[发明专利]用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统及试验方法

说明书

本发明公开了一种用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统及试验方法，属于矿井突水模拟技术领域。其包括试验台、垂直加载机构及水平加载机构，垂直加载机构位于试验台顶部，并用于向待测试样提供垂向应力，水平加载机构分别位于所述试验台的两侧，其分别向待测试样提供水平应力，水平加载机构向待测试样进行不均布加载，每个水平加载机构均包括加压单元及侧板，侧板内设置有腔体，在腔体内排列有可移动的刚性块体与弹性块体，且在开口处始终布置刚性块体，腔体其余位置的刚性块体与弹性块体呈间隔排布。本发明能够模拟深井高水压与底板岩性变化、底板突水全过程，从而获得底板突水的相关数据，应用于生产作业中，提高了采煤层作业的安全性。

技术领域

本发明属于矿井突水模拟技术领域，具体涉及一种模拟隐伏构造底板突水的试验系统及试验方法。

背景技术

20世纪初，匈牙利、前苏联等国家对煤矿底板岩层结构及破坏特征进行大量研究。Reibieic建立了水压、隔水层厚度与底板突水的关系；斯列萨列夫研究了承压水作用下煤层底板破坏机制，推导出理论安全水压值计算公式。在我国，矿井突水方面的研究与实践一直走在世界前列，先后出现“下三带”理论、薄板结构理论、“强渗通道”学说、“零位破坏”与“原位张裂”理论、“关键层”理论、“递进导升”学说、“岩-水应力关系”学说等理论成果。

众多学者采用力学分析、室内试验、数值模拟等方法对底板突水进行了研究。张士川等^[1]对深部开采隐伏构造扩展活化及突水灾变进行试验研究，探讨分析了突水路径形成的时空演化规律；陈忠辉等^[2]建立了煤矿隐伏断层突水断裂力学模型，推导了导水断层发生劈裂破坏的临界水压力以及影响因素；李利平等^[3]研究了充填型断层滞后突水的灾变演化机制，分析了采动影响断层形态产状、充填性、导水性的变化及其对断层活化突水通道形成过程的影响；赵庆彪等^[4]提出了华北型煤田深部开采底板“分时段分带突破”突水机理；焦阳等^[5]研究了含隐伏溶洞底板的滞后突水机理；乔伟等^[6]进行了综放开采断层活化突水渗-流转换试验研究，分析了综放开采断层活化突水渗流转换现象；李连崇等^[7]通过有限元数值仿真研究了含断层煤层开采底板采动裂隙形成、断层活化到突水通道形成的全过程；卜万奎等^[8]分析了断层倾角对断层活化及底板突水的影响；张文泉^[9]基于弹塑性理论及数理统计方法，分析了完整底板和断裂结构底板的突水机制；张伟杰等^[10]研究了基于岩体极限平衡理论的完整近水平煤层底板突水力学机制。

已往学者在大断层与突水预测方面进行了大量研究工作，但近年发生的突水事故绝大多数是由于隐伏构造或小断层群采动活化诱发的，因此采用大断层突水理论分析隐伏构造及小断层群突水机理还有待商榷。深部岩体具有大变形、强流变性等特点，隐伏构造突水呈现隐蔽性、滞后性、突发性，目前隐伏构造活化形成突水通道的时空演化规律方面研究还较为薄弱。隐伏构造活化突水灾害本质是隐伏构造在采动应力及承压水水压作用下活化断裂形成导水通道诱发底板突水，属于应力-渗流耦合作用下裂纹传播失稳问题。已有研究成果主要集中在应力-渗流耦合条件下二维裂纹传播破裂特征及理论，但将其拓展到三维，考虑高应力-高裂隙水压条件下三维裂纹传播破裂机制及时空演化特征方面的研究还鲜有报道。

现有技术相关文献：

[1]张士川,郭惟嘉,孙文斌,等.深部开采隐伏构造扩展活化及突水试验研究[J].岩土力学,2015,36(11):3111-3120.

[2]陈忠辉,胡正平,李辉,等.煤矿隐伏断层突水的断裂力学模型及力学判据[J].中国矿业大学学报,2011,40(5):673-677.

[3]李利平,李术才,石少帅,等.基于应力-渗流-损伤耦合效应的断层活化突水机制研究[J].岩石力学与工程学报,2011,(S1):3295-3304.