技术领域本发明涉及岩土、采矿等工程地质技术领域，特别涉及一种模拟断层突水突泥的试验装置和方法。
背景技术：
在中国，许多煤矿在开采过程中均受到各类地下承压水的威胁。在中国南方的众多煤矿中，其煤矿地板岩层大多为石炭二叠纪的奥陶灰岩，而影响煤矿安全开采的一类非常严重的矿山灾害便是奥陶系灰岩的突水突泥。奥陶系灰岩是具有丰富水源和较高水压的一类喀斯特承压含水岩层。突水突泥给人民的生命财产安全带来了严重的灾害。据官方不完全统计，超过80％的矿山突水突泥灾害均与断层带有很大的关系，断层裂隙带作为一个非常重要的突水突泥的通道，其断层构造是决定在承压含水层上进行煤矿安全开采的重要和关键因素。到目前为止，现有的研究关于矿山突水突泥机理只要集中在断层的反应机理或者是地板岩层的破坏机理。并没有涉及到在何种水压下断层会产生泥浆渗流、何种水压下断层会出现突水突泥现象，以及断层从泥浆渗流到突水突泥的的变化规律。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种模拟断层突水突泥试验装置和方法，可通过改变水压大小和黄泥储量来研究断层在何种水压下断层会产生泥浆渗流、何种水压下断层会出现突水突泥现象，操作简单，效果显著。为了实现上述目的，本发明专利采用如下解决方案：1、一种模拟断层突水突泥试验装置包括箱体系统、多孔钢板、钢砖、渗流槽盖、数据采集系统，所述箱体系统1内嵌有多孔钢板Ⅰ4，多孔钢板Ⅰ4与箱体通过整体浇筑结合在一起，多孔钢板Ⅰ4以下为水箱2以上为泥箱5，泥箱5上部为箱体系统1的上部箱体7。上部箱体7与泥箱5采用多孔钢板II6隔开。泥箱5中放入一定体积的固态黄泥19，再用多孔钢板II6盖住，将长、宽不一厚度不变的钢砖8依次堆积在多孔钢板II6上，再将渗流槽盖11置于上部箱体7的上方，拧紧连接渗流槽盖11和箱体系统1的螺栓21。通过空心钢管12将出水出泥孔10和玻璃杯14连接起来，空心钢管12上安装有流量计13，用来监测并通过控制电脑18记录每隔一定时间内流过空心钢管12的泥浆量。通过泥浆渗流速度判断在何种水压情况下断层会出现突水突泥危险。2、所述箱体系统1内嵌有多孔钢板Ⅰ4，多孔钢板Ⅰ4与箱体通过整体浇筑成为一个整体，多孔钢板Ⅰ4以下为水箱2以上为泥箱5，泥箱5以上为箱体系统1的上部箱体7。水箱2左侧设有注水孔3，右侧设有出水孔9，水箱2中的水通过多孔钢板Ⅰ4与泥箱5中的固态黄泥19接触，随着水量和水压的增加，泥箱5中的黄泥19与水接触更加充分，混合后泥箱5中的固态黄泥19变为流动状态的黄泥浆。水箱2和泥箱5均为铁制箱体，且厚度为15mm。水箱2中的注水孔3与外界供水装置即外部水源20连接，实现水箱2的注水，试验停止后通过水箱2右侧出水孔9卸压、卸泥浆。3、所述所述水箱2和泥箱5的长、宽、高尺寸分别为300mm×300mm×200mm和300mm×300mm×300mm，水箱2和泥箱5之间的多孔钢板Ⅰ4厚度为15mm，具有一定的承载能力。水箱2左侧的注水孔3以及右侧出水孔9均为圆形，半径为10mm。4、所述泥箱5与上部箱体7采用多孔钢板II6隔开。上部箱体7的长、宽、高尺寸为300mm×300mm×800mm，上部箱体7为铁制且厚度为10mm，上部箱体7上端设有出水出泥孔10，该孔的半径为10mm。5、所述泥箱5与上部箱体7之间的多孔钢板II6的厚度为20mm。在泥箱5上部安装好多孔钢板II6后即可一层一层往上堆放钢砖8。该多孔钢板II6需要有较大的承载能力，能够承载上部钢砖8的质量。多孔钢板II6的作用在于防止在没有注水的情况下上部箱体7中的钢砖8将固态的黄泥19压实，导致注水不顺利，以及注水后钢砖8的下沉导致突水突泥的测量结果不准确6、所述钢砖8的高度不变，宽度和长度不一，钢砖8模拟断层。7、所述一种模拟断层突水突泥试验装置，其特征在于所述渗流槽盖11厚度为20mm，置于上部箱体7上方，渗流槽盖11左右俩侧设有螺栓21，用来连接渗流槽盖11和箱体系统1，起到密封作用，防止泥浆从上部箱体7与渗流槽盖11接触处溢出。渗流槽盖11下端为下部有孔实体部分22，上端为上部空心部分23，下部有孔实体部分22具有一定的坡度，便于泥浆的流动，上部空心部分23用来暂时收集突出或渗出的泥浆。8、所述数据采集系统包括空心钢管12、流量计13、玻璃杯14、电子秤15和控制电脑18。空心钢管12连接出水出泥孔10和玻璃杯14，玻璃杯14置于电子秤15上，空心钢管12设有流量计13。将流量计13的数据线Ⅰ16和电子秤15的数据线II17连接至控制电脑18上，实时监控并记录流过空心钢管12的黄泥浆流量和流进玻璃杯14黄泥浆质量，通过流速判断在何种水压下出现了突水突泥(流速q≥0.1m3/s)。9、一种利用如权利要求1要求所述的模拟断层突水突泥试验装置和方法，特征在于：包括以下步骤：1)将长、宽、高尺寸为300mm×300mm×1300mm的箱体系统1置于水平面上。2)上述步骤1)完成后泥箱中加入固态黄泥19，在加入黄泥19的过程中用细长的木棍搅拌、抹匀，增加黄泥19的注入量，使得固态黄泥19能够充分接触又不被压实。黄泥19厚度控制在290mm～300mm。3)上述步骤2)完成后将多孔钢板II6(20mm厚)置于泥箱5上边缘，由于该多孔钢板II6需要承载上部钢砖8的质量，因此其厚度比步骤1中的箱体系统1的多孔钢板Ⅰ4厚，并且孔的数目也相应的减少。4)上述步骤3)完成后将高度不变，长度和宽度不一的钢砖8依次放入上部箱体7内即从多孔钢板II6(20mm厚)处一层一层往上堆积。堆积的钢砖8模拟断层。5)上述步骤4)完成后将渗流槽盖11置于上部箱体7上方，拧紧渗流槽盖11左右俩侧的螺栓21，起到密封作用，防止泥浆从箱体系统1与渗流槽盖11接触处溢出。渗流槽盖11下端为下部有孔实体部分22，上端为上部空心部分23，下部有孔实体部分22具有一定的坡度，便于泥浆的流动，上部空心部分23用来暂时收集突出或渗出的泥浆。6)上述步骤5)完成后利用空心钢管12连接出水出泥孔10和玻璃杯14，玻璃杯14置于电子秤15上，空心钢管12设有流量计13。将流量计13的数据线Ⅰ16和电子秤15的数据线II17连接至控制电脑18上，实时监控并记录流过空心钢管12的黄泥浆流量和流进玻璃杯14黄泥浆质量。上述步骤6)完成后，外部水源20一直给水箱2注水，密切注视空心钢管12泥浆流量vs时间、以及玻璃杯14泥浆质量vs时间曲线。通过相应公式的计算判断何种水压下断层会产生泥浆渗流以及何种情况下会产生突水突泥(流速q≥0.1m3/s)。本发明相对现有技术的有益效果是：一、通过利用15mm厚多孔钢板将箱体分为水箱和泥箱，通过水箱的注水，实现了泥箱中的黄泥从固态不流动状态转变为流动状态，同时也能保证水箱中的水和泥箱中的黄泥充分接触、混合。二、利用堆积起来的钢砖来近似模拟断层，可以通过改变钢砖的尺寸大小来模拟不同孔隙率的断层，研究不同孔隙率的断层的泥浆渗流和突水突泥的水压变化规律。三、渗流槽盖下端为下部有孔实体部分，上端为上部空心部分，下部有孔实体部分具有一定的坡度，便于泥浆的流动，上部空心部分用来暂时收集突出或渗出的泥浆，保证渗流或突出的水或者泥浆从空心钢管流出，减少了试验误差，保证了是试验的可靠性。附图说明图1为发明的结构示意图图2为渗流槽钢板剖面示意图图3为俩个多孔钢板(15mm和20mm)端面示意图图4为不同水压情况下泥浆流速与时间的试验结果图中：1.箱体系统，2.水箱，3.注水孔，4.多孔钢板Ⅰ，5.泥箱，6.多孔钢板II，7.上部箱体，8.钢砖，9.出水孔,10.出水出泥孔，11.渗流槽盖，12.空心钢管，13.流量计，14.玻璃杯，15.电子秤，16.数据线Ⅰ，17.数据线II，18.控制电脑，19.黄泥，20外部水源，21螺栓，22下部有孔实体部分，23，上部空心部分。简言之，本发明的技术方案在于：(1)而本发明专利通过利用多孔钢板将水箱和泥箱分开，同时通过水箱注水与泥浆中的干燥粘土接触、浸润以及混合，而且能够将干燥粘度转变成粘度不同的泥浆。这是不同以往的突水设计。(2)利用堆积起来的钢砖来近似模拟断层，可以通过改变钢砖的尺寸大小来模拟不同孔隙率的断层，研究不同孔隙率的断层的泥浆渗流和突水突泥的水压变化规律。这亦是本发明专利的一个创新点。(3)渗流槽盖下端为有孔实体部分，上部为空心部分，空心部分用来暂时收集突出或渗出的泥浆，有孔实体部分具有一定的坡度，便于泥浆的流动，使得试验过程中渗流槽盖空心部分暂时收集的泥浆通过实体部分流出渗流槽盖。是为本发明的一个举足轻重的创新点。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。一种模拟断层突水突泥试验装置包括箱体系统、多孔钢板、钢砖、渗流槽盖、数据采集系统，箱体系统1内嵌有多孔钢板并由该多孔钢板Ⅰ4隔开，该多孔钢板Ⅰ4与箱体系统1通过整体浇筑成为一个整体，多孔钢板Ⅰ4以下为水箱2以上为泥箱5，泥箱5上部为箱体系统1的上部箱体7。上部箱体7与泥箱5采用多孔钢板II6隔开。泥箱5中放入一定体积的固态黄泥19再用多孔钢板II6盖住，将长、宽不一厚度不变的钢砖8依次堆积在多孔钢板II6上，再渗流槽盖11置于上部箱体7上方，拧紧连接渗流槽盖11和箱体系统1的螺栓21。所述数据采集系统包括空心钢管12、流量计13、玻璃杯14、电子秤15、数据线Ⅰ16、数据线II17、控制电脑18。利用空心钢管12将出水出泥孔10和玻璃杯14连接起来，空心钢管12处设有流量计13，其中数据线Ⅰ16连接流量计13和控制电脑18；所述玻璃杯14置于电子秤15上，数据线II17连接电子称15和控制电脑18；外部水源20一直给水箱2注水，密切注视空心钢管12泥浆流量vs时间、以及玻璃杯14泥浆质量vs时间曲线。通过相应公式的计算判断何种水压下断层会产生泥浆渗流以及何种情况下会产生突水突泥(流速q≥0.1m3/s)。一种模拟断层突水突泥试验装置的试验方法具体实施例如下：(1)将长、宽、高尺寸为300mm×300mm×1300mm的箱体系统1置于水平面上，箱体系统1中的水箱2和泥箱5由多孔钢板Ⅰ4隔开,其中水箱2和泥箱5的长宽高尺寸分别为：300mm×300mm×200mm和300mm×300mm×300mm。(2)在泥箱5中加入固态黄泥19，在加入黄泥19的过程中用细长的木棍搅拌、抹匀，增加黄泥19的注入量，使得固态黄泥19能够充分接触又不被压实。黄泥19厚度控制在290mm～300mm。(3)将多孔钢板II6置于泥箱5上边缘。(4)将高度不变，长度和宽度不一的钢砖8依次放入上部箱体7内即从多孔钢板II6(20mm厚)处一层一层往上堆积，堆积的钢砖8模拟断层。(5)将渗流槽盖11置于箱体系统1上，拧紧渗流槽盖11左右俩侧的螺栓21，起到密封作用，防止泥浆从上部箱体7与渗流槽盖11的接触处溢出。(6)利用空心钢管12连接出水出泥孔10和玻璃杯14，玻璃杯14置于电子秤15上，空心钢管12设有流量计13。将流量计13的数据线Ⅰ16和电子秤15的数据线II17连接至控制电脑18上，实时监控并记录流过空心钢管12的黄泥浆流量和流进玻璃杯14黄泥浆质量。(7)上述步骤完成后，外部水源20一直给水箱2注水，密切注视空心钢管12泥浆流量vs时间、以及玻璃杯14泥浆质量vs时间曲线。通过相应公式的计算判断何种水压下P0断层会产生泥浆渗流以及何种水压Pc情况下会产生突水突泥(流速q≥0.1m3/s)。下面通过一实例进行进一步说明：本试验研究所选取的土为粘性土，伊利石含量为60～65％，天然密度为1.9g/cm3，其主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等，含水率为6～10％，将样品取回后在105℃～110℃烘干24h后捣碎，在保持泥水体积不变的情况下，研究不同水压情况下泥浆流速与时间的试验设计(见表1)，所得试验数据采用Origin处理后见图4。由图4可知：突水突泥过程可大致分为递增→递减→稳定型，这是因为最开始阶段固态粘土不具流动性，在遇水接触、混合后，泥浆先是处于粘结强度较高，流动性较差的凝胶状态；随着时间的推移，水与泥浆充分的接触、混合，泥浆粘度下降明显，其流动性大大增强，在泥水压力的作用下会快速涌出；到最后当突水突泥速度与补给量速度达到动态平衡时，突水突泥量便保持稳定。表1：不同水压情况下泥浆流速与时间的试验设计体积比泥水压力/MPa断层高度/mm1:1.50.58001:1.50.88001:1.51800