一種加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置及方法，裝置包括實驗罐體、水壓控制加載系統、圍壓加載系統、裂隙結構及變形測試系統和滲流特性參數測試系統組成。方法采用在試驗罐體內填充煤系地層物理相似模擬材料和大尺度混凝土塊體結構裂隙的方法，在頂板載荷、頂板水壓力、可調節圍壓的條件下進行加卸載作用下煤系地層大尺度結構裂隙變形與滲流耦合作用過程物理模擬試驗，獲取或定量描述加卸載條件下不同粗糙結構裂隙宏觀變形、飽和滲流及其相互耦合作用、裂隙滲流特性突變等多種機理與關鍵參數，能有效認識和揭示開采擾動作用下采動裂隙結構演化與滲流動力學特性，將會為進一步深入研究礦井水災害機理與防治技術提供理論基礎。
【專利說明】一種加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種加卸載條件下煤系地層裂隙滲流物理相似模擬試驗裝置與試驗方法，能夠較好地模擬加卸載條件下不同產狀結構裂隙變形與滲流耦合作用，屬開采擾動作用下礦井含水層結構破壞與突涌水災害防治領域。
【背景技術】
[0002]地下煤層開采過程中，采場圍巖體應力重新分布及儲能釋放，導致巖體變形、離層和豎向破斷，形成的宏觀裂隙為含水層中的水(砂)體運動提供有效的儲存空間和運移通道，采動裂隙在地下水滲流作用下的進一步擴展、連通導致采動巖體滲流場演化加劇甚至造成局部失穩，影響巖體應力場分布的同時將其涉及到的含水層(體)中的水引入采場，從而導致礦井涌水量突變增加甚至突水，成為近年來礦井生產中的主要動力災害之一。
[0003]煤系地層內部缺陷和裂隙結構與滲流行為異常復雜，煤巖體裂隙滲流機制與定量描述一直是巖土、礦業、地質、石油及天然氣工程高度關注的難點問題。開采條件下采動裂隙滲流涉及采動卸荷條件下煤巖體裂隙宏觀變形、飽和滲流及其相互耦合作用、煤巖體滲流特性突變等多種復雜機理與影響因素，深刻認識和揭示開挖卸荷作用下煤巖體裂隙結構演化與滲流動力學特性是研宄特殊地質條件下煤層頂板突水災害發生機理的基礎科學問題與關鍵。
[0004]由于裂隙介質非均質性、各向異性的特征，在室內建立相應的物理模型實現起來非常困難，開展裂隙介質物理模型模擬試驗的研宄相對較少。目前的物理模型模擬試驗集中在單個平行板裂隙、多組平行或交叉裂隙上，地下水在裂隙中的流動往往呈現優勢流或溝槽流，顯示出相似模型試驗在研宄裂隙巖體滲流特性方面具有不可替代的作用，且需要進行更多的模擬實際巖體裂隙的試驗方法。考慮裂隙面不規則和填充物的存在，研宄地下煤系地層粗糙裂隙的滲流突變機制和裂隙結構的影響，將會為進一步深入研宄礦井水災害機理與防治技術提供理論基礎。
【發明內容】
[0005]本發明提供一種加卸載條件下結構裂隙滲流物理相似模擬試驗裝置與試驗方法，目的在于通過這種方法認識和揭示開采擾動作用下煤系地層裂隙結構變形與滲流動力學特性，將會為進一步深入研宄采動裂隙演化與水滲流耦合作用機理、礦井水災害機理與防治技術提供理論基礎。
[0006]為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案:
[0007]一種加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，包括支架，及設置于支架上的試驗罐體；
[0008]所述試驗罐體內設有加裝地層結構非親水性相似材料的地層結構模型，沿地層結構模型內腔中心軸向貫穿一至模型底部的預制裂隙結構體，加裝地層結構非親水性相似材料的模型通過隔水性較強的塑料膜包裹，地層結構模型頂部設有活動推力隔板，地層結構模型底部設有隔水板底座；所述試驗罐體頂部的試驗罐體上蓋上設有頂板水壓控制加載系統，試驗罐體上部設有頂板軸向加載控制系統，試驗罐體底部設有側向圍壓控制加載系統；所述隔水板底座下方連通一水砂體收集漏斗，水砂體收集漏斗與水砂收集箱相接；沿所述預制裂隙結構體自上而下設置有若干個與傳感器數據采集與顯示裝置連接的裂隙結構體環形法向壓力傳感器、位移計；地層結構模型不同水平位置設置若干水壓力和流量傳感器水壓力和流量傳感器；
[0009]所述支架上設有能夠使試驗罐體做側向旋轉的試驗罐體旋轉油缸，試驗罐體旋轉油缸與試驗罐體底座相連。
[0010]進一步地，所述試驗罐體為圓柱形剛性罐體，耐壓強度為12-15MPa，罐體的上蓋設有進水閥門和排氣閥門，罐體底座上設有進氣和排氣閥門。
[0011]進一步地，所述活動推力隔板和隔水板底座均布有上下連通的透水孔。
[0012]進一步地，所述頂板水壓控制加載系統由水箱、泵組與水壓穩壓罐體串聯構成，水壓穩壓罐體壓力信號變化經壓力流量控制器轉換分別控制泵、水壓穩壓罐體輸出水流至試驗罐體進水閥門。
[0013]進一步地，所述試驗罐體的上部設有與頂板軸向加載控制系統相連的頂板軸向加載氣囊，試驗罐體的內側壁與地層結構模型之間設有與側向圍壓控制加載系統相連的側向圍壓加載氣囊。
[0014]進一步地，所述頂板軸向加載控制系統和側向圍壓控制加載系統，分別由承壓氣囊、空氣壓縮設備和壓力參數采集與顯示裝置組成，構成單獨控制的加壓系統。
[0015]進一步地，所述地層結構模型通過試驗模型模具制作兩塊混凝土塊體，組裝形成大尺度結構裂隙，裂隙結構面傾角為0° -45°，上下兩個塊體上設置錨固點，錨固點通過接入測桿，在裂隙結構內部分階段布置2?3個小型環形法向應力傳感器和水壓力和流量傳感器，傳感器經密封裝置連接數據采集器，并接入計算機；所述測桿上還設有預制裂隙結構體變形位移計。
[0016]進一步地，所述試驗模型模具為三組可拆卸的兩塊半圓弧形有機玻璃板構成，半圓弧形有機玻璃板外側設有試驗模型模具連接部件。
[0017]進一步地，所述試驗罐體底座呈椎體狀，椎體兩端連接在一通過軸承連接的轉軸上，罐體椎體底座兩側的一端與試驗罐體旋轉油缸相連，試驗罐體旋轉油缸的另一端連接在支架的底座上。
[0018]相應地，本發明給出了一種加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗方法，包括下述步驟:
[0019]I)建立模擬試驗模型:
[0020]在試驗模型模具內分層地層結構加裝地層結構非親水性相似材料構成地層結構模型，同時在地層結構模型內部安裝通過隔水性較強的塑料膜包裹的預制裂隙結構體；然后在預制裂隙結構體中通過錨固點接入測桿，在結構體上若干設置變形位移計、裂隙結構體內部設置環形法向壓力傳感器；在地層結構模型不同水平上設置水壓力和流量傳感器，傳感器經密封裝置連接數據采集器，并接入計算機；
[0021]2)卸去地層結構模具，養護地層結構模型，待地層結構模型自然干燥后在地層結構模型外表面增加隔水膜，外層添加環形側向圍壓加載氣囊，并接入側向圍壓加載控制系統；
[0022]3)在地層結構模型上安裝試驗罐體，關閉試驗罐體上下所有閥門，排氣閥門打開，通過頂板水壓控制加載系統自試驗罐體上蓋向罐內注水；關閉排氣閥門，密閉試壓，各傳感器測試、監測設備處于工作狀態；
[0023]4)施加頂板垂直荷載:關閉試驗罐體上蓋，打開頂板軸向加載氣囊，啟動頂板軸向加載控制系統，逐級施加頂板垂直荷載，直至需要荷載，監測應力、應變數據；
[0024]5)施加側向圍壓:根據地下煤層開采實際情況估算裂隙結構體周圍地應力變化特征，啟動側向圍壓加載控制系統，施加側向地應力值；
[0025]6)施加穩定水壓力和流量:在控制器上設置好需要的水壓力和流量，通過試驗控制器啟動水壓水量控制泵組，直至達到設置水壓；
[0026]7)數據采集:逐步啟閉側向圍壓至設定值，同時采集記錄罐體內部巖層應力、裂隙結構表面位移、壓力以及水滲流壓力、流量變化數據的時間；
[0027]8)模型拆卸和現象觀測:打開地層結構模型，按層序拆除模型，分步拍照，記錄實驗現象；
[0028]9)修改試驗參數，重復步驟4)?7);
[0029]10)數據分析與提煉:將試驗過程及采集不同試驗數據和信息，分析不同時刻的地層結構模型內部應力場、位移場和水壓力場演化模型，定量描述和分析加卸載條件下不同粗糙結構裂隙宏觀變形、飽和滲流及其相互耦合作用、裂隙滲流特性突變多種機理與關鍵參數的數據庫。
[0030]與現有技術比較，本發明的優點在于采用在試驗箱體內填充煤系地層模擬材料和大尺度結構裂隙方式，在高水壓、垂直應力和側向圍壓條件下密閉地進行煤系地層大尺度結構裂隙滲流耦合作用物理模擬試驗，獲取或定量描述加卸載條件下不同粗糙結構裂隙宏觀變形、飽和滲流及其相互耦合作用、裂隙滲流特性突變等多種機理與關鍵參數，能夠實現較大尺寸、不同裂隙結構和充填程度的密閉裂隙滲流模擬試驗；試驗加載系統具有水壓、載荷各自獨立的控制系統，更精確、穩定性更優；測試系統實現了對應力、孔隙水壓力，流量，變形參數的實時監測；能有效認識和揭示開采擾動作用下采動裂隙結構演化與滲流動力學特性，將會為進一步深入研宄礦井水災害機理與防治技術提供理論基礎。
[0031]下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]圖1為本發明試驗裝置結構示意圖。
[0033]圖2為圖1的側視結構示意圖。
[0034]圖3為本發明地層模型結構示意圖。
[0035]圖4為本發明試驗裝置俯視結構示意圖。
[0036]圖中:1-試驗罐體上蓋；2-頂板軸向加載氣囊；3-活動推力隔板；4-試驗罐體；5-側向圍壓加載氣囊；6_隔水板底座；7-支架；8_水砂體收集箱體；9_試驗罐體旋轉油缸；10-預制裂隙結構體；11_地層結構非親水性相似材料；12-頂板水壓控制加載系統；13_頂板軸向加載控制系統；14_側向圍壓控制加載系統；15_試驗模型模具連接部件；16_試驗模型模具；17_預制裂隙結構體變形位移計；18_裂隙結構體環形法向壓力傳感器；19_水壓力和流量傳感器；20_傳感器數據采集與顯示裝置；21_支架底部水砂體收集漏斗。
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖及實施例對本發明具體實施方法做進一步詳細說明。
[0038]如圖1所示，一種加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，包括支架7，及設置于支架7上的試驗罐體4;
[0039]其中，地層結構模擬試驗罐體為系統的主體結構，整體圓柱形剛性的耐高壓、耐腐蝕的剛性罐體，設計的罐體直徑為800mm，罐體耐壓強度為12_15Mpa。試驗罐體頂部的試驗罐體上蓋I上設有頂板水壓控制加載系統12，試驗罐體上部設有頂板軸向加載控制系統13，試驗罐體底部設有側向圍壓控制加載系統14 ;其上部為試驗罐體上蓋I和軸向加載氣囊2，密封上蓋設置有三個進水閥門和排氣閥門；中部為試驗罐體內腔，內腔上部為活動推力隔板3，下部為隔水板底座6，活動推力隔板3和隔水板底座6均布置有上下連通的透水孔，中間部分為組合體；組合體分為內外兩層，內層為可拆卸圓柱體地層結構模型，用來充填地層結構非親水性相似材料11和埋設若干個通過電纜與傳感器數據采集與顯示裝置20連接的裂隙結構體環形法向壓力傳感器18和水壓力和流量傳感器19，并且地層結構模型外設置隔水性較強的塑料膜；地層結構模型外圍為環形側向圍壓加載氣囊5，進氣和排氣閥門位于試驗罐體4底座；隔水板底座設有水砂收集漏斗21，下部為水(砂)收集箱8，見圖2所示；試驗罐體整體結構位于支架7上，下設試驗罐體旋轉油缸9，試驗罐體旋轉油缸9與試驗罐體4底座相連，能夠使整體結構順時針傾斜0° -90°。
[0040]頂板水壓控制加載系統12由水箱、泵組與水壓穩壓罐體串聯構成，水壓穩壓罐體壓力信號變化經壓力流量控制器轉換分別控制泵、水壓穩壓罐體輸出水流至試驗罐體進水閥門。進水閥門與裂隙結構體端部相連接，對其分級施加水壓力，每級壓力下均達到穩定的流態，根據現場鉆孔高壓壓水資料及數值分析采場圍巖水壓力分布特征確定最小水壓力數值。
[0041]頂板軸向加載控制系統13屬單獨控制的加壓系統，頂板軸向加載氣囊2和側向圍壓加載氣囊5分別與由加載氣囊相連的空氣壓縮設備和壓力參數采集與顯示裝置構成。在試驗中模擬上部垂直荷載，由空氣壓縮設備輸出空氣進入頂部軸向加載氣囊2，再由活動推力隔板2將載荷均勻分配到圓形試驗巖體物理相似材料上，壓力加載是通過空氣壓縮設備上的調壓閥分級控制，最大可達15MPa。
[0042]側向圍壓環形圍壓加載系統14，屬單獨控制的加壓系統，分別由環形側向圍壓加載氣囊5、空氣壓縮設備和壓力參數采集與顯示裝置組成；在試驗模型側向環形施加荷載，由空氣壓縮設備輸出空氣進入環形側向圍壓加載氣囊5，將載荷均勻分配到圓形試驗巖體物理相似材料周圍，壓力加載是通過空氣壓縮設備上的調壓閥控制，最大可達15MPa。
[0043]預制裂隙結構體10，根據采場圍巖采動裂隙幾何形態、充填結構特征，首先制作具有不同粗糙度表面(I?20)的鋼板模具16，試驗模型模具16為三組可拆卸的半圓弧形有機玻璃板構成，半圓弧形有機玻璃板外側設有試驗模型模具連接部件15。利用模具在混凝土箱體上制作兩塊混凝土塊體，組裝形成大尺度(延展長度1.0m*寬度0.2m)結構裂隙，法向隙寬0.02m?0.1Om范圍內，裂隙結構面傾角為0°?30°。
[0044]裂隙結構體應力變形采集系統，由法向壓力傳感器18、變形位移計17、水壓力和流量傳感器19連接電纜和傳感器數據采集與顯示裝置20共同組成，首先在上下兩個混凝土塊體上設置錨固點，錨固點通過接入測桿，再接入位移計；在裂隙結構內部分階段布置2?3個小型環形法向應力傳感器，然后將位移計、傳感器連接線經封堵接頭導孔中引出連接數據采集器，并接入計算機；數據采集器由一臺數字控制轉換儀和一個多通道接口組成，用以連接模型內各個壓力、位移傳感器信號，并保證壓力記錄與模擬同時同步開始，可以全程完整地記錄每一次試驗過程中壓力位移變化情況。
[0045]滲流特性參數采集系統，由水壓力和流量傳感器19、傳感器連接電纜和傳感器數據采集與顯示裝置20共同組成，在裂隙結構面不同層位、頂板水壓進水口、底板排水口設置水壓、水流量傳感器，傳感器連接線經封堵接頭導孔中引出連接數據采集器，并接入計算機，計算機連續記錄顯示實時壓力、流量等關鍵滲透特性參數信號；為地層結構內部裂隙結構滲流特性與模型外在水壓力、不同加卸載條件下的耦合作用分析提供試驗數據基礎。
[0046]如圖3、圖4所示，試驗罐體4底座呈椎體狀，椎體兩端連接在一通過軸承連接的轉軸上，罐體椎體底座兩側的一端與試驗罐體旋轉油缸9相連，試驗罐體旋轉油缸9的另一端連接在支架7的底座上。
[0047]下面給出本發明加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗方法，包括下述步驟:
[0048]I)建立模擬試驗模型:
[0049]根據地質和采礦條件抽象地層組合和構造特征和相似準則，在試驗模型模具16內分層地層結構加裝地層結構非親水性相似材料11構成地層結構模型，同時在地層結構模型內部安裝一定粗糙度、充填結構和裂隙寬度的預制裂隙結構體，設置通過隔水性較強的塑料膜包裹的預制裂隙結構體10 ;然后在預制裂隙結構體10中通過錨固點接入測桿，在結構體上若干設置變形位移計17、裂隙結構體內部設置環形法向壓力傳感器18 ;在地層結構模型不同水平上設置水壓力和流量傳感器19，傳感器經密封裝置連接數據采集器，并接入計算機；
[0050]2)卸去地層結構模具，養護地層結構模型，待地層結構模型自然干燥后在地層結構模型外表面增加隔水膜，外層添加環形側向圍壓加載氣囊5，并接入側向圍壓加載控制系統14 ；
[0051 ] 3)在地層結構模型上安裝試驗罐體4，關閉試驗罐體4上下所有閥門，排氣閥門打開，通過頂板水壓控制加載系統12自試驗罐體上蓋I向罐內注水；關閉排氣閥門，密閉試壓，各傳感器測試、監測設備處于工作狀態；
[0052]4)施加頂板垂直荷載:關閉試驗罐體上蓋1，打開頂板軸向加載氣囊2，啟動頂板軸向加載控制系統13，逐級施加頂板垂直荷載，直至需要荷載，監測應力、應變數據；
[0053]5)施加側向圍壓:根據地下煤層開采實際情況估算裂隙結構體周圍地應力變化特征，打開側向圍壓加載氣囊5，啟動側向圍壓加載控制系統14 ；
[0054]6)施加穩定水壓力和流量:在控制器上設置好需要的水壓力和流量，通過試驗控制器啟動水壓水量控制泵組，直至達到設置水壓；
[0055]7)數據采集:逐步啟閉側向圍壓至設定值，同時采集記錄罐體內部巖層應力、裂隙結構表面位移、壓力以及水滲流壓力、流量變化數據的時間歷程；
[0056]8)模型拆卸和現象觀測:打開地層結構模型，按層序拆除模型，分步拍照，記錄實驗現象；
[0057]9)修改試驗參數，重復步驟4)?7);
[0058]10)數據分析與提煉:將試驗過程及采集不同試驗數據和信息，建立不同時刻的應力場、位移場和水壓力場等，定量描述和分析加卸載條件下不同粗糙結構裂隙宏觀變形、飽和滲流及其相互耦合作用、裂隙滲流特性突變多種機理與關鍵參數的數據庫，認識和揭示開采擾動作用下采動裂隙結構演化與滲流動力學特性。
[0059]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，包括支架(7)，及設置于支架(7)上的試驗罐體(4); 所述試驗罐體(4)內設有加裝地層結構非親水性相似材料(11)的地層結構模型，沿地層結構模型內腔中心軸向貫穿一至模型底部的預制裂隙結構體(10)，加裝地層結構非親水性相似材料(11)的模型通過隔水性較強的塑料膜包裹，地層結構模型頂部設有活動推力隔板(3)，地層結構模型底部設有隔水板底座￠);所述試驗罐體頂部的試驗罐體上蓋(I)上設有頂板水壓控制加載系統(12)，試驗罐體上部設有頂板軸向加載控制系統(13)，試驗罐體底部設有側向圍壓控制加載系統(14);所述隔水板底座(6)下方連通一水砂體收集漏斗(21)，水砂體收集漏斗(21)與水砂收集箱(8)相接；沿所述預制裂隙結構體(10)自上而下設置有若干個與傳感器數據采集與顯示裝置(20)連接的裂隙結構體環形法向壓力傳感器(18)、位移計(17);地層結構模型不同水平位置設置若干水壓力和流量傳感器(19); 所述支架(7)上設有能夠使試驗罐體(4)做側向旋轉的試驗罐體旋轉油缸(9)，試驗罐體旋轉油缸(9)與試驗罐體(4)底座相連。
2.根據權利要求1所述的加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，所述試驗罐體⑷為圓柱形剛性罐體，耐壓強度為12-15MPa，罐體的上蓋設有進水閥門和排氣閥門，罐體底座上設有進氣和排氣閥門。
3.根據權利要求1所述的加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，所述活動推力隔板(3)和隔水板底座(6)均布有上下連通的透水孔。
4.根據權利要求1所述的加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，所述頂板水壓控制加載系統(12)由水箱、泵組與水壓穩壓罐體串聯構成，水壓穩壓罐體壓力信號變化經壓力流量控制器轉換分別控制泵、水壓穩壓罐體輸出水流至試驗罐體進水閥門。
5.根據權利要求1所述的加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，所述試驗罐體(4)的上部設有與頂板軸向加載控制系統(13)相連的頂板軸向加載氣囊(2)，試驗罐體(4)的內側壁與地層結構模型之間設有與側向圍壓控制加載系統(14)相連的側向圍壓加載氣囊(5)。
6.根據權利要求5所述的加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，所述頂板軸向加載控制系統(13)和側向圍壓控制加載系統(14)，分別由承壓氣囊、空氣壓縮設備和壓力參數采集與顯示裝置組成，構成單獨控制的加壓系統。
7.根據權利要求1所述的加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，所述地層結構模型內部裂隙結構體(10)由兩塊不同粗糙度表面的混凝土塊體組裝形成大尺度結構裂隙體，裂隙結構面傾角為0° -45°，上下兩個塊體上設置錨固點，錨固點通過接入測桿在裂隙結構內部分階段布置2?3個小型環形法向應力傳感器(18)和水壓力和流量傳感器(19)，傳感器經密封裝置連接數據采集器，并接入計算機；所述測桿上還設有預制裂隙結構體變形位移計(17)。
8.根據權利要求7所述的加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，所述試驗模型模具(16)為三組可拆卸的兩塊半圓弧形有機玻璃板構成，半圓弧形有機玻璃板外側設有試驗模型模具連接部件(15)。
9.根據權利要求1所述的加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗裝置，其特征在于，所述試驗罐體(4)底座呈椎體狀，椎體兩端連接在一通過軸承連接的轉軸上，罐體椎體底座兩側的一端與試驗罐體旋轉油缸(9)相連，試驗罐體旋轉油缸(9)的另一端連接在支架(7)的底座上。
10.一種加卸載條件下煤系地層裂隙滲流模擬試驗方法，其特征在于，包括下述步驟: 1)建立模擬試驗模型: 在試驗模型模具(16)內分層地層結構加裝地層結構非親水性相似材料(11)構成地層結構模型，同時在地層結構模型內部安裝通過隔水性較強的塑料膜包裹的預制裂隙結構體(10);然后在預制裂隙結構體(10)中通過錨固點接入測桿，在結構體上若干設置變形位移計(17)、裂隙結構體環形法向壓力傳感器(18);在地層結構模型不同水平上設置水壓力和流量傳感器(19)，傳感器經密封裝置連接數據采集器，并接入計算機； 2)卸去地層結構模具，養護地層結構模型，待地層結構模型自然干燥后在地層結構模型外表面增加隔水膜，外層添加環形側向圍壓加載氣囊(5)，并接入側向圍壓加載控制系統(14); 3)在地層結構模型上安裝試驗罐體(4)，關閉試驗罐體(4)上下所有閥門，排氣閥門打開，通過頂板水壓控制加載系統(12)自試驗罐體上蓋(I)向罐內注水；關閉排氣閥門，密閉試壓，各傳感器測試、監測設備處于工作狀態； 4)施加頂板垂直荷載:關閉試驗罐體上蓋(1)，打開頂板軸向加載氣囊(2)，啟動頂板軸向加載控制系統(13)，逐級施加頂板垂直荷載，直至需要荷載，監測應力、應變數據； 5)施加側向圍壓:根據地下煤層開采實際情況估算裂隙結構體周圍地應力變化特征，打開側向圍壓加載氣囊(5)，啟動側向圍壓加載控制系統(14)，施加側向地應力值； 6)施加穩定水壓力和流量:在控制器上設置好需要的水壓力和流量，通過試驗控制器啟動水壓水量控制泵組，直至達到設置水壓； 7)數據采集:逐步啟閉側向圍壓至設定值，同時采集記錄罐體內部巖層應力、裂隙結構表面位移、壓力以及水滲流壓力、流量變化數據的時間； 8)模型拆卸和現象觀測:打開地層結構模型，按層序拆除模型，分步拍照，記錄實驗現象； 9)修改試驗參數，重復步驟4)?7)； 10)數據分析與提煉:將試驗過程及采集不同試驗數據和信息，分析不同時刻的地層結構模型內部應力場、位移場和水壓力場演化模型，定量描述和分析加卸載條件下不同粗糙結構裂隙宏觀變形、飽和滲流及其相互耦合作用、裂隙滲流特性突變多種機理與關鍵參數的數據庫。
【文檔編號】G01N15/08GK104458534SQ201410757130
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月10日 優先權日:2014年12月10日
【發明者】高喜才 申請人:西安科技大學