斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧試驗方法及系統與流程
2023-07-27 20:38:56
本發明涉及一種煤礦水害試驗方法和系統，具體為斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧試驗方法及系統。
背景技術：
隨著淺部易採煤炭資源的不斷減少，礦井開採深度不斷加大，隨之而來的是各種深部開採安全問題和技術難題。高地應力作用下承壓水突湧水害問題已成為深部開採的重要災害之一，而由煤層採動引起的非導水斷層（單一斷層、礦井或採區邊界大斷層的次生斷層）活化誘發承壓水突湧是深部礦井水害的最主要表現形式，尤其是在山東和兩淮礦區，斷層及次生斷層活化誘發的承壓水突湧事故約佔礦井水害事故的60%以上，嚴重製約著深部煤炭資源的安全高效開採。
基於理論推導和數值模擬仿真，對煤層採動引起斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧的機理、影響因素等方面的研究已取得了大量成果，室內實驗方面，主要以小尺寸的巖石試件模擬反演斷層的相關特性，一定程度上揭示了斷層及次生斷層的破壞突水機理和過程，但受制於實驗方法和實驗裝置，對如何定量描述各因素對斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧影響的強弱程度、如何以大比例相似模型實驗室內再現斷層及次生斷層活化突水全過程等方面的研究尚存在不足，未能進一步深刻揭示斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧的機理和過程。
技術實現要素：
鑑於以上問題，本發明的目的在於提供一種斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧試驗方法及系統，實驗室模擬再現突水全過程，並定量分析承壓水壓力、斷層帶寬度、推進速度和距離等因素對突水的影響強弱程度。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案：
一種斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧試驗方法及系統，包括相似材料模擬試驗臺、承壓水加載系統和承壓水導升系統，其中，所述相似材料模擬試驗臺為通用二維試驗臺，所述承壓水加載系統由承壓水加壓裝置、注水管路、回水管路和計算機控制系統組成，所述承壓水導升系統由水囊、隔水層鋼板、導升膠管和排水細管組成。
所述的一種斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧試驗方法及系統，其特徵在於，所述相似材料模擬試驗臺為通用二維試驗臺，包括底座、框架、液壓加載千斤頂和兩側擋板，所述擋板為方形槽鋼，可通過螺栓固定在框架上，選取一塊擋板兩端留設圓孔。
所述的一種斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧試驗方法及系統，其特徵在於，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、數字壓力表和穩壓調節器組成，所述回水管路由溢流閥、數字壓力表、單向控制閥門和回收罐組成，所述穩壓調節器和溢流閥與計算機控制系統連接。
所述的一種斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧試驗方法及系統，其特徵在於，所述水囊為方形，主要材質為橡膠，可伸縮性和延展性好，水囊寬度為相似材料模擬試驗臺寬度，高度為單塊擋板的高度，長度可調節，水囊兩側留有接口，所述水囊接口通過擋板兩端留設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，鋼板長度為試驗臺寬度，所述導升膠管為軟質膠管，形變能力較好；所述排水細管為乳膠管，端頭處帶有控制開關，排水細管按一定間距均勻的連接在導水膠管上。
一種斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧試驗方法及系統，其特徵在於，試驗方法、原理如下：
以相似材料按比例在試驗臺上鋪設原始非導水斷層模型，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擋板上按一定間距均勻鋪設隔水層鋼板，模擬煤層開挖後底板隔水層破壞形成的鉸接結構，沿試驗臺寬度方向（斷層走向）依次鋪設不同的斷層帶寬度，沿試驗臺高度方向（斷層傾向）在不同的斷層帶寬度處依次鋪設導水膠管，按一定間距均勻將排水細管與導升膠管連接，通過不同位置處排水細管的排水情況，確定承壓水的導升高度，進而模擬體現斷層帶寬度對斷層及次生斷層活化導水的影響程度。
通過外部的承壓水加載系統，給底板水囊提供水壓力，通過計算機控制系統調節控制注水管路的穩壓調節器和回水管路的溢流閥，實現水囊內水壓力的線性調節和穩定性，通過改變水囊內水體壓力模擬底板承壓水壓力的變化，進而體現承壓水壓力對斷層及次生斷層活化導水的影響程度。
通過改變模型中煤層的開挖速度與距斷層的距離，模擬體現推進速度、距離對斷層及次生斷層活化導水的影響程度。
一種斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧試驗方法及系統，其特徵在於，包括以下步驟：
第一步：根據斷層及次生斷層所處的原始地質資料，設計相似材料配比及相關實驗參數，尤其是斷層帶寬度，據此依次鋪設水囊、隔水層鋼板、煤層及上部巖層，沿試驗臺寬度方向依次鋪設不同寬度的斷層帶，在不同的斷層帶寬度處依次鋪設導水膠管，並將各導水膠管與水囊連接。
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管與導水膠管相連接，並將排水細管引出至模型表面。
第三步：依次將單向控制閥門、數字壓力表、穩壓調節器連接起來形成注水管路，並與水囊連接，將加壓泵和壓力罐連接起來形成加壓裝置，並與注水管路連接，將單向控制閥門、數字壓力表、溢流閥、回收罐連接起來形成回水管路，並與水囊連接，將穩壓調節器、溢流閥與計算機控制系統連接。
第四步：啟動加壓泵將壓力罐內的水體加至一定壓力，且壓力大於實驗所要求的最大承壓水壓力，通過計算機控制系統控制注水管路的穩壓調節器和回水管路的溢流閥，精確控制水囊內水體壓力。
第五步：按一定的步距對煤層進行開挖，監測不同的推進距離排水細管的排水情況，按一定幅度依次改變水囊內的水壓力，進一步觀察排水細管的排水情況、及相關數據的變化規律。
本發明提供了一種斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧試驗方法及系統，與現有技術相比，其有益效果是：基於相似材料模擬試驗臺，以相似材料在試驗臺上鋪設含原始非導水斷層的地質模型，通過承壓水加載系統模擬承壓水，通過承壓水導升系統模擬承壓水沿斷層的流動，通過改變相關因素的數值定量描述其對斷層及次生斷層活化導水的影響強弱程度，實驗室再現斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧全過程。
附圖說明
圖1是本發明的整體結構及裝置示意圖；
圖2是本發明中承壓水導升系統結構示意圖；
圖3是本發明模型橫剖面（斷層帶寬度、導水膠管和排水細管布置）示意圖；
圖中：相似材料模擬試驗臺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；承壓水導升系統2、水囊21、隔水層鋼板22、導水膠管23、排水細管24；承壓水加載系統3、注水管路31、回水管路32、加壓泵33、壓力罐34、計算機控制系統35、單向控制閥門36、數字壓力表37、穩壓調節器38、溢流閥39、回收罐30。
具體實施方式
為使本發明的技術方案更加清晰、明確，以下結合附圖詳細說明一種斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧試驗方法及系統的具體結構、試驗方法、原理及步驟：
本發明公開了一種斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧試驗方法及系統，如圖1、圖2和圖3所示，包括相似材料模擬試驗臺1、承壓水導升系統2和承壓水加載系統3，其中，所述相似材料模擬試驗1為通用二維試驗臺，所述承壓水加載系統3由承壓水加壓裝置33和34、注水管路31、回水管路32和計算機控制系統35組成，所述承壓水導升系統由水囊21、隔水層鋼板22、導升膠管23和排水細管24組成。
所述相似材料模擬試驗臺1為通用二維試驗臺，包括底座11、框架12、液壓加載千斤頂13和兩側擋板14；所述擋板14為方形槽鋼，可通過螺栓固定在框架12上，選取一塊擋板14兩端留設圓孔。
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、數字壓力表37和穩壓調節器38組成；所述回水管路32由溢流閥39、數字壓力表37、單向控制閥門36和回收罐30組成；所述穩壓調節器38和溢流閥39與計算機控制系統35連接。
所述水囊21為方形，主要材質為橡膠，可伸縮性和延展性好，水囊21寬度為相似材料模擬試驗臺1寬度，高度為擋板14的高度，長度可調節，水囊21兩側留有接口；所述水囊21接口通過擋板14兩端留設的圓孔與注水管路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長度為試驗臺1寬度；所述導升膠管23為軟質膠管；所述排水細管24為乳膠管，端頭處帶有控制開關；所述排水細管24按一定距離均勻連接在導水膠管23上。
上述一種斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧試驗方法及系統，其試驗方法和原理如下：
以相似材料按比例在試驗臺1上鋪設原始非導水斷層模型，在模型底板放置水囊21，模擬底板承壓水，在與水囊21同一水平的兩側擋板14上按一定間距均勻鋪設隔水層鋼板22，模擬煤層開挖後底板隔水層破壞形成的鉸接結構，沿試驗臺1寬度方向（斷層走向）依次鋪設不同的斷層帶寬度B，沿試驗臺1高度方向（斷層傾向）在不同的斷層帶寬度B處依次鋪設導水膠管23，按一定間距均勻將排水細管24與導升膠管23連接，通過不同位置處排水細管24的排水情況，確定承壓水的導升高度，進而模擬體現斷層帶寬度B對斷層及次生斷層活化導水的影響程度。
通過外部的承壓水加載系統3，給底板水囊21提供水壓力，通過計算機控制系統35調節控制注水管路31的穩壓調節器38和回水管路32的溢流閥39，實現水囊21內水壓力的線性調節和穩定性，通過改變水囊21內水體壓力模擬底板承壓水壓力的變化，進而體現承壓水壓力對斷層及次生斷層活化導水的影響程度。
通過改變模型中煤層15的開挖速度與距斷層17的距離，模擬體現推進速度、距離對斷層及次生斷層活化導水的影響程度。
上述一種斷層及次生斷層活化誘發承壓水突湧試驗方法及系統，其包括以下步驟：
第一步：根據斷層及次生斷層所處的原始地質資料，設計相似材料配比及相關實驗參數，尤其是斷層帶寬度B，據此依次鋪設水囊21、隔水層鋼板22、煤層15及上部巖層16，沿試驗臺1寬度方向依次鋪設不同的斷層帶寬度B，在不同的斷層帶寬度B處依次鋪設導水膠管23，並將各導水膠管與水囊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管24與導水膠管23相連接，並將排水細管24引出至模型表面。
第三步：依次將單向控制閥門36、數字壓力表37、穩壓調節器38連接起來形成注水管路31，並與水囊21連接，將加壓泵31和壓力罐32連接起來形成加壓裝置，並與注水管路31連接，將單向控制閥門36、數字壓力表37、溢流閥39、回收罐30連接起來形成回水管路32，並與水囊21連接，將穩壓調節器38、溢流閥39與計算機控制系統35連接。
第四步：啟動加壓泵31將壓力罐32內的水體加至一定壓力，且壓力大於實驗所要求的最大承壓水壓力，通過計算機控制系統35控制注水管路31的穩壓調節器38和回水管路32的溢流閥39，精確控制水囊21內水體壓力。
第五步：按一定的步距對煤層15進行開挖，監測不同推進距離排水細管24的排水情況，按一定幅度依次改變水囊21內的壓力，進一步觀察排水細管24的排水情況、及相關數據的變化規律。
當然，上述說明並非是對本發明的限制，本發明也並不僅限於上述舉例，本技術領域的技術人員在本發明的實質範圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也屬於本發明的保護範圍。