖深度为100mm时，表示矩形空洞9-3远离单一裂隙9-2。

2)测试布置：利用耦合剂粘贴的方法，在大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9前后两个面上按照一定的方位和间距至少各粘贴布置两个电阻应变片8-1a和六个声发射探头8-2a；利用手持小型电钻，在大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9左右两个侧面内各钻出一定数目、间距和深度的小孔，左右两个侧面内至少各埋设九个网络并行电路铜片电极8-3a，并利用导电胶密封小孔以保证网络并行电路铜片电极8-3a与岩石试样较好耦合；除矩形空洞9-3外，利用聚乙烯红外增透膜，将大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9前后、左右四个面密封，其能有效避免试验过程中裂隙水意外渗出，还能保证岩石试样表面和矩形空洞9-3红外辐射能量和温度信息的有效采集；将大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9放置在试验装置的试样存放腔3内，在大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9前方1m位置处，与矩形空洞9-3平行高度布置1台FLIR T250红外热像仪8-4和1台Nikon Z7高速照相机8-5；

需要注意的是，必须将网络并行电路铜片电极8-3a埋入矩形空洞9-3左右两个侧面内，以保证不影响矩形空洞9-3左右两个侧面水平应力的加载。

3)试样加载：将大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9放置在试验装置的试样存放腔3内，并保证大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9的底部与试样存放腔3底部的底座1-1完全密闭吻合，特别是大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9底部的凹型底槽9-1与试验装置底座1-1中央的凹槽1-4完全吻合；首先，利用垂直加载系统5，对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9顶部施加一定的垂直均布载荷；其次，利用侧压加载系统4，对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9左右两个侧面施加一定的水平均布载荷；最后，利用水压加载系统6和水温调节系统7，通过试验装置底座1-1中央的凹槽1-4对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9底部施加一定稳定压力和温度的高压水；

需要注意的是，施加作用在大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9底部的高压水压力要始终小于施加作用在大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9左右两个侧面的水平载荷。

4)数据采集：利用垂直加载系统5，增大施加作用在大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9顶部的垂直载荷，并利用应力应变数据采集与处理系统8-1、声发射信号采集与处理系统8-2、视电阻率信号采集与处理系统8-3、FLIR T250红外热像仪8-4和Nikon Z7高速照相机8-5同步采集水-力耦合下大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9矩形空洞突水过程中单一裂隙围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度等多场前兆信息；通过采集的应力应变数据、声发射信号、视电阻率信号、红外辐射能量和温度信息和可见光图像信息演化过程的分析，研究大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水过程中单一裂隙围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度多场前兆信息的演化规律与耦合特性。

5)影响因素：如表1所示，改变凹型底槽9-1内的水压和水温、单一裂隙9-2的倾角、长度、宽度、充填与否，以及单一裂隙9-2与矩形空洞9-3垂直间距和水平应力载荷，重复上述试验步骤，研究矩形空洞开挖深度分别为50mm、75mm和100mm时，水-力耦合下大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样9矩形空洞突水过程中单一裂隙围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度等多场前兆信息的演化规律与耦合特性，以及凹型底槽9-1内水压和水温、单一裂隙9-2倾角、长度、宽度、充填与否，以及单一裂隙与矩形空洞9-3垂直间距和水平应力载荷对单一裂隙围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度等多场前兆信息的影响规律，反演分析深部承压水上回采工作面内采动断层突水过程中断层围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度多场前兆信息的演化规律、耦合特性及影响因素。

表1大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验方案与内容

综上，本发明实施例具有如下有益效果：提供了一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置与测试方法，通过制备大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样，该试验装置与测试方法可以研究水-力耦合下矩形空洞不同开挖深度突水过程中单一裂隙围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度多场前兆信息的演化规律、耦合特性及影响因素，反演分析深部承压水上回采工作面内采动断层突水机理；该试验装置与测试方法，特别是制备的大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样，进一步丰富了煤系地层采动断层突水机理在室内试验研究方面的手段和方法；该试验装置的水压加载系统和水温调节系统可以对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样底部施加稳定压力和温度的高压、高温水，通过采集水压、温度等信息，能更好的监测预警采动断层突水；该试验装置的侧压加载系统可以对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样两侧施加一定的水平载荷，能较好模拟含断层煤系地层的地质力学环境，有利于采动断层突水多场前兆信息的真实再现。

大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样底部中央开挖有凹型底槽，其能将承压水存贮槽内的高压和高温水约束在岩石试样内部，更有利于研究大尺寸含裂隙岩石矩形空洞不同开挖深度突水过程中单一裂隙围岩多场前兆信息的演化规律与耦合特性；除矩形空洞外，大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样前后、左右四个面均采用聚乙烯红外增透膜密封，其能有效避免试验过程中裂隙水意外渗出，还能保证岩石试样表面和矩形空洞红外辐射能量和温度信息的有效采集；另外，大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置，除液压油管、高压水管、保温水管等辅助配件外，均由具有一定刚度和强度的45号钢铸造加工而成，且其内外表层均镀有一定厚度的聚苯乙烯保温层和聚四氟乙烯绝缘层，有利于承压水存贮槽内水温的恒定以及矩形空洞突水过程中视电阻率信号的有效采集。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，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所限定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)试样制备：从煤矿深部承压含水层上方煤层底板岩层获取完整性较好的大尺寸砂岩或粉砂岩岩块，在实验室内加工成立方体岩石试样；利用小型电钻和水射流切割技术，首先，在岩石试样底部中央开挖出断面尺寸为方形的凹型底槽(9-1)；其次，在岩石试样某一侧面的中上部开挖出断面尺寸为矩形、且具有一定深度的矩形空洞(9-3)；最后，通过岩石试样底部的凹型底槽(9-1)，在矩形空洞(9-3)下方切割出一定倾角、长度和宽度的单一裂隙(9-2)，单一裂隙(9-2)的走向与矩形空洞(9-3)的断面平行，从而制备出满足试验要求的大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)；

2)测试布置：利用耦合剂粘贴的方法，在大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)前后两个面上按照一定的方位和间距至少各粘贴布置两个电阻应变片(8-1a)和六个声发射探头(8-2a)；利用手持小型电钻，在大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)左右两个侧面内各钻出一定数目、间距和深度的小孔，左右两个侧面内至少各埋设九个网络并行电路铜片电极(8-3a)，并利用导电胶密封小孔以保证网络并行电路铜片电极(8-3a)与岩石试样较好耦合；除矩形空洞(9-3)外，利用聚乙烯红外增透膜，将大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)前后、左右四个面密封，将大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)放置在试验装置的试样存放腔(3)内，在大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)前方1m位置处，与矩形空洞(9-3)平行高度布置红外热像仪(8-4)和高速照相机(8-5)；

3)试样加载：将大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)放置在试验装置的试样存放腔(3)内，并保证大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)的底部与试样存放腔(3)底部的底座(1-1)完全密闭吻合，以及大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)底部的凹型底槽(9-1)与试验装置底座(1-1)中央的凹槽(1-4)完全吻合；首先，利用垂直加载系统(5)，对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)顶部施加一定的垂直均布载荷；其次，利用侧压加载系统(4)，对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)左右两个侧面施加一定的水平均布载荷；最后，利用水压加载系统(6)和水温调节系统(7)，通过试验装置底座(1-1)中央的凹槽(1-4)对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)底部施加一定稳定压力和温度的高压水；

4)数据采集：利用垂直加载系统(5)，增大施加作用在大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)顶部的垂直载荷，并利用应力应变数据采集与处理系统(8-1)、声发射信号采集与处理系统(8)(8-2)、视电阻率信号采集与处理系统(8)(8-3)、红外热像仪(8-4)和高速照相机(8-5)同步采集水-力耦合下大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)矩形空洞突水过程中单一裂隙围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度多场前兆信息；通过采集的应力应变数据、声发射信号、视电阻率信号、红外辐射能量和温度信息和可见光图像信息演化过程的分析，研究大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水过程中单一裂隙围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度多场前兆信息的演化规律与耦合特性；

5)影响因素：改变凹型底槽(9-1)内的水压和水温、单一裂隙(9-2)的倾角、长度、宽度、充填与否，以及单一裂隙(9-2)与矩形空洞(9-3)垂直间距和水平应力载荷，重复上述试验步骤，研究矩形空洞开挖不同深度时，水-力耦合下大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)矩形空洞突水过程中单一裂隙围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度多场前兆信息的演化规律与耦合特性，以及凹型底槽(9-1)内水压和水温、单一裂隙(9-2)倾角、长度、宽度、充填与否，以及单一裂隙与矩形空洞(9-3)垂直间距和水平应力载荷对单一裂隙围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度多场前兆信息的影响规律，反演分析深部承压水上回采工作面内采动断层突水过程中断层围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度多场前兆信息的演化规律、耦合特性及影响因素；

使用上述测试方法的试验装置包括试验架(1)、加载板(2)、试样存放腔(3)、侧压加载系统(4)、垂直加载系统(5)、水压加载系统(6)、信号采集与处理系统(8)，所述试验架(1)包括底座(1-1)，所述加载板(2)位于所述试验架(1)内部，所述加载板(2)与所述底座(1-1)围设形成试样存放腔(3)，所述侧压加载系统(4)、垂直加载系统(5)，分别通过所述加载板(2)从侧面施加水平、从顶部施加垂直的压力给放置在所述试样存放腔(3)的大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)；所述信号采集与处理系统(8)用于采集和处理试验过程中产生的信号数据；其特征在于：所述底座(1-1)中央设置有凹槽(1-4)，所述水压加载系统(6)与所述凹槽(1-4)连通；所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)的底部开设有凹型底槽(9-1)，当所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)放置于所述试样存放腔(3)时，所述凹型底槽(9-1)全面覆盖着所述凹槽(1-4)；所述水压加载系统(6)将水注入到所述凹槽(1-4)中，通过所述凹槽(1-4)给所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)底部施加水压；

所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)为立方体砂岩或粉砂岩岩石试样；

所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)上还设置有单一裂隙(9-2)和矩形空洞(9-3)，所述矩形空洞(9-3)位于大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)的中上部，所述单一裂隙(9-2)位于凹型底槽(9-1)和矩形空洞(9-3)之间，所述单一裂隙(9-2)从所述凹型底槽(9-1)的顶部倾斜向上延伸，所述矩形空洞从所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)的某一侧面开挖形成；

所述矩形空洞到岩石试样左右两个面的距离相等，所述单一裂隙到岩石试样左右两个面的距离相等。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验测试方法，其特征在于：所述凹槽(1-4)位于所述底座(1-1)的中央，所述凹型底槽(9-1)位于所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)底部的中央。

3.根据权利要求2所述的一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验测试方法，其特征在于：所述凹槽(1-4)和凹型底槽(9-1)的断面均为方形，且尺寸相同。

4.根据权利要求1所述的一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验测试方法，其特征在于：还包括水温调节系统(7)，所述水温调节系统(7)与所述凹槽(1-4)连通，所述水温调节系统(7)通过调节所述凹槽(1-4)中水的温度，对大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)底部施加稳定温度的高温水。

5.根据权利要求4所述的一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验测试方法，其特征在于：所述水温调节系统(7)包括与所述凹槽(1-4)连接的保温水管(7-1)，以及依次设置在所述保温水管上的恒温装置(7-2)、水温调节阀(7-3)、水温控制装置(7-4)；所述恒温装置设置在靠近所述凹槽(1-4)的这一端。

6.根据权利要求1所述的一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验测试方法，其特征在于：所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)的前后、左右四个面，除矩形空洞外，均采用聚乙烯红外增透膜密封。

7.根据权利要求1所述的一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验测试方法，其特征在于：所述加载板(2)与所述大尺寸含矩形空洞和单一裂隙岩石试样(9)相接触的那一面形状、尺寸相同。

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