本發(fā)明涉及一種煤礦水害試驗(yàn)方法和系統(tǒng)，具體為斷層及次生斷層活化誘發(fā)承壓水突涌試驗(yàn)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著淺部易采煤炭資源的不斷減少，礦井開(kāi)采深度不斷加大，隨之而來(lái)的是各種深部開(kāi)采安全問(wèn)題和技術(shù)難題。高地應(yīng)力作用下承壓水突涌水害問(wèn)題已成為深部開(kāi)采的重要災(zāi)害之一，而由煤層采動(dòng)引起的非導(dǎo)水?dāng)鄬樱▎我粩鄬?、礦井或采區(qū)邊界大斷層的次生斷層）活化誘發(fā)承壓水突涌是深部礦井水害的最主要表現(xiàn)形式，尤其是在山東和兩淮礦區(qū)，斷層及次生斷層活化誘發(fā)的承壓水突涌事故約占礦井水害事故的60%以上，嚴(yán)重制約著深部煤炭資源的安全高效開(kāi)采。

基于理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬仿真，對(duì)煤層采動(dòng)引起斷層及次生斷層活化誘發(fā)承壓水突涌的機(jī)理、影響因素等方面的研究已取得了大量成果，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方面，主要以小尺寸的巖石試件模擬反演斷層的相關(guān)特性，一定程度上揭示了斷層及次生斷層的破壞突水機(jī)理和過(guò)程，但受制于實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)如何定量描述各因素對(duì)斷層及次生斷層活化誘發(fā)承壓水突涌影響的強(qiáng)弱程度、如何以大比例相似模型實(shí)驗(yàn)室內(nèi)再現(xiàn)斷層及次生斷層活化突水全過(guò)程等方面的研究尚存在不足，未能進(jìn)一步深刻揭示斷層及次生斷層活化誘發(fā)承壓水突涌的機(jī)理和過(guò)程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種斷層及次生斷層活化誘發(fā)承壓水突涌試驗(yàn)方法及系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室模擬再現(xiàn)突水全過(guò)程，并定量分析承壓水壓力、斷層帶寬度、推進(jìn)速度和距離等因素對(duì)突水的影響強(qiáng)弱程度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種斷層及次生斷層活化誘發(fā)承壓水突涌試驗(yàn)方法及系統(tǒng)，包括相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)、承壓水加載系統(tǒng)和承壓水導(dǎo)升系統(tǒng)，其中，所述相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)為通用二維試驗(yàn)臺(tái)，所述承壓水加載系統(tǒng)由承壓水加壓裝置、注水管路、回水管路和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，所述承壓水導(dǎo)升系統(tǒng)由水囊、隔水層鋼板、導(dǎo)升膠管和排水細(xì)管組成。

所述的一種斷層及次生斷層活化誘發(fā)承壓水突涌試驗(yàn)方法及系統(tǒng)，其特征在于，所述相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)為通用二維試驗(yàn)臺(tái)，包括底座、框架、液壓加載千斤頂和兩側(cè)擋板，所述擋板為方形槽鋼，可通過(guò)螺栓固定在框架上，選取一塊擋板兩端留設(shè)圓孔。

所述的一種斷層及次生斷層活化誘發(fā)承壓水突涌試驗(yàn)方法及系統(tǒng)，其特征在于，所述承壓水加壓裝置由加壓泵和壓力罐組成，所述加壓泵為氣液兩用，所述注水管路由單向控制閥門、數(shù)字壓力表和穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器組成，所述回水管路由溢流閥、數(shù)字壓力表、單向控制閥門和回收罐組成，所述穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器和溢流閥與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接。

所述的一種斷層及次生斷層活化誘發(fā)承壓水突涌試驗(yàn)方法及系統(tǒng)，其特征在于，所述水囊為方形，主要材質(zhì)為橡膠，可伸縮性和延展性好，水囊寬度為相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)寬度，高度為單塊擋板的高度，長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)，水囊兩側(cè)留有接口，所述水囊接口通過(guò)擋板兩端留設(shè)的圓孔分別與注水管路和回水管路連接，所述隔水層鋼板為多塊同一尺寸的Q235鋼板，按一定間距均勻布置在與水囊同一水平的擋板上，鋼板長(zhǎng)度為試驗(yàn)臺(tái)寬度，所述導(dǎo)升膠管為軟質(zhì)膠管，形變能力較好；所述排水細(xì)管為乳膠管，端頭處帶有控制開(kāi)關(guān)，排水細(xì)管按一定間距均勻的連接在導(dǎo)水膠管上。

一種斷層及次生斷層活化誘發(fā)承壓水突涌試驗(yàn)方法及系統(tǒng)，其特征在于，試驗(yàn)方法、原理如下：

以相似材料按比例在試驗(yàn)臺(tái)上鋪設(shè)原始非導(dǎo)水?dāng)鄬幽Ｐ?，在模型底板放置水囊，模擬底板承壓水，在與水囊同一水平的兩側(cè)擋板上按一定間距均勻鋪設(shè)隔水層鋼板，模擬煤層開(kāi)挖后底板隔水層破壞形成的鉸接結(jié)構(gòu)，沿試驗(yàn)臺(tái)寬度方向（斷層走向）依次鋪設(shè)不同的斷層帶寬度，沿試驗(yàn)臺(tái)高度方向（斷層傾向）在不同的斷層帶寬度處依次鋪設(shè)導(dǎo)水膠管，按一定間距均勻?qū)⑴潘?xì)管與導(dǎo)升膠管連接，通過(guò)不同位置處排水細(xì)管的排水情況，確定承壓水的導(dǎo)升高度，進(jìn)而模擬體現(xiàn)斷層帶寬度對(duì)斷層及次生斷層活化導(dǎo)水的影響程度。

通過(guò)外部的承壓水加載系統(tǒng)，給底板水囊提供水壓力，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制注水管路的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器和回水管路的溢流閥，實(shí)現(xiàn)水囊內(nèi)水壓力的線性調(diào)節(jié)和穩(wěn)定性，通過(guò)改變水囊內(nèi)水體壓力模擬底板承壓水壓力的變化，進(jìn)而體現(xiàn)承壓水壓力對(duì)斷層及次生斷層活化導(dǎo)水的影響程度。

通過(guò)改變模型中煤層的開(kāi)挖速度與距斷層的距離，模擬體現(xiàn)推進(jìn)速度、距離對(duì)斷層及次生斷層活化導(dǎo)水的影響程度。

一種斷層及次生斷層活化誘發(fā)承壓水突涌試驗(yàn)方法及系統(tǒng)，其特征在于，包括以下步驟：

第一步：根據(jù)斷層及次生斷層所處的原始地質(zhì)資料，設(shè)計(jì)相似材料配比及相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，尤其是斷層帶寬度，據(jù)此依次鋪設(shè)水囊、隔水層鋼板、煤層及上部巖層，沿試驗(yàn)臺(tái)寬度方向依次鋪設(shè)不同寬度的斷層帶，在不同的斷層帶寬度處依次鋪設(shè)導(dǎo)水膠管，并將各導(dǎo)水膠管與水囊連接。

第二步：自隔水層鋼板同一水平位置起，沿一定間距均勻的將排水細(xì)管與導(dǎo)水膠管相連接，并將排水細(xì)管引出至模型表面。

第三步：依次將單向控制閥門、數(shù)字壓力表、穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器連接起來(lái)形成注水管路，并與水囊連接，將加壓泵和壓力罐連接起來(lái)形成加壓裝置，并與注水管路連接，將單向控制閥門、數(shù)字壓力表、溢流閥、回收罐連接起來(lái)形成回水管路，并與水囊連接，將穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器、溢流閥與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接。

第四步：?jiǎn)?dòng)加壓泵將壓力罐內(nèi)的水體加至一定壓力，且壓力大于實(shí)驗(yàn)所要求的最大承壓水壓力，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制注水管路的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器和回水管路的溢流閥，精確控制水囊內(nèi)水體壓力。

第五步：按一定的步距對(duì)煤層進(jìn)行開(kāi)挖，監(jiān)測(cè)不同的推進(jìn)距離排水細(xì)管的排水情況，按一定幅度依次改變水囊內(nèi)的水壓力，進(jìn)一步觀察排水細(xì)管的排水情況、及相關(guān)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。

本發(fā)明提供了一種斷層及次生斷層活化誘發(fā)承壓水突涌試驗(yàn)方法及系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是：基于相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)，以相似材料在試驗(yàn)臺(tái)上鋪設(shè)含原始非導(dǎo)水?dāng)鄬拥牡刭|(zhì)模型，通過(guò)承壓水加載系統(tǒng)模擬承壓水，通過(guò)承壓水導(dǎo)升系統(tǒng)模擬承壓水沿?cái)鄬拥牧鲃?dòng)，通過(guò)改變相關(guān)因素的數(shù)值定量描述其對(duì)斷層及次生斷層活化導(dǎo)水的影響強(qiáng)弱程度，實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)斷層及次生斷層活化誘發(fā)承壓水突涌全過(guò)程。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)及裝置示意圖；

圖2是本發(fā)明中承壓水導(dǎo)升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明模型橫剖面（斷層帶寬度、導(dǎo)水膠管和排水細(xì)管布置）示意圖；

圖中：相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)1、底座11、框架12、液壓加載千斤頂13、擋板槽鋼14、煤層15、上部巖層16、斷層及次生斷層17，斷層帶寬度B；承壓水導(dǎo)升系統(tǒng)2、水囊21、隔水層鋼板22、導(dǎo)水膠管23、排水細(xì)管24；承壓水加載系統(tǒng)3、注水管路31、回水管路32、加壓泵33、壓力罐34、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)35、單向控制閥門36、數(shù)字壓力表37、穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器38、溢流閥39、回收罐30。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的技術(shù)方案更加清晰、明確，以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明一種斷層及次生斷層活化誘發(fā)承壓水突涌試驗(yàn)方法及系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)方法、原理及步驟：

本發(fā)明公開(kāi)了一種斷層及次生斷層活化誘發(fā)承壓水突涌試驗(yàn)方法及系統(tǒng)，如圖1、圖2和圖3所示，包括相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)1、承壓水導(dǎo)升系統(tǒng)2和承壓水加載系統(tǒng)3，其中，所述相似材料模擬試驗(yàn)1為通用二維試驗(yàn)臺(tái)，所述承壓水加載系統(tǒng)3由承壓水加壓裝置33和34、注水管路31、回水管路32和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)35組成，所述承壓水導(dǎo)升系統(tǒng)由水囊21、隔水層鋼板22、導(dǎo)升膠管23和排水細(xì)管24組成。

所述相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)1為通用二維試驗(yàn)臺(tái)，包括底座11、框架12、液壓加載千斤頂13和兩側(cè)擋板14；所述擋板14為方形槽鋼，可通過(guò)螺栓固定在框架12上，選取一塊擋板14兩端留設(shè)圓孔。

所述承壓水加壓裝置由加壓泵33和壓力罐34組成，所述加壓泵33為氣液兩用；所述注水31管路由單向控制閥門36、數(shù)字壓力表37和穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器38組成；所述回水管路32由溢流閥39、數(shù)字壓力表37、單向控制閥門36和回收罐30組成；所述穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器38和溢流閥39與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)35連接。

所述水囊21為方形，主要材質(zhì)為橡膠，可伸縮性和延展性好，水囊21寬度為相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)1寬度，高度為擋板14的高度，長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)，水囊21兩側(cè)留有接口；所述水囊21接口通過(guò)擋板14兩端留設(shè)的圓孔與注水管路31和回水管路32連接；所述隔水層鋼板22為多塊同一尺寸的Q235鋼板，按一定間距均勻放置在與水囊21同一水平的擋板14上，隔水層鋼板22長(zhǎng)度為試驗(yàn)臺(tái)1寬度；所述導(dǎo)升膠管23為軟質(zhì)膠管；所述排水細(xì)管24為乳膠管，端頭處帶有控制開(kāi)關(guān)；所述排水細(xì)管24按一定距離均勻連接在導(dǎo)水膠管23上。

上述一種斷層及次生斷層活化誘發(fā)承壓水突涌試驗(yàn)方法及系統(tǒng)，其試驗(yàn)方法和原理如下：

以相似材料按比例在試驗(yàn)臺(tái)1上鋪設(shè)原始非導(dǎo)水?dāng)鄬幽Ｐ?，在模型底板放置水?1，模擬底板承壓水，在與水囊21同一水平的兩側(cè)擋板14上按一定間距均勻鋪設(shè)隔水層鋼板22，模擬煤層開(kāi)挖后底板隔水層破壞形成的鉸接結(jié)構(gòu)，沿試驗(yàn)臺(tái)1寬度方向（斷層走向）依次鋪設(shè)不同的斷層帶寬度B，沿試驗(yàn)臺(tái)1高度方向（斷層傾向）在不同的斷層帶寬度B處依次鋪設(shè)導(dǎo)水膠管23，按一定間距均勻?qū)⑴潘?xì)管24與導(dǎo)升膠管23連接，通過(guò)不同位置處排水細(xì)管24的排水情況，確定承壓水的導(dǎo)升高度，進(jìn)而模擬體現(xiàn)斷層帶寬度B對(duì)斷層及次生斷層活化導(dǎo)水的影響程度。

通過(guò)外部的承壓水加載系統(tǒng)3，給底板水囊21提供水壓力，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)35調(diào)節(jié)控制注水管路31的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器38和回水管路32的溢流閥39，實(shí)現(xiàn)水囊21內(nèi)水壓力的線性調(diào)節(jié)和穩(wěn)定性，通過(guò)改變水囊21內(nèi)水體壓力模擬底板承壓水壓力的變化，進(jìn)而體現(xiàn)承壓水壓力對(duì)斷層及次生斷層活化導(dǎo)水的影響程度。

通過(guò)改變模型中煤層15的開(kāi)挖速度與距斷層17的距離，模擬體現(xiàn)推進(jìn)速度、距離對(duì)斷層及次生斷層活化導(dǎo)水的影響程度。

上述一種斷層及次生斷層活化誘發(fā)承壓水突涌試驗(yàn)方法及系統(tǒng)，其包括以下步驟：

第一步：根據(jù)斷層及次生斷層所處的原始地質(zhì)資料，設(shè)計(jì)相似材料配比及相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，尤其是斷層帶寬度B，據(jù)此依次鋪設(shè)水囊21、隔水層鋼板22、煤層15及上部巖層16，沿試驗(yàn)臺(tái)1寬度方向依次鋪設(shè)不同的斷層帶寬度B，在不同的斷層帶寬度B處依次鋪設(shè)導(dǎo)水膠管23，并將各導(dǎo)水膠管與水囊21連接。

第二步：自隔水層鋼板22同一水平位置起，沿一定間距均勻的將排水細(xì)管24與導(dǎo)水膠管23相連接，并將排水細(xì)管24引出至模型表面。

第三步：依次將單向控制閥門36、數(shù)字壓力表37、穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器38連接起來(lái)形成注水管路31，并與水囊21連接，將加壓泵31和壓力罐32連接起來(lái)形成加壓裝置，并與注水管路31連接，將單向控制閥門36、數(shù)字壓力表37、溢流閥39、回收罐30連接起來(lái)形成回水管路32，并與水囊21連接，將穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器38、溢流閥39與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)35連接。

第四步：?jiǎn)?dòng)加壓泵31將壓力罐32內(nèi)的水體加至一定壓力，且壓力大于實(shí)驗(yàn)所要求的最大承壓水壓力，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)35控制注水管路31的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器38和回水管路32的溢流閥39，精確控制水囊21內(nèi)水體壓力。

第五步：按一定的步距對(duì)煤層15進(jìn)行開(kāi)挖，監(jiān)測(cè)不同推進(jìn)距離排水細(xì)管24的排水情況，按一定幅度依次改變水囊21內(nèi)的壓力，進(jìn)一步觀察排水細(xì)管24的排水情況、及相關(guān)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。

當(dāng)然，上述說(shuō)明并非是對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。