煤层采动底板突水演变过程可视化试验平台研制与试验研究

摘要

物理模拟试验可以直观展现底板突水全过程,并可获取采动底板突水灾变演化的多元化信息,成为研究承压水上开采的有效研究手段.对早期研制的深部采动底板突水模拟试验系统的突水流量监测、覆岩柔性加载、水平分级加载和恒压稳流试验舱等4个模块进行了改造,实现了突水水量区域化定量监测、覆岩柔性均布加载、双侧分区域独立加载、大容量恒压供水和全方位的密封等功能.借助改造后的试验系统和研制的非亲水相似模拟材料,以受底板承压水威胁的山东某矿为工程背景,研究了突水通道形成、流量灾变演化、隔水层应力变化等过程.试验结果表明:依据底板可视裂隙的扩展特征,将底板突水划分为横纵向演化阶段、横向周期演化阶段和灾变突水阶段;在第Ⅰ阶段,承压水顶界面主渗区首先产生于开切眼下方且位置不随煤层开采发生变化,随着开采可视裂隙向承压水含水层方向和工作面推进方向扩展,主渗区范围变大且流量显著提高;在第Ⅱ阶段,随煤层开采煤壁下方产生新的裂隙,上一阶段回采产生的裂隙封闭,裂隙扩展呈现周期性变化特征,主渗区流量呈现降低—升高—降低—升高的周期性变化趋势;在第Ⅱ阶段,突水通道形成后,主渗区成为承压水突水的源头,其他区域流量不再发生突变,可将该阶段初期的流量急剧突变特征作为突水预警信息.试验结果不仅对中东部矿区承压水上开采底板突水溃砂过程中裂隙演化、突水流量特征研究提供实验指导,同时也对矿井安全性评价及灾害预测与防治提供参考.