承壓巖石破壞失穩(wěn)過程與動態(tài)滲透特性試驗裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及承壓巖石滲透性試驗領域，特別涉及一種大尺寸承壓巖石破壞失 穩(wěn)過程與動態(tài)滲透特性試驗裝置及測試方法。
【背景技術】
[0002] 煤層底板突水是我國煤礦水害的主要形式，尤其是華北型煤田，底板突水引起的 礦井水害普遍且突出。目前，我國重要煤炭產(chǎn)地的60%的礦井不同程度地受到底板巖溶承 壓水的威脅，受水害面積和嚴重程度均居世界采煤國家首位。近年來，隨著開采深度不斷增 加，地應力呈非線性增加趨勢，深部開采處于"三高一擾動"的復雜環(huán)境，采掘工作面底板承 受的水壓、地壓越來越大，地質構造環(huán)境越來越復雜，使得底板突水問題更為嚴重。有效遏 制底板水害的發(fā)生，已成為眾多礦井所共同面對的熱點問題和技術難題。
[0003] 目前，受底板巖溶承壓水嚴重威脅礦區(qū)的煤層開采主要采用"深降強排"和"帶壓 開采"兩種方法。帶壓開采符合科學開采的理念，但其在技術上難度較大，能否安全帶壓開 采，關鍵取決于煤層底板隔水層的阻水能力。工作面回采過程中會對隔水層中的應力狀態(tài) 產(chǎn)生較大的擾動和影響，在采動應力、承壓水滲透力和地應力耦合作用下，底板隔水層內(nèi)不 連續(xù)結構面會進一步擴展、貫通直至屈服破壞，使得底板隔水層的滲透性明顯改變，進而形 成突水通道，誘發(fā)工作面底板突水。因此，有必要開展承壓底板隔水層的變形、破壞與滲透 性演化的相關關系研究，這將有助于揭示煤層底板突水機理，為底板突水預測和防治提供 重要的理論依據(jù)和工程價值。
[0004] 對于處于復雜應力-滲流耦合環(huán)境下的煤層底板巖層，應力狀態(tài)的改變往往導致 底板隔水層破壞過程中裂隙擴展、貫通形成導水通道，誘發(fā)底板突水。大量研究表明，底板 隔水層的滲透特性與巖層裂隙萌生、擴展、貫通過程密切相關。目前，在巖石力學特性和巖 石裂隙擴展、貫通、破壞機理以及巖石滲流應力耦合特性的理論、數(shù)值和試驗研究方面均取 得了豐富的研究成果，所涉及的巖石有砂巖、泥巖、煤巖、鹽巖、大理巖、花崗巖等。但由于受 實驗設備及試驗巖樣尺寸的限制，在反映巖石變形破壞過程與滲透性演化內(nèi)在相關關系方 面的研究尚處在起步階段，缺乏系統(tǒng)的理論與試驗研究成果。因此，迫切需要采用全新實驗 來開展巖體破壞過程與滲透性演化方面的研究工作，建立緊密反映巖體水-力耦合破壞機 理與承壓滲透特性方面的理論、試驗裝置及測試方法，深入開展巖石水-力耦合破壞機理 與承壓滲透特性相關方面的研究工作，闡明巖石水-力耦合變形破壞過程與滲透性演化規(guī) 律的關系，為預測和防治煤層底板突水提供重要的理論和實驗依據(jù)，實現(xiàn)承壓水上煤層安 全帶壓開采。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 為解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，本實用新型的目的在于提供一種大尺寸承壓巖 石破壞失穩(wěn)過程與動態(tài)滲透特性試驗裝置。
[0006] 為達到上述目的，本實用新型的技術方案為：
[0007] -種承壓巖石破壞失穩(wěn)過程與動態(tài)滲透特性試驗裝置，其由圍壓加載模塊、試樣 存放及出水模塊、承壓水加載模塊及信號采集與處理系統(tǒng)組成，圍壓加載模塊包裹試樣存 放及出水模塊對其加載圍壓，承壓水加載模塊位于試樣存放及出水模塊底部，進行承壓水 的加載與卸載，信號采集與處理系統(tǒng)在整個實驗過程中進行信號采集分析；
[0008] 其中，圍壓加載模塊由圍壓缸、橡膠筒、端蓋、端蓋密封環(huán)、下密封環(huán)、限位卡環(huán)、限 位卡環(huán)螺釘、防油膠帶、上密封環(huán)、密封定位壓鈑、壓鈑固定螺釘、高壓油管、高壓油表、圍壓 穩(wěn)壓裝置、注油閥、高壓油栗、油箱、排油卸壓閥、第一三通閥、圍壓腔排氣閥組成；所述橡膠 筒與所述圍壓缸構成環(huán)形圍壓腔，利用下密封環(huán)、限位卡環(huán)、限位卡環(huán)螺釘、防油膠帶、上密 封環(huán)、密封定位壓鈑、壓鈑固定螺釘對環(huán)形圍壓腔進行密封與防油處理；所述端蓋與圍壓 缸相匹配，并利用端蓋、端蓋密封環(huán)、內(nèi)六角螺釘對圍壓缸進行密封；所述高壓油管一端與 所述環(huán)形圍壓腔內(nèi)部連通，管路上依次設置高壓油表、圍壓穩(wěn)壓裝置、注油閥、高壓油栗、油 箱；所述圍壓穩(wěn)壓裝置與所述注油閥之間，通過第一三通閥連接所述排油卸壓閥，并與所述 油箱相接，通過排油卸壓閥排出環(huán)形圍壓腔內(nèi)高壓油體以卸載圍壓；所述圍壓腔排氣閥與 所述環(huán)形圍壓腔內(nèi)部連接，圍壓加載過程中，通過圍壓腔排氣閥排出環(huán)形圍壓腔內(nèi)殘存氣 體；
[0009] 試樣存放及出水模塊由試樣存放腔、承壓多孔透水鋼篦、承壓軸、壓頭、密封圈、出 水管、流量傳感器、貯水槽組成；將加工好的大尺寸巖石試樣放置在試樣存放腔內(nèi)，試樣存 放腔的底部設有承壓多孔透水鋼篦、試樣存放腔的頂部為壓頭；所述承壓多孔透水鋼篦放 置在圍壓缸底部的凸臺肩部上，其尺寸與凸臺肩部、突起高度相匹配；所述壓頭與所述承壓 軸為一整體，承壓軸穿過端蓋深入試樣存放腔中，并通過壓頭壓住巖石試樣頂部，巖石壓力 試驗機通過承壓軸傳遞載荷對巖石試樣進行加卸載，壓頭與試樣存放腔之間的徑向間隙利 用密封圈進行密封處理；
[0010] 承壓水加載模塊由承壓水存貯槽、高壓水管、高壓水表、承壓穩(wěn)壓裝置、注水閥、柱 塞計量式高壓水栗、水箱、第二三通閥、排水卸壓閥、承壓水存貯槽排氣閥組成；所述承壓水 存貯槽內(nèi)的承壓水通過承壓多孔透水鋼篦作用在試樣存放腔內(nèi)的巖石試樣底部，對其施加 一定的承壓水壓；所述高壓水管一端與所述承壓水存貯槽內(nèi)部連接，管路上依次設置有高 壓水表、承壓穩(wěn)壓裝置、注水閥、柱塞計量式高壓水栗、水箱；所述承壓穩(wěn)壓裝置與所述注水 閥之間，通過第二三通閥連接所述排水卸壓閥，并與所述水箱連接，通過排水卸壓閥排出承 壓水存貯槽內(nèi)高壓水體以卸載承壓水；所述承壓水存貯槽排氣閥與所述承壓水存貯槽內(nèi)部 連接，承壓水加載過程中，通過承壓水存貯槽排氣閥排出承壓水存貯槽內(nèi)殘存氣體；
[0011] 信號米集與處理系統(tǒng)由巖石壓力加載與控制系統(tǒng)、應變米集與處理系統(tǒng)、聲發(fā)射 信號采集與處理系統(tǒng)、視電阻率信號采集與處理系統(tǒng)四部分組成；巖石壓力加載與控制系 統(tǒng)包括YAW型電液伺服壓力試驗機、帶有PowerTestV3. 3加載與控制的PC機；應變采集與 處理系統(tǒng)包括電阻應變片、第一彈性橡膠圈、數(shù)據(jù)傳輸導線、LB-IV型多通道數(shù)字應變儀、 帶有應力應變數(shù)據(jù)采集與處理的PC機；電阻應變片利用數(shù)據(jù)傳輸導線與試驗裝置上部側 面的電阻應變片導線轉接口相連，并通過相應的導線轉接口連接到應變數(shù)據(jù)采集與處理系 統(tǒng)，從而獲得承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中應力應變演化規(guī)律；聲發(fā)射信號采集與處理系統(tǒng)包 括耐壓聲發(fā)射接收探頭、探頭抗壓防護罩、第二彈性橡膠圈、信號傳輸導線、DS5-16B型全 信息聲發(fā)射信號分析儀、聲發(fā)射信號采集與處理的PC機；聲發(fā)射接收探頭利用信號傳輸 導線與試驗裝置上部側面的聲發(fā)射探頭導線轉接口相連，并通過相應的導線轉接口連接到 聲發(fā)射信號采集與處理系統(tǒng)，從而獲得承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中聲發(fā)射事件數(shù)量、位置，確 定承壓巖石破壞失穩(wěn)過程的演化規(guī)律；視電阻率信號采集與處理系統(tǒng)包括銅片電極、電極 抗壓防護罩、第三彈性橡膠圈、銅質漆包信號傳輸導線、WBD型網(wǎng)絡并行電法儀、surfer或 illustrator軟件輔助繪圖的PC機，銅片電極利用銅質漆包信號傳輸導線與試驗裝置上部 側面的銅片電極導線轉接口相連，并通過相應的導線轉接口連接到視電阻率信號采集與處 理系統(tǒng)，從而獲得承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中視電阻率信號，確定承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中 滲透性演化規(guī)律。
[0012] 進一步的，所述試驗裝置，除高壓油管、高壓水管、出水管、密封圈等輔助配件外， 均由具有一定剛度和強度的45號鋼鑄造加工而成，且其內(nèi)外表層均鍍有一定厚度的聚四 氟乙烯絕緣層。
[0013] 進一步的，所述承壓多孔透水鋼篦為圓板形，其中心設有中心通孔，周邊設有以中 心通孔為中心的直徑相同、多圈環(huán)形分布通孔；所述承壓多孔透水鋼篦上表面設有多圈環(huán) 形溝槽，其與環(huán)形分布通孔相互連通，所述環(huán)形溝槽寬度與通孔直徑相同。
[0014] 進一步的，所述壓頭為圓柱形，所述壓頭與承壓軸中部設有出水孔，出水孔通過出 水管依次與流量傳感器、貯水槽連接；所述壓頭下表面設有以出水孔為中心的十字型與環(huán) 形狀導水溝槽，且十字型與環(huán)形狀導水溝槽相互連通。
[0015] 利用上述裝置的一種承壓巖石破壞失穩(wěn)過程與動態(tài)滲透特性測試方法，利用承壓 巖石滲透性試驗裝置，通過承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中應力應變信號、聲發(fā)射信號和視電阻 率信號的采集與處理系統(tǒng)，得到大尺寸承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中的應力應變關系、聲發(fā)射 事件數(shù)量、位置及承壓水滲透導升引起的巖石視電阻率變化規(guī)律，獲得水-力耦合作用下 巖石破壞過程中裂隙擴展、貫通與失穩(wěn)的動態(tài)演化規(guī)律及其與之相對應的動態(tài)滲透特性。
[0016] 進一步的，所述方法的具體操作步驟如下：
[0017] 步驟一、巖石試樣制備：從煤礦深部承壓含水層上方的煤層底板巖層鉆取完整的 不同巖性巖芯，在實驗室內(nèi)加工成的不同巖性的大尺寸巖石試樣；
[0018] 步驟二、固定電阻應變片：在巖石試樣的側面布置、固定電阻應變片，在巖石試樣 的軸向和徑向各一個，在電阻應變片與巖石試樣的接觸位置涂抹快干膠保證接觸的良好， 并利用第一彈性橡膠圈固定電阻應變片，以防止試驗加載過程中電阻應變片滑動，所述電 阻應變片利用數(shù)據(jù)傳輸導線與試驗裝置上部側面的電阻應變片導線轉接口相連，并通過相 應的導線轉接口連接到應變數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，采集應變變化數(shù)據(jù)，從而獲得承壓巖石 破壞失穩(wěn)過程中應力應變演化規(guī)律；
[0019] 步驟三、固定聲發(fā)射接