[发明专利]模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置及方法

权利要求书

1.模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置，其特征在于，包括：

两个侧板，两个所述侧板的底部均固定在固定边界上，且与顶板、底板均紧密接触；

水箱，其底面固定在固定边界上，水箱的两端与两个侧板刚性连接；

顶板，为组合板式结构，其两端与侧板紧密接触，所述顶板上贯通的开设有多个矩形连接孔和切割缝；

底板，为组合板式结构，其两端与侧板紧密接触，所述底板上贯通的开设有多个矩形连接孔和切割缝；

油缸A和油缸B，分别设置于顶板的左、右两端，油缸A和油缸B均可伸缩；

有机玻璃，两个侧板前、后边缘上均开设有对称的螺孔，有机玻璃通过螺钉将与侧板固定连接；

所述底板上设置的矩形连接孔和切割缝数量多于顶板上设置的矩形连接孔和切割缝数量；

底板上相邻的两块组合板之间均通过矩形钢条实现组合连接，且每块组合板的底面上均设有刚性弹簧；

水箱的顶面上还设有多个可关闭和打开的出水螺孔，成排的钢性弹簧的底部与水箱顶面固定连接；

所述底板上设有出水孔，水箱内的水可以通过出水孔流入铺设好的岩层；

所述底板的上表面还设有监测含水层水压的水压力传感器。

2.如权利要求1所述的模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置，其特征在于，所述矩形连接孔中均可插入矩形钢条。

3.模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的模拟试验方法，采用权利要求1-2任一所述的试验装置，其特征在于，模拟过程包括：

(1)铺设岩层

在模拟试验台的底板上依次铺设多个岩层，矩形钢条均插入底板与顶板的连接孔中，铺设的岩层间布设应力传感器，在岩层的表面横向与竖向打线；另外，铺设岩层前，事先将水箱上的出水螺孔打开，并在底板的上表面铺设一张塑料网，在塑料网上铺设一定厚度的碎石子，铺设完成后，在试验台的前、后方安装有机玻璃，完成岩层铺设过程；

(2)模拟施加初始地应力

岩层铺设完成后，对铺设的岩层施加地应力，通过位移控制或压力控制油缸A和油缸B同步进行垂直方向上的加载，刚性弹簧处于压缩状态，实现初始地应力的施加；

(3)模拟不同落差、不同倾角的断层

施加初始地应力完成后，根据模拟方案对断层倾角的要求，分别拔出顶板和底板连接孔中的矩形钢条各一根，底板、顶板分为左右两部分；控制油缸A、B进行非同步加载，铺设的岩层将会沿顶板、底板打开连接孔的连线形成断层，实现不同落差断层形成过程的模拟；

通过拔出顶、底板不同相对位置连接孔中的矩形钢条，进而实现不同倾角断层形成过程的模拟；

(4)模拟含水层水压

断层形成之后，保持油缸A、B的状态不变，在底板岩层和含水层对应的有机玻璃交界处涂抹密封胶，防止水从有机玻璃的交界处渗出；然后，通过控制系统在水箱内部施加水压力，水体将会依次通过水箱的出水螺孔、钢性弹簧、底板上的出水孔，进入岩层最底部铺设的碎石层中，与碎石体共同形成流固耦合的含水层；控制水箱内加载的水压力，使得水压力传感器显示的水压等于含水层水压，完成含水层水压施加模拟过程；

(5)模拟采动突水

施加含水层水压后，打开上盘煤层或下盘煤层相对应的有机玻璃进行逐次煤层开挖，开挖一次完成后，及时将有机玻璃装上，使处于三维封闭状态进行观测；重复该过程，进行煤层开挖。

4.如权利要求3所述的模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的模拟试验方法，其特征在于，步骤(2)施加初始地应力过程中，水箱中不加水。

5.如权利要求4所述的模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的模拟试验方法，其特征在于，步骤(5)煤层开挖过程中，控制水箱中的水压，保证底板上表面压力传感器的值与含水层水压值一致。