一种矿体开采扰动围岩导致透水的相似物理模拟试验装置的制作方法

本发明涉及一种试验装置，具体说涉及一种矿体开采扰动围岩导致透水的相似物理模拟试验装置。

背景技术：

地下采矿是人类的最大地下开挖活动，地下岩体受到开采扰动、地应力或施加外力作用，岩层发生破裂和移动，裂隙将开挖空间与含水层贯通，导致矿井透水事故，如2016年7月2日22时53分，山西沁和能源集团中村煤业有限公司2405回风顺槽掘进工作面发生透水事故，12人被困井下；2010年3月28日王家岭矿北翼盘区101回风顺槽发生透水事故，事故造成153人被困，其中115人获救，另有38名矿工遇难。

相似物理模拟试验是研究地下开采围岩变形破坏演化过程的重要手段之一，通过相似物理材料模拟地层再现开挖导致围岩变形、破裂和移动，采用监测仪器测试数据，分析围岩受到开采影响发生的现象和过程的规律性，为实际工程及生产实践提供科学依据。

传统的相似物理模拟试验装置一般采用重力加载，加载方向为垂直向下，水平方向的构造应力不能有效的模拟；对于含水层对开采的影响主要依据裂隙发育高度判断，隔水岩层对含水层内水的阻隔效果也是依据围岩裂隙发育来确定；而含水层的水压也不能有效模拟，当含水层内的水压超过预留岩层的抗拉强度时也会导致透水。

针对上述问题，如何改进现有的相似模物理拟试验装置，克服传统相似物理模拟试验装置存在的缺陷，既能保证相似物理模拟试验装置的整体稳定性和模拟含水地层的可重复性，又能满足开采扰动对开采矿体和含水层之间岩体破坏规律研究需要，成为急需解决的关键问题。

技术实现要素：

为了克服现有相似物理模拟试验装置所存在的不足，本发明在于提供一种矿体开采扰动围岩导致透水的相似物理模拟试验装置，解决开采扰动对开采矿体和含水层之间岩体破坏规律研究的需求。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种矿体开采扰动围岩导致透水的相似物理模拟试验装置，由相似物理模型框架，加载装置、侧向加压装置，模拟加压含水层装置、试验测试装置几个部分组成。

相似物理模型框架由底座、三个立柱和顶梁组成，其中三个立柱中的两个外侧立柱为固定立柱，内侧立柱为可动立柱，内侧立柱的上下两端采用滚轴与顶梁和底座相连。

加载装置由气囊，气管、气压表、阀门及高压气瓶组成，通过调节阀门，观测气压表来确定气囊给模型上部施加的压力值，试验结束后，关闭阀门，缓慢打开卸压阀门，气囊卸压。

侧向加压装置由控制台、液压千斤顶组成，其中液压千斤顶的一端固定在相似物理模型框架的固定立柱上，另一端固定在相似物理模型框架可动立柱上；通过液压千斤顶施加侧向压力模拟水平方向的构造应力。

模拟加压含水层装置由水箱、水泵、水管、水压表、截止阀及相似物理模拟含水地层组成，其中相似物理模拟含水地层采用塑料薄膜套和细砂组成，塑料薄膜套内充填细砂，再连接水管，由水泵给塑料薄膜套施加内供水及模拟含水层的水量和水压。

相似物理模拟地层采用石膏、砂子、石灰、水按照设计配比制作，按强度相似比设计相似模拟物理材料装入塑料薄膜套作为相似物理模拟隔水地层。

试验测试装置由钢化玻璃板、摄像仪、瞬变电磁仪、应变仪、声发射仪、光线光栅分析仪和计算机组成；在相似物理模拟材料表面布设位移监测点，用摄像仪连续拍照记录位移监测点的变化分析位移规律；在相似物理模拟隔水地层上下布置瞬变电磁探头，监测模拟含水层渗流及相似物理模拟隔水效果；应变仪和光线光栅分析仪监测在相似物理模拟材料中埋设应变片和分布式光纤，确定矿体开采扰动引起围岩内应力变化；声发射仪用于测试相似物理模拟岩层断裂位置；

矿体开采扰动围岩导致透水的相似物理模拟试验装置的操作步骤：

步骤一：熟悉开采地层的地质水文及开采技术条件，依据收集到的资料，选择相似物理模拟材料，设计每个模拟地层的相似物理模拟材料的配比。

步骤二：按照相似模拟材料配比制作模拟地层材料，在相似物理模型框架两侧分别安装第一层槽钢，在相似物理模型框架内铺设模拟地层材料，并压实；在安装第二层槽钢，再相似物理模型框架内铺设模拟地层材料，并压实；依次进行其他模拟地层的制作。

步骤三：在开采矿体的顶板和底板的相似模拟材料中按设计要求埋设应变片和分布式光纤。

步骤四：相似模拟隔水地层按强度相似比设计相似模拟材料，并装入塑料薄膜内，塑料薄膜的四周布设必须超过模拟含水层的位置，依靠塑料薄膜实现隔水模拟；在模拟隔水地层上下安装瞬变电磁探头和声发射探头。

步骤五：相似模拟含水地层采用塑料薄膜套和细砂组成，塑料薄膜套内充填细砂，再连接水管。

步骤六：相似模拟材料晾干达到设计要求，拆除一侧槽钢，清理相似模拟材料表面，但不能破坏塑料薄膜，设置位移监测点，安装钢化玻璃板在相似物理模型框架的两个固定立柱上。

步骤七：所有模拟地层的相似物理模拟材料及监测传感器在相似物理模型框架铺设及安装结束后，在相似物理模型框架上部安装气囊、气管和相似物理模型框架的顶梁。

步骤八：调试和检查检测仪器，由水泵给塑料薄膜套施加内供水及模拟含水层水压；侧向加压模拟水平方向构造应力；由高压气瓶给气囊加压，实现模型上部施加。

步骤九：按照设计开采，操作检测仪器及传感器监测模拟地层的位移、应变、声发射和电流值，分析矿体开采扰动围岩导致透水的机理。

本发明的有益技术效果在于：

①该装置能有效的模拟研究开采扰动围岩导致裂隙发育演化过程，分析围岩裂隙贯通诱发含水层透水机理。

②水平构造应力对采掘围岩稳定有重要影响，该装置采用侧向加压装置施加侧向压力模拟水平方向的构造应力。

③相似物理模拟含水地层采用塑料薄膜套和细砂组成，由水泵通过水管给塑料薄膜套施加内供水及模拟含水层的水量和水压。

④按强度相似比设计相似物理模拟材料装入塑料薄膜作为相似物理模拟隔水地层。

附图说明

图1开采诱发顶板透水的相似物理模拟试验装置示意图

图2开采导致底板透水的相似物理模拟试验装置示意图

图3含水断层和导水陷落柱透水的相似物理模拟试验装置示意图

图4试验测试装置示意图

图中：1-高压气瓶 2-阀门 3-气压表 4-气管 5-液压控制台 6-固定立柱 7-液压千斤顶 8-顶梁 9-侧向加力立柱 10-框架 11-气囊 12-模拟地层 13-模拟含水层 14-水箱 15-水泵 16-水压表 17-截止阀 18-水管 19-摄像仪 20-钢化玻璃板 21-计算机 22-瞬变电磁仪 23-应变仪 24-声发射仪 25-光线光栅分析仪 26-模拟含水断层和导水陷落柱

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

(1)含水层下开采顶板突水模拟试验

①熟悉开采地层的地质水文及开采技术条件，依据收集到的资料，选择相似物理模拟材料，设计每个模拟地层的相似物理模拟材料的配比。

②按照相似模拟材料配比制作模拟地层(12)材料，在相似物理模型框架(10)两侧分别安装第一层槽钢，在相似物理模型框架(10)内铺设模拟地层(12)材料，并压实；在安装第二层槽钢，再相似物理模型框架(10)内铺设模拟地层(12)材料，并压实；依次进行其他模拟地层(12)的制作。

③开采矿体、顶板和底板相似物理模拟地层(12)，根据传感器设计位置，在相似模拟材料中按设计要求埋设应变片和分布式光纤，采用②的方法依次铺设其他模拟地层(12)的相似物理模拟材料。

④相似模拟隔水地层按强度相似比设计相似模拟材料，并装入塑料薄膜内，塑料薄膜的四周布设必须超过模拟含水层(13)的位置，依靠塑料薄膜实现隔水模拟；在模拟隔水地层上下安装瞬变电磁探头和声发射探头。

⑤模拟隔水地层与模拟含水层(13)之间的其他模拟地层，采用②的方法，依次铺设其他模拟地层(12)相似物理模拟材料，至模拟含水层(13)。

⑥相似模拟含水层(13)采用塑料薄膜套和细砂组成，塑料薄膜套内充填细砂，再连接水管(18)。

⑦相似模拟材料晾干达到设计要求，拆除一侧槽钢，清理相似模拟材料表面，但不能破坏塑料薄膜，设置位移监测点，安装钢化玻璃板(20)在相似物理模型框架(10)的两个固定立柱上；

⑧所有模拟地层(12)的相似物理模拟材料及监测传感器在相似物理模型框架(10)铺设及安装结束后，在相似物理模型框架(10)上部安装气囊(11)、气管(4)和相似物理模型框架(10)的顶梁(8)；气囊(11)内的压力有高压气瓶(1)内提供气体，气压表(3)显示达到设计气压，关闭阀门(2)，实现柔性加载。

⑨调试和检查检测仪器，水箱(14)的水由水泵(15)给塑料薄膜套施加内供水，水压表(16)显示模拟含水层(13)水压达到设计水压后，关闭截止阀(17)；侧向加压由液压控制台(5)控制固定在固定立柱(6)上的液压千斤顶(7)，顶推侧向加力立柱(9)模拟水平方向构造应力；由高压气瓶(1)给气囊(11)加压，实现模型上部施加。

⑩按照设计开采，操作检测仪器(19、21、22、23、24、25)及传感器监测模拟地层的位移、应变、声发射和电流值，分析矿体开采扰动围岩导致透水的机理。

(2)底板隔水层和含水层突水模拟试验

①熟悉开采地层的地质、水文及开采技术条件，依据收集的资料，选择相似模拟材料，设计每个模拟地层的相似物理模拟材料的配比。

②按照相似模拟材料配比制作模拟地层(12)材料，在相似物理模型框架(10)两侧分别安装第一层槽钢，在相似物理模型框架(10)内铺设模拟地层(12)材料，并压实；在安装第二层槽钢，再相似物理模型框架(10)内铺设模拟地层(12)材料，并压实。

③相似模拟含水层(13)采用塑料薄膜套和细砂组成，塑料薄膜套内充填细砂，塑料薄膜套的周围向上铺设塑料薄膜，其他模拟地层(12)都在该塑料薄膜内铺设，再连接水管。

④模拟含水层(13)上有非隔水地层时，采用②的方法，依次铺设其他模拟地层(12)相似物理模拟材料，至似模拟隔水地层。

⑤相似模拟隔水地层按强度相似比设计相似模拟材料，并装入塑料薄膜内，依靠塑料薄膜实现隔水模拟；在模拟隔水地层上下安装瞬变电磁探头和声发射探头。

⑥开采矿体、顶板和底板相似物理模拟地层(12)，根据传感器设计位置，在相似模拟材料中按设计要求埋设应变片和分布式光纤，采用②的方法依次铺设模拟地层(12)的相似物理模拟材料。

⑦相似模拟材料晾干达到设计要求，拆除一侧槽钢，清理相似模拟材料表面，但不能破坏塑料薄膜，设置位移监测点，安装钢化玻璃板(20)在相似物理模型框架(10)的两个固定立柱上；

⑧所有模拟地层(12)的相似物理模拟材料及监测传感器在相似物理模型框架(10)铺设及安装结束后，在相似物理模型框架(10)上部安装气囊(11)、气管(4)和相似物理模型框架(10)的顶梁(8)；气囊(11)内的压力有高压气瓶(1)内提供气体，气压表(3)显示达到设计气压，关闭阀门(2)，实现柔性加载。

⑨调试和检查检测仪器，水箱(14)的水由水泵(15)给塑料薄膜套施加内供水，水压表(16)显示模拟含水层(13)水压达到设计水压后，关闭截止阀(17)；侧向加压由液压控制台(5)控制固定在固定立柱(6)上的液压千斤顶(7)，顶推侧向加力立柱(9)模拟水平方向构造应力；由高压气瓶(1)给气囊(11)加压，实现模型上部施加。

⑩按照设计开采，操作检测仪器(19、21、22、23、24、25)及传感器监测模拟地层的位移、应变、声发射和电流值，分析矿体开采扰动围岩导致透水的机理。

(3)含水断层和导水陷落柱突水模拟试验

①熟悉开采地层的地质水文及开采技术条件，依据收集到的资料，选择相似物理模拟材料，设计每个模拟地层的相似物理模拟材料的配比。

②按照相似模拟材料配比制作模拟地层(12)材料，在相似物理模型框架(10)两侧分 别安装第一层槽钢，在相似物理模型框架(10)内铺设模拟地层(12)材料，并压实；在安装第二层槽钢，再相似物理模型框架(10)内铺设模拟地层(12)材料，并压实；依次进行其他模拟地层(12)的制作。

③相似物理模拟含水断层和导水陷落柱的制作采用塑料薄膜套和细砂组成，塑料薄膜套内充填细砂，再连接水管(18)。

④在相似物理模拟含水断层和导水陷落柱(26)周围的铺设开采矿体、顶板和底板相似物理模拟材料，根据传感器设计位置，在相似物理模拟材料中按设计要求埋设应变片、分布式光纤，瞬变电磁探头和声发射探头，采用②的方法依次铺设其他模拟地层(12)相似物理模拟材料；

⑤相似模拟材料晾干达到设计要求，拆除一侧槽钢，清理相似模拟材料表面，但不能破坏塑料薄膜，设置位移监测点，安装钢化玻璃板(20)在相似物理模型框架(10)的两个固定立柱上；

⑥所有模拟地层(12)的相似物理模拟材料及监测传感器在相似物理模型框架(10)铺设及安装结束后，在相似物理模型框架(10)上部安装气囊(11)、气管(4)和相似物理模型框架(10)的顶梁(8)；气囊(11)内的压力有高压气瓶(1)内提供气体，气压表(3)显示达到设计气压，关闭阀门(2)，实现柔性加载。

⑦调试和检查检测仪器，水箱(14)的水由水泵(15)给塑料薄膜套施加内供水，水压表(16)显示模拟含水断层和导水陷落柱(26)塑料薄膜套水压达到设计水压后，关闭截止阀(17)；侧向加压由液压控制台(5)控制固定在固定立柱(6)上的液压千斤顶(7)，顶推侧向加力立柱(9)模拟水平方向构造应力；由高压气瓶(1)给气囊(11)加压，实现模型上部施加。

⑧按照设计开采，操作检测仪器(19、21、22、23、24、25)及传感器监测模拟地层的位移、应变、声发射和电流值，分析矿体开采扰动围岩导致透水的机理。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工程技术人员在本发明的技术范围内，可做一些变换，如加载方式、结构形式、模拟地层铺设形式和框架结构等，都应该作为侵犯本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。