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制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种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，涉及含断层构造煤层底板突水相似试验技术领域，其包括试验架，侧板，加载板，透明玻璃挡板，相似模型存放腔，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，相似模型；相似模型铺设过程中，在预定位置同步埋设应力、位移、渗压、温度等多元信息传感器，采用分布式光纤光栅技术进行监测，试验中通过侧压加载系统和垂直加载系统加载随埋深线性增大的水平载荷和均布竖向垂直载荷，能模拟煤系地层的真实受力状态，直接用水力模拟承压水，能够真实反演承压水在采动断层活化裂隙内的渗透、冲刷作用及形成突水通道的过程，方法简单、过程可视化程度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及含断层构造煤层底板突水相似试验
，具体涉及一种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。
技术介绍
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。随着煤矿开采深度及开采强度的进一步增大，回采工作面受底板奥灰岩溶水的威胁日益严重，特别是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。矿井突水在造成经济损失和人员伤亡的同时，也对矿区水资源与环境造成了严重的污染和破坏。因此，有效遏制矿井水害的发生，已成为众多矿井所共同面对的热点问题和技术难题。断层活化突水是煤矿突水的一种重要形式，其具有较强的隐敝性和难确定性，易造成重大灾难，严重威胁着煤矿的安全生产。工作面回采期间，引起采场围岩应力变化，使得承压水在合适的应力环境下通过劈裂、扩张、贯通、破坏隔水层内断层等构造裂隙的同时进一步向上导升，从而诱导矿井水害的发生。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。国内外学者在底板断层活化突水机理方面进行了研究，对煤矿水害防治起到了积极指导作用，但随着开采深度、开采强度的增大，底板突水，特别是底板断层突水问题对工作面安全快速推进的影响日益严重，其防治难度更大。由于采场底板断层活化突水机理的复杂性及研究手段的局限性，对底板断层活化突水机理及其监测预报的研究还主要集中在理论分析、数值模拟及非
流固耦合相似试验方面，缺乏底板断层活化及突水通道形成过程的动态监测与可视化研究，不能从根本上预测及防治承压水上采动断层活化突水，使得许多矿井为了防止断层活化突水不得不放弃大量煤炭资源的开采而留作防水煤柱，更多的则因底板水威胁而暂时无法开采。相似试验是以相似理论为基础的模型试验技术，利用事物或现象间存在的相似或类似等特征来研究自然规律，适用于那些难以用理论分析方法获取结果的研究领域。含断层煤层底板岩层破坏引发断层突水的过程实质上是在采动矿压和底板含水层水压共同作用下，承压水导升带与采动断层活化破坏带沟通进而形成导水通道的演化与灾变过程。由于底板断层突水问题的特殊性，人们不可能在现场观察到底板断层采动活化与突水通道的形成过程，而理论分析过程中对许多因素做了大量简化。鉴于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，并最终活化形成导水通道的动态过程。通过专利检索，存在以下已知的技术方案：专利1：申请号：201210491050.5，申请日：2012-11-27，授权公告日：2013-04-03，本专利技术公开了一种可控制模拟承压水加载与底板破坏关系的实验平台，包括底部液压分离式加载系统、弹簧组、底部承载应力转化板、称重传感器、顶部承载应力转化板、顶部液压加载系统、应变计、数据采集和处理系统、模型框架和电源；底部液压分离式加载系统置于模型框架底部，顶部液压加载系统置于模型框架顶部，底部液压分离式加载系统上部依次装有称重传感器、底部承载应力转化板和弹簧组；顶部液压加载系统下部装有顶部承载应力转化板，在顶部和底部承载应力转化板之间形成一个空腔，其内设置铺设材料；应变计设置在铺设材料中；称重传感器和应变计与数据采集和处理系统连
接。该专利可以相似模拟研究工作面回采过程中底板岩层变形、底鼓、破坏规律以及承压水对底板岩层的作用机理和底板岩层裂隙发育情况，以此直观判断底板是否发生突水。该实验平台利用弹簧组代替承压水对煤层底板岩层进行载荷加载，模拟底板岩层的变形、破坏，但无法反演承压水在底板岩层裂隙中的渗流及其对裂隙冲刷形成突水通道的过程。专利2：申请号：201110264763.3，申请日：2011-09-08，授权公告日：2012-02-22，本专利技术公开了一种用于模拟采动煤层底板突水的试验系统及其方法，其包括试验架，并且该试验架顶部设置有纵向加载机构，该纵向加载机构上设置有水平布置的加载板，该试验架的左右两侧分别设置有横向加载机构，两侧的横向加载机构相向布置，横向加载机构上设置有一竖直布置的侧板，加载板压在侧板的上边，该试验架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、两个侧板、两个面板与试验架的底部形成一用于放置试样的容纳空间；试验架的底部下方设置有一水槽，该水槽与高压水缸相连通；该底部上设置有与该水槽相连通的透水区域，该透水区域的周边设置用于密封的橡皮囊。该专利提供了一种反演煤层底板突水的试验装置及其方法，解决了模拟煤层底板突水过程中承压水的作用及演示了导水通道的形成过程，但该试验装置无法模拟承压水对底板岩层的渗透侵蚀作用，仅强调了承压水对底板岩层的冲刷渗透作用。另外，该试验装置不能模拟研究侧向载荷对底板岩层破坏、裂隙扩展、贯通及承压水递进导升的影响规律。专利3：申请号：201410466083.3，申请日：2014-09-15，授权公告日：
2014-12-10，本专利技术涉及一种用于模拟煤层底板突水的试验装置及其方法，可有效解决模拟煤层底板突水过程中承压水的作用，演示导水通道的形成过程并收集相关数据的问题，技术方案是，包括实验架和顶部加载系统，实验架的下部内装有水平的储水加载板，实验架的外部装有拆卸式的挡板，储水加载板和挡板之间的实验架内部构成用于容纳模拟材料的实验空间，底梁上装有底部加载系统，储水加载板的上表面均布有连通实验空间和其内腔的出水孔，下表面均布有与其内腔相连通的注水孔，注水孔上装有自由端伸入水槽内水体的注水管道，本专利技术不但解决了压力变化难以控制的问题，更起到水力冲刷渗透作用，是模拟煤层底板突水试验装置上的创新。该专利公开了一种用于模拟采动煤层底板突水的试验系统及其方法，通过在试验架底部下方设置水槽实现承压水对底板岩层的直接水力加载，并通过横向加载机构实现了底板岩层的侧向载荷加载，但该横向加载机构仅能单一的对煤层底板下部的底板岩层进行侧向载荷的加载，无法对相似试验模型整体进行侧向载荷的加载，更无法反演煤系地层随埋深增加其侧向载荷线性增大的受力状态。另外，现有试验装置主要模拟研究无断层构造的完整底板的突水问题，对于含断层构造底板突水的相似模拟，尤其是采动断层活化及突水通道形成过程的再现、可视化等相关细节问题还未见诸报道。由此可见，现有模拟煤层底板突水的相似试验装置有待于更进一步改进、完善，以更好的应用于承压水上采动断层活化及突水通道形成过程的可视化相似模拟研究。通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本专利技术的新颖性；并且以上专利文件的相互组合没有破坏本专利技术的创造性。为了解放大量的煤炭资源，同时保证承压水上含断层煤层的安全带压开采，必须对采场底板断层活化突水的演化规律进行相似试验研究，分析承压断层采动活化及突水通道的形成过程，才能更好的解析
断层活化突水机理，预测及防治采场底板断层活化突水。因此，有必要开展承压水上采动断层活化与突水通道形成过程的相似试验装置与可视化方法研究，实现承压水上含断层煤层的安全高效开采。
技术实现思路
(一)解决的技术问题本专利技术所要解决的技术问题是提供了一种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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置，包括试验架(1)，侧板(2)，加载板(3)，透明玻璃挡板(4)和相似模型存放腔(5)，其特征在于：还包括侧压加载系统(6)，垂直加载系统(7)，水压加载系统(8)，信号采集处理系统(9)和相似模型(10)，所述试验架(1)包括底座(1‑1)，顶梁(1‑2)和竖梁(1‑3)，所述底座(1‑1)连接有竖梁(1‑3)，所述竖梁(1‑3)连接有顶梁(1‑2)，所述底座(1‑1)上竖向连接有两个侧板(2)；所述透明玻璃挡板(4)包括前透明玻璃挡板(4‑1)，后透明玻璃挡板(4‑2)，透明玻璃挡板左竖向凹槽(4‑3)，透明玻璃挡板右竖向凹槽(4‑4)和开挖窗口(4‑5)，所述底座(1‑1)和侧板(2)连接有前透明玻璃挡板(4‑1)和后透明玻璃挡板(4‑2)，所述前透明玻璃挡板(4‑1)和后透明玻璃挡板(4‑2)上各设有一个透明玻璃挡板左竖向凹槽(4‑3)和透明玻璃挡板右竖向凹槽(4‑4)，所述加载板(3)包括竖向布置的加载板(3‑1)和水平布置的加载板(3‑2)，所述透明玻璃挡板左竖向凹槽(4‑3)和透明玻璃挡板右竖向凹槽(4‑4)的宽度大于竖向布置的加载板(3‑1)的厚度，所述透明玻璃挡板左竖向凹槽(4‑3)和透明玻璃挡板右竖向凹槽(4‑4)内密封连接有竖向布置的加载板(3‑1)；所述底座(1‑1)，侧板(2)，前透明玻璃挡板(4‑1)和后透明玻璃挡板(4‑2)构成相似模型存放腔(5)，所述竖梁(1‑3)连接有侧压加载系统(6)，所述顶梁(1‑2)连接有垂直加载系统(7)，所述相似模型存放腔(5)底部的底座(1‑1)连接有水压加载系统(8)，所述相似模型存放腔(5)内连接有相似模型(10)，所述相似模型(10)连接有信号采集与处理系统(9)。...

【技术特征摘要】
1.一种承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置，包括试验架(1)，侧板(2)，加载板(3)，透明玻璃挡板(4)和相似模型存放腔(5)，其特征在于：还包括侧压加载系统(6)，垂直加载系统(7)，水压加载系统(8)，信号采集处理系统(9)和相似模型(10)，所述试验架(1)包括底座(1-1)，顶梁(1-2)和竖梁(1-3)，所述底座(1-1)连接有竖梁(1-3)，所述竖梁(1-3)连接有顶梁(1-2)，所述底座(1-1)上竖向连接有两个侧板(2)；所述透明玻璃挡板(4)包括前透明玻璃挡板(4-1)，后透明玻璃挡板(4-2)，透明玻璃挡板左竖向凹槽(4-3)，透明玻璃挡板右竖向凹槽(4-4)和开挖窗口(4-5)，所述底座(1-1)和侧板(2)连接有前透明玻璃挡板(4-1)和后透明玻璃挡板(4-2)，所述前透明玻璃挡板(4-1)和后透明玻璃挡板(4-2)上各设有一个透明玻璃挡板左竖向凹槽(4-3)和透明玻璃挡板右竖向凹槽(4-4)，所述加载板(3)包括竖向布置的加载板(3-1)和水平布置的加载板(3-2)，所述透明玻璃挡板左竖向凹槽(4-3)和透明玻璃挡板右竖向凹槽(4-4)的宽度大于竖向布置的加载板(3-1)的厚度，所述透明玻璃挡板左竖向凹槽(4-3)和透明玻璃挡板右竖向凹槽(4-4)内密封连接有竖向布置的加载板(3-1)；所述底座(1-1)，侧板(2)，前透明玻璃挡板(4-1)和后透明玻璃挡板(4-2)构成相似模型存放腔(5)，所述竖梁(1-3)连接有侧压加载系统(6)，所述顶梁(1-2)连接有垂直加载系统(7)，所述相似模型存放腔(5)底部的底座(1-1)连接有水压加载系统(8)，所述相似模型存放腔(5)内连接有相似模型(10)，所述相似模型(10)连接有信号采集与处理系统(9)。2.根据权利要求1所述的承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置，其特征在于：所述侧压加载系统(6)包括侧向水平加载装置(6-1)，液压油管(6-2)，第一三通阀(6-3)，稳压装置(6-4)，液压阀门(6-5)和液压控制装置(6-6)，所述竖梁(1-3)连接有侧向水平加载装置(6-1)，所述侧向水平加载装置(6-1)连接有竖向布置 的加载板(3-1)和液压油管(6-2)，所述液压油管(6-2)连接有液压控制装置(6-6)，所述液压油管(6-2)上按侧向水平加载装置(6-1)至液压控制装置(6-6)方向依次设有第一三通阀(6-3)，稳压装置(6-4)和液压阀门(6-5)；所述侧向水平加载装置(6-1)包括液压油缸(6-1a)，活塞杆(6-1b)，球头(6-1c)和垫块(6-1d)，所述竖梁(1-3)连接有液压油缸(6-1a)，所述液压油缸(6-1a)连接有液压油管(6-2)和活塞杆(6-1b)，所述活塞杆(6-1b)连接有球头(6-1c)，所述球头(6-1c)连接有垫块(6-1d)。3.根据权利要求2所述的承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置，其特征在于：所述垂直加载系统(7)包括竖向垂直加载装置(7-1)，第二液压油管(7-2)，第二三通阀(7-3)，第二稳压装置(7-4)，第二液压阀门(7-5)和第二液压控制装置(7-6)，所述顶梁(1-2)连接有竖向垂直加载装置(7-1)，所述竖向垂直加载装置(7-1)连接有水平布置的加载板(3-2)和第二液压油管(7-2)，所述第二液压油管(7-2)连接有第二液压控制装置(7-6)，所述第二液压油管(7-2)上按竖向垂直加载装置(7-1)至第二液压控制装置(7-6)方向依次设有第二三通阀(7-3)，第二稳压装置(7-4)和第二液压阀门(7-5)；所述竖向垂直加载装置(7-1)包括第二液压油缸(7-1a)，第二活塞杆(7-1b)，第二球头(7-1c)和第二垫块(7-1d)，所述顶梁(1-2)连接有第二液压油缸(7-1a)，所述第二液压油缸(7-1a)连接有第二液压油管(7-2)和第二活塞杆(7-1b)，所述第二活塞杆(7-1b)连接有第二球头(7-1c)，所述第二球头(7-1c)连接有第二垫块(7-1d)。4.根据权利要求1所述的承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置，其特征在于：所述水压加载系统(8)包括承压水存贮槽(8-1)，承压多孔透水钢篦(8-2)，高压水管(8-3)，水压稳压装置(8-4)，注水阀(8-5)，水压控制装置(8-6)，水箱(8-7)，第三三通阀(8-8)，排水卸压阀(8-9)和排气阀(8-10)，所述底座(1-1)上设 有承压水存贮槽(8-1)，所述承压水存贮槽(8-1)上方连接有承压多孔透水钢篦(8-2)，所述承压水存贮槽(8-1)连接有排气管和高压水管(8-3)，所述排气管上设有排气阀(8-10)，所述高压水管(8-3)连接有水压控制装置(8-6)和水箱(8-7)，所述高压水管(8-3)上靠近承压水存贮槽(8-1)处设有水压稳压装置(8-4)，所述高压水管(8-3)分流处设有第三三通阀(8-8)，所述高压水管(8-3)上第三三通阀(8-8)与水压控制装置(8-6)之间设有注水阀(8-5)，所述高压水管(8-3)上第三三通阀(8-8)与水箱(8-7)之间设有排水卸压阀(8-9)。5.根据权利要求4所述的承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置，其特征在于：所述底座(1-1)上承压水存贮槽(8-1)上方处设有凹形台阶(8-1a)，所述凹形台阶(8-1a)内连接有承压多孔透水钢篦(8-2)，所述承压多孔透水钢篦(8-2)上均布密布设有圆形通孔(8-2a)和十字型沟槽(8-2b)。6.根据权利要求1所述的承压断层采动活化与突水通道形成过程相似试验装置，其特征在于：所述信号采集与处理系统(9)包括突水前兆信息采集与处理系统(9-1)，声发射信号采集与处理系统(9-2)和视电阻率信号采集与处理系统(9-3)；所述突水前兆信息采集与处理系统(9-1)包括光纤传感器阵列(9-1a)，光纤分路器(9-1b)，光纤光栅解调装置(9-1c)，前兆信息采集与处理的PC机(9-1d)和光缆(9-1e)，所述光纤传感器阵列(9-1a)包括光纤应力传感器(9-1a1)，光纤位移传感器(9-1a2)，光纤渗压传感器(9-1a3)和光纤温度传感器(9-1a4)，所述光纤应力传感器(9-1a1)，光纤位移传感器(9-1a2)，光纤渗压传感器(9-1a3)和光纤温度传感器(9-1a4)通过光...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙建，胡洋，王超，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34