CN114740176A - 一种可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置及方法，该模拟装置包括：箱体，具有可视化的模拟空间；裂缝模拟板，设于模拟空间内，裂缝模拟板具有第一模拟板和第二模拟板，第一模拟板和第二模拟板之间的空隙用于模拟基岩裂缝，空隙内充填有砂颗粒，且至少第一模拟板和第二模拟板中的一者为活动设置；控制机构，具有第一端和第二端，第一端位于箱体内，并与活动设置的第一模拟板和/或第二模拟板连接，第二端位于箱体外，以备通过第二端调节第一模拟板与第二模拟板之间空隙的几何参数，实现待模拟裂缝的三维形态的调节。本发明能够准确模拟煤矿开采时引发不同三维形态采动裂缝内发生的突水溃砂，使得模拟结果更贴近实际。

Description

一种可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置及方法

技术领域

本申请属于煤矿突水溃砂灾害防治技术领域，具体而言涉及一种可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置及方法。

背景技术

煤矿开采会引起围岩应力的变化，导致上覆地层逐渐松动进而发生破坏，当岩石破坏产生的裂缝逐渐发育至接近或导通含水砂层时，会发生突水溃砂灾害，导致水砂混合流通过裂缝通道快速突涌，对工作面及设备造成破坏，危害煤矿安全生产并对矿工生命安全造成威胁。由于突水溃砂灾害的突发性和隐蔽性，对不同裂缝角度、开度、形态和不同水压力突水溃砂机理进行研究，有助于指导工程实践过程中突水溃砂的预防和治理。

在煤炭实际开采过程中，开采引发的覆岩裂缝的宽度、倾斜角度不一，并会有上行裂缝和下行裂缝的“V”和“Λ”等不同形状的裂缝出现，且裂隙面也不是规则且光滑的平面。然而，有的突水溃砂模拟装置采用两块形状规则、平行布置的石板来构建待模拟的裂缝，裂缝为规则的矩形裂缝，裂隙面也为光滑平面；还有的突水溃砂模拟装置采用在岩心上钻取通孔，将通孔作为模拟的裂缝，上述两种情况构建的裂缝明显与实际裂缝特征存在差异，且不能模拟不同裂缝形态和角度对突水溃砂的影响，也不能在实验过程中调整裂缝宽度、形态，仅仅通过改变试验箱出口处大小来模拟裂缝宽度，无法获得与实际情况相符的实验结果。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置及方法，用以解决现有技术中存在的上述问题。

本发明的目的是这样实现的：

一方面，提供一种可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置，包括：

箱体，具有可视化的模拟空间；

裂缝模拟板，设于所述模拟空间内，所述裂缝模拟板具有第一模拟板和第二模拟板，第一模拟板和第二模拟板之间的空隙用于模拟基岩裂缝，空隙内充填有砂颗粒，且至少第一模拟板和第二模拟板中的一者为活动设置；

控制机构，具有第一端和第二端，所述第一端位于所述箱体内，并与活动设置的所述第一模拟板和/或第二模拟板连接，所述第二端位于所述箱体外，以备通过第二端调节所述第一模拟板与第二模拟板之间所述空隙的几何参数，实现待模拟裂缝的三维形态的调节。

进一步地，所述第一模拟板具有第一裂隙面，所述第二模拟板具有与所述第一裂隙面相对的第二裂隙面，所述第一裂隙面和第二裂隙面与待模拟基岩裂缝的裂隙面形状相同或大体相同。

进一步地，所述箱体为长方体结构，包括底板、顶板和四个侧板，顶板可拆卸设置在侧板的顶端，底板密封设于所述侧板的底端；其中，相对的第一侧板和第二侧板为透明板；相对的第三侧板和/或第四侧板上设有安装孔，所述控制机构的第一端通过所述安装孔伸入所述模拟空间内，与所述第一模拟板或第二模拟板连接。

进一步地，所述第一侧板和第二侧板的内壁面为平面；所述第一模拟板和第二模拟板均具有两个平行的竖侧端面，两个竖侧端面之间的距离等于两个透明板的内壁面之间的距离。

进一步地，所述底板上设有出砂口，所述出砂口与第一模拟板与第二模拟板之间的裂缝连通；所述出砂口上设有能够打开和关闭的出砂门，以控制裂缝内砂颗粒流出。

进一步地，所述控制机构包括调节杆，所述调节杆穿过所述安装孔且能够沿所述安装孔的中心轴线直线往复移动；所述调节杆的第一端与活动的所述第一模拟板或第二模拟板连接，所述调节杆的第二端设有操作部，以供操作者控制调节杆的移动。

进一步地，所述调节杆的第一端通过转动机构与所述第一模拟板或第二模拟板转动连接。

进一步地，所述转动机构包括连接板以及设于连接板上的球铰接头，所述球铰接头与所述调节杆的第一端连接。

进一步地，所述调节杆为光杆，所述光杆与所述安装孔密封滑动连接。

进一步地，所述调节杆为螺杆，所述安装孔为螺纹孔，所述螺杆与所述安装孔螺纹连接。

进一步地，所述球铰接头与所述调节杆的第一端密封拆卸连接。

进一步地，所述球铰接头为中空结构，具有第一空间，第一空间内安装有水压传感器；所述调节杆为中空结构，具有第二空间，第一空间与第二空间连通；设置所述转动机构的第一模拟板和/或第二模拟板上设有通道，所述第一模拟板和第二模拟板之间的所述空隙通过所述通道与所述第一空间连通。

进一步地，所述通道的进水口设置过滤网，以防止砂颗粒进入所述通道。

进一步地，所述控制机构的数量为多个，所述第一模拟板和所述第二模拟板均至少连接有一个控制机构。

进一步地，所述第一模拟板和所述第二模拟板均连接有多个控制机构，且在纵向上分散布置。

进一步地，多个第一控制机构与所述第一模拟板连接的多个连接点不在同一条直线上；多个第二控制机构与所述第二模拟板连接的多个连接点不在同一条直线上。

进一步地，还包括供水组件，以备向所述箱体的模拟空间内注入设定压力的水。

进一步地，还包括溃出物收集组件，所述溃出物收集组件位于所述箱体的出砂口下方。

进一步地，所述箱体通过支架架空设置，箱体的底板通过法兰盘与支架固定连接，支架具有用于放置溃出物收集组件的空间。

进一步地，还包括加热组件，所述加热组件用于对模拟空间加热，使石蜡融化；所述箱体的底板设有出蜡口，出蜡口设有开关，所述出蜡口的下方设有回收桶，以备收集从出蜡口流出的融化石蜡。

另一方面，提供一种可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟方法，利用上述的可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置，包括如下步骤：

步骤一：根据待模拟的基岩裂缝发育特征浇筑第一模拟板和第二模拟板；

步骤二：将第一模拟板和第二模拟板装入箱体内，并将多个第一控制机构与第一模拟板连接，多个第二控制机构与第二模拟板连接；基于待模拟基岩裂缝发育特征，在箱体的外部通过第一控制机构、第二控制机构控制第一模拟板和第二模拟板之间空隙的几何参数，调整待模拟裂缝的三维形态；

步骤三：在第一模拟板和第二模拟板之间的空隙内充填砂颗粒至预定高度；盖上顶板，将箱体的内部模拟空间密封；

步骤四：启动供水组件，向第一模拟板和第二模拟板之间的空隙内供入水；打开应变检测仪开始监测；打开底板上的出砂门，按照梯度增加水压，每一级水压保持T时间，若不发生突水溃砂，则加压至下一级水压，直至发生明显突水溃砂现象，溃出物经出砂口流入溃出物收集组件。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

a)利用控制机构调节箱体内的模拟板的位置、倾斜状态，可以精确的调节裂缝张开度、裂缝形态等，实现待模拟裂缝的三维形态的调节，不仅能够在模拟之前最大限度还原实际基岩裂缝特征参数，而且还可实现在模拟过程中实时调节裂缝宽度、倾斜角度等参数，进而模拟溃砂过程中裂缝参数变化，能够准确模拟煤矿开采时引发不同宽度、倾斜角度和表面粗糙度的采动裂缝内发生的突水溃砂，使得模拟结果更贴近实际。

b)裂缝模拟板为类岩石材料板，其表面按照实际裂隙面设置，最大限度还原实际裂隙面的粗糙度，可实现裂缝粗糙度对突水溃砂的影响模拟。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置的结构示意图；

图2为本发明提供的箱体的结构示意图；

图3(a)-(b)为本发明提供的两种不同凹凸程度的裂缝模拟板的结构示意图；

图4为本发明提供的供水组件的结构示意图；

图5为本发明提供的转动机构的结构示意图；

图6为本发明提供的转动机构内装有水压传感器的剖面结构示意图；

图7为本发明提供的箱体顶板通过四通接口连接压力表的结构示意图；

图8为本发明提供的箱体底板设置出砂门的第一种结构示意图；

图9为本发明提供的箱体底板设置出砂门的第二种结构示意图；

图10为本发明提供的基岩裂缝模拟板模具的结构示意图；

图11为本发明提供的基岩裂缝模拟板模具的剖面结构示意图；

图12为本发明提供的裂隙面成型机构的结构示意图。

附图标记：

1-箱体；11-底板；111-出砂门；112-合页；113-插销；12-顶板；13-第三侧板；14-第四侧板；

2-裂缝模拟板；21-第一模拟板；211-第一竖侧端面；22-第二模拟板；221-第二竖侧端面；23-空隙；

3-控制机构；31-调节杆；32-操作部；33-转动机构；331-连接板；331a-插入段；332-球铰接头；332a-第一空间；332b-连接杆；332c-通孔；

4-供水组件；41-供水管路；42-水箱；43-压力表；44-四通接口；45-加压管路；46-气泵；47-泄压阀；48-调压阀；

5-水压传感器；51-传感器连接线；

6-成型盒体；61-第一盒侧壁；62-第二盒侧壁；63-第三盒侧壁；64-第四盒侧壁；65-盒底；

7-裂隙面成型机构；71-钢板；72-螺杆；73-成型面板；73a-第一连接部；73b-第二连接部；74-伞帽螺丝；

8-调节挡板；

9-浆料充排管；

10-物料。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为便于对本申请实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本申请实施例的限定。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

本发明的一个具体实施例，如图1至图2所示，公开了一种可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置，包括：

箱体1，具有可视化的模拟空间；

裂缝模拟板2，设于所述模拟空间内，所述裂缝模拟板2具有第一模拟板21和第二模拟板22，第一模拟板21和第二模拟板22之间的空隙23用于模拟基岩裂缝，空隙23内充填有设计粒径的砂颗粒，且至少第一模拟板21和第二模拟板22中的一者为活动设置；

控制机构3，具有第一端和第二端，所述第一端位于所述箱体1内，并与活动设置的所述第一模拟板21和/或第二模拟板22连接，所述第二端位于所述箱体1外，以备通过第二端调节所述第一模拟板21与第二模拟板22之间所述空隙23的几何参数，从而调节待模拟裂缝的三维形态。

其中，空隙23的几何参数是指待模拟基岩裂缝的参数，包括：裂缝的宽度、产状等参数，其中产状可以理解为裂缝的倾斜角度。本实施例的模拟装置，利用控制机构3调节箱体内的裂缝模拟板的位置、倾斜状态，不仅能够在模拟之前最大限度还原实际基岩裂缝特征参数，而且还可实现在模拟过程中实时调节裂缝宽度、倾斜角度等参数，进而模拟溃砂过程中裂缝参数变化过程。

本实施例中，第一模拟板21和第二模拟板22均为类岩石材料板，可利用模具浇筑制成。所述第一模拟板21具有第一裂隙面，所述第二模拟板22具有与所述第一裂隙面相对的第二裂隙面，所述第一裂隙面和第二裂隙面与待模拟基岩裂缝的裂隙面形状相同或大体相同。由于实际基岩层裂隙面多为不规则裂隙面，为了使裂缝模拟板的裂隙面接近实际基岩裂隙面，将第一模拟板21的第一裂隙面和第二模拟板22的第二裂隙面按照实际基岩裂缝的两个裂隙面的形状设置，可以后期处理成所需形状的裂隙面，当然也可以通过调整模具的成型面控制裂缝模拟板的裂隙面的形状，图3(a)和图3(b)示出了两种不同凹凸程度的裂缝模拟板的结构。可选的，裂缝模拟板的裂隙面与实际待模拟基岩裂缝的裂隙面的相似度大于70％。

本实施例中，所述箱体1为长方体结构，包括底板11、顶板12和四个侧板，顶板12可拆卸设置在侧板的顶端，且顶板12能够与侧板的顶端密封连接，底板11密封设于所述侧板的底端；其中，相对的第一侧板和第二侧板为透明板，如透明亚克力板，采用透明板实现箱体1的内部可视化，便于直观观察整个模拟过程。相对的第三侧板13和/或第四侧板14上设有安装孔，所述控制机构3的第一端通过所述安装孔伸入所述模拟空间内，与所述第一模拟板21或第二模拟板22连接。

由于在模拟过程中，第一模拟板21、第二模拟板22的两侧竖侧端面需要与第一侧板和第二侧板密封接触，防止漏砂颗粒，而且第一模拟板21、第二模拟板22中的至少一者可能会在模拟过程中发生移动，因此将所述透明板的内壁面设为平面，所述第一模拟板21和第二模拟板22均具有两个平行的竖侧端面，两个竖侧端面之间的距离等于两个透明板的内壁面之间的距离。具体而言，所述第一模拟板21的两侧具有平行的第一竖侧端面211、第二模拟板22的两侧具有平行的第二竖侧端面221，第一竖侧端面和第二竖侧端面均为平面，当第一模拟板21和第二模拟板22装入箱体1内后，第一竖侧端面211、第二竖侧端面221能够与所述透明板的内壁面滑动接触。第一模拟板21和第二模拟板22的底端与底板11的顶面为面接触或线接触，防止砂颗粒漏出，例如，第一模拟板21和第二模拟板22的底端面均为平面。

本实施例中，所述底板11上设有出砂口，所述出砂口与第一模拟板21与第二模拟板22之间的裂缝连通，发生突水溃砂时，溃出物从出砂口流出，溃出物包括砂颗粒和水；所述出砂口上设有能够打开和关闭的出砂门111。出砂门111包括但不限定于以下两种结构：

第一种结构的出砂门111为抽拉式，如图8所示，出砂门111包括抽拉板，抽拉板的侧端面设有第一滑动部，出砂口设有第二滑动部，第一滑动部滑与第二滑动部动滑动密封连接，示例性的，第一滑动部为缺口，第二滑动部为凸出部，凸出部与缺口相适配。当抽拉板通过第一滑动部安装在出砂口时，能够将出砂口关闭；当需要打开出砂口时，向外抽出抽拉板，将出砂口打开。

第二种结构的出砂门111为翻转打开式，如图9所示，出砂门111包括翻折板，翻折板的一侧端通过合页112安装在出砂口，翻折板的另一侧端通过插销113与底板11固定，当需要打开出砂口时，拔出插销113，翻折板向下翻转打开，此结构的出砂门111向下打开，能够避免溃出物中的砂颗粒影响出砂门的顺利打开和关闭。

本实施例中，所述控制机构3包括调节杆31，所述调节杆31穿过第三侧板13或第四侧板14上的安装孔且能够沿所述安装孔的中心轴线直线往复移动；所述调节杆31的第一端与活动的所述第一模拟板21或第二模拟板22连接，所述调节杆31的第二端设有操作部32，操作部32位于箱体1的外部，以供操作者控制调节杆31的移动。

为了通过调节裂缝模拟板的倾斜角度实现模拟裂缝的倾斜角度调节，所述调节杆31的第一端通过转动机构33与所述第一模拟板21或第二模拟板22转动连接。具体而言，如图5所示，所述转动机构33包括连接板331以及设于连接板331上的球铰接头332，所述球铰接头332与所述调节杆31的第一端连接。当调节杆31沿所述安装孔的中心轴线直线往复移动时，可以方便灵活的调节裂缝模拟板的倾斜角度、宽度，进而实现模拟裂缝的倾斜角度、宽度的调节，可实现“V”和“Λ”等不同形状的裂缝溃砂模拟。如果调节杆31与裂缝模拟板固定连接，连接处不能转动，则调节杆只能调节两个裂缝模拟板之间的距离，无法调节倾斜角度。

进一步地，所述控制机构3的数量为多个，所述第一模拟板21和所述第二模拟板22均至少连接有一个控制机构3。通过在每一个模拟板上均连接控制机构3，可以根据待模拟基岩裂缝的宽度、产状调节两个模拟板之间的相对位置及倾斜角度，调节范围更广、更灵活。

更进一步地，所述第一模拟板21和所述第二模拟板22均连接有多个控制机构3，且在纵向上分散布置。示例性的，箱体1的第三侧板13和第四侧板14上分别设有多个第一安装孔和第二安装孔，第一安装孔纵向上分散布置在第三侧板13上，第二安装孔纵向上分散布置在第四侧板14上。进一步的，多个第一安装孔不在同一条直线上，多个第二安装孔不在同一条直线上，也就是说，多个第一控制机构与所述第一模拟板21连接的多个连接点不在同一条直线上；多个第二控制机构与所述第二模拟板22连接的多个连接点不在同一条直线上。通过将多个控制机构3纵向上分散布置，同时调节左右两侧相同高度处的控制机构来调整空隙23的宽度，通过调节同一侧不同位置的控制机构来调整该侧模拟板裂缝面的倾斜角度，以实现空隙23的倾斜角度调节，通过多个控制机构调节缝隙面的倾斜角度、宽度等更加灵活。

在其中一种可选实施方式中，所述调节杆31为光杆，所述光杆与所述安装孔密封滑动连接，所述调节杆31的操作部32可以为手动推拉杆，或者，采用直线驱动电机驱动。或者，所述调节杆31为螺杆，所述安装孔为螺纹孔，所述螺杆与所述安装孔螺纹连接，调节杆31与侧板上安装孔采用螺纹连接，密封性好，所述调节杆31的操作部32为手摇轮，通过不同位置的手摇轮可以驱动调节杆31的水平移动，进而调整两块裂缝模拟板的空间位置微调节，实现各种裂缝形态的模拟，更容易控制。

进一步地，所述球铰接头332与所述调节杆31的第一端密封拆卸连接，如插接或螺纹连接。可选的，球铰接头332包括球体以及与球体固定连接的连接杆332b，连接杆332b与调节杆31螺纹连接。

为了监测模拟过程中两裂缝模拟板之间空隙内的水压，如图6所示，所述球铰接头332为中空结构，具有第一空间332a，第一空间332a内安装有水压传感器；所述调节杆31为中空结构，具有第二空间，第一空间332a与第二空间连通，水压传感器能够实时记录突水溃砂过程中空隙23内不同位置处孔隙水压力的变化；设置所述转动机构33的第一模拟板21和/或第二模拟板22上设有通道，所述第一模拟板21和第二模拟板22之间的所述空隙23通过所述通道与所述第一空间332a连通。

具体而言，球铰接头332的球体为空心球，第一空间332a包括空心球的内部空间，与空心球固定连接的连接杆332b为中空结构，连接杆332b的内部空间与空心球的内部空间连通；空心球上设有通孔332c，通孔332c的数量为多个，均匀布置在空心球上，以保证空心球转动过程中保证第一空间与裂缝模拟板上的所述通道始终连通，保证水压测试结果的稳定性、可靠性。

其中，水压传感器连接有传感器连接线51，传感器连接线51由第二空间引出至箱体1外，与应变检测仪连接，传感器连接线51与第二空间的内壁密封连接，防止漏水，导致测压数据不准。

可选的，连接板331的端面上凸出设有中空的插入段331a，插入段331a与第一空间332a连通。裂缝模拟板上的所述通道可以采用人工钻取，钻头朝着插入段331a进行钻进，利用钻孔的方式在裂缝模拟板上构建通道。或者，在浇筑物料10前，需要在插入段331a内插入一个连通管，连通管为伸缩管，其长度可调节，连通管的一端装入插入段331a内，另一端利用胶带封住，浇筑过程中连通管的胶带封住端与成型面板73的成型端面接触，模拟板成型后，将胶带取下或戳漏，连通管以及插入段331a构成模拟板上的所述通道。

为了避免砂颗粒进入第一空间，裂缝模拟板上的通道设置过滤网，过滤网可以设置在通道的进水口，以防止砂颗粒进入所述通道。过滤网可以在裂缝模拟板成型后安装，在两块裂缝模拟板之间空隙充填砂颗粒之前，直接将过滤网安装在通道的进水口。过滤网也可以设置在所述球铰接头的进水口处，以避免砂颗粒进入第一空间。

本实施例中，模拟装置还包括供水组件4，供水组件4设于所述顶板12上，以备向所述箱体1的模拟空间内注入设定压力的水，并在模拟过程中根据需要调节控制两个裂缝模拟板之间空隙23内的水压。具体而言，如图4所示，供水组件4包括供水管路41，供水管路41的一端连接有水箱42，另一端接入箱体1内的模拟空间，供水管路41上设有供水开关和压力表43；供水组件4还包括加压管路45，加压管路45接入供水管路41，以备对供入箱体1内的水进行加压。可选的，加压管路45的一端设有气泵46，另一端通过四通接口44接入供水管路41，加压管路45上设有泄压阀47和调压阀48。其中，四通接口44包括第一接口、第二接口、第三接口和第四接口，第一接口与供水管路41连接，第二接口与压力表43连接，第三接口与加压管路45连接，第四接口与顶板12上的进水口连接，从而与箱体1内的模拟空间连通。

本实施例中，模拟装置还包括溃出物收集组件，所述溃出物收集组件位于所述箱体1的出砂口下方，用于收集模拟过程中从空隙23中流出的溃出物。所述箱体1通过支架架空设置，箱体1的底板11通过法兰盘与支架固定连接，支架具有用于放置溃出物收集组件的空间。溃出物收集组件包括漏斗、漏斗支架和收集桶，漏斗支架起到支撑固定漏斗的作用，收集桶位于漏斗下方，漏斗的下端出料口延伸进入收集桶内。

为了封堵模拟板的底端与箱体1的底板11、裂缝模拟板的竖侧端面与箱体1的第一侧板、第二侧板之间存在的缝隙，在裂缝模拟板的外侧面至第三侧板13、第四侧板14之间的空间内充填融化的石蜡，利用石蜡封堵裂缝模拟板与箱体内壁的缝隙，防止模拟过程中空隙23中的水从缝隙流出，保证空隙23中的水压为设定压力，提高模拟结果可靠性，而且还能够保持空隙23的空间形态。需要注意的是，石蜡充填不超过裂缝模拟板的高度，避免石蜡流入两裂缝模拟板之间的空隙23内。

进一步的，为了回收石蜡，本实施例的模拟装置还包括加热组件，完成溃砂模拟实验后，所述加热组件用于对模拟空间加热，使凝固的石蜡融化；所述箱体1的底板11设有出蜡口，出蜡口设有开关，所述出蜡口的下方设有回收桶，以备收集从出蜡口流出的融化石蜡。示例性的，加热组件包括加热板，加热板设置在箱体1的底板11和侧板上，优选地，底板11、第三侧板13、第四侧板14上均安装有加热板。

本实施例，还公开了一种可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟方法，利用上述的可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置，所述模拟方法包括如下步骤：

步骤一：根据待模拟的基岩裂缝发育特征浇筑第一模拟板21和第二模拟板22；

步骤二：将第一模拟板21和第二模拟板22装入箱体1内，并将多个第一控制机构与第一模拟板21连接，多个第二控制机构与第二模拟板22连接；基于待模拟基岩裂缝发育特征，在箱体1的外部通过第一控制机构、第二控制机构控制第一模拟板21和第二模拟板22之间空隙23的几何参数；

步骤三：在第一模拟板21和第二模拟板22之间的空隙23内充填砂颗粒至预定高度；在第一模拟板21至第三侧板13之间的空间、第二模拟板22至第四侧板14之间的空间内充填融化的石蜡，以在石蜡凝固后封堵模拟板与箱体1内壁的空隙；盖上顶板12，将箱体1的内部模拟空间密封；

步骤四：启动供水组件4，向第一模拟板21和第二模拟板22之间的空隙23内供入水；打开应变检测仪开始监测；打开箱体1底板11上的出砂门111，按照梯度增加水压，每一级水压保持T时间，若不发生突水溃砂，则加压至下一级水压，直至发生明显突水溃砂现象，溃出物经出砂口流入溃出物收集组件。

在步骤一中，采用的浇筑物料包括水泥、河沙、膨润土和石膏，也就是说，使用水泥、河沙、膨润土、石膏配制类岩石相似材料浇筑第一模拟板21和第二模拟板22。其中，水泥作为胶结物，河沙作为骨料，加入膨润土可模拟岩石一定程度的膨胀性，加入石膏可模拟部分岩石遇水软化性和崩解性。

在步骤一中，利用基岩裂缝模拟板模具制备具有不同形状裂隙面的第一模拟板21和第二模拟板22。如图10至图12所示，基岩裂缝模拟板模具包括成型盒体6和裂隙面成型机构7，成型盒体6具有物料浇筑空间，以备容纳制备裂缝模拟板的物料10；裂隙面成型机构7设于所述成型盒体6上，以在所述物料10成型时控制所述物料10的顶面成型形状；其中，所述裂隙面成型机构7具有成型面板73和面板调节机构，所述成型面板73具有成型端面，所述成型端面朝向所述物料浇筑空间，以备限定所述物料10的顶面成型形状；所述面板调节机构与所述成型面板73连接，通过调节所述成型面板73的成型端面形状，以制备具有不同形状裂隙面的裂缝模拟板。

在步骤一中，根据待模拟的基岩裂缝面的形状，利用面板调节机构调整成型面板73的成型端面形状，使成型面板73的形状与待模拟基岩裂缝面的形状相同或大体相同，在成型壳体6的物料浇筑空间内灌入物料10后，成型凝固过程中物料10的顶面始终与成型面板73的成型端面接触，物料10凝固后形成裂缝模拟板，再次调节面板调节机构使成型面板73与凝固的裂缝模拟板分离，从成型盒体6取出裂缝模拟板，完成模拟板的制备。

本实施例中，成型面板73的成型端面是一个可以变形的面，该成型端面可以用不透水的材料制成，而且可以变形，由于螺杆72密集布置，通过旋拧不同位置的螺杆72实现成型端面的形状调整，进而实现制备不同顶面形状的裂缝模拟板。可选的，所述成型面板73包括橡胶板。橡胶板具有一定柔性变形能力和硬度，厚度为5-15cm，不仅能够在螺杆72调节作用下变形，而且能够在物料10凝固成型过程中，成型端面的形状保持稳定。

本实施例中，所述面板调节机构包括钢板71和多个螺杆72，所述钢板71水平架空设于所述成型盒体6的顶端，所述钢板71上设有与所述螺杆72相适配的多个螺孔，所述螺杆72螺纹安装于所述钢板71上，所述螺杆72穿过所述钢板71的一端与所述成型面板73连接。

本实施例中，所述螺杆72的第一端设有旋拧部，便于手动旋拧操作。螺杆72的第二端设置平板或弧形板，平板或弧形板埋设在橡胶板内，能够防止螺杆向下旋拧过程中顶破成型面板；所述螺杆72的第二端通过伞帽螺丝74与所述成型面板73连接；伞帽螺丝74包括螺丝杆和设于螺丝杆端部的螺帽，螺帽具有平面以及外凸圆弧面，螺帽的平面一端与螺丝杆转动连接，例如，螺帽与螺丝杆采用球铰连接方式，螺丝杆与螺杆72的第二端螺纹连接，所述螺帽位于所述橡胶板内。由于螺帽与螺丝杆转动连接，当橡胶板在螺杆72的作用下发生形变时，螺帽可随橡胶板变形进行转动，使得橡胶板的变形是过渡的，而不是突然变形，进而保证裂缝模拟板顶面的形状的成型效果。

在其中一种可选实施方式中，所述成型面板73设有多根支撑筋，所述支撑筋为条状结构，多根所述支撑筋平行布置，相邻两根支撑筋之间具有一定距离，例如，支撑筋可设置在橡胶板内，所述螺杆72与所述支撑筋连接，支撑筋能够在螺杆72的作用下发生微变形，有助于模拟板裂隙面的凹凸形状控制。

本实施例中，所述成型盒体6包括盒底65以及与所述盒底65垂直设置的第一盒侧壁61、第二盒侧壁62、第三盒侧壁63和第四盒侧壁64；其中，第一盒侧壁61与第二盒侧壁62平行相对布置，第三盒侧壁63与第四盒侧壁64平行相对布置；在盒底65上设有成型槽，以备在浇筑物料前放置转动机构33，转动机构33的一部分位于所述成型槽内，一部分位于所述物料浇筑空间内，使转动机构的至少一部分与浇筑物料凝固后形成的裂缝模拟板紧密结合；所述成型盒体6的浇筑物料空间内还活动设有调节挡板8，所述调节挡板8平行于所述第一盒侧壁61和第二盒侧壁62设置，且调节挡板8与所述第三盒侧壁63和第四盒侧壁64的内壁滑动密封接触。调节挡板8可以在成型盒体6内水平滑动，在步骤一中，可通过控制调节挡板8在成型盒体6内的不同位置，以实现不同尺寸裂缝模拟板的制备。

在其中一种可选实施方式中，调节挡板8通过长度可调节的定位件固定在成型盒体6内。示例性的，定位件为长度调节杆，长度调节杆设置在调节挡板8与第一盒侧壁61之间，而调节挡板8与第二盒侧壁62之间的空间用于盛放物料。

本实施例中，成型盒体6设有浆料充排管9，所述浆料充排管9与所述物料浇筑空间连通，以备向所述物料浇筑空间内供入或排出物料。所述浆料充排管9连接有三通管，通过三通管实现浆液的供入和排出。具体而言，三通管的第一口与注浆设备连接，三通管的第二口连接有排浆管，排浆管上设有排浆开关，三通管的第三口与所述浆料充排管9连接。在步骤一中，可以通过浆料充排管9向所述物料浇筑空间内供入或排出物料，以保证物料充足、及时排出多余物料及成型过程中所需压力。

本实施例的一个可选实施方式中，裂隙面成型机构7包括多个成型机构单元，多个成型机构单元拆卸拼接，每个成型机构单元与裂隙面成型机构7的结构本质上相同。具体而言，所述钢板71包括多个分段钢板，所述成型面板73包括多个分段成型面板，所述成型机构单元包括上、下对应布置的一分段钢板和一分段成型面板。为了便于拼接，分段成型面板的第一端的侧端面上通长设有第一连接部73a，第二端的侧端面上通长设有第二连接部73b；所述第一连接部73a与所述第二连接部73b密封插接。可选的，所述第一连接部73a为凸出部，所述第二连接部73b为凹槽。在步骤一中，根据所需制备模拟板尺寸，可以将多个分段成型面板拼接成一个更大尺寸的成型面板73，从而可实现不同尺寸模拟板的制备。

如图12所示，所述伞帽螺丝74的螺帽位于所述第一连接部73a与所述第二连接部73b连接处的上方。螺帽埋设在橡胶板内，并且位于凹槽的上方，当凸出部插入凹槽后，随着物料的灌入，物料会向成型面板73的成型端面施加向上的作用力，配合螺帽造成第一连接部73a与所述第二连接部73b连接处挤压，从而提升连接密封性，防止漏浆。

步骤三中：在第一模拟板21和第二模拟板22之间的空隙23内充填砂颗粒包括如下步骤：利用一套孔径大小不同的标准筛，筛选出一组粒径范围在0.075-2mm之间的符合研究靶区砂源颗粒级配的砂颗粒，充分混匀后分多次加入两块模拟板之间的空隙23内并压实，直至砂颗粒堆积至预设高度。分多次加入击实主要是为了保证上下压实度一致，一次加入全部再压实会出现下松上密的结果，压实是为了避免沙遇水饱和有一定程度塌缩，无法充满空隙23。示例性的，符合研究靶区砂源颗粒级配的砂颗粒包括粒径为0.5mm以上的粗砂，粒径为0.25-0.5mm的中砂，粒径为0.125-0.25mm的细砂，粒径小于0.125mm的极细砂。其中，粗砂为50％，中砂、细砂和极细砂占比合计50％，具体配比根据研究靶区砂源颗粒级配进行调整。

在步骤四中，先利用供水管路41向空隙23内供入预定水位的水，随后利用加压管路45对空隙23内的水加压，先通过高精度调压阀48，在气压作用下箱体1内的水压逐渐增加，将箱体1内的水压力保持在一个较小值，如0.1MPa，并持续20min，使箱体1内砂颗粒与水充分混合，达到完全饱和状态。随后打开应变检测仪开始监测。打开出砂门111，通过调压阀48按照梯度增压的方式增加箱体1内的水压，试验过程中每一级水压至少保持10min，若不发生突水溃砂，则增加至下一级水压，直至发生明显突水溃砂现象，溃出物经出砂口流入溃出物收集组件的收集桶内，每隔1分钟更换收集桶，对每个收集桶称重烘干即可得溃出物的砂颗粒级配和突水量。

在模拟采动引起的裂缝内突水溃砂过程中，利用压力表43直接获得突水溃砂的临界水压力，位于空隙23不同高度球铰接头第一空间332a内的水压传感器实时记录突水溃砂过程中空隙23内不同位置处孔隙水压力的变化。

当完成模拟实验后，关闭调压阀48，打开泄压阀47卸除箱体1内的压力，利用加热组件对箱体1内的石蜡进行加热，石蜡融化后从石蜡出口流出，收集起来再次利用。

若在实验过程中需要调整裂缝模拟板的位置，以改变裂缝形态时，通过调整不同高度位置处的控制机构3，改变第一模拟板21和/或第二模拟板22的空间位置及形态，控制第一模拟板21与第二模拟板22之间空隙23的空间参数，从而模拟开采过程中覆岩移动造成的裂缝动态变化对突水溃砂造成的影响。由于控制机构3在调节裂缝模拟板空间姿态过程中，会引起石蜡密封处的断开，因此，在需要调节之前启动加热组件对石蜡进行加热，只需要模拟板与箱体1内壁接触位置处石蜡开始融化后再调节控制机构3，继续加热，待控制机构3调节完成后，关闭加热组件，使融化的石蜡再次凝固，进而实现二次密封。

与现有技术相比，本实施例提供的一种可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置及方法，至少可实现如下有益效果之一：

1、本申请充分考虑了裂缝宽度、形态、表面粗糙度等多因素对突水溃砂的影响，通过在箱体外操作控制机构，调节类岩石材料的裂缝模拟板的空间位置、倾斜角度，可以改变初始裂缝的几何形状和裂缝的宽度、倾斜角度等，使得模拟的裂缝更接近实际，从而获得更为符合实际、更为准确的模拟结果。

2、由于操作控制机的一端位于箱体的外部，在试验过程中可以实时改变两个裂缝模拟板的位置、倾斜角度，进而改变模拟裂缝的宽度、形态等参数，能够模拟开采过程中覆岩移动造成的裂缝动态变化对突水溃砂造成的影响。

3、试验人员在浇筑类岩石材料的裂缝模拟板时可以通过裂隙面成型机构控制裂缝模拟板的顶面形状，使裂缝模拟板的表面最大限度的接近实际裂隙面的粗糙度，获得的裂缝粗糙度对突水溃砂影响的模拟结果更为准确。

4、本申请模拟装置的结构简单，操作方便，利用一套裂缝模拟板就能实现多裂缝参数的实验模拟，不仅功能丰富，而且成本低廉，简单易操作。

以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置，其特征在于，包括：

箱体(1)，具有可视化的模拟空间；

裂缝模拟板(2)，设于所述模拟空间内，所述裂缝模拟板(2)具有第一模拟板(21)和第二模拟板(22)，第一模拟板(21)和第二模拟板(22)之间的空隙(23)用于模拟基岩裂缝，空隙(23)内充填有砂颗粒，且至少第一模拟板(21)和第二模拟板(22)中的一者为活动设置；

控制机构(3)，具有第一端和第二端，所述第一端位于所述箱体(1)内，并与活动设置的所述第一模拟板(21)和/或第二模拟板(22)连接，所述第二端位于所述箱体(1)外，以备通过第二端调节所述第一模拟板(21)与第二模拟板(22)之间所述空隙(23)的几何参数，实现待模拟裂缝的三维形态的调节。

2.根据权利要求1所述的可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置，其特征在于，所述第一模拟板(21)具有第一裂隙面，所述第二模拟板(22)具有与所述第一裂隙面相对的第二裂隙面，所述第一裂隙面和第二裂隙面与待模拟基岩裂缝的裂隙面形状相同或大体相同。

3.根据权利要求1所述的可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置，其特征在于，所述箱体(1)为长方体结构，包括底板(11)、顶板(12)和四个侧板，顶板(12)可拆卸设置在侧板的顶端，底板(11)密封设于所述侧板的底端；

其中，相对的第一侧板和第二侧板为透明板；相对的第三侧板(13)和/或第四侧板(14)上设有安装孔，所述控制机构(3)的第一端通过所述安装孔伸入所述模拟空间内，与所述第一模拟板(21)或第二模拟板(22)连接。

4.根据权利要求3所述的可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置，其特征在于，所述第一侧板和第二侧板的内壁面为平面；

所述第一模拟板(21)和第二模拟板(22)均具有两个平行的竖侧端面，两个竖侧端面之间的距离等于两个透明板的内壁面之间的距离。

5.根据权利要求4所述的可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置，其特征在于，所述控制机构(3)包括调节杆(31)，所述调节杆(31)穿过所述安装孔且能够沿所述安装孔的中心轴线直线往复移动；

所述调节杆(31)的第一端与活动的所述第一模拟板(21)或第二模拟板(22)连接，所述调节杆(31)的第二端设有操作部(32)，以供操作者控制调节杆(31)的移动。

6.根据权利要求5所述的可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置，其特征在于，所述调节杆(31)的第一端通过转动机构(33)与所述第一模拟板(21)或第二模拟板(22)转动连接。

7.根据权利要求6所述的可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置，其特征在于，所述转动机构(33)包括连接板(331)以及设于连接板(331)上的球铰接头(332)，所述球铰接头(332)与所述调节杆(31)的第一端连接。

8.根据权利要求7所述的可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置，其特征在于，所述球铰接头(332)为中空结构，具有第一空间(332a)，第一空间(332a)内安装有水压传感器；

所述调节杆(31)为中空结构，具有第二空间，第一空间(332a)与第二空间连通；

设置所述转动机构(33)的第一模拟板(21)和/或第二模拟板(22)上设有通道，所述第一模拟板(21)和第二模拟板(22)之间的所述空隙(23)通过所述通道与所述第一空间(332a)连通。

9.根据权利要求1所述的可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置，其特征在于，所述控制机构(3)的数量为多个，所述第一模拟板(21)和所述第二模拟板(22)均至少连接有一个控制机构(3)。

10.一种可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟方法，其特征在于，利用权利要求1至9任一项所述的可调节采动裂缝三维形态的突水溃砂模拟装置，包括如下步骤：

步骤一：根据待模拟的基岩裂缝发育特征浇筑第一模拟板(21)和第二模拟板(22)；

步骤二：将第一模拟板(21)和第二模拟板(22)装入箱体(1)内，并将多个第一控制机构与第一模拟板(21)连接，多个第二控制机构与第二模拟板(22)连接；基于待模拟基岩裂缝发育特征，在箱体(1)的外部通过第一控制机构、第二控制机构控制第一模拟板(21)和第二模拟板(22)之间空隙(23)的几何参数；

步骤三：在第一模拟板(21)和第二模拟板(22)之间的空隙(23)内充填砂颗粒至预定高度；盖上顶板(12)，将箱体(1)的内部模拟空间密封；

步骤四：启动供水组件(4)，向第一模拟板(21)和第二模拟板(22)之间的空隙(23)内供入水；打开应变检测仪开始监测；打开底板(11)上的出砂门(111)，按照梯度增加水压，每一级水压保持T时间，若不发生突水溃砂，则加压至下一级水压，直至发生明显突水溃砂现象，溃出物经出砂口流入溃出物收集组件。

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