[發明專利]一種采動斷裂巖體裂隙動態閉合滲流模擬試驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201710051509.2
• 申請日: 2017-01-23
• 公開（公告）號: CN106908365B
• 公開（公告）日: 2019-05-24
• 發明（設計）人: 王文學;姜彤;黃志全;王科學;劉海寧;王四巍;王忠福;李洪軍;張俊然;任淼;崔帥
• 申請（專利權）人: 華北水利水電大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N33/24
• 代理公司: 鄭州中原專利事務所有限公司 41109
• 代理人: 王曉麗

一種采動斷裂巖體裂隙動態閉合滲流模擬試驗裝置，采用三維側向約束軸向加載體系，模擬采動裂隙恢復應力場，結合設計研制的斷裂巖體貫通裂隙模型，實現了貫通裂隙巖體應力作用下大滲流量的流耦合試驗；斷裂巖體貫通裂隙試樣實現了對斷裂巖體不規則鉸接程度的定量化研究；實現了裂隙開度、滲流量的同步監測；裂隙試樣上下端面設置軟弱層，實現了對垮落帶破碎巖體的壓縮變形模擬；測試系統能夠實現不同開度、傾角、連接程度裂隙的加載裂隙開度閉合過程的滲流模擬試驗；能有效認識和揭示采動巖體應力恢復作用下不同結構特征裂隙巖體的結構演化、裂隙閉合及阻隔水能力恢復特性，將會為深入研究“保水采煤”地下水滲流系統恢復機理及“殘煤復采”涉及的已有擾動斷裂巖體的滲透性特性提供理論基礎。

技術領域

本發明涉及一種試驗裝置，具體涉及一種采動斷裂巖體裂隙動態閉合滲流模擬試驗裝置及方法，可用于測試開采覆巖破壞帶內斷裂巖體后期應力恢復作用下巖體間錯動剪切過程中裂隙閉合、滲流的特性。

背景技術

地下煤層開采引起上覆巖土層下沉破壞，在垂直空間由下至上依次形成垮落帶、斷裂帶、整體移動下沉帶。垮落帶與斷裂帶構成導水裂隙帶，導水裂隙帶內裂隙發育且相互連通，形成大量滲流通道，一方面導致地下水滲漏和滲流，對地下水資源系統和生態環境產生影響，另一方面引起工作面涌水量增大或突水，對安全開采構成威脅。一般情況下，斷裂帶是直接接觸和連通上覆含水層（體）的關鍵層段，其斷裂結構、滲透性的演化對突水涌水量變化、地下水滲流系統的恢復程度至關重要。

現場觀測、室內模型試驗研究結果表明，斷裂帶內巖體雖產生斷裂或裂縫，但仍保持其原有層狀結構，斷裂巖塊排列相對整齊。斷裂巖塊（體）沉降接觸底后，開始恢復支承上覆巖土層荷載，自重應力逐漸恢復。隨著應力的恢復，巖塊間裂隙將產生錯動、剪切變形，受圍巖的限制，同時產生較大的水平力擠壓裂隙，在上述位移、變形和滲流固結等一系列工程地質作用過程，其水文地質、工程地質性質在該過程中得到一定程度的改善，有些特定結構裂隙巖體阻隔水能力甚至可以恢復。

我國西北干旱半干旱生態環境脆弱礦區，為保護或減損生態環境，需進行地下水滲流系統的修復性研究；我國東部煤炭資源逐漸枯竭礦區，為延長礦井壽命對采動裂隙巖體下殘留煤層的進行開采，其上覆已有擾動斷裂巖體的閉合、滲透性特征對其安全開采具有重要影響。認識與揭示采動斷裂巖體后期阻隔水性能演化機理是上述工程的基礎科學問題與關鍵。

采動裂隙巖體在應力恢復作用下結構演化是一項復雜的四維空間問題，是時間與空間的連續函數，實際上為一種邊界條件上側向約束、軸向加載的裂隙巖體的力學變形過程。目前對于裂隙巖體滲流特征的研究，多在裂隙試樣內部預制單條裂隙、多條交叉或非交叉裂隙，在滲流方向預制裂隙不貫通，進行雙軸或三軸滲流試驗研究，其研究重點在于揭示裂隙擴展過程及其滲透性演化。采動斷裂巖體是擾動破壞巖體，斷裂巖塊間由于巖塊斷面的凸凹不平，斷裂巖塊間凸出部分相互鉸接、存在較大裂隙，張開空間大、滲透性好、滲流量大，在應力恢復作用下，斷裂巖體發生旋轉、錯動、擠壓，斷面凸出部分受壓剪破壞，其斷裂裂隙開度、滲透性均較初期減小，該裂隙巖體變形及滲流耦合過程與以往研究條件顯著不同。斷裂巖塊斷面的不規則，導致難以獲得應力-結構-滲流間的定量性研究結果，而研究斷裂裂隙巖體應力恢復作用下阻隔水能力恢復特征，對“保水采煤”、“殘煤復采”等工程中地下水滲流系統恢復及頂板防治水等提供重要的理論基礎及工程指導意義。因此亟需解決采動斷裂巖體在應力恢復作用下裂隙結構、滲透性演化的研究。考慮裂隙連接程度、傾角、開度及強度，本發明給出了一種斷裂巖體裂隙試樣模型制作的方法，并解決了裂隙試樣裂隙斷面加載同時施加大滲流的關鍵技術難題。

發明內容

本發明提供一種采動斷裂巖體裂隙動態閉合滲流模擬試驗裝置及方法，目的在于通過這種方法認識和揭示采動斷裂巖體在應力恢復過程中結構錯動、剪切、閉合與滲流力學特性，將會為深入研究保水采煤地下水滲流系統恢復機理及殘煤復采涉及的已有擾動斷裂巖體的滲透性特性提供理論基礎。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：