断层及次生断层活化诱发承压水突涌试验方法及系统与流程

本发明涉及一种煤矿水害试验方法和系统，具体为断层及次生断层活化诱发承压水突涌试验方法及系统。

背景技术：

随着浅部易采煤炭资源的不断减少，矿井开采深度不断加大，随之而来的是各种深部开采安全问题和技术难题。高地应力作用下承压水突涌水害问题已成为深部开采的重要灾害之一，而由煤层采动引起的非导水断层（单一断层、矿井或采区边界大断层的次生断层）活化诱发承压水突涌是深部矿井水害的最主要表现形式，尤其是在山东和两淮矿区，断层及次生断层活化诱发的承压水突涌事故约占矿井水害事故的60%以上，严重制约着深部煤炭资源的安全高效开采。

基于理论推导和数值模拟仿真，对煤层采动引起断层及次生断层活化诱发承压水突涌的机理、影响因素等方面的研究已取得了大量成果，室内实验方面，主要以小尺寸的岩石试件模拟反演断层的相关特性，一定程度上揭示了断层及次生断层的破坏突水机理和过程，但受制于实验方法和实验装置，对如何定量描述各因素对断层及次生断层活化诱发承压水突涌影响的强弱程度、如何以大比例相似模型实验室内再现断层及次生断层活化突水全过程等方面的研究尚存在不足，未能进一步深刻揭示断层及次生断层活化诱发承压水突涌的机理和过程。

技术实现要素：

鉴于以上问题，本发明的目的在于提供一种断层及次生断层活化诱发承压水突涌试验方法及系统，实验室模拟再现突水全过程，并定量分析承压水压力、断层带宽度、推进速度和距离等因素对突水的影响强弱程度。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种断层及次生断层活化诱发承压水突涌试验方法及系统，包括相似材料模拟试验台、承压水加载系统和承压水导升系统，其中，所述相似材料模拟试验台为通用二维试验台，所述承压水加载系统由承压水加压装置、注水管路、回水管路和计算机控制系统组成，所述承压水导升系统由水囊、隔水层钢板、导升胶管和排水细管组成。

所述的一种断层及次生断层活化诱发承压水突涌试验方法及系统，其特征在于，所述相似材料模拟试验台为通用二维试验台，包括底座、框架、液压加载千斤顶和两侧挡板，所述挡板为方形槽钢，可通过螺栓固定在框架上，选取一块挡板两端留设圆孔。

所述的一种断层及次生断层活化诱发承压水突涌试验方法及系统，其特征在于，所述承压水加压装置由加压泵和压力罐组成，所述加压泵为气液两用，所述注水管路由单向控制阀门、数字压力表和稳压调节器组成，所述回水管路由溢流阀、数字压力表、单向控制阀门和回收罐组成，所述稳压调节器和溢流阀与计算机控制系统连接。

所述的一种断层及次生断层活化诱发承压水突涌试验方法及系统，其特征在于，所述水囊为方形，主要材质为橡胶，可伸缩性和延展性好，水囊宽度为相似材料模拟试验台宽度，高度为单块挡板的高度，长度可调节，水囊两侧留有接口，所述水囊接口通过挡板两端留设的圆孔分别与注水管路和回水管路连接，所述隔水层钢板为多块同一尺寸的Q235钢板，按一定间距均匀布置在与水囊同一水平的挡板上，钢板长度为试验台宽度，所述导升胶管为软质胶管，形变能力较好；所述排水细管为乳胶管，端头处带有控制开关，排水细管按一定间距均匀的连接在导水胶管上。

一种断层及次生断层活化诱发承压水突涌试验方法及系统，其特征在于，试验方法、原理如下：

以相似材料按比例在试验台上铺设原始非导水断层模型，在模型底板放置水囊，模拟底板承压水，在与水囊同一水平的两侧挡板上按一定间距均匀铺设隔水层钢板，模拟煤层开挖后底板隔水层破坏形成的铰接结构，沿试验台宽度方向（断层走向）依次铺设不同的断层带宽度，沿试验台高度方向（断层倾向）在不同的断层带宽度处依次铺设导水胶管，按一定间距均匀将排水细管与导升胶管连接，通过不同位置处排水细管的排水情况，确定承压水的导升高度，进而模拟体现断层带宽度对断层及次生断层活化导水的影响程度。

通过外部的承压水加载系统，给底板水囊提供水压力，通过计算机控制系统调节控制注水管路的稳压调节器和回水管路的溢流阀，实现水囊内水压力的线性调节和稳定性，通过改变水囊内水体压力模拟底板承压水压力的变化，进而体现承压水压力对断层及次生断层活化导水的影响程度。

通过改变模型中煤层的开挖速度与距断层的距离，模拟体现推进速度、距离对断层及次生断层活化导水的影响程度。

一种断层及次生断层活化诱发承压水突涌试验方法及系统，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：根据断层及次生断层所处的原始地质资料，设计相似材料配比及相关实验参数，尤其是断层带宽度，据此依次铺设水囊、隔水层钢板、煤层及上部岩层，沿试验台宽度方向依次铺设不同宽度的断层带，在不同的断层带宽度处依次铺设导水胶管，并将各导水胶管与水囊连接。

第二步：自隔水层钢板同一水平位置起，沿一定间距均匀的将排水细管与导水胶管相连接，并将排水细管引出至模型表面。

第三步：依次将单向控制阀门、数字压力表、稳压调节器连接起来形成注水管路，并与水囊连接，将加压泵和压力罐连接起来形成加压装置，并与注水管路连接，将单向控制阀门、数字压力表、溢流阀、回收罐连接起来形成回水管路，并与水囊连接，将稳压调节器、溢流阀与计算机控制系统连接。

第四步：启动加压泵将压力罐内的水体加至一定压力，且压力大于实验所要求的最大承压水压力，通过计算机控制系统控制注水管路的稳压调节器和回水管路的溢流阀，精确控制水囊内水体压力。

第五步：按一定的步距对煤层进行开挖，监测不同的推进距离排水细管的排水情况，按一定幅度依次改变水囊内的水压力，进一步观察排水细管的排水情况、及相关数据的变化规律。

本发明提供了一种断层及次生断层活化诱发承压水突涌试验方法及系统，与现有技术相比，其有益效果是：基于相似材料模拟试验台，以相似材料在试验台上铺设含原始非导水断层的地质模型，通过承压水加载系统模拟承压水，通过承压水导升系统模拟承压水沿断层的流动，通过改变相关因素的数值定量描述其对断层及次生断层活化导水的影响强弱程度，实验室再现断层及次生断层活化诱发承压水突涌全过程。

附图说明

图1是本发明的整体结构及装置示意图；

图2是本发明中承压水导升系统结构示意图；

图3是本发明模型横剖面（断层带宽度、导水胶管和排水细管布置）示意图；

图中：相似材料模拟试验台1、底座11、框架12、液压加载千斤顶13、挡板槽钢14、煤层15、上部岩层16、断层及次生断层17，断层带宽度B；承压水导升系统2、水囊21、隔水层钢板22、导水胶管23、排水细管24；承压水加载系统3、注水管路31、回水管路32、加压泵33、压力罐34、计算机控制系统35、单向控制阀门36、数字压力表37、稳压调节器38、溢流阀39、回收罐30。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清晰、明确，以下结合附图详细说明一种断层及次生断层活化诱发承压水突涌试验方法及系统的具体结构、试验方法、原理及步骤：

本发明公开了一种断层及次生断层活化诱发承压水突涌试验方法及系统，如图1、图2和图3所示，包括相似材料模拟试验台1、承压水导升系统2和承压水加载系统3，其中，所述相似材料模拟试验1为通用二维试验台，所述承压水加载系统3由承压水加压装置33和34、注水管路31、回水管路32和计算机控制系统35组成，所述承压水导升系统由水囊21、隔水层钢板22、导升胶管23和排水细管24组成。

所述相似材料模拟试验台1为通用二维试验台，包括底座11、框架12、液压加载千斤顶13和两侧挡板14；所述挡板14为方形槽钢，可通过螺栓固定在框架12上，选取一块挡板14两端留设圆孔。

所述承压水加压装置由加压泵33和压力罐34组成，所述加压泵33为气液两用；所述注水31管路由单向控制阀门36、数字压力表37和稳压调节器38组成；所述回水管路32由溢流阀39、数字压力表37、单向控制阀门36和回收罐30组成；所述稳压调节器38和溢流阀39与计算机控制系统35连接。

所述水囊21为方形，主要材质为橡胶，可伸缩性和延展性好，水囊21宽度为相似材料模拟试验台1宽度，高度为挡板14的高度，长度可调节，水囊21两侧留有接口；所述水囊21接口通过挡板14两端留设的圆孔与注水管路31和回水管路32连接；所述隔水层钢板22为多块同一尺寸的Q235钢板，按一定间距均匀放置在与水囊21同一水平的挡板14上，隔水层钢板22长度为试验台1宽度；所述导升胶管23为软质胶管；所述排水细管24为乳胶管，端头处带有控制开关；所述排水细管24按一定距离均匀连接在导水胶管23上。

上述一种断层及次生断层活化诱发承压水突涌试验方法及系统，其试验方法和原理如下：

以相似材料按比例在试验台1上铺设原始非导水断层模型，在模型底板放置水囊21，模拟底板承压水，在与水囊21同一水平的两侧挡板14上按一定间距均匀铺设隔水层钢板22，模拟煤层开挖后底板隔水层破坏形成的铰接结构，沿试验台1宽度方向（断层走向）依次铺设不同的断层带宽度B，沿试验台1高度方向（断层倾向）在不同的断层带宽度B处依次铺设导水胶管23，按一定间距均匀将排水细管24与导升胶管23连接，通过不同位置处排水细管24的排水情况，确定承压水的导升高度，进而模拟体现断层带宽度B对断层及次生断层活化导水的影响程度。

通过外部的承压水加载系统3，给底板水囊21提供水压力，通过计算机控制系统35调节控制注水管路31的稳压调节器38和回水管路32的溢流阀39，实现水囊21内水压力的线性调节和稳定性，通过改变水囊21内水体压力模拟底板承压水压力的变化，进而体现承压水压力对断层及次生断层活化导水的影响程度。

通过改变模型中煤层15的开挖速度与距断层17的距离，模拟体现推进速度、距离对断层及次生断层活化导水的影响程度。

上述一种断层及次生断层活化诱发承压水突涌试验方法及系统，其包括以下步骤：

第一步：根据断层及次生断层所处的原始地质资料，设计相似材料配比及相关实验参数，尤其是断层带宽度B，据此依次铺设水囊21、隔水层钢板22、煤层15及上部岩层16，沿试验台1宽度方向依次铺设不同的断层带宽度B，在不同的断层带宽度B处依次铺设导水胶管23，并将各导水胶管与水囊21连接。

第二步：自隔水层钢板22同一水平位置起，沿一定间距均匀的将排水细管24与导水胶管23相连接，并将排水细管24引出至模型表面。

第三步：依次将单向控制阀门36、数字压力表37、稳压调节器38连接起来形成注水管路31，并与水囊21连接，将加压泵31和压力罐32连接起来形成加压装置，并与注水管路31连接，将单向控制阀门36、数字压力表37、溢流阀39、回收罐30连接起来形成回水管路32，并与水囊21连接，将稳压调节器38、溢流阀39与计算机控制系统35连接。

第四步：启动加压泵31将压力罐32内的水体加至一定压力，且压力大于实验所要求的最大承压水压力，通过计算机控制系统35控制注水管路31的稳压调节器38和回水管路32的溢流阀39，精确控制水囊21内水体压力。

第五步：按一定的步距对煤层15进行开挖，监测不同推进距离排水细管24的排水情况，按一定幅度依次改变水囊21内的压力，进一步观察排水细管24的排水情况、及相关数据的变化规律。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。