[發明專利]一種加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201410757130.X
• 申請日: 2014-12-10
• 公開（公告）號: CN104458534B
• 公開（公告）日: 2016-11-09
• 發明（設計）人: 高喜才
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明涉及一種加卸載條件下煤系地層裂隙滲流物理相似模擬試驗裝置與試驗方法，能夠較好地模擬加卸載條件下不同產狀結構裂隙變形與滲流耦合作用，屬開采擾動作用下礦井含水層結構破壞與突涌水災害防治領域。

背景技術

地下煤層開采過程中，采場圍巖體應力重新分布及儲能釋放，導致巖體變形、離層和豎向破斷，形成的宏觀裂隙為含水層中的水(砂)體運動提供有效的儲存空間和運移通道，采動裂隙在地下水滲流作用下的進一步擴展、連通導致采動巖體滲流場演化加劇甚至造成局部失穩，影響巖體應力場分布的同時將其涉及到的含水層(體)中的水引入采場，從而導致礦井涌水量突變增加甚至突水，成為近年來礦井生產中的主要動力災害之一。

煤系地層內部缺陷和裂隙結構與滲流行為異常復雜,煤巖體裂隙滲流機制與定量描述一直是巖土、礦業、地質、石油及天然氣工程高度關注的難點問題。開采條件下采動裂隙滲流涉及采動卸荷條件下煤巖體裂隙宏觀變形、飽和滲流及其相互耦合作用、煤巖體滲流特性突變等多種復雜機理與影響因素，深刻認識和揭示開挖卸荷作用下煤巖體裂隙結構演化與滲流動力學特性是研究特殊地質條件下煤層頂板突水災害發生機理的基礎科學問題與關鍵。

由于裂隙介質非均質性、各向異性的特征，在室內建立相應的物理模型實現起來非常困難,開展裂隙介質物理模型模擬試驗的研究相對較少。目前的物理模型模擬試驗集中在單個平行板裂隙、多組平行或交叉裂隙上，地下水在裂隙中的流動往往呈現優勢流或溝槽流，顯示出相似模型試驗在研究裂隙巖體滲流特性方面具有不可替代的作用，且需要進行更多的模擬實際巖體裂隙的試驗方法。考慮裂隙面不規則和填充物的存在，研究地下煤系地層粗糙裂隙的滲流突變機制和裂隙結構的影響,將會為進一步深入研究礦井水災害機理與防治技術提供理論基礎。

發明內容

本發明提供一種加卸載條件下結構裂隙滲流物理相似模擬試驗裝置與試驗方法，目的在于通過這種方法認識和揭示開采擾動作用下煤系地層裂隙結構變形與滲流動力學特性，將會為進一步深入研究采動裂隙演化與水滲流耦合作用機理、礦井水災害機理與防治技術提供理論基礎。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：

一種加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，包括支架，及設置于支架上的試驗罐體；

所述試驗罐體內設有加裝地層結構非親水性相似材料的地層結構模型，沿地層結構模型內腔中心軸向貫穿一至模型底部的預制裂隙結構體，加裝地層結構非親水性相似材料的模型通過隔水性較強的塑料膜包裹，地層結構模型頂部設有活動推力隔板，地層結構模型底部設有隔水板底座；所述試驗罐體頂部的試驗罐體上蓋上設有頂板水壓控制加載系統，試驗罐體上部設有頂板軸向加載控制系統，試驗罐體底部設有側向圍壓控制加載系統；所述隔水板底座下方連通一水砂體收集漏斗，水砂體收集漏斗與水砂收集箱相接；沿所述預制裂隙結構體自上而下設置有若干個與傳感器數據采集與顯示裝置連接的裂隙結構體環形法向壓力傳感器、位移計；地層結構模型不同水平位置設置若干水壓力和流量傳感器水壓力和流量傳感器；

所述支架上設有能夠使試驗罐體做側向旋轉的試驗罐體旋轉油缸，試驗罐體旋轉油缸與試驗罐體底座相連。

進一步地，所述試驗罐體為圓柱形剛性罐體，耐壓強度為12-15MPa，罐體的上蓋設有進水閥門和排氣閥門，罐體底座上設有進氣和排氣閥門。

進一步地，所述活動推力隔板和隔水板底座均布有上下連通的透水孔。

進一步地，所述頂板水壓控制加載系統由水箱、泵組與水壓穩壓罐體串聯構成，水壓穩壓罐體壓力信號變化經壓力流量控制器轉換分別控制泵、水壓穩壓罐體輸出水流至試驗罐體進水閥門。

進一步地，所述試驗罐體的上部設有與頂板軸向加載控制系統相連的頂板軸向加載氣囊，試驗罐體的內側壁與地層結構模型之間設有與側向圍壓控制加載系統相連的側向圍壓加載氣囊。

進一步地，所述頂板軸向加載控制系統和側向圍壓控制加載系統，分別由承壓氣囊、空氣壓縮設備和壓力參數采集與顯示裝置組成，構成單獨控制的加壓系統。

進一步地，所述地層結構模型通過試驗模型模具制作兩塊混凝土塊體，組裝形成大尺度結構裂隙，裂隙結構面傾角為0°-45°，上下兩個塊體上設置錨固點，錨固點通過接入測桿，在裂隙結構內部分階段布置2～3個小型環形法向應力傳感器和水壓力和流量傳感器，傳感器經密封裝置連接數據采集器，并接入計算機；所述測桿上還設有預制裂隙結構體變形位移計。

進一步地，所述試驗模型模具為三組可拆卸的兩塊半圓弧形有機玻璃板構成，半圓弧形有機玻璃板外側設有試驗模型模具連接部件。