用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统及试验方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Test system and method for simulating water inrush from floor of concealed structure

The invention discloses a test system and a test method for simulating water inrush from the floor of a concealed structure, belonging to the technical field of mine water inrush simulation. It consists of a test bed, a vertical loading mechanism and a horizontal loading mechanism. The vertical loading mechanism is located at the top of the test bed, and is used to provide vertical stress to the sample to be tested. The horizontal loading mechanism is located on both sides of the test bed, which provides horizontal stress to the sample to be tested respectively. The horizontal loading mechanism loads the sample unevenly. Each horizontal loading mechanism includes compression. The unit and side plate are provided with a cavity in the side plate, and movable rigid blocks and elastic blocks are arranged in the cavity, and rigid blocks are always arranged at the opening. The rigid blocks and elastic blocks in the remaining positions of the cavity are arranged at intervals. The invention can simulate the whole process of deep well high water pressure, floor lithology change and floor water inrush, thereby obtaining the relevant data of floor water inrush, and being applied in production operation, thereby improving the safety of coal seam operation.

【技术实现步骤摘要】
用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统及试验方法
本专利技术属于矿井突水模拟
，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。
技术介绍
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.
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。作为本专利技术的一个优选方案，待测试样的长、宽、高分别为1.2m、1m与0.5m。作为本专利技术的另一个优选方案，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。本专利技术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。本专利技术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，模拟深本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙熙震，付厚利，王海龙，贾传洋，刘珂铭，张贵彬，
申请(专利权)人：临沂大学，
类型：发明
国别省市：山东,37