CN111398564B - 深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置与测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置与测试方法，涉及地层温度与相似模拟试验领域，其包括试验支架，侧向挡板，加载板，透明玻璃板，模型存放腔，侧压加载系统，垂直加载系统，水压加载系统，水温调节系统，地温调节系统，信号采集与处理系统，试验模型；该试验装置的水压加载系统、水温调节系统和地温调节系统能对试验模型提供稳定的高温、高压水和梯度地层温度，较好模拟深部承压水上含断层煤系地层的真实地质力学环境，有利于深部承压水上采动断层突水多场前兆信息的真实再现，反演分析深部承压水上采动断层突水过程中断层围岩应力、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。

Description

深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置 与测试方法

技术领域

本发明涉及地层温度与相似模拟试验领域，特别涉及一种深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似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破碎带向上导升，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、试验材料及监测手段的限制，在采动断层突水机理的相似试验研究方面尚处在起步阶段，缺乏可视化的相似试验装置和可行的流固耦合材料及与之匹配的测试方法，特别是煤系地层梯度地层温度的模拟和再现。而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，并最终形成导水通道的动态演化过程。专利“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(201610301582.6)”，利用流固耦合相似模拟材料，借助透明玻璃挡板，实现了承压水在采动断层破坏裂隙内的渗透、冲刷及形成突水通道演化过程的可视化。但该试验装置不能实现承压水上采动断层活化突水过程中应力、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综合监测与信息采集，特别是煤系地层梯度地层温度的模拟和再现。因此，迫切需要制备可行的流固耦合材料，构建可视化的相似试验装置及与之匹配的测试方法，模拟再现煤系地层梯度地层温度，开展采动断层突水机理方面的相似试验研究工作，探索采动断层突水过程中的应力、位移、裂隙、渗流、温度等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深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似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：一种深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置，包括试验支架、侧向挡板、加载板、透明玻璃板、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，所述试验支架包括底座，所述底座与所述侧向挡板、所述透明玻璃板围设形成顶面程开口状的模型存放腔，所述加载板位于所述模型存放腔内部，所述侧压加载系统和垂直加载系统通过所述加载板，分别从侧面和顶部给存放在所述模型存放腔内的试验模型施加水平和垂直的压力，所述水压加载系统通过所述底座给所述试验模型施加水压，所述信号采集与处理系统用于采集和处理试验过程中的信号数据；还包括地温调节系统，所述地温调节系统包括均匀布置在所述试验模型内部的地温热源点，所述地温热源点的温度随着在试验模型内埋设深度的增加而增大，所述地温调节系统通过地温热源点，对试验模型提供稳定的梯度地层温度。

优选的，所述地温调节系统还包括地温加热带、稳温装置、地温调节阀、地温控制装置，所述地温加热带埋设在所述试验模型内，所述地温热源点连接在所述地温加热带上，所述地温加热带与所述地温控制装置连接，所述地温调节阀、稳温装置设置在所述地温加热带与所述地温控制装置之间。

优选的，所述地温加热带为S型。

优选的，所述地温加热带为两条，分别对称的埋设在所述试验模型的两侧，每一条所述地温加热带上均分布有地温热源点，且两条地温加热带上地温热源点的位置相对应，相对应的两个地温热源点位于试验模型内的同一高度。

优选的，位于试验模型内两个同一高度的所述地温热源点之间连接有电阻导线。

优选的，还包括水温调节系统；所述水压加载系统包括开设在所述底座上的贮水槽，所述贮水槽与所述模型存放腔联通，所述水压加载系统通过向所述贮水槽注入水对模型存放腔内试验模型底部施加高压水；所述水温调节系统通过调节贮水槽内水的温度对试验模型的底部施加高温水。

优选的，所述水温调节系统包括一端与所述贮水槽连接的保温水管，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，设置在所述贮水槽中的水温加热棒；所述水温加热棒的一端穿过所述保温水管与所述恒温装置连接。

优选的，所述试验模型前后、左右四个面，采用聚乙烯红外增透膜密封。

本发明还提供一种深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验测试方法包括以下步骤：

1)材料配置：依据待模拟的深部承压水上含断层煤层工作面的水文地质条件和煤层及其顶底板岩层性质，确定煤层底板、开采煤层、煤层顶板各层岩层及承压断层相似模拟材料的配比，以此确定各层岩层所需各种原料的用量；根据煤层底板、开采煤层、煤层顶板各分层及承压断层相似模拟材料组分的性质，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℃～60℃使其熔为液态，迅速与相似模拟材料混合搅拌均匀，制备出流固耦合相似模拟材料，并装入相应的容器，等待模型铺设；

2)模型制备：将搅拌均匀的煤层底板相似模拟材料铺设在模型存放腔的底部，其上依次铺设开采煤层、煤层顶板相似模拟材料，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，在试验模型两侧从下到上各埋设一个S型的地温加热带，在煤层底板内承压断层附近预定监测位置埋设光纤应力传感器、光纤位移传感器、光纤声发射传感器、光纤渗压传感器、光纤温度传感器和网络并行电路铜片电极；待模型铺设完毕后，依据承压断层的空间位置及其产状，切割煤层底板、开采煤层和煤层顶板岩层，进而添加填充承压断层相似模拟材料，并进行夯实固定，制备出流固耦合相似模拟试验模型；

3)模型加载：待铺设的试验模型干燥后，利用聚乙烯红外增透膜，将试验模型前后、左右四个面密封；首先，利用垂直加载系统，通过水平加载板对试验模型的顶部施加一定的垂直均布载荷；其次，利用侧压加载系统，通过竖向加载板对试验模型的两个侧面施加随埋深线性增大的水平载荷；再次，利用水压加载系统和水温调节系统，通过贮水槽对试验模型底部施加一定稳定压力和温度的高压水，且试验过程中对试验模型施加的高压水压力始终小于施加的水平载荷；最后，利用地温调节系统，通过S型地温加热带上的地温热源点对试验模型提供稳定的随埋深而增加的梯度地层温度；另外，在试验模型中央前方2m位置处，布置1台FLIR T250红外热像仪和1台Nikon Z7高速照相机；

4)数据采集：依据试验模型相似比，计算出模型每步开挖尺寸，待煤层一侧开挖的开切眼稳定后，自开切眼向着断层方向分步开挖，直至开挖过断层一定距离；分步开挖期间，利用多场前兆信息采集与处理系统、视电阻率信号采集与处理系统、FLIR T250红外热像仪和Nikon Z7高速照相机同步采集工作面不同推进距离过程中底板断层围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度等多场前兆信息的演化规律；同时，通过前透明玻璃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演化过程；通过采集的应力和应变数据、声发射信号、视电阻率信号、红外辐射能量信息和可见光图像信息演化过程的分析，研究深部承压水上采动断层突水过程中断层围岩应力、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；

5)影响因素：改变试验模型的水文地质与边界条件，如煤层埋深、岩层性质和厚度、地层温度、含水层水压和水温、断层倾角、宽度及落差、垂直载荷和水平载荷，重复上述试验步骤，研究有效隔水层厚度、含水层水压和水温、断层倾角、宽度及落差、开采深度、水平应力、工作面推进距离及断层围岩特征参数对深部承压水上采动断层突水过程中断层围岩应力、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。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置与测试方法，通过制备流固耦合相似试验模型，该试验装置与测试方法可以研究深部承压水上采动断层突水过程中断层围岩应力、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；通过透明玻璃板可以观察工作面开挖推进过程中煤层顶底板岩层变形、破坏，断层围岩裂隙产生、扩展、贯通及其渗流突变形成突水通道的演化过程；该试验装置的水压加载系统和水温调节系统可以对试验模型底部施加稳定压力和温度的高压、高温水，地温调节系统可以为试验模型提供稳定的梯度地层温度，侧压加载系统可以对试验模型两侧施加一定的水平梯度载荷，能够较好模拟深部承压水上含断层煤系地层的真实地质力学环境，有利于深部承压水上采动断层突水多场前兆信息的真实再现，更好揭示深部承压水上回采工作面内采动断层突水机理，监测预警采动断层突水；

试验模型前后、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，还能保证试验模型表面红外辐射能量信息的有效采集；另外，除液压油管、高压水管、保温水管等辅助配件外，该试验装置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隔温层和聚四氟乙烯绝缘层，有利于试验模型内梯度地层温度分布的稳定以及采动断层突水过程中视电阻率信号的有效采集。

附图说明

图1为深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置结构的剖面示意图；

图2为深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置结构的俯视示意图；

图3为试验装置地温调节系统中S型地温加热带结构示意图；

图4为试验模型内S型地温加热带布置示意图；

图5为深部承压水上试验模型侧压加载、垂直加载、水压加载、水温加载、地温加载与采动断层突水多场前兆信息采集测点布置示意图；

图中：

1、试验支架，1-1、底座，1-2、竖梁，1-3、顶梁；

2、侧向挡板；

3、加载板，3-1、竖向加载板，3-2、水平加载板；

4、透明玻璃板，4-1、前透明玻璃板，4-2、后透明玻璃板，4-3、左竖向凹槽，4-4、右竖向凹槽，4-5、开挖窗口；

5、模型存放腔；

6、侧压加载系统，6-1、水平加载装置，6-1a、侧向液压油缸，6-1b、侧向活塞杆，6-1c、侧向垫块，6-2、侧向液压油管，6-3、侧向三通，6-4、侧向稳压装置，6-5、侧向液压阀，6-6、侧向液压控制装置；

7、垂直加载系统，7-1、垂直加载装置，7-1a、垂向液压油缸，7-1b、垂向活塞杆，7-1c、垂向垫块，7-2、垂向液压油管，7-3、垂向三通，7-4、垂向稳压装置，7-5、垂向液压阀，7-6、垂向液压控制装置；

8、水压加载系统，8-1、贮水槽，8-2、凹形台阶，8-3、长方形透水钢篦，8-4、圆形通孔，8-5、高压水管，8-6、水压稳压装置，8-7、注水阀，8-8、水压控制装置，8-9、水箱，8-10、水压三通，8-11、排水或排气阀；

9、水温调节系统，9-1、保温水管，9-2、恒温装置，9-3、水温调节阀，9-4、水温加热棒，9-5、水温控制装置；

10、地温调节系统，10-1、S型地温加热带，10-2、稳温装置，10-3、地温调节阀，10-4、地温控制装置，10-5、地温热源点；

11、信号采集与处理系统，11-1、多场前兆信息采集与处理系统，11-1a、光纤传感器阵列，11-1a1、光纤应力传感器，11-1a2、光纤位移传感器，11-1a3、光纤声发射传感器，11-1a4、光纤渗压传感器，11-1a5、光纤温度传感器，11-1b、光纤分路器，11-1c、光栅解调装置，11-1d、多场前兆信息采集与处理的PC机，11-1e、光纤光缆，11-2、视电阻率信号采集与处理系统，11-2a、网络并行电路铜片电极，11-2b、WBD型网络并行电法仪，11-2c、Surfer软件辅助绘图的PC机，11-2d、铜质漆包信号传输导线，11-3、FLIR T250红外热像仪，11-3a、红外辐射能量信息探测器，11-3b、内置LED照明灯、SD卡和FLIR BuildIR合成软件的合成数码照相机，11-3c、红外热像仪支架，11-4、Nikon Z7高速照相机，11-4a、内置LED照明灯和SD卡的可见光高速照相机，11-4b、照相机支架；

12、试验模型，12-1、煤层底板，12-2、开采煤层，12-3、煤层顶板，12-4、承压断层。

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1～5所示，一种深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置，包括试验支架1，侧向挡板2，加载板3，透明玻璃板4，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，水温调节系统9，地温调节系统10，信号采集与处理系统11，试验模型12。

试验支架1包括底座1-1，竖梁1-2和顶梁1-3；底座1-1的两侧分别与一个竖梁1-2固定连接，两个竖梁1-2的顶端与所述顶梁1-3固定连接，两个竖梁1-2内侧、底座1-1的两侧分别竖向固定连接一个侧向挡板2；加载板3包括竖向加载板3-1和水平加载板3-2，透明玻璃板4包括前透明玻璃板4-1，后透明玻璃板4-2，左竖向凹槽4-3，右竖向凹槽4-4和开挖窗口4-5，前透明玻璃板4-1和后透明玻璃板4-2上各设有一个左竖向凹槽4-3和右竖向凹槽4-4，透明玻璃板4上左竖向凹槽4-3和右竖向凹槽4-4的宽度大于竖向加载板3-1的厚度，前透明玻璃板4-1上设有开挖窗口4-5；底座1-1和侧向挡板2连接有前透明玻璃板4-1和后透明玻璃板4-2，左竖向凹槽4-3和右竖向凹槽4-4内密封连接有两个竖向加载板3-1；底座1-1、侧向挡板2、前透明玻璃板4-1和后透明玻璃板4-2围设构成顶面程开口状的模型存放腔5；竖梁1-2连接有侧压加载系统6，顶梁1-3连接有垂直加载系统7，模型存放腔5底部的底座1-1连接有水压加载系统8和水温调节系统9，模型存放腔5内连接有试验模型12，试验模型12连接有地温调节系统10和信号采集与处理系统11。

侧压加载系统6包括水平加载装置6-1，侧向液压油管6-2，侧向三通6-3，侧向稳压装置6-4，侧向液压阀6-5和侧向液压控制装置6-6；两个竖梁1-2上从上到下各连接有三个水平加载装置6-1，水平加载装置6-1穿过侧向挡板2连接有竖向加载板3-1和侧向液压油管6-2，侧向液压油管6-2连接有侧向液压控制装置6-6，侧向液压油管6-2上按水平加载装置6-1至侧向液压控制装置6-6方向依次连接有侧向三通6-3、侧向稳压装置6-4和侧向液压阀6-5；水平加载装置6-1包括侧向液压油缸6-1a，侧向活塞杆6-1b和侧向垫块6-1c，竖梁1-2连接有侧向液压油缸6-1a，侧向液压油缸6-1a连接有侧向液压油管6-2和侧向活塞杆6-1b，侧向活塞杆6-1b穿过侧向挡板2连接有侧向垫块6-1c；侧压加载系统6通过竖向加载板3-1，可以对模型存放腔5内试验模型12左右两侧施加一定的水平梯度载荷。

垂直加载系统7包括垂直加载装置7-1，垂向液压油管7-2，垂向三通7-3，垂向稳压装置7-4，垂向液压阀7-5和垂向液压控制装置7-6；顶梁1-3竖向连接有三个垂直加载装置7-1，垂直加载装置7-1连接有水平加载板3-2和垂向液压油管7-2，垂向液压油管7-2连接有垂向液压控制装置7-6，垂向液压油管7-2上按垂直加载装置7-1至垂向液压控制装置7-6方向依次连接有垂向三通7-3，垂向稳压装置7-4和垂向液压阀7-5；垂直加载装置7-1包括垂向液压油缸7-1a，垂向活塞杆7-1b和垂向垫块7-1c，顶梁1-3连接有垂向液压油缸7-1a，垂向液压油缸7-1a连接有垂向液压油管7-2和垂向活塞杆7-1b，垂向活塞杆7-1b连接有垂向垫块7-1c；垂直加载系统7通过水平加载板3-2，可以对模型存放腔5内试验模型12顶部施加一定的垂直均布载荷。

水压加载系统8包括贮水槽8-1，凹形台阶8-2，长方形透水钢篦8-3，圆形通孔8-4，高压水管8-5，水压稳压装置8-6，注水阀8-7，水压控制装置8-8，水箱8-9，水压三通8-10和排水或排气阀8-11；底座1-1中央开挖有长方形贮水槽8-1，贮水槽8-1边缘处设有凹形台阶8-2，凹形台阶8-2内连接有长方形透水钢篦8-3，长方形透水钢篦8-3上开挖有均匀分布的圆形通孔8-4；贮水槽8-1内连接有高压水管8-5，高压水管8-5连接有水压控制装置8-8和水箱8-9，高压水管8-5上靠近贮水槽8-1处设有水压稳压装置8-6，高压水管8-5分流处设有水压三通8-10，高压水管8-5上水压三通8-10与水压控制装置8-8之间设有注水阀8-7，高压水管8-5上水压三通8-10与水箱8-9之间设有排水或排气阀8-11；水压加载系统8通过贮水槽8-1，可以对模型存放腔5内试验模型12底部施加一定压力的高压水。

水温调节系统9包括保温水管9-1，恒温装置9-2，水温调节阀9-3，水温加热棒9-4和水温控制装置9-5；贮水槽8-1内连接有保温水管9-1，保温水管9-1连接有水温控制装置9-5，保温水管9-1上靠近贮水槽8-1处连接有恒温装置9-2，保温水管9-1上恒温装置9-2与水温控制装置9-5之间设有水温调节阀9-3，贮水槽8-1内设有水温加热棒9-4，水温加热棒9-4穿过保温水管9-1连接有恒温装置9-2；水温调节系统9通过贮水槽8-1，可以对模型存放腔5内试验模型12底部施加一定温度的高温水。

地温调节系统10包括两条S型的地温加热带10-1，稳温装置10-2，地温调节阀10-3，地温控制装置10-4和地温热源点10-5；试验模型12内埋设有S型地温加热带10-1，S型地温加热带10-1连接有地温控制装置10-4，S型地温加热带10-1至地温控制装置10-4方向依次连接有稳温装置10-2和地温调节阀10-3；S型地温加热带10-1上均匀分布有地温热源点10-5，地温热源点10-5的温度随着在试验模型12内埋设深度的增加而增大，并向所在层位不间断的横向辐射热量；地温调节系统10通过地温热源点10-5，可以对模型存放腔5内试验模型12提供稳定的梯度地层温度。

进一步的，信号采集与处理系统11包括多场前兆信息采集与处理系统11-1，视电阻率信号采集与处理系统11-2，FLIR T250红外热像仪11-3和Nikon Z7高速照相机11-4；

多场前兆信息采集与处理系统11-1包括光纤传感器阵列11-1a，光纤分路器11-1b，光栅解调装置11-1c，多场前兆信息采集与处理的PC机11-1d和光纤光缆11-1e；光纤传感器阵列11-1a包括光纤应力传感器11-1a1，光纤位移传感器11-1a2，光纤声发射传感器11-1a3，光纤渗压传感器11-1a4和光纤温度传感器11-1a5；光纤应力传感器11-1a1，光纤位移传感器11-1a2，光纤声发射传感器11-1a3，光纤渗压传感器11-1a4和光纤温度传感器11-1a5通过光纤光缆11-1e连接有光纤分路器11-1b，光纤分路器11-1b通过光纤光缆11-1e连接有光栅解调装置11-1c，光栅解调装置11-1c通过光纤光缆11-1e连接有多场前兆信息采集与处理的PC机11-1d；通过多场前兆信息的采集与分析，研究深部承压水上采动断层突水过程中断层围岩应力、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；

视电阻率信号采集与处理系统11-2包括网络并行电路铜片电极11-2a，WBD型网络并行电法仪11-2b，Surfer软件辅助绘图的PC机11-2c和铜质漆包信号传输导线11-2d；网络并行电路铜片电极11-2a通过铜质漆包信号传输导线11-2d连接有WBD型网络并行电法仪11-2b，WBD型网络并行电法仪11-2b通过铜质漆包信号传输导线11-2d连接有Surfer软件辅助绘图的PC机11-2c；通过视电阻率信号的采集与分析，研究深部承压水上采动断层突水过程中断层围岩渗流场的演化规律与耦合特性；

FLIR T250红外热像仪11-3包括红外辐射能量信息探测器11-3a，内置LED照明灯、SD卡和FLIR BuildIR合成软件的合成数码照相机11-3b和红外热像仪支架11-3c；红外热像仪支架11-3c连接有红外辐射能量和温度探测器11-3a，红外辐射能量和温度探测器11-3a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11-3b；FLIR T250红外热像仪11-3放置于试验模型12中央前方2m位置处，通过红外辐射能量信息的采集与分析，研究深部承压水上采动断层突水过程中断层围岩温度场的演化规律与耦合特性；

Nikon Z7高速照相机11-4包括内置LED照明灯和SD卡的可见光高速照相机11-4a和照相机支架11-4b；照相机支架11-4b连接有内置LED照明灯和SD卡的可见光高速照相机11-4a；Nikon Z7高速照相机11-4放置于试验模型12中央前方2m位置处，通过可见光图像信息的采集与分析，研究深部承压水上采动断层突水过程中试验模型12宏观裂隙场的演化规律与耦合特性。

试验模型12包括煤层底板12-1，开采煤层12-2，煤层顶板12-3和承压断层12-4；煤层底板12-1连接有开采煤层12-2，开采煤层12-2连接有煤层顶板12-3，煤层底板12-1，开采煤层12-2和煤层顶板12-3内设有承压断层12-4；煤层底板12-1，开采煤层12-2和煤层顶板12-3的两个侧面通过两个竖向加载板3-1连接有侧压加载系统6，煤层顶板12-3的顶部通过水平加载板3-2连接有垂直加载系统7，煤层底板12-1的底部通过贮水槽8-1连接有水压加载系统8和水温调节系统9；煤层底板12-1，开采煤层12-2和煤层顶板12-3的两个侧面内各埋设有一个S型地温加热带10-1，煤层底板12-1内承压断层12-4附近埋设有至少四个光纤应力传感器11-1a1、光纤位移传感器11-1a2、光纤声发射传感器11-1a3、光纤渗压传感器11-1a4、光纤温度传感器11-1a5和网络并行电路铜片电极11-2a；

试验模型12内煤层底板12-1，开采煤层12-2，煤层顶板12-3和承压断层12-4四部分均由流固耦合相似模拟材料制备，其能较好模拟深部承压水上采动断层突水过程中承压水对采动导水裂隙的渗透、冲刷以及形成突水通道的演化过程；

煤层底板12-1原料包括细砂，滑石粉，高岭土，石膏，水泥，凡士林，硅油和水；开采煤层12-2原料包括煤粉，滑石粉，石膏，凡士林，硅油和水；煤层顶板12-3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；承压断层12-4原料包括粗砂，滑石粉，高岭土，石膏，凡士林，硅油，黄豆和水；

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45-60℃，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，块度粒径小于2.0mm。

试验模型12前后、左右四个面，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，还能保证试验模型12表面红外辐射能量信息的有效采集；

如图3所示，试验模型12两侧从下到上各埋设一个S型地温加热带10-1，S型地温加热带10-1上均匀分布有地温热源点10-5，其中一个S型地温加热带10-1从下到上均匀分布有地温热源点10-5A、B、C、D、E，另一个S型地温加热带10-1从下到上均匀分布有地温热源点10-5A′、B′、C′、D′、E′，且地温热源点10-5A和A′、B和B′、C和C′、D和D′、E和E′埋深相同；S型地温加热带10-1上地温热源点10-5的温度随着在试验模型12内埋设深度的增加而增大，如T_A>T_B>T_C>T_D>T_E或T_A′>T_B′>T_C′>T_D′>T_E′，但每一个地温热源点10-5的温度依据初始设定的地层地温而保持恒定；S型地温加热带10-1上每一个地温热源点10-5不间断的横向辐射热量，使得相距一定距离、埋深相同的两个地温热源点10-5之间的地层达到与地温热源点10-5相同的温度，最终实现试验模型12内稳定的梯度地层温度分布；

优选实施方案中，为了进一步保证试验模型12内同一埋深地层温度的相同，可在A和A′、B和B′、C和C′、D和D′、E和E′之间各连接一根电阻导线。

光纤传感器阵列11-1a的光纤光缆11-1e、网络并行电路铜片电极11-2a的铜质漆包信号传输导线11-2d均从试验模型12后面特制密封穿线孔引出，分别连接到多场前兆信息采集与处理的PC机11-1d、Surfer软件辅助绘图的PC机11-2c上，以保证试验模型12的密封性；光纤传感器阵列11-1a、网络并行电路铜片电极11-2a体积较小，在试验模型12内彼此之间埋设的距离相对较远，可以有效避免试验模型12内承压断层12-4围岩完整性的破坏而形成优势突水通道；

前透明玻璃板4-1上设有的开挖窗口4-5，可以实现开采煤层12-2的分步开挖，模拟深部承压水上含断层煤层的开采，再现工作面回采过程中底板断层围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度等多场前兆信息的演化过程与耦合特性；通过前透明玻璃板4-1，还可以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演化过程；

深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置，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隔温层和聚四氟乙烯绝缘层。

如图4～5所示，如上的方法，其具体操作步骤为：

1)材料配置：依据待模拟的深部承压水上含断层煤层工作面的水文地质条件和煤层及其顶底板岩层性质，确定煤层底板12-1、开采煤层12-2、煤层顶板12-3各层岩层及承压断层12-4相似模拟材料的配比，以此确定各层岩层所需各种原料的用量；根据煤层底板12-1、开采煤层12-2、煤层顶板12-3各分层及承压断层12-4相似模拟材料组分的性质，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℃～60℃使其熔为液态，迅速与相似模拟材料混合搅拌均匀，制备出流固耦合相似模拟材料，并装入相应的容器，等待模型铺设；

2)模型制备：将搅拌均匀的煤层底板12-1相似模拟材料铺设在模型存放腔5的底部，其上依次铺设开采煤层12-2、煤层顶板12-3相似模拟材料，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，在试验模型12两侧从下到上各埋设一个S型地温加热带10-1，在煤层底板12-1内承压断层12-4附近预定监测位置埋设光纤应力传感器11-1a1、光纤位移传感器11-1a2、光纤声发射传感器11-1a3、光纤渗压传感器11-1a4、光纤温度传感器11-1a5和网络并行电路铜片电极11-2a；待模型铺设完毕后，依据承压断层12-4的空间位置及其产状，切割煤层底板12-1、开采煤层12-2和煤层顶板12-3岩层，进而添加填充承压断层12-4相似模拟材料，并进行夯实固定，制备出流固耦合相似试验模型12；

3)模型加载：待铺设的试验模型12干燥后，利用聚乙烯红外增透膜，将试验模型12前后、左右四个面密封；首先，利用垂直加载系统7，通过水平加载板3-2对试验模型12的顶部施加一定的垂直均布载荷；其次，利用侧压加载系统6，通过竖向加载板3-1对试验模型12的两个侧面施加随埋深线性增大的水平载荷；再次，利用水压加载系统8和水温调节系统9，通过贮水槽8-1对试验模型12底部施加一定稳定压力和温度的高压水，且试验过程中对试验模型12施加的高压水压力始终小于施加的水平载荷；最后，利用地温调节系统10，通过S型地温加热带10-1上的地温热源点10-5对试验模型12提供稳定的随埋深而增加的梯度地层温度；另外，在试验模型12中央前方2m位置处，布置1台FLIR T250红外热像仪11-3和1台Nikon Z7高速照相机11-4；

4)数据采集：依据试验模型12相似比，计算出模型每步开挖尺寸，待煤层一侧开挖的开切眼稳定后，自开切眼向着断层方向分步开挖，直至开挖过断层一定距离；分步开挖期间，利用多场前兆信息采集与处理系统11-1、视电阻率信号采集与处理系统11-2、FLIRT250红外热像仪11-3和Nikon Z7高速照相机11-4同步采集工作面不同推进距离(距断层80、60、40、20、10、0、-10、-20、-40、-60m和-80m，负号表示推过断层)过程中底板断层围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度等多场前兆信息的演化规律；同时，通过前透明玻璃板4-1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演化过程；通过采集的应力和应变数据、声发射信号、视电阻率信号、红外辐射能量信息和可见光图像信息演化过程的分析，研究深部承压水上采动断层突水过程中断层围岩应力、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；

5)影响因素：改变试验模型12的水文地质与边界条件，如煤层埋深、岩层性质和厚度、地层温度、含水层水压和水温、断层倾角、宽度及落差、垂直载荷和水平载荷，重复上述试验步骤，研究有效隔水层厚度、含水层水压和水温、断层倾角、宽度及落差、开采深度、水平应力、工作面推进距离及断层围岩特征参数对深部承压水上采动断层突水过程中断层围岩应力、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。

综上，本发明实施例具有如下有益效果：提供了一种深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置与测试方法，通过制备流固耦合相似试验模型，该试验装置与测试方法可以研究深部承压水上采动断层突水过程中断层围岩应力、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；通过透明玻璃板可以观察工作面开挖推进过程中煤层顶底板岩层变形、破坏，断层围岩裂隙产生、扩展、贯通及其渗流突变形成突水通道的演化过程；该试验装置的水压加载系统和水温调节系统可以对试验模型底部施加稳定压力和温度的高压、高温水，地温调节系统可以为试验模型提供稳定的梯度地层温度，侧压加载系统可以对试验模型两侧施加一定的水平梯度载荷，能够较好模拟深部承压水上含断层煤系地层的真实地质力学环境，有利于深部承压水上采动断层突水多场前兆信息的真实再现，更好揭示深部承压水上回采工作面内采动断层突水机理，监测预警采动断层突水；

试验模型前后、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，还能保证试验模型表面红外辐射能量信息的有效采集；另外，除液压油管、高压水管、保温水管等辅助配件外，该试验装置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隔温层和聚四氟乙烯绝缘层，有利于试验模型内梯度地层温度分布的稳定以及采动断层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)

1.一种深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置，包括试验支架（1）、侧向挡板（2）、加载板（3）、透明玻璃板（4）、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）、信号采集与处理系统（11），所述试验支架（1）包括底座（1-1），所述底座（1-1）与所述侧向挡板（2）、所述透明玻璃板（4）围设形成顶面呈开口状的模型存放腔（5），所述加载板（3）位于所述模型存放腔（5）内部，所述侧压加载系统（6）和垂直加载系统（7）通过所述加载板（3），分别从侧面和顶部给存放在所述模型存放腔（5）内的试验模型（12）施加水平和垂直的压力，所述水压加载系统（8）通过所述底座（1-1）给所述试验模型（12）施加水压，所述信号采集与处理系统（11）用于采集和处理试验过程中的信号数据；其特征在于：还包括地温调节系统（10），所述地温调节系统（10）包括均匀布置在所述试验模型（12）内部的地温热源点（10-5），所述地温热源点（10-5）的温度随着在试验模型（12）内埋设深度的增加而增大，所述地温调节系统（10）通过地温热源点（10-5），对试验模型（12）提供稳定的梯度地层温度；

所述地温调节系统（10）还包括地温加热带（10-1）、稳温装置（10-2）、地温调节阀（10-3）、地温控制装置（10-4），所述地温加热带（10-1）埋设在所述试验模型（12）内，所述地温热源点（10-5）连接在所述地温加热带（10-1）上，所述地温加热带（10-1）与所述地温控制装置（10-4）连接，所述地温调节阀（10-3）、稳温装置（10-2）设置在所述地温加热带（10-1）与所述地温控制装置（10-4）之间；

所述地温加热带（10-1）为S型；

试验模型（12）内位于同一埋深的地温热源点（10-5）温度相同。

2.根据权利要求1所述的一种深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置，其特征在于：所述地温加热带（10-1）为两条，分别对称的埋设在所述试验模型（12）的两侧，每一条所述地温加热带（10-1）上均匀分布有地温热源点（10-5），且两条地温加热带（10-1）上地温热源点（10-5）的位置相对应，相对应的两个地温热源点（10-5）位于试验模型（12）内的同一高度；所述位于试验模型（12）内的同一高度是指位于试验模型（12）内的同一埋深。

3.根据权利要求2所述的一种深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置，其特征在于：位于试验模型（12）内两个同一高度的所述地温热源点（10-5）之间连接有电阻导线。

4.根据权利要求1所述的一种深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置，其特征在于：还包括水温调节系统（9）；所述水压加载系统（8）包括开设在所述底座（1-1）上的贮水槽（8-1），所述贮水槽（8-1）与所述模型存放腔（5）联通，所述水压加载系统（8）通过向所述贮水槽（8-1）内注入高压水，对所述模型存放腔（5）内试验模型（12）的底部施加高压水；所述水温调节系统（9）通过调节贮水槽（8-1）内水的温度对试验模型（12）的底部施加高温水。

5.根据权利要求4所述的一种深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置，其特征在于：所述水温调节系统（9）包括一端与所述贮水槽（8-1）连接的保温水管（9-1），依次设置在所述保温水管（9-1）上的恒温装置（9-2）、水温调节阀（9-3）、水温控制装置（9-5），设置在所述贮水槽（8-1）中的水温加热棒（9-4）；所述水温加热棒（9-4）的一端穿过所述保温水管（9-1）与所述恒温装置（9-2）连接。

6.根据权利要求1所述的一种深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置，其特征在于：所述试验模型（12）前后、左右四个面，采用聚乙烯红外增透膜密封。

7.根据权利要求4或5所述的一种深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）材料配置：依据待模拟的深部承压水上含断层煤层工作面的水文地质条件和煤层及其顶底板岩层性质，确定煤层底板（12-1）、开采煤层（12-2）、煤层顶板（12-3）各层岩层及承压断层（12-4）相似模拟材料的配比，以此确定各层岩层所需各种原料的用量；根据煤层底板（12-1）、开采煤层（12-2）、煤层顶板（12-3）各分层及承压断层（12-4）相似模拟材料组分的性质，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℃～60℃使其熔为液态，迅速与相似模拟材料混合搅拌均匀，制备出流固耦合相似模拟材料，并装入相应的容器，等待模型铺设；

2）模型制备：将搅拌均匀的煤层底板（12-1）相似模拟材料铺设在模型存放腔（5）的底部，其上依次铺设开采煤层（12-2）、煤层顶板（12-3）相似模拟材料，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，在试验模型（12）两侧从下到上各埋设一个S型的地温加热带（10-1），在煤层底板（12-1）内承压断层（12-4）附近预定监测位置埋设光纤应力传感器（11-1a1）、光纤位移传感器（11-1a2）、光纤声发射传感器（11-1a3）、光纤渗压传感器（11-1a4）、光纤温度传感器（11-1a5）和网络并行电路铜片电极（11-2a）；待模型铺设完毕后，依据承压断层（12-4）的空间位置及其产状，切割煤层底板（12-1）、开采煤层（12-2）和煤层顶板（12-3）岩层，进而添加填充承压断层（12-4）相似模拟材料，并进行夯实固定，制备出流固耦合相似模拟试验模型（12）；

3）模型加载：待铺设的试验模型（12）干燥后，利用聚乙烯红外增透膜，将试验模型（12）前后、左右四个面密封；首先，利用垂直加载系统（7），通过水平加载板（3-2）对试验模型（12）的顶部施加一定的垂直均布载荷；其次，利用侧压加载系统（6），通过竖向加载板（3-1）对试验模型（12）的两个侧面施加随埋深线性增大的水平载荷；再次，利用水压加载系统（8）和水温调节系统（9），通过贮水槽（8-1）对试验模型（12）底部施加一定稳定压力和温度的高压水，且试验过程中对试验模型（12）施加的高压水压力始终小于施加的水平载荷；最后，利用地温调节系统（10），通过S型地温加热带（10-1）上的地温热源点（10-5）对试验模型（12）提供稳定的随埋深而增加的梯度地层温度；另外，在试验模型（12）中央前方2 m位置处，布置1台FLIR T250红外热像仪（11-3）和1台Nikon Z7高速照相机（11-4）；

4）数据采集：依据试验模型（12）相似比，计算出模型每步开挖尺寸，待煤层一侧开挖的开切眼稳定后，自开切眼向着断层方向分步开挖，直至开挖过断层一定距离；分步开挖期间，利用多场前兆信息采集与处理系统（11-1）、视电阻率信号采集与处理系统（11-2）、FLIRT250红外热像仪（11-3）和Nikon Z7高速照相机（11-4）同步采集工作面不同推进距离过程中底板断层围岩应力、位移、裂隙、渗流、温度多场前兆信息的演化规律；同时，通过前透明玻璃板（4-1）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演化过程；通过采集的应力和应变数据、声发射信号、视电阻率信号、红外辐射能量信息和可见光图像信息演化过程的分析，研究深部承压水上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与耦合特性；

5）影响因素：改变试验模型（12）的煤层埋深、岩层性质和厚度、地层温度、含水层水压和水温、断层倾角、宽度及落差、垂直载荷和水平载荷，重复上述试验步骤，研究有效隔水层厚度、含水层水压和水温、断层倾角、宽度及落差、开采深度、水平应力、工作面推进距离及断层围岩特征参数对深部承压水上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。

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