CN111596036A - 一种煤层开采中断层活化的实验模拟装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层开采中断层活化的实验模拟装置与方法。其中，装置包括模拟实验箱体、高压注排水装置和三轴应力加/卸载平台。本发明借助三轴应力加/卸载平台，完成模拟实验箱体内模拟断层在应力作用下的活化过程。通过模拟实验箱体内模拟煤岩材料的合理铺设、空间结构的合理设计和温度、压力、应力及位移传感器的植入，对独立并联的充水胶囊进行水压控制，完成煤层开采的动态模拟，反演断层构造在采动影响下被活化。本发明通过实验装置的合理搭建及实验方法的合理设计，实现应力作用下断层活化、煤岩局部失稳的发生发展过程模拟。本发明中的实验模拟装置具有结构简单、成本低，方便实用等优点。

Description

一种煤层开采中断层活化的实验模拟装置与方法

技术领域

本发明涉及一种煤层开采中断层活化的实验模拟装置与方法。

背景技术

断层作为典型的地质构造，在煤矿地质灾害防治中是重要的探测对象。煤层开采过程中经常会遇到断层构造，由采动应力活化断层诱发的煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害在世界主要产煤国中都曾频繁遭遇。开采形成的不稳定结构是断层被活化的先决条件，而开采诱发断层活化是一个复杂的应力变化和能量转移过程。因此，开展采动影响下的断层活化过程模拟，进而提出相应的实验装置与方法，对于指导煤矿灾害防治有重要理论参考价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种煤层开采中断层活化的实验模拟装置，该装置利用高压水力作用模拟采动影响，进而实现采动作用下的断层活化过程演化。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种煤层开采中断层活化的实验模拟装置，包括：

模拟实验箱体、高压注排水装置以及三轴应力加/卸载平台；

高压注排水装置包括水源、连通阀、排水池以及多个独立并联布置的充水胶囊；

连通阀上设有一个公共端口以及多个分支端口；

在水源与连通阀的公共端口之间设有进水主管路，在进水主管路上设有高压泵；

连通阀的分支端口的数量与充水胶囊的数量相等；

连通阀的每个分支端口分别通过一条进/出水子管路连接至一个充水胶囊的注/排水口处；

在每条进/出水子管路上设置一个水压监测仪；

在连通阀的公共端口与排水池之间设有排水主管路；

在每个进/出水子管路上以及排水主管路上分别安装一个高压阀门；

模拟实验箱体内铺设有模拟煤岩材料，布设断层结构以及充水胶囊；其中，各个充水胶囊铺设于模拟煤岩材料的煤层中；

在模拟实验箱体的侧壁上设有用于三向应力受力加载的压头；

模拟实验箱***于三轴应力加/卸载平台上，通过压头向模拟实验箱体加载三向应力。

优选地，注/排水口处设有密封接头，进/出水子管路连接到密封接头上。

优选地，在模拟实验箱体底部设有管路穿孔；

进/出水子管路经由管路穿孔向外伸出到箱体外侧。

优选地，充水胶囊铺设于煤层的顶板侧、煤层的中部或煤层的底板侧。

优选地，模拟实验箱体内设有温度传感器、应力传感器以及位移传感器。

优选地，充水胶囊的数量为3-5个。

优选地，在同一进/出水子管路上的水压监测仪以及高压阀门，其位置关系如下：

水压监测仪位于该进/出水子管路上的高压阀门与对应的充水胶囊的注/排水口之间。

此外，本发明还提出了一种煤层开采中断层活化的实验模拟方法，该方法采用上面述及的煤层开采中断层活化的实验模拟装置，其采用如下技术方案：

一种煤层开采中断层活化的实验模拟方法，包括如下步骤：

I.在模拟实验箱体内铺设模拟煤岩材料，布设断层结构以及充水胶囊，在模拟实验箱体内完成温度传感器、应力传感器以及位移传感器的调试；

II.将模拟实验箱体放置于三轴应力加/卸载平台上，并保持稳定；

III.根据实验需要开启三向应力匀速加载，同时向各个充水胶囊中并行注水加压，在注水加压过程中保持水压与最小应力同步，以保证应力加载过程中模拟煤层不会塌陷；

IV.当达到实验需要的应力条件后，稳定一段时间；

V.根据开采模拟需要，选择指定的充水胶囊排水卸压，诱发顶板或底板变形破坏，改变模拟采场的空间结构，模拟断层上盘或下盘产生位移，断层被活化；

VI.监测整个过程中模拟断层区域及箱体其他空间内的应力、温度以及位移变化。

优选地，步骤III中，注水加压的具体过程为：

III.1.打开各个进/出水子管路上的高压阀门，保持排水主管路上的高压阀门关闭；

III.2.高压泵工作，并抽取水源中的水，水经过进水主管路到达连通阀，然后分别经过不同的进/出水子管路，注入到相应的充水胶囊中；

在注水过程中，每个进/出水子管路上的水压监测仪实时监测当前管路的注水压力变化。

优选地，步骤IV中，充水胶囊排水卸压的过程为：

高压泵不工作，与待卸压的充水胶囊相连的进/出水子管路上的高压阀门打开，与不卸压的充水胶囊连接的进/出水子管路上的高压阀门保持关闭状态；

同时，排水主管路上的高压阀门打开，待卸压的充水胶囊中的水先经由相应的进/出水子管路到达连通阀，并进一步由排水主管路排出到排水池中；

在排水过程中，相应进/出水子管路上的水压监测仪实时监测当前管路的排水压力变化。

本发明具有如下优点：

1.本发明采用独立并联胶囊连续卸载技术，即采用独立的胶囊，通过独立的水压管路，采用水量注入补给或泄流卸压，实现同步非均匀加载或卸载，诱导顶板或底板位移；

2.本发明能够实现水压注入和卸压的连续稳定控制，根据实验需要，借助独立的水压管路，采用不同的泄流速度控制顶板或底板的位移量，进而实现对断层活化的控制，最终实现对内部能量的控制，决定模拟断层活化的启动能量。

附图说明

图1为本发明实施例1中模拟实验箱体的结构示意图。

图2为本发明实施例1中高压注排水装置的结构示意图。

图3为本发明实施例1中充水胶囊在模拟实验箱体内的布置示意图。

图4为本发明实施例2中煤层开采中断层活化的实验模拟方法的流程示意图。

其中，1-压头，2-模拟煤岩材料，3-高压阀门，4-水源，5-连通阀，6-排水池，7-充水胶囊，8-进水主管路，9-高压泵，10-进/出水子管路；

11-排水主管路，12-密封接头，13-高压阀门，14-水压监测仪。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1

本实施例1述及了一种煤层开采中断层活化的实验模拟装置。如图1和图2所示，该装置包括模拟实验箱体、高压注排水装置以及三轴应力加载/卸平台(未示出)。

其中，在模拟实验箱体完成模拟断层在应力作用下的活化过程。

根据灾害类型的差异，可以选择模拟实验箱体内是否密闭、是否充入模拟气体。

如果利用模拟实验箱体模拟活化断层诱发煤与瓦斯突出，可选择气体参与；如果模拟顶板冒顶、冲击地压等应力主导型灾害，可不考虑气体参与实验。

如图1所示，在模拟实验箱体的侧壁上设有压头1，用于加载三向应力。在模拟实验箱体的内部填充模拟煤岩材料2，根据需要可分层铺设材料，布置模拟断层参数。

高压注排水装置的作用在于通过高压注水和排水卸压的方式模拟开采影响断层。

如图2所示，高压注排水装置包括水源4、连通阀5、排水池6以及多个独立并联布置的充水胶囊7。其中，本实施例1中的充水胶囊7的数量优选为3-5个。

此处独立并联布置，是指各个充水胶囊分别是独立的，相互之间互不影响。

设置多个独立并联布置的充水胶囊7的目的在于，根据开采模拟需要，选择指定位置的充水胶囊7进行排水卸压，以达到模拟开采影响断层的目的。

连通阀5设有一个公共端口以及多个分支端口。

其中，在水源4与连通阀5的公共端口之间设有进水主管路8，进水主管路8的作用在于将水分别充至各个充水胶囊6内，在进水主管路8上设有高压泵9。

连通阀5的分支端口的数量与充水胶囊7的数量相等。

每个分支端口对应连接一个充水胶囊7，以其中一个分支端口为例：

连通阀的分支端口通过一条进/出水子管路10连接至对应的充水胶囊7的注/排水口A处。

此处，进/出水子管路10兼具进水和排水的功能。进水时，水由连通阀5向充水胶囊7方向流动；排水时，水由充水胶囊向连通阀5方向流动。

同理，注/排水口A兼具注水和排水的功能，方便向充水胶囊7注水或胶囊向外排水。

每个注/排水口A处均设有密封接头12，进/出水子管路10连接到密封接头12上。密封接头12能够保证充水胶囊7的密封性良好，避免充水胶囊7出现漏水现象。

在连通阀5的公共端口与排水池6之间设有排水主管路11。排水主管路11的作用在于，便于充水胶囊7的水依次经过进/出水子管路10、排水主管路11排到排水池6内。

此外，为了实现对各个管路的控制，还在相应的管路上设置高压阀门。

具体的，在每个进/出水子管10路上设有高压阀门，例如高压阀门3。通过高压阀门3，能够控制是否向某个充水胶囊7注水，或某个充水胶囊7的水是否排出。

在每条进/出水子管路10上设置一个水压监测仪，例如水压监测仪14。

以其中一条进/出水子管路10为例说明：本实施例1中的水压监测仪14位于同一进/出水子管路10上高压阀门3与对应的注/排水口A(即密封接头12)之间。

在排水主管路11上安装一个高压阀门13，高压阀门13只有在排水时才打开。

通过以上高压注排水装置，利于实现对各个充水胶囊7高压注水和排水卸压的控制。

此外，在模拟实验箱体底部设有管路穿孔(未示出)，以上各个进/出水子管路10经由管路穿孔向外伸出到模拟实验箱体外侧，高压阀门3和连通阀5位于箱体外侧。

如图3所示，在模拟实验箱体内除铺设模拟煤岩材料，布设断层结构之外，还布设各个充水胶囊7。各个充水胶囊7可根据开采模拟需要，铺设于模拟煤岩材料的煤层中。

如图3所示，各个充水胶囊7例如布置于模拟煤岩材料2中煤层的底板侧。当某个充水胶囊7进行排水卸压时，可诱发煤层顶板变形破坏。

当然，各个充水胶囊7也可以布置于模拟煤岩材料2中煤层的顶板侧(未示出)，当某个充水胶囊7进行排水卸压时，可诱发煤层底板变形破坏。

当然，各个充水胶囊7还可以根据开采模拟需要铺设于煤层的中部，不再赘述。

在实验模拟时，模拟实验箱***于三轴应力加/卸载平台上，三轴应力加/卸载平台通过压头1向模拟实验箱体施加三向应力，以使得模拟实验箱体内达到相应的应力状态。

此外，在模拟实验箱体内还设置温度传感器、应力传感器以及位移传感器等。

以上各传感器的数量和布设方式，需结合断层结构的布设而选择，如图3所示，以满足模拟地应力和采动应力作用下局部煤岩层的应力、温度和位移变化监测需要。

本实施例1中的装置通过采用独立的充水胶囊，能够自由选择模拟采场的空间范围。

其中，利用充水胶囊内水压连续补给/卸载的特点，通过微小的水量调节利于实现局部应力卸载，进而控制模拟断层侧向应力，有效诱导断层活化失稳；借助内部气压差异连通，激发突出孕育的内部能量转移，服务于煤与瓦斯突出、冲击地压等相关实验模拟。

本实施例1中的实验模拟装置，能够模拟应力作用下由开采影响的断层活化过程。此外，该实验模拟装置还具有结构简单、成本低以及方便实用等优点。

实施例2

本实施例2述及了一种煤层开采中断层活化的实验模拟方法。该方法基于上述实施例1中的煤层开采中断层活化的实验模拟装置实现。

如图4所示，一种煤层开采中断层活化的实验模拟方法，包括如下步骤：

I.在模拟实验箱体内铺设模拟煤岩材料，布设断层结构以及充水胶囊，在模拟实验箱体内完成温度传感器、应力传感器以及位移传感器的调试。

II.将模拟实验箱体放置于三轴应力加/卸载平台上，并保持稳定。

III.根据实验需要开启三向应力匀速加载，同时向各个充水胶囊7中并行注水加压，在注水加压过程中保持水压与最小应力同步，以保证应力加载过程中模拟煤层不会塌陷。

此处，最小应力可根据三向应力加载过程中应力-时间曲线确定。在三向应力加载路径中，最小应力呈线性增长态势，在注水加压过程中，保持注水水压与最小应力同步。

其中，注水加压的具体过程为：

III.1.打开各个进/出水子管路10上的高压阀门3，保持排水主管路上的高压阀门13关闭；

III.2.高压泵9工作，并抽取水源8中的水，水经过进水主管路到达连通阀5，然后分别经过不同的进/出水子管路10，注入到相应的充水胶囊7中。

在注水过程中，每个进/出水子管路上的水压监测仪14实时监测当前管路注水压力变化。

IV.当模拟实验箱体内应力达到实验需要的应力条件后，稳定一段时间(例如2小时)。

V.根据开采模拟需要，选择指定的充水胶囊7进行排水卸压，诱发顶板或底板变形破坏，改变模拟采场的空间结构。

由于水平或竖直方向的应力平衡被打破，模拟断层上盘或下盘产生位移，断层被活化。

以其中一个充水胶囊7为例，充水胶囊7排水卸压的过程为：

高压泵9不工作，与待卸压的充水胶囊7相连的进/出水子管路上的高压阀门3打开，其他的(无需卸压的充水胶囊连接的)进/出水子管路上的高压阀门3保持关闭状态；

同时，排水主管路11上的高压阀门13打开；待卸压的充水胶囊7中的水经先经由相应的进/出水子管路10到达连通阀5，并进一步由排水主管路11排出到排水池6中。在排水过程中，相应进/出水子管路10上的水压监测仪14实时监测当前管路的排水压力变化。

VI.监测整个过程中模拟断层区域及箱体其他空间内的应力、温度以及位移变化。

本发明实施例借助三轴应力加/卸载平台，完成模拟实验箱体内模拟断层在应力作用下的活化过程。通过模拟实验箱体内模拟煤岩材料的合理铺设、空间结构的合理设计(即包括断层的几何参数的设计，根据煤层关系确定测点位置和数量、充水胶囊的数量以及位置关系)和温度、压力、应力及位移传感器的植入，对独立并联的充水胶囊7进行水压控制，完成煤层开采的动态模拟，反演断层构造在采动影响下被活化。本发明通过实验装置的合理搭建及实验方法的合理设计，实现应力作用下断层活化、煤岩局部失稳的发生发展过程模拟。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (10)

1.一种煤层开采中断层活化的实验模拟装置，其特征在于，

包括模拟实验箱体、高压注排水装置以及三轴应力加/卸载平台；

高压注排水装置包括水源、连通阀、排水池以及多个独立并联布置的充水胶囊；

连通阀上设有一个公共端口以及多个分支端口；

在水源与连通阀的公共端口之间设有进水主管路，在进水主管路上设有高压泵；

连通阀的分支端口的数量与充水胶囊的数量相等；

连通阀的每个分支端口分别通过一条进/出水子管路连接至一个充水胶囊的注/排水口处；

在每条进/出水子管路上设置一个水压监测仪；

在连通阀的公共端口与排水池之间设有排水主管路；

在每个进/出水子管路上以及排水主管路上分别安装一个高压阀门；

模拟实验箱体内铺设有模拟煤岩材料，布设断层结构以及各个所述充水胶囊；其中，各个所述充水胶囊铺设于所述模拟煤岩材料的煤层中；

在模拟实验箱体的侧壁上设有用于三向应力受力加载的压头；

模拟实验箱***于三轴应力加/卸载平台上，通过压头向模拟实验箱体加载三向应力。

2.根据权利要求1所述的煤层开采中断层活化的实验模拟装置，其特征在于，

所述注/排水口处设有密封接头，进/出水子管路连接到所述密封接头上。

3.根据权利要求1所述的煤层开采中断层活化的实验模拟装置，其特征在于，

在模拟实验箱体底部设有管路穿孔，进/出水子管路经由管路穿孔向外伸出到箱体外侧。

4.根据权利要求1所述的煤层开采中断层活化的实验模拟装置，其特征在于，

所述充水胶囊铺设于煤层的顶板侧、煤层的中部或煤层的底板侧。

5.根据权利要求1所述的煤层开采中断层活化的实验模拟装置，其特征在于，

所述模拟实验箱体内设有温度传感器、应力传感器以及位移传感器。

6.根据权利要求1所述的煤层开采中断层活化的实验模拟装置，其特征在于，

所述充水胶囊的数量为3-5个。

7.根据权利要求1所述的煤层开采中断层活化的实验模拟装置，其特征在于，

同一进/出水子管路上的水压监测仪以及高压阀门，其位置关系如下：

水压监测仪位于该进/出水子管路上的高压阀门与对应的充水胶囊的注/排水口之间。

8.一种煤层开采中断层活化的实验模拟方法，其特征在于，基于权利要求1至7任一项所述的煤层开采中断层活化的实验模拟装置；所述方法包括步骤：

I.在模拟实验箱体内铺设模拟煤岩材料，布设断层结构以及充水胶囊，在模拟实验箱体内完成温度传感器、应力传感器以及位移传感器的安装与调试；

II.将模拟实验箱体放置于三轴应力加/卸载平台上，并保持稳定；

III.根据实验需要开启三向应力匀速加载，同时向各个充水胶囊中并行注水加压，在注水加压过程中保持水压与最小应力同步，以保证应力加载过程中模拟煤层不会塌陷；

IV.当达到实验需要的应力条件后，稳定一段时间；

V.根据开采模拟需要，选择指定的充水胶囊排水卸压，诱发顶板或底板变形破坏，改变模拟采场的空间结构，模拟断层上盘或下盘产生位移，断层被活化；

VI.监测整个过程中模拟断层区域及箱体其他空间内的应力、温度以及位移变化。

9.根据权利要求8所述的煤层开采中断层活化的实验模拟方法，其特征在于，

所述步骤III中，注水加压的具体过程为：

III.1.打开各个进/出水子管路上的高压阀门，保持排水主管路上的高压阀门关闭；

III.2.高压泵工作，并抽取水源中的水，水经过进水主管路到达连通阀，然后分别经过不同的进/出水子管路注入到相应的充水胶囊中；

在注水过程中，每个进/出水子管路上的水压监测仪实时监测当前管路的注水压力变化。

10.根据权利要求8所述的煤层开采中断层活化的实验模拟方法，其特征在于，

所述步骤IV中，充水胶囊排水卸压的过程为：

高压泵不工作，与待卸压的充水胶囊相连的进/出水子管路上的高压阀门打开，与不卸压的充水胶囊连接的进/出水子管路上的高压阀门保持关闭状态；

同时，排水主管路上的高压阀门打开，待卸压的充水胶囊中的水先经由相应的进/出水子管路到达连通阀，并进一步由排水主管路排出到排水池中；

在排水过程中，相应进/出水子管路上的水压监测仪实时监测当前管路的排水压力变化。

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