本發(fā)明涉及一種試驗裝置，具體涉及一種采動斷裂巖體裂隙動態(tài)閉合滲流模擬試驗裝置及方法，可用于測試開采覆巖破壞帶內(nèi)斷裂巖體后期應力恢復作用下巖體間錯動剪切過程中裂隙閉合、滲流的特性。

背景技術：

地下煤層開采引起上覆巖土層下沉破壞，在垂直空間由下至上依次形成垮落帶、斷裂帶、整體移動下沉帶?？迓鋷c斷裂帶構(gòu)成導水裂隙帶，導水裂隙帶內(nèi)裂隙發(fā)育且相互連通，形成大量滲流通道，一方面導致地下水滲漏和滲流，對地下水資源系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，另一方面引起工作面涌水量增大或突水，對安全開采構(gòu)成威脅。一般情況下，斷裂帶是直接接觸和連通上覆含水層（體）的關鍵層段，其斷裂結(jié)構(gòu)、滲透性的演化對突水涌水量變化、地下水滲流系統(tǒng)的恢復程度至關重要。

現(xiàn)場觀測、室內(nèi)模型試驗研究結(jié)果表明，斷裂帶內(nèi)巖體雖產(chǎn)生斷裂或裂縫，但仍保持其原有層狀結(jié)構(gòu)，斷裂巖塊排列相對整齊。斷裂巖塊（體）沉降接觸底后，開始恢復支承上覆巖土層荷載，自重應力逐漸恢復。隨著應力的恢復，巖塊間裂隙將產(chǎn)生錯動、剪切變形，受圍巖的限制，同時產(chǎn)生較大的水平力擠壓裂隙，在上述位移、變形和滲流固結(jié)等一系列工程地質(zhì)作用過程，其水文地質(zhì)、工程地質(zhì)性質(zhì)在該過程中得到一定程度的改善，有些特定結(jié)構(gòu)裂隙巖體阻隔水能力甚至可以恢復。

我國西北干旱半干旱生態(tài)環(huán)境脆弱礦區(qū)，為保護或減損生態(tài)環(huán)境，需進行地下水滲流系統(tǒng)的修復性研究；我國東部煤炭資源逐漸枯竭礦區(qū)，為延長礦井壽命對采動裂隙巖體下殘留煤層的進行開采，其上覆已有擾動斷裂巖體的閉合、滲透性特征對其安全開采具有重要影響。認識與揭示采動斷裂巖體后期阻隔水性能演化機理是上述工程的基礎科學問題與關鍵。

采動裂隙巖體在應力恢復作用下結(jié)構(gòu)演化是一項復雜的四維空間問題，是時間與空間的連續(xù)函數(shù)，實際上為一種邊界條件上側(cè)向約束、軸向加載的裂隙巖體的力學變形過程。目前對于裂隙巖體滲流特征的研究，多在裂隙試樣內(nèi)部預制單條裂隙、多條交叉或非交叉裂隙，在滲流方向預制裂隙不貫通，進行雙軸或三軸滲流試驗研究，其研究重點在于揭示裂隙擴展過程及其滲透性演化。采動斷裂巖體是擾動破壞巖體，斷裂巖塊間由于巖塊斷面的凸凹不平，斷裂巖塊間凸出部分相互鉸接、存在較大裂隙，張開空間大、滲透性好、滲流量大，在應力恢復作用下，斷裂巖體發(fā)生旋轉(zhuǎn)、錯動、擠壓，斷面凸出部分受壓剪破壞，其斷裂裂隙開度、滲透性均較初期減小，該裂隙巖體變形及滲流耦合過程與以往研究條件顯著不同。斷裂巖塊斷面的不規(guī)則，導致難以獲得應力-結(jié)構(gòu)-滲流間的定量性研究結(jié)果，而研究斷裂裂隙巖體應力恢復作用下阻隔水能力恢復特征，對“保水采煤”、“殘煤復采”等工程中地下水滲流系統(tǒng)恢復及頂板防治水等提供重要的理論基礎及工程指導意義。因此亟需解決采動斷裂巖體在應力恢復作用下裂隙結(jié)構(gòu)、滲透性演化的研究。考慮裂隙連接程度、傾角、開度及強度，本發(fā)明給出了一種斷裂巖體裂隙試樣模型制作的方法，并解決了裂隙試樣裂隙斷面加載同時施加大滲流的關鍵技術難題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種采動斷裂巖體裂隙動態(tài)閉合滲流模擬試驗裝置及方法，目的在于通過這種方法認識和揭示采動斷裂巖體在應力恢復過程中結(jié)構(gòu)錯動、剪切、閉合與滲流力學特性，將會為深入研究保水采煤地下水滲流系統(tǒng)恢復機理及殘煤復采涉及的已有擾動斷裂巖體的滲透性特性提供理論基礎。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案：

一種采動斷裂巖體裂隙動態(tài)閉合滲流模擬試驗裝置，包括滲流測試實驗罐體和裂隙開度測試實驗罐體，所述實驗罐體內(nèi)設斷裂巖體裂隙試樣，斷裂巖體裂隙試樣內(nèi)設上下貫通傾斜裂隙，在裂隙上盤下段及下盤上段均設軟弱層，裂隙與試樣側(cè)邊之間依次設有完整塊體和密封凹槽；試樣上下兩端分別設上、下裂隙保護板，裂隙保護板上設與裂隙重合的通槽，上、下裂隙保護板外設上、下滲透加壓板，滲透加壓板密設滲流孔，在與裂隙保護板接觸面上設多個相互連通集水凹槽，其中一個集水凹槽與裂隙保護板通槽相重合；上、下滲透加壓板分別與垂直荷載加載系統(tǒng)、荷載傳遞監(jiān)測系統(tǒng)連接，在上、下滲透加壓板外側(cè)設罐體上、下密封蓋，上密封蓋設置出水口，下密封蓋內(nèi)設進水口；試樣與罐體側(cè)壁間設置活動側(cè)壓板及側(cè)壓傳感器，側(cè)壓板相互間密封連接；對于滲流測試實驗罐體，進水口、出水口分別與滲流加壓系統(tǒng)和滲流測試系統(tǒng)連接；對裂隙開度測試實驗罐體，裂隙保護板與滲流加壓板間設置帶有導水連接管的密封膜，導水連接管一端對準裂隙保護板通槽，另一端依次通過滲透加壓板滲流孔及上、下密封蓋出、進水口引出與外部體積測試管連接。

進一步，所述兩個實驗罐體結(jié)構(gòu)相同，一個用于荷載作用下裂隙試樣變形過程中滲流流量的測試，一個用于裂隙開度的變化監(jiān)測，兩個實驗罐體共同放置于約束框架內(nèi)，對應于兩個實驗罐體中心位置上方的約束框架上安裝有加載千斤頂，下方安裝有荷載傳感器；所述罐體上部可施加垂直荷載，罐體底部設置底座荷載傳感器可監(jiān)測傳遞的垂直荷載，側(cè)壁側(cè)壓板可監(jiān)測側(cè)向壓力；所述的用于測試滲流的實驗罐體底部可施加滲流水壓，上部可監(jiān)測滲流流量及水壓；所述的用于測試裂隙開度變化的實驗罐體在裂隙試樣上端和下端設置帶有導水連接管的密封膜，用于測試裂隙試樣內(nèi)在裂隙空間體積變化。

進一步，所述的實驗罐體是兩端有上、下兩個密封蓋，側(cè)向可通過法蘭固定與打開的圓柱形罐體，內(nèi)腔體截面為正方形，腔體內(nèi)由4塊可分離的側(cè)壓板相互銜接密封，形成第二層封閉滲流腔體；下密封蓋與底座相連，上、下密封蓋中心設有上、下荷載活塞，上、下蓋中心荷載活塞孔處設有導向槽及密封槽。

進一步，所述實驗罐體內(nèi)的側(cè)壓板為錐形結(jié)構(gòu)剛性板，側(cè)壓板橫斷面為梯形，外寬內(nèi)窄，側(cè)壓板外側(cè)內(nèi)角為45°，內(nèi)側(cè)內(nèi)角為135°，共4塊相互分離，側(cè)壓板內(nèi)置應力傳感器，側(cè)壓板之間設側(cè)壓板間密封條，優(yōu)選為橡膠帶密封，側(cè)壓板上部和下部均設置側(cè)壓板端部密封橡膠條，側(cè)壓板與試樣之間設隔水薄膜。

進一步地，所述有貫穿裂隙試樣為一非親水性相似材料立方塊體，內(nèi)置一貫通傾斜裂隙，內(nèi)置裂隙開度為0.5~2.0 mm，傾角為50°~90°，邊界密封凹槽深2mm，在裂隙上盤下段、下盤上段均設置一定厚度軟弱層，軟弱層厚度按內(nèi)在裂隙空間體積折算，密封凹槽與裂隙間有一定寬度完整塊體，寬度為5~30 mm；密封凹槽寬度與裂隙開度相同。

進一步地，所述裂隙保護板為厚度在1 mm的鋼板，其尺寸與裂隙試樣兩端斷面相同，緊貼于裂隙試樣兩端，保護板內(nèi)設與裂隙開度尺寸相同的通槽。

進一步地，所述滲透加壓板為滲流孔密布的厚鋼板，在與裂隙保護板接觸的面上，滲透加壓板上設置多個相互連通的集水凹槽，將各滲流孔相互連接，并保證其中某一滲流板集水凹槽與裂隙保護板通槽相重合。

進一步地，所述垂直荷載加載系統(tǒng)由伺服加載萬能試驗機、荷載轉(zhuǎn)換器、2個加載千斤頂及液壓管線構(gòu)成，荷載轉(zhuǎn)換器放置于伺服加載萬能試驗機加載平臺，另外兩個加載千斤頂分別安裝在兩個罐體上方約束框架上，伺服加載萬能試驗機對荷載轉(zhuǎn)換器加載，荷載轉(zhuǎn)換器通過液壓管與另外兩個實驗罐體上方的加載千斤頂相連并傳遞荷載，兩個實驗罐體上方的加載千斤頂之間也通過液壓管連通，通過這種方式，可以將伺服加載萬能試驗機的加載路徑施加于兩個實驗罐體；在兩個實驗罐體上方的加載千斤頂位置均安裝有位移傳感器和荷載傳感器，監(jiān)測加載過程中的荷載及裂隙試樣的位移變形。

進一步地，由活動側(cè)壓板、側(cè)壓傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成側(cè)壓測試系統(tǒng)，垂直荷載作用下的裂隙試樣變形過程中形成的側(cè)向應力傳遞至側(cè)壓板，通過監(jiān)測側(cè)壓板內(nèi)應力傳感器獲得側(cè)壓力變化。

進一步地，荷載傳遞監(jiān)測系統(tǒng)由實驗罐體底部荷載傳感器、下加載活塞及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

進一步地，所述裂隙開度監(jiān)測系統(tǒng)由裂隙開度測試實驗罐體、連接導水管的密封膜、體積測試管組成，選用滲流試驗中同樣參數(shù)試樣在裂隙開度測試實驗罐體進行加載試驗，與滲流實驗罐體同步加載，通過測試裂隙空間內(nèi)在液體體積變化監(jiān)測開度變化過程，試驗過程中密封裂隙試樣上下端面，并將裂隙試樣內(nèi)在裂隙注滿液體并與外部體積測試管通過導水連接管相連；導水連接管優(yōu)選為尼龍材料。

進一步地，所述滲流加載系統(tǒng)由包括依次連接的進水口水壓力傳感器、水壓穩(wěn)壓罐體、穩(wěn)壓溢流閥、泵組及集水箱，水流由實驗罐體下蓋進水口進入，滲流加載體統(tǒng)施加最大滲流量大于10 L/s，且滲流水流可循環(huán)使用。

進一步地，所述滲流測試系統(tǒng)由出水口水壓力傳感器、微-中型流量計（量程0.5 ml/s~20000 ml/s）、數(shù)據(jù)采集儀器、集水箱共同組成，微流量計與中流量計并聯(lián)，當流量較大時打開中流量計、關閉微流量計監(jiān)測水流量，當流量較小時打開微流量計、關閉中流量計監(jiān)測水流量。

相應地，本發(fā)明給出了一種采動斷裂巖體裂隙動態(tài)閉合滲流模擬試驗方法，包括下述步驟：

1）制作采動斷裂巖體的裂隙試樣：

為了模擬斷裂巖體裂隙擠壓、錯動、剪切過程，并定量研究其結(jié)構(gòu)演化特征，將斷裂巖體的裂隙試樣設計為長方體結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)部預制一條上下貫通的傾斜規(guī)則裂隙，裂隙用于模擬斷裂巖體間裂隙空間，裂隙邊界預留一定尺寸完整塊體，該部分完整塊體用于模擬斷裂巖體斷面間凸出鉸接部分，為防止裂隙試樣受壓剪切錯斷過程中水向外滲流，在裂隙邊界完整塊體外側(cè)預設一密封凹槽，凹槽內(nèi)填充塑性隔水材料；所述隔水材料優(yōu)選為聚氨酯；在裂隙上盤下部、下盤上部均鋪設一定厚度的軟弱層，用以模擬斷裂下體下部松散結(jié)構(gòu)巖體，并提供斷裂裂隙試樣的剪切錯動變形空間；

在裂隙試樣模具內(nèi)固定好預制裂隙鋼板，將裂隙保護板穿過預制裂隙鋼板放入模具底部，在底部裂隙鋼板上側(cè)放入已經(jīng)預制好的軟弱層塊體，在鋼板及模具內(nèi)側(cè)均勻涂上一層潤滑油或凡士林，注入配置好的非親水性相似裂隙試樣材料，在上部裂隙鋼板下側(cè)放入另一塊預制好的軟弱層塊體，在模具上方穿過預制鋼板放入另一塊裂隙保護板，振動均勻后，待裂隙試樣達到一定強度后拆模，拔出預制裂隙鋼板，置入水中養(yǎng)護，養(yǎng)護完成后在裂隙邊界密封凹槽內(nèi)填充塑性隔水材料；

2）安裝裂隙試樣

滲流裂隙試樣安裝的方式：首先在底部密封蓋上放入下部滲透加壓板，將養(yǎng)護好的裂隙試樣側(cè)壁包裹一至兩層隔水薄膜，然后放在滲透加壓板上，保證下部滲透加壓板的某一集水凹槽與裂隙保護板裂隙通槽重合，并逐步安裝活動側(cè)壓板，并在側(cè)壓活動板內(nèi)壁涂抹潤滑油，固定罐體側(cè)壁，放入上部滲透加壓板，保證上部滲透加壓板的某一集水凹槽與裂隙保護板通槽重合，安裝上部密封蓋，固定密封整個罐體，連接進、出水管，并將水壓傳感器、水流量計及應力傳感器與數(shù)據(jù)采集儀及電腦相連；

裂隙開度測試裂隙試樣安裝的方式與滲流裂隙試樣基本相同：首先在底部密封蓋上放入下部滲透加壓板，將養(yǎng)護好的裂隙試樣側(cè)壁包裹一至兩層隔水薄膜，在下裂隙試樣保護板外側(cè)增加密封膜，與密封膜連接的下導水連接管一端部對準裂隙保護板通槽，下導水連接管另一端由滲透加壓板、進水口引出，然后放在滲透加壓板上逐步安裝活動側(cè)壓板，并在側(cè)壓活動板內(nèi)壁涂抹潤滑油，固定罐體側(cè)壁，在上裂隙保護板上同樣放置連接上導水連接管的密封膜，上導水連接管一端對準裂隙保護板通槽，另一端由滲透加壓板引出，然后放入上滲透加壓板，安裝上部密封蓋，上導水連接管由出水口引出，固定密封整個罐體，由下導水連接管向裂隙試樣內(nèi)注入液體直至上導水連接管出口不再有氣泡冒出，然后將上導水連接管、下導水連接管另一端與外部體積測試管連接；

3）檢查傳感器與數(shù)據(jù)采集儀連接情況及工作狀態(tài)：打開數(shù)據(jù)采集裝置，檢查各傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接情況，啟動伺服加載裝置，對荷載轉(zhuǎn)換器加載，打開荷載轉(zhuǎn)換器與2個千斤頂之間的開關，使實驗罐體上部加載活塞與上部滲透加壓板接觸，但不施加荷載，打開滲流加載裝置，檢查各傳感器測試、監(jiān)測設備處于正常工作狀態(tài)；

4）施加穩(wěn)定水壓力和流量：關閉微型流量計、打開中型流量計，啟動水壓力水量控制泵組，調(diào)節(jié)溢流閥，設置好需要的水壓力和流量；

5）施加軸向荷載：垂直荷載加載前，首先測試荷載為零時，在設定滲透壓力條件下裂隙試樣的滲流量，同時觀測裂隙開度體積測試管水位；在伺服加載萬能實驗試驗機上輸入折算后對應的加載路徑（伺服加載萬能試驗機需要提供滲流實驗罐體、裂隙開度測試實驗罐體的垂直加載荷載，因此需調(diào)整對應加載荷載），施加軸向荷載，同時施加穩(wěn)定水壓；

6）數(shù)據(jù)采集：采集實驗罐體上方千斤頂?shù)妮S向荷載、軸向位移，罐體的側(cè)向圍壓、底部荷載，滲流罐體的滲流量、滲透壓力，裂隙開度體積測試管內(nèi)的體積變化，伺服加載萬能實驗機可自動監(jiān)測加載路徑及位移變化；

7）打開微型流量計、關閉中型流量計：加載過程中，裂隙試樣的滲流量逐漸減小，減小到一定程度后，滲流量在微型流量計量程范圍時，關閉中型流量計、打開微型流量計，確保監(jiān)測精度；

8）卸載：當微型流量計監(jiān)測滲流為零時或者達到預設荷載時，控制伺服加載萬能實驗機停止加載，卸載的過程中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)繼續(xù)采集各項數(shù)據(jù)直至各項數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變；

9）模型拆卸和現(xiàn)象觀測：打開罐體，觀測裂隙試樣的破壞變形特征；

10）更換不同參數(shù)裂隙試樣，重復步驟2）-9）；

11）數(shù)據(jù)分析與提煉：根據(jù)試驗過程采集的不同試驗數(shù)據(jù)和信息，分析不同參數(shù)裂隙試樣，在應力恢復過程中應力、位移、裂隙開度、滲流及相互間耦合關系的演化模型，定量描述和分析裂隙開度、傾角及裂隙邊界完整巖體寬度對應力恢復過程中裂隙閉合及阻隔水能力恢復的影響機理。

與現(xiàn)有技術比較，本發(fā)明的優(yōu)點在于采用三維側(cè)向約束軸向加載體系，模擬采動裂隙恢復應力場，結(jié)合設計研制的斷裂巖體貫通裂隙模型，實現(xiàn)了大流量貫通裂隙巖體應力作用下的滲流耦合試驗；實現(xiàn)了裂隙開度、滲流量的同步監(jiān)測；裂隙試樣上下端面設置軟弱層，實現(xiàn)了對垮落帶破碎巖體的壓縮變形模擬；貫通裂隙邊界完整部分尺寸變化實現(xiàn)了斷裂裂隙鉸接程度的模擬；實現(xiàn)了按采動裂隙巖體應力恢復路徑加載，獲取斷裂巖體垂直受壓旋轉(zhuǎn)錯動過程中的側(cè)向應力，及其耦合應力場作用下裂隙開度閉合的定量過程；測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同開度、傾角、連接程度裂隙的加載裂隙開度閉合過程的滲流模擬試驗；能有效認識和揭示采動巖體應力恢復作用下不同結(jié)構(gòu)特征裂隙巖體的結(jié)構(gòu)演化、裂隙閉合及阻隔水能力恢復特性，將會為深入研究“保水采煤”地下水滲流系統(tǒng)恢復機理及“殘煤復采”涉及的已有擾動斷裂巖體的滲透性特性提供理論基礎。

附圖說明

圖1為本發(fā)明試驗裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實驗罐體正視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖2的打開上密封蓋后的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為側(cè)向活動壓力板及傳感器連接示意圖；

圖6為裂隙試樣主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為裂隙試樣俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為裂隙內(nèi)在空間變化測試連接簡化圖；

圖9為滲流加壓板平面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為裂隙保護板平面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11為裂隙試樣與裂隙保護板、滲透加壓板組合示意圖。

其中：1-約束框架；2-1-裂隙開度測試實驗罐體加載千斤頂；2-2-滲流測試實驗罐體加載千斤頂；3-體積測量管；4-伺服加載萬能試驗機；5-荷載轉(zhuǎn)換器；6-開關；7-1-出水口水壓傳感器；7-2-進水口水壓傳感器；8-1-微型流量計；8-2-中型流量計；9-溢流閥；10-泵組；11-集水槽；12-穩(wěn)壓罐；13-滲流測試實驗罐體；14-裂隙開度測試實驗罐體；15-上荷載活塞；16-出水口；17-上滲透加壓板；18-罐體；19-側(cè)壓傳感器；20-側(cè)壓板；21-進水口；22-上密封蓋；23-上裂隙保護板；24-裂隙試樣；25-隔水薄膜；26-下裂隙保護板；27-下滲透加壓板；28-下密封蓋；29-下加載活塞；30-底座荷載傳感器；31-底座；32-側(cè)壁法蘭；33-密封蓋密封條；34-側(cè)壓板端部密封條；35-側(cè)壓板間密封條；36-軟弱層；37-密封凹槽；38-密封橡膠模；39-集水凹槽；40-導水連接管；41-通槽。

具體實施方式

一種采動斷裂巖體裂隙動態(tài)閉合滲流模擬試驗裝置，如圖1所示，主要包括兩個實驗罐體共同放置于約束框架1內(nèi)，兩個實驗罐體分別為滲流測試實驗罐體13和裂隙開度測試實驗罐體14，兩個實驗罐體結(jié)構(gòu)相同。實驗罐體外觀為圓柱形剛性的耐高壓罐體，如圖1至圖3所示，可通過罐體側(cè)壁法蘭32側(cè)向打開，也可以通過上密封蓋22及下密封蓋28打開，其內(nèi)在腔體截面為正方形，如圖4所示，腔體每個面布置側(cè)壓板20，共四個側(cè)壓板，在側(cè)壓板20與罐體18側(cè)壁間安裝側(cè)壓傳感器19，側(cè)壓板20相互間密封連接，在罐體側(cè)向約束緊固下，四塊側(cè)壓板20在罐體內(nèi)形成第二個腔體，如圖4和圖5所示，裂隙試樣24放置在第二個腔體內(nèi)。

斷裂巖體裂隙試樣24為一非親水性相似材料長方塊體，內(nèi)置一上下貫通傾斜裂隙，內(nèi)置裂隙開度為0.5~2.0 mm，傾角為50°~90°，如圖6所示，邊界設置密封凹槽37深2mm，如圖7所示，在裂隙上盤下段、下盤上段均設置一定厚度軟弱層36，如圖6所示，軟弱層36厚度按內(nèi)在裂隙空間體積折算，上、下盤軟弱層設置尺寸相同，密封凹槽37與裂隙間有一定寬度完整塊體，寬度為5~30 mm，密封凹槽37與裂隙開度相同；該裂隙試樣的設計可有效的模擬斷裂巖體的受壓變形過程，并能從定量的角度去分析研究裂隙開度、傾角、裂隙間膠結(jié)程度對斷裂巖體變形的影響機制。

側(cè)壓板20為錐形結(jié)構(gòu)剛性板，橫斷面為梯形設計，其結(jié)構(gòu)見圖5所示，外寬內(nèi)窄，外側(cè)內(nèi)角為45°，內(nèi)側(cè)內(nèi)角為135°，在內(nèi)側(cè)受壓時其荷載可向外傳遞；上滲透加壓板17置于裂隙試樣24上方，在上滲透加壓板17和裂隙試樣24間設置上裂隙保護板23；如圖9所示，上滲透加壓板17為一厚度較大的剛性板，其內(nèi)部密布滲流孔，在與裂隙保護板23接觸面上設置多個相互連通的集水凹槽39，下滲透加壓板27與上滲透加壓板17結(jié)構(gòu)相同；如圖10所示，上裂隙保護板23為一厚度為1mm斷面尺寸與裂隙試樣斷面相同的鋼板，上裂隙保護板23可保護裂隙試樣24在受壓過程中裂隙試樣上端裂隙開口穩(wěn)定變形并保證裂隙滲流入口不堵塞、滲流量充足，上裂隙保護板23內(nèi)設置通槽41，通槽41尺寸與裂隙試樣24內(nèi)裂隙尺寸相同，滲透加壓板其中的某一集水凹槽與裂隙保護板的通槽重合，下裂隙保護板26與上裂隙保護板23結(jié)構(gòu)相同；裂隙試樣24在安裝的時候，外圍包裹至少一層隔水薄膜25，保證裂隙試樣24與側(cè)壓板20之間無滲流；上滲透加壓板17、上裂隙保護板23、裂隙試樣24、下裂隙保護板26、下滲透加壓板27組合關系如圖11所示。

在罐體18上部設置上密封蓋22，上密封蓋22為一直徑與罐體直徑相同厚度為20mm的剛性板，上密封蓋22與罐體18間設置密封蓋密封條33見圖4，上密封蓋22與罐體18間通過螺栓緊固，上密封蓋22中部設置上荷載活塞15，上荷載活塞15為一直徑為60mm、長度為100mm的剛性圓柱，出水口16設置在上密封蓋22內(nèi)，出水口16直徑為20mm；試驗罐體下部設置下密封蓋28，下密封蓋28尺寸與上密封蓋22相同，下密封蓋28通過四個立柱與底座31相連，下密封蓋28同時通過螺栓與試驗罐體18緊固，在下密封蓋28與實驗罐體18間設置密封蓋密封條33，在下密封蓋28中間設置下荷載活塞29，下荷載活塞29尺寸與上荷載活塞15相同，下密封蓋內(nèi)部設置進水口21，進水口21尺寸與出水口16相同，底座31為一厚度為20mm剛性板，其直徑與實驗罐體18相同，在底座31中間設置底座荷載傳感器30，底座荷載傳感器30與下荷載活塞29相連；此外，側(cè)壓板20的高度與實驗罐體18內(nèi)腔高度相同，四塊側(cè)壓板上部和下部均設置側(cè)壓板端部密封條34，側(cè)壓板之間設置側(cè)壓板間密封條35，見圖4和圖5，上密封蓋22、下密封蓋28與側(cè)壓板20組成密封性較好的第二腔體。

對于滲流測試實驗罐體13，上、下滲透加壓板分別與垂直荷載加載系統(tǒng)、荷載傳遞監(jiān)測系統(tǒng)連接，進水口、出水口分別與滲流加壓系統(tǒng)和滲流測試系統(tǒng)連接；對于裂隙開度測試實驗罐體14，裂隙保護板與滲透加壓板間設置帶有導水連接管40的密封膜38，裂隙試樣24內(nèi)的裂隙可通過密封膜38上的導水連接管40與外部體積測試管3連接，進行裂隙開度的測試。

荷載加載系統(tǒng)為獨立的加載系統(tǒng)，主要由伺服加載系統(tǒng)WES-D1000型微機控制電液私服加載萬能試驗機4、荷載轉(zhuǎn)換器5、滲流測試實驗罐體13上部千斤頂2-2及裂隙開度測試實驗罐體14上部千斤頂2-1組成；伺服加載系統(tǒng)WES-D1000型微機控制電液私服加載萬能試驗機4對荷載轉(zhuǎn)換器5進行加載，荷載轉(zhuǎn)換器5與滲流測試實驗罐體上部千斤頂2-2及裂隙開度測試實驗罐體上部千斤頂2-1相連，可同步伺服加載萬能試驗機4的加載路徑，滲流測試實驗罐體13上部千斤頂2-2及裂隙開度測試實驗罐體14上部千斤頂2-1均安裝有荷載及位移傳感器，該系統(tǒng)可同步監(jiān)測軸向荷載、軸向位移，預設加載路徑，最大加載荷載可達1000kN，精度等級為0.5級。

滲流加載系統(tǒng)由集水箱11、泵組10、穩(wěn)壓溢流閥9與水壓穩(wěn)壓罐12、進水口水壓力傳感器7-2串聯(lián)構(gòu)成，水流由滲流測試實驗罐體13的下密封蓋28內(nèi)的進水口21進入，最大滲流流量大于10 L/s，水流流經(jīng)裂隙試樣24通過上密封蓋22內(nèi)出水口16、微型型流量計8-1或中型流量計8-2后，流入集水箱11，滲流水流可循環(huán)使用。

滲流測試系統(tǒng)由出水口水壓力傳感器7-1、微型流量計（量程0.5 ml/s~5000 ml/s）8-1、中型流量計8-2（量程1000 ml/s~20000 ml/s）、集水箱11共同組成，微型流量計8-1與中型流量計8-2并聯(lián)；在初始階段，斷裂巖體裂隙試樣24滲流量較大，此時流量的測量打開中型流量計8-2關閉微型流量計8-1，隨著荷載的增加斷裂巖體裂隙試樣24受壓變形，內(nèi)在貫通裂隙開度減小，滲流量減小，當流量減小到5000ml/s以下時，關閉中型流量計8-2打開微型流量計8-1；由出水口16流出的水流最終流入集水箱11內(nèi)循環(huán)使用。

裂隙開度測試系統(tǒng)的工作同步并獨立于裂隙試樣滲流試驗完成，通過測試裂隙空間內(nèi)在液體體積變化監(jiān)測開度變化過程；選用與滲流試驗中同樣參數(shù)試塊放入裂隙開度測試實驗罐體14內(nèi)進行加載試驗，如圖8所示，試驗過程中使用橡膠密封模38密封裂隙試樣24的上下端面，并由導水連接管40連接裂隙內(nèi)在液體與外部體積測試管3，與滲流測試實驗罐體13采用同樣的加載路徑加載同步加載，通過監(jiān)測體積測試管3內(nèi)液體體積的變化來監(jiān)測裂隙試樣24內(nèi)在裂隙尺寸的變化，裂隙開度測試實驗罐體14與滲流測試實驗罐體13同步加載，同步監(jiān)測；

下面給出本發(fā)明采動斷裂巖體裂隙動態(tài)閉合滲流模擬的試驗方法，包括下述步驟：

1) 制作采動斷裂巖體的裂隙試樣：

根據(jù)需要制備裂隙試樣24，選擇相應預制裂隙鋼板，在裂隙試樣模具內(nèi)按照裂隙傾角固定好預制裂隙鋼板，將下裂隙保護板26穿過預制裂隙鋼板放入模具底部，在底部裂隙鋼板上側(cè)放入已經(jīng)預制好的軟弱層36的塊體，在鋼板及模具內(nèi)側(cè)均勻涂上一層潤滑油或凡士林，注入配置好的非親水性相似裂隙試樣材料，在裂隙鋼板的下側(cè)放入另一塊預制好的軟弱層36的塊體，在模具上方穿過預制鋼板放入上裂隙保護板23，振動均勻后，待裂隙試樣24達到一定強度后拆模，拔出預制裂隙鋼板，并將裂隙試樣放入水中養(yǎng)護，養(yǎng)護完成后在裂隙邊界密封凹槽37內(nèi)填充塑性隔水材料；采用同樣的方法制備其它參數(shù)的裂隙試樣24，同參數(shù)裂隙試樣至少制備兩塊；

2) 安裝裂隙試樣

滲流測試實驗罐體13與裂隙開度測試實驗罐體14內(nèi)裂隙試樣24的安裝方法基本相同，在罐體底座31上的下密封蓋28上放入下滲透加壓板27，將養(yǎng)護好的裂隙試樣24側(cè)壁包裹一至兩層隔水薄膜25，然后將放在下滲透加壓板27上，保證下滲透加壓板27的某一集水凹槽39與下裂隙保護板26的通槽41重合，并逐步安裝側(cè)壓板20，并在側(cè)壓板20內(nèi)壁涂抹潤滑油，固定實驗罐體18的側(cè)壁，放入上滲透加壓板17，保證上滲透加壓板17的某一集水凹槽與上裂隙保護板23的通槽41重合，安裝上密封蓋22，固定密封整個實驗罐體18，對于滲流測試實驗罐體13連接進水口21的進水管及滲流加載系統(tǒng)，出水口16的出水管及滲流量監(jiān)測系統(tǒng)，并將水壓傳感器、水流量計及應力傳感器與數(shù)據(jù)采集儀及電腦相連；對于裂隙開度測試實驗罐體14，在上述安裝過程中，裂隙開度測試實驗罐體14內(nèi)的裂隙試樣24的上裂隙保護板23與上滲透加壓板17及下裂隙保護板26與下滲透加壓板27間增加帶有導水連接管40的橡膠密封膜38，與橡膠密封膜38連接的上導水連接管、下導水連接管一端對準裂隙保護板內(nèi)通槽41，另一端通過上、下滲透加壓板（17及27）引出罐體18，然后固定密封整個罐體，由下導水連接管向裂隙試樣24內(nèi)注入液體直至上導水連接管出口不再有氣泡冒出，然后將上導水連接管、下導水連接管另一端與外部體積測試管3連接；

3) 啟動荷載加載系統(tǒng)，打開荷載轉(zhuǎn)換器5與兩罐體間的開關6，上荷載活塞15與上滲透加壓板17接觸，但不施加荷載，打開滲流監(jiān)測系統(tǒng)，使中型流量計8-2處于打開狀態(tài)并關閉微流量計8-1，打開滲透加載裝置，施加水壓力和流量，檢測各傳感器、監(jiān)測設備是否處于工作狀態(tài)；

4) 施加穩(wěn)定水壓力和流量：打開滲流加載泵組10，控制溢流閥9設置所需的水壓力和流量，滲流及水壓均穩(wěn)定后，測試未加載時裂隙試樣24的初始滲流量；

5)施加軸向荷載：按照采動裂隙巖體現(xiàn)場監(jiān)測的應力恢復路徑輸入伺服加載系統(tǒng)WES-D1000型微機控制電液私服加載萬能試驗機4，然后加載，測試加載過程中裂隙試樣24的滲流量、應力-應變、裂隙開度、側(cè)向應力等參數(shù)；

6) 數(shù)據(jù)采集：通過連接數(shù)據(jù)采集儀的電腦同步采集側(cè)向圍壓、滲流量、滲透壓力、底部荷載，荷載加載的軸向荷載及位移、應變，體積測試管3內(nèi)體積的變化，記錄加載時間，保證各組采集數(shù)據(jù)相互對應；

7）停止加載或卸載：當滲流測試實驗罐體13內(nèi)裂隙試樣24的滲流量為0或者伺服加載系統(tǒng)WES-D1000型微機控制電液私服加載萬能試驗機4達到最大預制荷載時，停止加載，繼續(xù)監(jiān)測各項參數(shù)指標至卸載完成；

8)模型拆卸和現(xiàn)象觀測：拔掉滲流實驗罐體13進水口21連接管、出水口16連接管，拔掉裂隙開度測試實驗罐體14導水連接管40，逐步打開實驗罐體上密封蓋22、下密封蓋28，然后打開側(cè)壁法蘭32，逐步拆卸側(cè)壓板20，上、下滲透加壓板17和27，取出裂隙試樣24，拆除隔水薄膜25及上、下裂隙保護板23和26，觀測裂隙試樣24的破壞變形特征；

9) 更換不同參數(shù)裂隙試樣，重復步驟2）-8）；

10)數(shù)據(jù)分析與提煉：將試驗過程及采集不同試驗數(shù)據(jù)和信息，分析不同參數(shù)裂隙試樣，在應力恢復過程中應力、位移、裂隙開度、滲流及相互間耦合關系的演化模型，定量描述和分析裂隙開度、傾角及裂隙邊界完整巖體寬度對應力恢復過程中裂隙閉合及阻隔水能力恢復的影響機理。

本發(fā)明斷裂裂隙巖體裂隙試樣模型的研制，通過規(guī)則化裂隙、裂隙兩側(cè)留設不同尺寸完整巖塊的寬度（模擬斷裂巖體鉸接程度）、裂隙邊界設置密封凹槽、在裂隙上盤下部及下盤上部設置軟弱層，側(cè)向約束軸向加載并施加滲流流量，實現(xiàn)采動斷裂巖體間剪切錯動變形過程及其滲流的量化研究；通過設置裂隙保護板，有效的保護貫通裂隙端面加載過程中裂隙試樣端面裂隙的完整性，防止了端面裂隙受壓提前破壞堵塞裂隙滲流通道；此外裂隙保護板與滲流加壓板集水凹槽的相互組合的設置實現(xiàn)了對裂隙施加穩(wěn)定大滲流；側(cè)壓板的設置實現(xiàn)了斷裂裂隙巖體在垂直應力恢復過程中水平擠壓應力變化模擬試驗的監(jiān)測；小開度裂隙開度變形的監(jiān)測：采用體積變化監(jiān)測方法，對小開度裂隙在剪切過程中裂隙開度變化的時候監(jiān)測，結(jié)合滲流試驗，進而實現(xiàn)了裂隙開度、滲流量、應力等的定量耦合關系。

以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本領域的技術人員來說，在不脫離本發(fā)明整體構(gòu)思前提下，還可以作出若干改變和改進，這些也應該視為本發(fā)明的保護范圍。