[实用新型]一种煤系地层结构大尺度裂隙渗流物理相似模拟试验装置

说明书

技术领域

本实用新型属于室内物理相似模拟试验技术领域，涉及一种煤系地层结构大尺度裂隙渗流室内物理相似模拟试验装置，研究不同开采扰动作用下，不同产状结构裂隙变形与渗流耦合作用。

背景技术

地下煤层开采过程中，采场围岩体应力重新分布及储能释放，导致岩体变形、离层和竖向破断，形成的宏观裂隙为含水层中的水(砂)体运动提供有效的储存空间和运移通道，采动裂隙在地下水渗流作用下的进一步扩展、连通导致采动岩体渗流场演化加剧甚至造成局部失稳，影响岩体应力场分布的同时将其涉及到的含水层(体)中的水引入采场，从而导致矿井涌水量突变增加甚至突水，成为近年来矿井生产中的主要动力灾害之一。

煤系地层内部缺陷和裂隙结构与渗流行为异常复杂,煤岩体裂隙渗流机制与定量描述一直是岩土、矿业、地质、石油及天然气工程高度关注的难点问题。开采条件下采动裂隙渗流涉及采动卸荷条件下煤岩体裂隙宏观变形、饱和渗流及其相互耦合作用、煤岩体渗流特性突变等多种复杂机理与影响因素，深刻认识和揭示开挖卸荷作用下煤岩体裂隙结构演化与渗流动力学特性是研究特殊地质条件下煤层顶板突水灾害发生机理的基础科学问题与关键。

由于裂隙介质非均质性、各向异性的特征，在室内建立相应的物理模型实现起来非常困难,开展裂隙介质物理模型模拟试验的研究相对较少。目前的物理模型模拟试验集中在单个平行板裂隙、多组平行或交叉裂隙上，地下水在裂隙中的流动往往呈现优势流或沟槽流，显示出相似模型试验在研究裂隙岩体渗流特性方面具有不可替代的作用，且需要进行更多的模拟实际岩体裂隙的试验方法。考虑裂隙面不规则和填充物的存在，研究地下煤系地层粗糙裂隙的渗流突变机制和裂隙结构的影响,将会为进一步深入研究矿井水灾害机理与防治技术提供理论基础。

实用新型内容

本实用新型提供一种煤系地层结构大尺度裂隙渗流物理相似模拟试验装置，目的在于通过在试验罐体内填充煤系地层物理相似模拟材料和大尺度混凝土块体结构裂隙的方法，在顶板载荷、顶板水压力、可调节围压的条件下进行加卸载作用下煤系地层大尺度结构裂隙变形与渗流耦合作用过程物理模拟试验，实时采集压力、位移以及水体渗流压力、流量等试验数据，并存储试验数据，分析认识和揭示开采扰动作用下煤系地层裂隙结构变形与渗流动力学特性，该套试验装置可实现多种试验条件，总体操作简单、方便。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种煤系地层结构大尺度裂隙渗流物理相似模拟试验装置，包括支架，及设置于支架上的试验罐体；

所述试验罐体内设有加装地层结构非亲水性相似材料的地层结构模型，沿地层结构模型内腔中心轴向贯穿一至模型底部的预制裂隙结构体，加装地层结构非亲水性相似材料的模型通过隔水性较强的塑料膜包裹，地层结构模型顶部设有活动推力隔板，地层结构模型底部设有隔水板底座；所述试验罐体顶部的试验罐体上盖上设有顶板水压控制加载系统，试验罐体上部设有顶板轴向加载控制系统，试验罐体底部设有侧向围压控制加载系统；所述隔水板底座下方连通一水砂体收集漏斗，水砂体收集漏斗与水砂收集箱相接；沿所述预制裂隙结构体自上而下设置有若干个与传感器数据采集与显示装置连接的裂隙结构体环形法向压力传感器、位移计；地层结构模型不同水平位置设置若干水压力和流量传感器水压力和流量传感器；

进一步地，所述试验罐体为圆柱形刚性罐体，耐压强度为12-15MPa，罐体的上盖设有进水阀门和排气阀门，罐体底座上设有进气和排气阀门。

进一步地，所述活动推力隔板和隔水板底座均布有上下连通的透水孔。

进一步地，所述顶板水压控制加载系统由水箱、泵组与水压稳压罐体串联构成，水压稳压罐体压力信号变化经压力流量控制器转换分别控制泵、水压稳压罐体输出水流至试验罐体进水阀门。

进一步地，所述试验罐体的上部设有与顶板轴向加载控制系统相连的顶板轴向加载气囊，试验罐体的内侧壁与地层结构模型之间设有与侧向围压控制加载系统相连的侧向围压加载气囊。

进一步地，所述顶板轴向加载控制系统和侧向围压控制加载系统，分别由承压气囊、空气压缩设备和压力参数采集与显示装置组成，构成单独控制的加压系统。

进一步地，所述地层结构模型通过试验模型模具制作两块混凝土块体，组装形成大尺度结构裂隙，裂隙结构面倾角为0°-45°，上下两个块体上设置锚固点，锚固点通过接入测杆，在裂隙结构内部分阶段布置2～3个小型环形法向应力传感器和水压力和流量传感器，传感器经密封装置连接数据采集器，并接入计算机；所述测杆上还设有预制裂隙结构体变形位移计。