模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置及方法与流程

本发明涉及煤矿地下开采物理模拟试验技术领域，尤其涉及一种模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置及方法。

背景技术：

随着我国矿井开采向深部发展，深部断层活化引起的动力灾害越来越频繁，80％的底板突水事故与断层有关。然而，煤矿地下开采的地质条件具有复杂性，且受目前科研技术的限制，很难在现场条件下研究断层活化突水的机理。因此，为了揭示深部断层活化突水机理，为煤层实际开采中断层活化突水的预测、预报及评价做参考，开发一种符合实际且可模拟深部断层活化突水的室内物理试验装置显得尤为重要。

目前，关于底板突水的室内物理模拟设备已有很多，但关于断层活化突水的模拟设备则较少。

为了研究断层活化突水机理，目前对断层活化的模拟试验大多是通过人工错层铺设来实现的，这与实际情况多有不符。首先，其违背了实际断层形成的力学机制，断层的形成是在地应力作用下发生了层间错位，为一力学作用下的动态过程，并不是将相似材料错层铺设的静力状态；其次，目前断层落差、倾角的物理模拟也是通过人为错层铺设一定的高差和倾斜角度实现的，这也不符合实际断层落差、倾角形成的力学机制；最后，断层活化突水是一个断层在采动影响下发生失稳、滑移，进而导通含水层的过程，物理模拟试验应同时满足水压、矿压联合作用的要求，并可实现断层活化的动态模拟过程，现场断层活化难以观测，为揭示断层活化过程，模拟试验设备应具有监测的可视化与数据化。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明公开了一种模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置，包括：

两个侧板，两个所述侧板的底部均固定在固定边界上，且与顶板、底板均紧密接触；

水箱，其底面固定在固定边界上，水箱的两端与两个侧板刚性连接；

顶板，为组合板式结构，其两端与侧板紧密接触，所述顶板上贯通的开设有多个矩形连接孔和切割缝；

底板，为组合板式结构，其两端与侧板紧密接触，所述底板上贯通的开设有多个矩形连接孔和切割缝；

油缸a和油缸b，分别设置于顶板的左、右两端，油缸a和油缸b均可伸缩；

有机玻璃，两个侧板前、后边缘上均开设有对称的螺孔，有机玻璃通过螺钉将与侧板固定连接。

进一步地，所述底板上设置的矩形连接孔和切割缝数量多于顶板上设置的矩形连接孔和切割缝数量。

进一步地，所述矩形连接孔中均可插入矩形钢条。

进一步地，底板上相邻的两块组合板之间均通过矩形钢条实现组合连接，且每块组合板的底面上均设有刚性弹簧。

进一步地，水箱的顶面上还设有多个可关闭和打开的出水螺孔，成排的钢性弹簧的底部与水箱顶面固定连接。

进一步地，所述底板上设有出水孔，水箱内的水可以通过出水孔流入铺设好的岩层。

进一步地，所述底板的上表面还设有监测含水层水压的水压力传感器。

模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的模拟试验方法，采用上述试验装置，模拟过程包括：

(1)铺设岩层

在模拟试验台的底板上依次铺设多个岩层，矩形钢条均插入底板与顶板的连接孔中，铺设的岩层间布设应力传感器，在岩层的表面横向与竖向打线；另外，铺设岩层前，事先将水箱上的出水螺孔打开，并在底板的上表面铺设一张塑料网，在塑料网上铺设一定厚度的碎石子，铺设完成后，在试验台的前、后方安装有机玻璃，完成岩层铺设过程；

(2)模拟施加初始地应力

岩层铺设完成后，对铺设的岩层施加地应力，通过位移控制或压力控制油缸a和油缸b同步进行垂直方向上的加载，刚性弹簧处于压缩状态，实现初始地应力的施加；

(3)模拟不同落差、不同倾角的断层

施加初始地应力完成后，根据模拟方案对断层倾角的要求，分别拔出顶板和底板连接孔中的矩形钢条各一根，底板、顶板分为左右两部分；控制油缸a、b进行非同步加载，铺设的岩层将会沿顶板、底板打开连接孔的连线形成断层，实现不同落差断层形成过程的模拟；

通过拔出顶、底板不同相对位置连接孔中的矩形钢条，实现不同倾角断层形成过程的模拟；

(4)模拟含水层水压

断层形成之后，保持油缸a、b的状态不变，在底板岩层和含水层对应的有机玻璃交界处涂抹密封胶，防止水从有机玻璃的交界处渗出；然后，通过控制系统在水箱内部施加水压力，水体将会依次通过水箱的出水螺孔、钢性弹簧、底板上的出水孔，进入岩层最底部铺设的碎石层中，与碎石体共同形成流固耦合的含水层；控制水箱内加载的水压力，使得水压力传感器显示的水压等于含水层水压，完成含水层水压施加模拟过程；

(5)模拟采动突水

施加含水层水压后，打开上盘煤层或下盘煤层相对应的有机玻璃进行逐次煤层开挖，开挖一次完成后，及时将有机玻璃装上，使处于三维封闭状态进行观测；重复该过程，进行煤层开挖。

进一步地，步骤(2)施加初始地应力过程中，水箱中不加水。

进一步地，步骤(5)煤层开挖过程中，控制水箱中的水压，保证底板上表面压力传感器的值与含水层水压值一致。

本发明的有益效果是，装置设计新颖、操作便捷，可视化程度高，一次性完成以下多种可视化模拟试验：

(1)可实现实际断层形成全过程的可视化模拟；

(2)可实现不同落差、不同倾角断层形成全过程的可视化模拟；

(3)可实现不同深度条件下初始地应力的模拟试验；

(4)可实现断层活化全过程的可视化模拟；

(5)可实现采动断层活化突水全过程的可视化模拟；

(6)可实现不同含水层水压条件下底板突水(含断层或不含断层)可视化模拟。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中的顶板结构示意图；

图3为本发明中的矩形钢条结构示意图；

图4为本发明中的水箱结构示意图；

图5为本发明中的底板结构示意图；

图6为本发明岩层铺设完成结构示意图；

图7为本发明施加初始地应力结构示意图；

图8为本发明断层形成结构示意图；

图9为本发明施加含水层水压结构示意图；

图10为本发明煤层开挖完成结构示意图；

其中，1-侧板；2-顶板；3-底板；4-水箱；5-固定边界；6-刚性弹簧；7-连接孔；8-螺钉；9-有机玻璃；10-油缸a；11-油缸b；12-矩形钢条；13-切割缝；14-出水螺孔；15-出水孔；16-水压力传感器；17-顶板岩层；18-开采煤层；19-底板岩层；20-含水层；21-上盘煤层；22-下盘煤层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置，包括：

两个侧板1，两个侧板1的底部均固定在固定边界5上，且与顶板2、底板3均紧密接触；

水箱4，其底面固定在固定边界5上，水箱4的两端与两个侧板1刚性连接，水箱4内部施加水压；

顶板2，如图2、图3所示，为组合板式结构，其两端与侧板1紧密接触，顶板2上贯通的开设有五个矩形连接孔7和切割缝13，实现顶板2的整体连接与部分断开，这样就可实现顶板2配合油缸a10、油缸b11的伸缩控制，从而实现对铺设的岩层进行垂向加载，如位移或压力控制下的整体同步加载或左、右两部分单个加载；

底板3，如图3、图5所示，为组合板式结构，其两端与侧板1紧密接触，底板3上贯通的开设有七个矩形连接孔7和切割缝13，；

油缸a10和油缸b11，分别设置于顶板2的左、右两端，油缸a10和油缸b11均可伸缩，油缸a10与油缸b11的伸缩可通过现有技术中的控制系统，实现整体同步加载与单个加载，控制方式包含位移控制与压力控制两种；

有机玻璃9，两个侧板1前、后边缘上均开设有对称的螺孔，有机玻璃9通过螺钉8将与侧板1固定连接，实现模拟实验前、后方向上的封闭，创造三维应力条件，由于采用的是透明的有机玻璃9，故可实现整个模拟试验过程中的可视化。

特别的，底板3上设置的矩形连接孔7和切割缝13数量多于顶板2上设置的矩形连接孔7和切割缝13数量，可用于模拟不同倾角断层的形成过程。

特别的，矩形连接孔7中均可插入矩形钢条12，从而实现底板3、顶板2的组合连接。

特别的，底板3上相邻的两块组合板之间均通过矩形钢条12实现组合连接，且每块组合板的底面上均设有刚性弹簧6，因此，被矩形钢条12连接或断开的部分，就可以随刚性弹簧6的压缩与舒张而发生整体或部分上下移动。

特别的，水箱4的顶面上还设有多个可关闭和打开的出水螺孔14，成排的钢性弹簧6的底部与水箱4的顶面固定连接。

特别的，底板3上设有出水孔15，水箱4内的水可以通过出水孔15流入铺设好的岩层，如图5所示。

特别的，底板3的上表面还设有监测含水层20水压的水压力传感器16，如图5所示。

一种模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的模拟试验方法，模拟过程包括：

(1)铺设岩层

试验前，在模拟试验台的底板3上依次铺设多个岩层，包括含水层20、底板岩层19、开采煤层18、顶板岩层17；矩形钢条12均插入底板3与顶板2的连接孔7中，铺设的岩层间布设应力传感器，监测断层形成、活化、突水过程中的应力变化规律，在岩层的表面横向与竖向打线，通过全站仪观测加载过程中不同位置的位移变化；另外，铺设岩层前，事先将水箱4上的出水螺孔14打开，并在底板3的上表面铺设一张塑料网，防止岩层材料通过底板3的出水孔15进入弹簧和水箱4，在塑料网上铺设一定厚度的碎石子，加水后用以模拟含水层20；铺设完成后，在试验台的前、后方安装有机玻璃9，实现模型前后的位移约束和断层形成、活化、突水的可视化效果，完成岩层铺设过程，如图6所示。

(2)模拟施加初始地应力

岩层铺设完成后，对铺设的岩层施加地应力，通过位移控制或压力控制油缸a10和油缸b11同步进行垂直方向上的加载，刚性弹簧6处于压缩状态，实现初始地应力的施加，期间水箱4中不加水，通过控制加载的载荷，即可实现不同深度条件下的初始地应力模拟过程，如图7所示。

(3)模拟不同落差、不同倾角的断层

施加初始地应力完成后，对不同倾角、落差断层的形成进行模拟试验，形成与现场力学机制较为符合的断层；根据模拟方案对断层倾角的要求，分别拔出顶板2和底板3中连接孔7中的矩形钢条12各一根，先将要拔出矩形钢条12的连接孔7对应的有机玻璃9卸掉，拔完后再装上，底板3、顶板2分为左右两部分；控制油缸a10、油缸b11进行非同步加载，铺设的岩层将会沿顶板2、底板3打开连接孔7的连线，形成断层，期间，油缸a10、油缸b11的伸长量不等，被连接孔7分开的底板3左、右两部分下方的弹簧的压缩量也不等，这样就形成了断层的落差，通过控制油缸a10、油缸b11加载的差量(载荷、位移、加载速率)就可以实现不同落差断层形成过程的模拟。

通过上述过程形成的断层是在力学加载条件下形成的，而非人工错层铺设形成的，形成后的断层具有一定的力学环境。

另外，通过拔出顶板2、底板3不同相对位置连接孔7中的矩形钢条12，进而实现不同倾角断层形成过程的模拟，如图8所示。

(4)模拟含水层水压

断层形成之后，保持油缸a10、油缸b11的状态不变，为模拟采动断层活化突水，在煤层开挖前需施加含水层20水压，使含水层20满足开挖前的初始状态；首先，在底板3岩层和含水层20对应的有机玻璃9交界处涂抹密封胶，防止水从有机玻璃9的交界处渗出；然后，通过控制系统在水箱4内部施加水压力，水体将会依次通过水箱4的出水螺孔14、钢性弹簧、底板3上的出水孔15，进入岩层最底部铺设的碎石层中，与碎石体共同形成流固耦合的含水层20；最后，为满足模拟试验对含水层20水压的要求，通过判断布设在底板3上表面的水压力传感器16显示的水压大小是否等于含水层20水压，进而控制水箱4内加载的水压力，使得水压力传感器16显示的水压等于含水层20水压，完成含水层20水压施加模拟过程，如图9所示。

(5)模拟采动突水

施加含水层20水压后，根据模拟试验方案的要求，打开上盘煤层21或下盘煤层22相对应的有机玻璃9进行逐次煤层开挖，开挖一次完成后，及时将有机玻璃9装上，使处于三维封闭状态进行观测；依据设计的开挖方案重复上述步骤进行煤层开挖；在煤层开挖过程中，应时刻观测底板3上表面压力传感器的值是否与含水层20水压值一致，若不一致，应及时控制水箱4中的水压，使其保持一致，如图10所示。

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，也应属于本发明的保护范围。