[发明专利]用于模拟受采动影响煤层底板突水的试验系统

说明书

技术领域

本发明属于煤矿安全生产突水试验技术领域，尤其涉及一种用于模拟受采动影响煤层底板突水的试验系统。

背景技术

煤矿突水一直是煤矿工作者关注的重点，频繁的突水事故给人民的生命与财产带来了极大的损失。随着近年来各种模拟软件如FLAC-3D、ParticleFlowCode、Ansys等数值手段的不断研究深入，对于煤层底板突水问题的机理研究也变得较为多样，并在突水前岩体的渗流场、应力场等方面，取得了一定成果。但是由于底板断层突水灾害的复杂性，尤其是深井开采诱发因素较多，仅仅依靠理论计算、数值模拟难以进行分析研究，无法为底板断层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，国内外学者开展了大量的研究工作。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。20世纪60年代，以煤科总院为代表，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年代初山东科技大学的学者提出了“下三带”理论，该理论认为开采煤层底板也像采动覆岩那样存在着三带，即：底板破坏带、完整岩层带（保护带）与承压水导高带。而煤科总院北京开采所的学者综合采动效应及承压水运动，提出了原位张裂与零位破坏理论，该理论揭示了底板岩体移动的发生、发展、形成和变化的全过程。中科院地质所提出的“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的“岩水应力关系”说认为底板突水是岩、水与应力共同作用的结果。中国矿业大学学者提出的关键层理论认为在煤层底板采动破坏带之下，含水层之上存在一层承载能力最高的岩层，称为“关键层”，底板是否发生突水由关键层所控制。

在实验室研究方面，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，并建立了裂隙岩体渗流模型，初步得到了岩体应力和渗流之间的一些基本关系。黎良杰、杨映涛等利用相似材料模拟试验，模拟了采场底板突水机理。王金安研制了橡胶液压囊作为承压水体模拟装置，对承压水体上采煤进行了相似模拟试验。赵毅鑫等利用双向加载相似模拟试验系统，结合基于独立弹簧组模拟承压水加载的试验装置，开展了考虑地应力影响条件下承压水上工作面开采底板运移规律的相似模拟试验研究。

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，具有直观、能解决理论分析、数值模拟难以解决的各种破坏问题，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；对于突水的相似模拟试验，我国上世纪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物理模型试验，通过无断层构造条件下底板突水的相似物理模型试验，证明了底板的OX型破坏特征，并解释了底板突水点的分布规律；又通过对完整底板和含地质构造的底板进行模拟试验，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。由于固–流耦合问题的复杂性，以往的研究往往做不到渗流模拟，仅采用柔性加载模拟水压力的外力等效性。对于承压水的模拟有多种方式，主要有采用橡胶水袋模拟含水层或选用流固耦合相似材料直接用于承压水导通性试验，其中承压水袋制作周期长、压力不易控制及无法模拟底板破坏后承压水导升而产生的赋水灰岩局部水压降低的特征；而选用特制的相似模拟材料并直接采用高压水进行模拟，对于设备的密封性和所选相似材料均有较高要求。另外，在相似模拟中同时施加承压水压力和地应力相对较为复杂，目前仍未见理想的试验系统。

煤层底板突水是严重影响我国煤矿资源安全开采的重要因素，高承压水体上大范围开采防治底板水已成为关键性难题。近年来，随着矿井开采深度的不断增加，煤层底板奥陶纪灰岩高承压水的危害逐渐加剧。为此，众多学者对承压水上采煤底板破断规律进行了大量研究，得到许多有价值的结论。由于该问题在理论研究方面的复杂性和现场观测方面的困难性，使得通过相似模拟试验研究带压开采突水机理及底板破断规律成为有效的分析手段之一。然而，在相似模拟试验研究中如何体现底板的应力环境、承压水作用、承压水的压力稳定及承压水在沿底板破裂带导升后其对应压力降低等特征是试验能否反映实际问题的关键。