[發明專利]模擬受采動影響煤層底板突水試驗系統的模擬試驗裝置

有效

• 申請號: 201610078737.4
• 申請日: 2016-02-04
• 公開（公告）號: CN105548506B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 李振華;杜鋒;周甲富;張帥龍;卓金霞
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00;G01M99/00
• 代理公司: 鄭州豫開專利代理事務所(普通合伙)41131
• 代理人: 朱俊峰

技術領域

本發明屬于煤礦安全生產突水試驗技術領域，尤其涉及一種模擬受采動影響煤層底板突水試驗系統的模擬試驗裝置。

背景技術

煤礦突水一直是煤礦工作者關注的重點，頻繁的突水事故給人民的生命與財產帶來了極大的損失。隨著近年來各種模擬軟件如FLAC-3D、Particle Flow Code、Ansys等數值手段的不斷研究深入，對于煤層底板突水問題的機理研究也變得較為多樣，并在突水前巖體的滲流場、應力場等方面，取得了一定成果。但是由于底板斷層突水災害的復雜性，尤其是深井開采誘發因素較多，僅僅依靠理論計算、數值模擬難以進行分析研究，無法為底板斷層突水過程提供較為全面的認識和分析。

針對煤層底板突水機理的研究，國內外學者開展了大量的研究工作。20世紀40、50年代，匈牙利韋格弗倫斯第一次提出“底板相對隔水層”的概念。20世紀60年代，以煤科總院為代表，提出了采用突水系數作為預測預報底板突水與否的標準。其后，80年代初山東科技大學的學者提出了“下三帶”理論，該理論認為開采煤層底板也像采動覆巖那樣存在著三帶，即：底板破壞帶、完整巖層帶（保護帶）與承壓水導高帶。而煤科總院北京開采所的學者綜合采動效應及承壓水運動，提出了原位張裂與零位破壞理論，該理論揭示了底板巖體移動的發生、發展、形成和變化的全過程。中科院地質所提出的“強滲通道”說認為底板是否發生突水，關鍵在于是否具備突水通道。煤科院西安分院提出的“巖水應力關系”說認為底板突水是巖、水與應力共同作用的結果。中國礦業大學學者提出的關鍵層理論認為在煤層底板采動破壞帶之下，含水層之上存在一層承載能力最高的巖層，稱為“關鍵層”，底板是否發生突水由關鍵層所控制。

在實驗室研究方面，國內外在近幾十年取得了顯著的進展，但相似模擬試驗的研究進展相對滯后。Romm，Snow等人相繼進行裂隙巖體水力學的試驗研究，并建立了裂隙巖體滲流模型，初步得到了巖體應力和滲流之間的一些基本關系。黎良杰、楊映濤等利用相似材料模擬試驗，模擬了采場底板突水機理。王金安研制了橡膠液壓囊作為承壓水體模擬裝置，對承壓水體上采煤進行了相似模擬試驗。趙毅鑫等利用雙向加載相似模擬試驗系統，結合基于獨立彈簧組模擬承壓水加載的試驗裝置，開展了考慮地應力影響條件下承壓水上工作面開采底板運移規律的相似模擬試驗研究。

相似模擬試驗是以相似理論、因次分析作為依據的試驗研究方法，具有直觀、能解決理論分析、數值模擬難以解決的各種破壞問題，相比于傳統結構模型試驗更適用于礦山領域巖體突水的模型試驗研究。原蘇聯學者首先采用相似材料立體模型對采空區底板巖層的變形進行了研究；對于突水的相似模擬試驗，我國上世紀80、90年代就有一定的研究，中國礦業大學、西安煤科院等單位先后開展煤層底板突水的相似物理模型試驗，通過無斷層構造條件下底板突水的相似物理模型試驗，證明了底板的OX型破壞特征，并解釋了底板突水點的分布規律；又通過對完整底板和含地質構造的底板進行模擬試驗，表明完整底板破壞突水沿“零位破壞”線發生，斷層影響下突水與斷層性質、采空區大小有密切關系。由于固–流耦合問題的復雜性，以往的研究往往做不到滲流模擬，僅采用柔性加載模擬水壓力的外力等效性。對于承壓水的模擬有多種方式，主要有采用橡膠水袋模擬含水層或選用流固耦合相似材料直接用于承壓水導通性試驗，其中承壓水袋制作周期長、壓力不易控制及無法模擬底板破壞后承壓水導升而產生的賦水灰巖局部水壓降低的特征；而選用特制的相似模擬材料并直接采用高壓水進行模擬，對于設備的密封性和所選相似材料均有較高要求。另外，在相似模擬中同時施加承壓水壓力和地應力相對較為復雜，目前仍未見理想的試驗系統。

煤層底板突水是嚴重影響我國煤礦資源安全開采的重要因素，高承壓水體上大范圍開采防治底板水已成為關鍵性難題。近年來，隨著礦井開采深度的不斷增加，煤層底板奧陶紀灰巖高承壓水的危害逐漸加劇。為此，眾多學者對承壓水上采煤底板破斷規律進行了大量研究，得到許多有價值的結論。由于該問題在理論研究方面的復雜性和現場觀測方面的困難性，使得通過相似模擬試驗研究帶壓開采突水機理及底板破斷規律成為有效的分析手段之一。然而，在相似模擬試驗研究中如何體現底板的應力環境、承壓水作用、承壓水的壓力穩定及承壓水在沿底板破裂帶導升后其對應壓力降低等特征是試驗能否反映實際問題的關鍵。