[发明专利]强动力扰动下深部围岩渗流稳定性分析装置及方法

说明书

本发明公开了一种强动力扰动下深部围岩渗流稳定性分析装置及方法，包括用于对含有模拟巷道的围岩物模试样施加真三轴载荷的真三轴应力加载系统，连接真三轴应力加载系统上下端的高压渗流加载机构，密封于方形岩体物模试件各交界棱的真三轴边界渗流密封机构和渗流控制与监测机构。本发明可以模拟和分析围岩在三向应力、高渗流及强动力扰动载荷条件下渗透特性的变化，并判断突水等灾害现象发生的潜在危险。

技术领域

本发明属于深部岩石测试技术领域，尤其涉及一种强动力扰动下深部围岩渗流稳定性分析装置及方法。

背景技术

我国安全、绿色、高效矿山建设已逐步迈向深部，随着矿山开采深度的增加，深部岩体中赋存的水力势能显著增加，在开采活动的影响下，深部矿井涌水、突水已成为是世界矿业领域的重要研究课题，它给矿山带来的经济损失和人身伤亡极为惨重。可以预计，在未来20年我国许多矿井将逐步开采1000～2000m深度的资源，伴随而来来的深井水力势能(10～20MPa)极大，这将导致水害诱发条件、形成机理以及威胁程度都会发生复杂变化。

进入深部后，工程开采扰动致使岩体结构动态演化，进而导致导水通道的形成，在强大的势能驱动下高压水沿导水裂隙渗流，以突发、缓发或滞发的形式涌向工作面或采空区。开采扰动下岩体结构裂隙演化形成导水通道将成为深部矿山突水的主要诱因之一。此外，部分深部海底矿山的开采将面临更急迫的水害问题。如大型海底硬质岩金矿，由于深部复杂的地质和水文环境，其井巷开拓与回采作业引起围岩渗水、涌水现象显现，矿区深部区域巷道顶板、两帮围岩涌、突水现象显著。

未来千米深度以下开采过程中，随着深部高应力区岩体的爆破开挖等强动力扰动作用，高渗流场将对深部采场稳定性产生严重影响。如果采场围岩在爆破开挖卸荷、高渗透水压及地下水作用下形成新的导水通道，渗流与应力的耦合效应将更加明显，严重威胁到采区生产作业的安全。

我国岩石力学、采矿工程学等相关科技工作者在矿井水突涌及其防治方面已经进行了大量研究。但是，事实证明，现有导水裂隙理论指导下的防水措施尚不能完全杜绝突水事故的发生。且目前的研究方法过分依赖数学模拟，忽视了物理模拟，缺乏从多因素、多场耦合和多种模拟手段等方面开展综合研究，导致对矿井突水机理认识依旧不足。

因而，瞄准深部爆破开挖卸荷等强动力扰动工况以及高应力-渗流场环境，亟待研发强动力扰动下深部围岩渗流稳定性分析装置及方法，室内再现深部开采扰动下岩体裂隙演化与渗流突变灾害现象，提高对深部矿井突水灾害认识。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种强动力扰动下深部围岩渗流稳定性分析装置及方法。模拟和分析围岩在三向应力、高渗流及强动力扰动载荷条件下渗透特性的变化，并判断突水等灾害现象发生的潜在危险。

为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

一种强动力扰动下深部围岩渗流稳定性分析装置，包括用于对含有模拟隧道的围岩物模试样施加真三轴载荷的真三轴应力加载系统，所述真三轴应力加载系统包括上加载板、下加载板、前加载板、后加载板、左加载板和右加载板；

所述上加载板的加载端面上切割有纵横交错的渗流导槽，内部设置与所述渗流导槽连通的进液孔道；所述下加载板的加载端面上切割有纵横交错的集液导槽，内部设置与所述集液导槽连通的出液孔道，所述进液孔道和出液孔道均与高压渗流加载机构连接；

所述左加载板的中央开有贯通孔，所述贯通孔中滑动设有对围岩物模试样施加冲击载荷的扰动入射杆，所述扰动入射杆与冲击加载系统连接；

所述模拟巷道贯穿围岩物模试样的前后表面，所述前加载板和后加载板上设有与所述模拟巷道位置对应的监测孔，所述监测孔内朝向远离所述模拟巷道的方向依次设有透明隔板、光源和高速摄像头。

具体的，所述贯通孔远离所述围岩物模试样的一侧上设有滑槽，所述扰动入射杆上设有与所述滑槽相配合的凸台，所述滑槽的延伸方向与所述扰动入射杆的滑动方向平行；