[发明专利]一种用于模拟采动煤层底板突水的试验系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种底板突水试验，尤其涉及一种用于模拟采动煤层底板突水的试验系统 及其方法。

背景技术

对于煤层底板突水问题，至今研究机理理论较为多样，加上近年来各种模拟软件如 FLAC-3D、Ansys、Comsol Multiphysics等数值手段的不断研究深入，已在突水前岩体的渗 流场、应力场等方面，取得了一定的成果。但是由于底板突水问题的复杂性，含水构造岩体 系统所处水文地质随机性大，尤其是深井开采诱发因素较多，仅仅依靠理论研究、数值模拟 难以进行验证分析，无法为底板突水过程提供较为全面的认识和分析。

针对煤层底板突水机理的研究，20世纪40、50年代，匈牙利韦格弗伦斯第一次提出 “底板相对隔水层”的概念。他指出煤层底板突水不仅与隔水层厚度有关，而且还与水压力 有关，突水条件受相对隔水层厚度的制约。我国的底板突水规律研究始于20世纪60年代， 在焦作矿区水文地质大会战中，以煤科总院西安勘探分院为代表，提出了采用突水系数作为 预测预报底板突水与否的标准。其后，80年代初由山东科技大学的学者在实践中提出的“下 三带”理论，认为开采煤层底板也象采动覆岩一样存在着三带，即：I底板破坏带，II完整 岩层带(保护带)，III承压水导高带。而煤科总院北京开采所学者综合考虑了采动效应及承压 水运动，提出原位张裂与零位破坏理论，阐明了底板岩体移动发生、发展、形成和变化的过 程，揭示了矿井突水的内在原因。煤科总院北京开采所的多个学者从力学分析角度出发，提 出薄板模型理论，认为底板岩体由采动导水裂隙带及底板隔水带组成。中科院地质所提出“强 渗通道”说，认为底板是否发生突水关键在于是否具备突水通道。煤科院西安分院提出“岩 水应力关系”说，认为底板突水是岩(底板砂页岩)、水(底板承压水)、应力(采动应力和地应 力)共同作用的结果。中国矿业大学学者提出关键层理论，认为煤层底板在采动破坏带之下， 含水层之上存在一层承载能力最高的岩层，称为“关键层”，底板突水与否决由关键层所控制。

在室内试验研究方面，国内外在近几十年取得了显著的进展，但相似模拟模型试验的 研究进展相对滞后。Romm，Snow等人相继进行裂隙岩体水力学的试验研究，建立了裂隙岩体 渗流模型，初步得到了岩体应力与渗流之间的一些基本关系。Brace W F通过对花岗岩进行 高压状态下的渗透性试验得出花岗岩渗透性随着有效围压、围压与孔隙压差的增加而减小； 彭苏萍采用三轴岩石力学试验系统分析了砂岩储层岩石在全应力-应变过程中渗透率的变化 规律和不同围岩下岩石的孔渗性，建立了砂岩岩石应力-应变与渗透率之间的定量关系。虽然 对岩体渗透率演变规律的研究相对成熟，但是在高水压、高围压作用岩体破裂的渗流场的演 变规律无法获得，尤其在渗流通道的演变成灾失稳破裂机制上，仍无法获得满意效果。

相似模拟试验是以相似理论、因次分析作为依据的试验研究方法，相比于传统结构模 型试验更适用于矿山领域岩体突水的模型试验研究。原苏联学者A.A.BOPИCOB首先采用相 似材料立体模型对采空区底板岩层的变形进行了研究，Faria等从岩石力学的角度研究底板 破坏机理；我国对于突水的相似模拟实验，上世纪80、90年代就有一定的研究，中国矿业大 学、西安煤科院等单位先后开展煤层底板突水的相似实验，对采矿活动影响、关键层理论等 进行了进一步验证分析；通过无断层构造条件下底板突水的相似材料模拟试验，证明了底板 的OX型破坏特征，解释了底板突水点的分布规律；还有通过完整底板和含地质构造的底板模 拟试验，表明完整底板破坏突水沿“零位破坏”线发生，断层影响下突水与断层性质、采空 区大小有密切关系。但对于目前深井高水压与底板岩性变化、底板突水全过程再现等相关细 节问题还未见诸报道。

由此可见，现有技术有待于更进一步的改进和发展。

发明内容

本发明为解决上述现有技术中的缺陷提供一种用于模拟采动煤层底板突水的试验系统 及其方法。

为解决上述技术问题，本发明方案包括：