專利名稱：基于滲流場與應(yīng)力場耦合的斷裂突水研究試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明特別涉及煤礦工程、地下工程、隧道工程等領(lǐng)域的一種在擾動條件下滲流與應(yīng)力耦合斷裂突水研究試驗(yàn)方法。
背景技術(shù)：
煤炭作為我國主體能源的狀況還將持續(xù)相當(dāng)長的一段時間。為了滿足國民經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展的需要，煤層開采的深度在不斷地增加，部分礦區(qū)的上組煤已經(jīng)回采完畢，生產(chǎn)重心逐步向受水威脅更大的下組煤轉(zhuǎn)移，全國煤炭開采的發(fā)展趨勢將由開采上組煤轉(zhuǎn)到下組煤深部開采。這使得礦井開采水平不斷延深，更多煤礦受到的底板巖溶承壓含水層水壓越來越大，水文地質(zhì)條件也變得越復(fù)雜，致使突水威脅越來越嚴(yán)重。根據(jù)以往我國礦井突水資料的不完全統(tǒng)計(jì)，多數(shù)學(xué)者得出，因斷裂構(gòu)造而引發(fā)的底板突水次數(shù)占總突水次數(shù)的75%以上，其原因?yàn)閿嗔咽敲旱V底板中最薄弱的環(huán)節(jié)，而突水總是選擇煤層底板中最脆弱的塊段。 所以斷裂將是礦井突水的重點(diǎn)研究區(qū)域。另外，在其他領(lǐng)域同樣遇到類似的問題，如深埋隧道遇斷裂突水涌泥問題，水利水電中地下空間引水涵洞遇斷裂涌水或突水問題。從諸多研究中提煉出一個關(guān)鍵的科學(xué)問題是擾動條件下滲流場與應(yīng)力場耦合作用引發(fā)斷裂突水機(jī)理研究。一般的斷裂突水研究僅在理論推導(dǎo)方面考慮了滲流和應(yīng)力的耦合作用，而在試驗(yàn)方法方面，沒有考慮滲流場與應(yīng)力場耦合作用，單從滲流角度去研究突水，或者考慮了水壓與圍壓的因素，但都不能真正做到滲流場和應(yīng)力場的耦合效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種基于滲流場與應(yīng)力場耦合的斷裂突水研究試驗(yàn)方法，其能夠真實(shí)反映滲流場與應(yīng)力場耦合的斷裂突水規(guī)律。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種基于滲流場與應(yīng)力場耦合的斷裂突水研究試驗(yàn)方法，包括如下步驟(I)取斷裂體附近的圍巖或取水泥砂漿或混凝土根據(jù)相似比進(jìn)行模擬處理制成圓柱體，而后沿設(shè)定角度對圓柱體進(jìn)行豎向剖分，所述設(shè)定角度是根據(jù)現(xiàn)場斷裂傾角確定，所述剖分的寬度是利用相似比與現(xiàn)場斷裂破碎帶寬度進(jìn)行比較后確定；(2)將剖分后形成的兩個半圓柱體中間用現(xiàn)場斷裂帶充填物或模擬斷裂破碎帶充填物進(jìn)行填充，使之成為完整的圓柱體試件；(3)在圓柱體試件中進(jìn)行隔水處理，以防止圍巖的水和孔壓的水進(jìn)行串通，而后將圓柱體試件置于試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)。所述模擬斷裂破碎帶充填物優(yōu)選采用黏土。 所述模擬斷裂破碎帶充填物尤其優(yōu)選采用砂質(zhì)黏土。進(jìn)一步的，步驟(3)中試驗(yàn)工況為測定不同圍壓下，圓柱體試件劈裂時的內(nèi)水壓力水平，其加載方式為首先加軸壓，將圓柱體試件固定于加載軸線上，然后圍壓和孔壓同時加載，至設(shè)定圍壓值時，停止加載圍壓，孔壓繼續(xù)增大，直至圓柱體試件破壞。


圖I是本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例中現(xiàn)場取樣室內(nèi)加工后形成的試件初成品的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I所示試件初成品沿豎向剖分的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是將圖2所示剖分后試件初成品進(jìn)行填充形成圓柱體試件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3所示圓柱體試件在試驗(yàn)時的安裝狀態(tài)示意圖。
具體實(shí)施例方式本案發(fā)明人經(jīng)長期研究和實(shí)踐，針對現(xiàn)場工況，并考慮擾動情況下含水層中水的滲流場與圍巖的應(yīng)力場相互耦合作用，提出一種物理模擬試驗(yàn)方法來研究斷裂突水機(jī)理 (特別是高水壓情況之下)，其方案包括如下步驟(I)制樣包括試件的制備和斷裂帶充填物選取兩方面。試件制備建議現(xiàn)場取樣后進(jìn)行室內(nèi)加工。取樣標(biāo)準(zhǔn)為斷裂體附近的圍巖，室內(nèi)取芯要求為直徑150mm、100mm、 80mm(如圖I所示，C為圓柱體中心，B為半徑，H為圓柱體試件的高度)，后沿一定角度對圓柱體10進(jìn)行豎向剖分(如圖2所示)。角度是根據(jù)現(xiàn)場斷裂傾角確定。剖分的寬度可以利用相似比與現(xiàn)場斷裂破碎帶寬度進(jìn)行比較。剖分后兩半圓柱體11、12中間用現(xiàn)場斷裂帶充填物13如斷層泥進(jìn)行填充，使之成為完整的圓柱體(如圖3所示)。但需要補(bǔ)充說明的是若在現(xiàn)場無法取樣情況下，可以借助于水泥砂漿或混凝土，根據(jù)相似比進(jìn)行模擬處理進(jìn)行試件制備，同時斷裂帶充填物可以用黏土或者砂質(zhì)黏土來模擬斷裂破碎帶充填物。(2)試驗(yàn)過程把試件進(jìn)行處理后，放到試驗(yàn)臺中進(jìn)行試驗(yàn)(如圖4所示，σζ為軸壓，P為水壓，為圍壓)，處理過程為在填充完畢的圓柱體試件中進(jìn)行隔水處理，以防止圍巖的水和孔壓的水進(jìn)行串通。試驗(yàn)臺要求水壓以圍壓、孔壓多路加壓、卸壓功能，同時軸壓、圍壓、孔壓的具有穩(wěn)壓功能，具有軸壓、圍壓、孔壓自動采集功能。水流通過斷裂帶填充物的流量可以從滲透排水孔進(jìn)行量取。試驗(yàn)工況為測定不同圍壓下，試件劈裂時的內(nèi)水壓力水平。加載方式為首先加軸壓，將試件固定于加載軸線上，然后圍壓和孔壓同時加載，至設(shè)定圍壓值時，停止加載圍壓， 孔壓繼續(xù)增大，直至試件破壞。試件破壞時，有沉悶破裂聲，并伴有大量水滲出，并且孔壓迅速下降至圍壓同等水平后同步迅速下降。這些現(xiàn)象說明，在試驗(yàn)條件下，裂縫一旦開裂，迅速擴(kuò)展，直至完全開裂。試驗(yàn)結(jié)論通過試件設(shè)計(jì)、試驗(yàn)方法的應(yīng)用，模擬現(xiàn)場采動以及與高壓水滲流相互作用的過程，得到了斷裂突水的判據(jù)及條件。重點(diǎn)以不同的軸壓、圍壓、水壓，連續(xù)觀測滲出水量，分析軸壓、圍壓、水壓以及圍巖與水壓比等關(guān)系。最后確定斷裂突水規(guī)律以及突水臨界值。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出綜合考慮含水層的水壓、斷裂體的所處的豎向地應(yīng)力、圍巖的構(gòu)造應(yīng)力，同時考慮滲流場和應(yīng)力場的耦合效應(yīng)，比僅僅考慮地應(yīng)力或者水壓作用得到突水判據(jù)更加合理，更加符合工程現(xiàn)場實(shí)際情況。
權(quán)利要求
1.一種基于滲流場與應(yīng)力場耦合的斷裂突水研究試驗(yàn)方法，其特征在于，它包括如下步驟(1)取斷裂體附近的圍巖或取水泥砂漿或混凝土根據(jù)相似比進(jìn)行模擬處理制成圓柱體，而后沿設(shè)定角度對圓柱體進(jìn)行豎向剖分，所述設(shè)定角度是根據(jù)現(xiàn)場斷裂傾角確定，所述剖分的寬度是利用相似比與現(xiàn)場斷裂破碎帶寬度進(jìn)行比較后確定；(2)將剖分后形成的兩個半圓柱體中間用現(xiàn)場斷裂帶充填物或模擬斷裂破碎帶充填物進(jìn)行填充，使之成為完整的圓柱體試件；(3)在圓柱體試件中進(jìn)行隔水處理，以防止圍巖的水和孔壓的水進(jìn)行串通，而后將圓柱體試件置于試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于滲流場與應(yīng)力場耦合的斷裂突水研究試驗(yàn)方法，其特征在于，所述模擬斷裂破碎帶充填物優(yōu)選采用黏土。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于滲流場與應(yīng)力場耦合的斷裂突水研究試驗(yàn)方法，其特征在于，所述模擬斷裂破碎帶充填物優(yōu)選采用砂質(zhì)黏土。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于滲流場與應(yīng)力場耦合的斷裂突水研究試驗(yàn)方法，其特征在于，步驟(3)中試驗(yàn)工況為測定不同圍壓下，圓柱體試件劈裂時的內(nèi)水壓力水平，其加載方式為首先加軸壓，將圓柱體試件固定于加載軸線上，然后圍壓和孔壓同時加載，至設(shè)定圍壓值時，停止加載圍壓，孔壓繼續(xù)增大，直至圓柱體試件破壞。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于滲流場與應(yīng)力場耦合的斷裂突水研究試驗(yàn)方法，藉由該方法可以得出斷裂突水規(guī)律以及突水臨界值，其包括如下步驟首先從現(xiàn)場取樣后進(jìn)行室內(nèi)加工成標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體，后對圓柱體按一定角度和一定寬度進(jìn)行豎向剖分；其次對剖分后的圓柱體試件進(jìn)行填充，填充要求為斷裂帶充填物。最后把填充好的試件進(jìn)行隔水處理，放置到試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)。本發(fā)明能夠真實(shí)反映滲流場與應(yīng)力場耦合的斷裂突水規(guī)律。
文檔編號G01N1/04GK102608263SQ201210041569
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月23日
發(fā)明者徐德金, 盛金昌, 隋旺華 申請人:徐德金