[發(fā)明專利]強動力擾動下深部圍巖滲流穩(wěn)定性分析裝置及方法

有效

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• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN111929221B
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發(fā)明（設計）人: 李夕兵;陳江湛;黃麟淇
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 謝浪

本發(fā)明公開了一種強動力擾動下深部圍巖滲流穩(wěn)定性分析裝置及方法，包括用于對含有模擬巷道的圍巖物模試樣施加真三軸載荷的真三軸應力加載系統(tǒng)，連接真三軸應力加載系統(tǒng)上下端的高壓滲流加載機構(gòu)，密封于方形巖體物模試件各交界棱的真三軸邊界滲流密封機構(gòu)和滲流控制與監(jiān)測機構(gòu)。本發(fā)明可以模擬和分析圍巖在三向應力、高滲流及強動力擾動載荷條件下滲透特性的變化，并判斷突水等災害現(xiàn)象發(fā)生的潛在危險。

技術領域

本發(fā)明屬于深部巖石測試技術領域，尤其涉及一種強動力擾動下深部圍巖滲流穩(wěn)定性分析裝置及方法。

背景技術

我國安全、綠色、高效礦山建設已逐步邁向深部，隨著礦山開采深度的增加，深部巖體中賦存的水力勢能顯著增加，在開采活動的影響下，深部礦井涌水、突水已成為是世界礦業(yè)領域的重要研究課題，它給礦山帶來的經(jīng)濟損失和人身傷亡極為慘重。可以預計，在未來20年我國許多礦井將逐步開采1000～2000m深度的資源，伴隨而來來的深井水力勢能(10～20MPa)極大，這將導致水害誘發(fā)條件、形成機理以及威脅程度都會發(fā)生復雜變化。

進入深部后，工程開采擾動致使巖體結(jié)構(gòu)動態(tài)演化，進而導致導水通道的形成，在強大的勢能驅(qū)動下高壓水沿導水裂隙滲流，以突發(fā)、緩發(fā)或滯發(fā)的形式涌向工作面或采空區(qū)。開采擾動下巖體結(jié)構(gòu)裂隙演化形成導水通道將成為深部礦山突水的主要誘因之一。此外，部分深部海底礦山的開采將面臨更急迫的水害問題。如大型海底硬質(zhì)巖金礦，由于深部復雜的地質(zhì)和水文環(huán)境，其井巷開拓與回采作業(yè)引起圍巖滲水、涌水現(xiàn)象顯現(xiàn)，礦區(qū)深部區(qū)域巷道頂板、兩幫圍巖涌、突水現(xiàn)象顯著。

未來千米深度以下開采過程中，隨著深部高應力區(qū)巖體的爆破開挖等強動力擾動作用，高滲流場將對深部采場穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴重影響。如果采場圍巖在爆破開挖卸荷、高滲透水壓及地下水作用下形成新的導水通道，滲流與應力的耦合效應將更加明顯，嚴重威脅到采區(qū)生產(chǎn)作業(yè)的安全。

我國巖石力學、采礦工程學等相關科技工作者在礦井水突涌及其防治方面已經(jīng)進行了大量研究。但是，事實證明，現(xiàn)有導水裂隙理論指導下的防水措施尚不能完全杜絕突水事故的發(fā)生。且目前的研究方法過分依賴數(shù)學模擬，忽視了物理模擬，缺乏從多因素、多場耦合和多種模擬手段等方面開展綜合研究，導致對礦井突水機理認識依舊不足。

因而，瞄準深部爆破開挖卸荷等強動力擾動工況以及高應力-滲流場環(huán)境，亟待研發(fā)強動力擾動下深部圍巖滲流穩(wěn)定性分析裝置及方法，室內(nèi)再現(xiàn)深部開采擾動下巖體裂隙演化與滲流突變?yōu)暮ΜF(xiàn)象，提高對深部礦井突水災害認識。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于提供一種強動力擾動下深部圍巖滲流穩(wěn)定性分析裝置及方法。模擬和分析圍巖在三向應力、高滲流及強動力擾動載荷條件下滲透特性的變化，并判斷突水等災害現(xiàn)象發(fā)生的潛在危險。

為實現(xiàn)上述目的，本申請采用如下技術方案：

一種強動力擾動下深部圍巖滲流穩(wěn)定性分析裝置，包括用于對含有模擬隧道的圍巖物模試樣施加真三軸載荷的真三軸應力加載系統(tǒng)，所述真三軸應力加載系統(tǒng)包括上加載板、下加載板、前加載板、后加載板、左加載板和右加載板；

所述上加載板的加載端面上切割有縱橫交錯的滲流導槽，內(nèi)部設置與所述滲流導槽連通的進液孔道；所述下加載板的加載端面上切割有縱橫交錯的集液導槽，內(nèi)部設置與所述集液導槽連通的出液孔道，所述進液孔道和出液孔道均與高壓滲流加載機構(gòu)連接；

所述左加載板的中央開有貫通孔，所述貫通孔中滑動設有對圍巖物模試樣施加沖擊載荷的擾動入射桿，所述擾動入射桿與沖擊加載系統(tǒng)連接；

所述模擬巷道貫穿圍巖物模試樣的前后表面，所述前加載板和后加載板上設有與所述模擬巷道位置對應的監(jiān)測孔，所述監(jiān)測孔內(nèi)朝向遠離所述模擬巷道的方向依次設有透明隔板、光源和高速攝像頭。

具體的，所述貫通孔遠離所述圍巖物模試樣的一側(cè)上設有滑槽，所述擾動入射桿上設有與所述滑槽相配合的凸臺，所述滑槽的延伸方向與所述擾動入射桿的滑動方向平行；