基于渗流场与应力场耦合的断裂突水研究试验方法

摘要

本发明公开了一种基于渗流场与应力场耦合的断裂突水研究试验方法，藉由该方法可以得出断裂突水规律以及突水临界值，其包括如下步骤：首先从现场取样后进行室内加工成标准的圆柱体，后对圆柱体按一定角度和一定宽度进行竖向剖分；其次对剖分后的圆柱体试件进行填充，填充要求为断裂带充填物。最后把填充好的试件进行隔水处理，放置到试验台上进行试验。本发明能够真实反映渗流场与应力场耦合的断裂突水规律。

说明书

技术领域

本发明特别涉及煤矿工程、地下工程、隧道工程等领域的一种在扰动条件 下渗流与应力耦合断裂突水研究试验方法。

背景技术

煤炭作为我国主体能源的状况还将持续相当长的一段时间。为了满足国民 经济日益发展的需要，煤层开采的深度在不断地增加，部分矿区的上组煤已经 回采完毕，生产重心逐步向受水威胁更大的下组煤转移，全国煤炭开采的发展 趋势将由开采上组煤转到下组煤深部开采。这使得矿井开采水平不断延深，更 多煤矿受到的底板岩溶承压含水层水压越来越大，水文地质条件也变得越复杂， 致使突水威胁越来越严重。根据以往我国矿井突水资料的不完全统计，多数学 者得出，因断裂构造而引发的底板突水次数占总突水次数的75％以上，其原因 为断裂是煤矿底板中最薄弱的环节，而突水总是选择煤层底板中最脆弱的块段。 所以断裂将是矿井突水的重点研究区域。另外，在其他领域同样遇到类似的问 题，如深埋隧道遇断裂突水涌泥问题，水利水电中地下空间引水涵洞遇断裂涌 水或突水问题。从诸多研究中提炼出一个关键的科学问题是扰动条件下渗流场 与应力场耦合作用引发断裂突水机理研究。

一般的断裂突水研究仅在理论推导方面考虑了渗流和应力的耦合作用，而 在试验方法方面，没有考虑渗流场与应力场耦合作用，单从渗流角度去研究突 水，或者考虑了水压与围压的因素，但都不能真正做到渗流场和应力场的耦合 效应。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提出一种基于渗流场与应力场 耦合的断裂突水研究试验方法，其能够真实反映渗流场与应力场耦合的断裂突 水规律。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于渗流场与应力场耦合的断裂突水研究试验方法，包括如下步骤：

(1)取断裂体附近的围岩或取水泥砂浆或混凝土根据相似比进行模拟处理 制成圆柱体，而后沿设定角度对圆柱体进行竖向剖分，所述设定角度是根据现 场断裂倾角确定，所述剖分的宽度是利用相似比与现场断裂破碎带宽度进行比 较后确定；

(2)将剖分后形成的两个半圆柱体中间用现场断裂带充填物或模拟断裂破 碎带充填物进行填充，使之成为完整的圆柱体试件；

(3)在圆柱体试件中进行隔水处理，以防止围岩的水和孔压的水进行串通， 而后将圆柱体试件置于试验台上进行试验。

所述模拟断裂破碎带充填物优选采用黏土。

所述模拟断裂破碎带充填物尤其优选采用砂质黏土。

进一步的，步骤(3)中试验工况为测定不同围压下，圆柱体试件劈裂时的 内水压力水平，其加载方式为：首先加轴压，将圆柱体试件固定于加载轴线上， 然后围压和孔压同时加载，至设定围压值时，停止加载围压，孔压继续增大， 直至圆柱体试件破坏。

附图说明

图1是本发明一优选实施例中现场取样室内加工后形成的试件初成品的结 构示意图；

图2是图1所示试件初成品沿竖向剖分的结构示意图；

图3是将图2所示剖分后试件初成品进行填充形成圆柱体试件的结构示意 图；

图4是图3所示圆柱体试件在试验时的安装状态示意图。

具体实施方式

本案发明人经长期研究和实践，针对现场工况，并考虑扰动情况下含水层 中水的渗流场与围岩的应力场相互耦合作用，提出一种物理模拟试验方法来研 究断裂突水机理(特别是高水压情况之下)，其方案包括如下步骤：

(1)制样：包括试件的制备和断裂带充填物选取两方面。试件制备建议现 场取样后进行室内加工。取样标准为断裂体附近的围岩，室内取芯要求为直径 150mm、100mm、80mm(如图1所示，C为圆柱体中心，B为半径，H为圆柱 体试件的高度)，后沿一定角度对圆柱体10进行竖向剖分(如图2所示)。角度 是根据现场断裂倾角确定。剖分的宽度可以利用相似比与现场断裂破碎带宽度 进行比较。

剖分后两半圆柱体11、12中间用现场断裂带充填物13如断层泥进行填充， 使之成为完整的圆柱体(如图3所示)。但需要补充说明的是：若在现场无法取 样情况下，可以借助于水泥砂浆或混凝土，根据相似比进行模拟处理进行试件 制备，同时断裂带充填物可以用黏土或者砂质黏土来模拟断裂破碎带充填物。

(2)试验过程：把试件进行处理后，放到试验台中进行试验(如图4所示， σ_z为轴压，P为水压，σ_r为围压)，处理过程为：在填充完毕的圆柱体试件中进 行隔水处理，以防止围岩的水和孔压的水进行串通。试验台要求：水压以围压、 孔压多路加压、卸压功能，同时轴压、围压、孔压的具有稳压功能，具有轴压、 围压、孔压自动采集功能。水流通过断裂带填充物的流量可以从渗透排水孔进 行量取。

试验工况为测定不同围压下，试件劈裂时的内水压力水平。加载方式为： 首先加轴压，将试件固定于加载轴线上，然后围压和孔压同时加载，至设定围 压值时，停止加载围压，孔压继续增大，直至试件破坏。试件破坏时，有沉闷 破裂声，并伴有大量水渗出，并且孔压迅速下降至围压同等水平后同步迅速下 降。这些现象说明，在试验条件下，裂缝一旦开裂，迅速扩展，直至完全开裂。

试验结论：通过试件设计、试验方法的应用，模拟现场采动以及与高压水 渗流相互作用的过程，得到了断裂突水的判据及条件。重点以不同的轴压、围 压、水压，连续观测渗出水量，分析轴压、围压、水压以及围岩与水压比等关 系。最后确定断裂突水规律以及突水临界值。

与现有技术相比，本发明提出综合考虑含水层的水压、断裂体的所处的竖 向地应力、围岩的构造应力，同时考虑渗流场和应力场的耦合效应，比仅仅考 虑地应力或者水压作用得到突水判据更加合理，更加符合工程现场实际情况。