采动岩石裂隙扩展试验装置与试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种矿井采动岩石裂隙扩展的评价试验技术，尤其涉及一种采动岩石 裂隙扩展试验装置与试验方法。
【背景技术】
[0002] 煤层开采后对围岩进行了扰动，围岩中原岩应力将重新分布，当原岩应力超过岩 石的强度时将发生变形、破坏和移动，煤层顶板中产生大小、方向和密度各异的裂隙。位于 顶板上部的泥岩风化后，强度大幅度降低，当基岩厚度小，尤其位于露头区附近的煤层顶板 上部岩层的软化效应更加明显。砂岩风化后，强度降低，孔隙率增大，富水性增强，可能成为 中等一强富水性含水层。根据风化岩石的力学性质，岩石风化后塑性增大，工程实践和室内 试验表明岩石软化后遇少量的低孔隙水压力水时有利于裂隙的弥合，对于导水裂缝带发育 高度的抑制作用较为明显。
[0003] 然而，若采动岩石裂隙上方覆盖有高孔隙水压含水层，采动裂隙通道直接贯通含 水层后高水压的冲刷作用将引起裂隙发生扩展，易导致矿井发生突水溃砂安全事故。根据 《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（2000年版），松散层底部为弱 富水性含水层，满足留设防砂安全煤（岩）柱的条件，其目的是允许导水裂缝带波及到该含 水层，但不允许垮落带贯通，防砂安全煤（岩）柱高度（Hs)为垮落带（HJ和保护层（Hb)之 和（见图1)。垮落带是指脱离岩层母体，失去连续性，呈不规则岩块或似层状巨块向采空区 冒落的岩层，位于覆岩的最下部，紧贴煤层。垮落带内裂隙大，连通性强，是水体和泥沙溃入 工作面的畅通通道。保护层的主要作用是提高所留设安全煤柱的可靠性。对于防砂安全煤 (岩）柱，保护层确保垮落带不波及弱富水性的水体。松散层底部砂层孔隙水压随松散层厚 度的增大而增大，弱富水含水层具有高孔隙水压的特征，当保护层位于基岩风化带，采动后 导水裂缝带进入风化带，风化岩石中产生微小裂隙，在高压水冲刷作用下采动岩石裂隙将 扩展，贯通下方宽度较大的裂缝通道，成为畅通的突水溃砂通道，保护层难以再起到安全保 护的作用，工作面可能发生突水、溃砂事故。在我国已有许多矿区留设防砂安全煤（岩）柱 时依然发生突水、溃砂事故，因此非常有必要研宄采动岩石裂隙扩展与孔隙水压和其他因 素的关系及裂隙扩展变化规律，为改进防砂安全煤（岩）柱的留设方法提供工程依据和技 术支持。
[0004] 目前，对于采动岩石裂隙在高水压作用下裂隙扩展变化规律不明确，尚无岩石裂 隙扩展的评价方法和试验，尤其是采动岩石裂隙扩展的试验装置及试验方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种可以通过室内试验对高水压作用下采动岩石裂隙扩展 规律进行初步探测的采动岩石裂隙扩展试验装置与试验方法。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] 本发明的采动岩石裂隙扩展试验装置，包括透明圆筒容器，所述透明圆筒容器的 顶部设有顶盖、底部设有空心圆盘，所述透明圆筒容器通过顶盖上的开口与注水加压装置 连接，并在连接管道上设有流量计，所述透明圆筒容器的侧壁连接有压力表和溢流阀，所述 透明圆筒容器的下部设有集水箱。
[0008] 本发明的上述的采动岩石裂隙扩展试验装置实现采动岩石裂隙扩展试验方法，包 括步骤：
[0009] 首先，将岩石试件放入所述透明圆筒容器内，所述岩石试件为圆柱状结构，所述圆 柱状结构沿纵向轴线切开作为初始裂隙，并在切开面的靠近两侧的部位设有垫片，并通过 所述垫片的厚度控制初始裂隙的宽度，之后用防护层缠紧，缠紧后的岩石试件的外径与所 述透明圆筒容器的内径相当；
[0010] 然后，通过注水加压装置控制水压，并模拟含水层的补给水源向所述透明圆筒容 器内注水；
[0011] 之后，通过施加不同的水压来观测裂隙扩展变化情况，同时记录注水的流量和压 力表压力；
[0012] 通过集水箱收集试验过程中漏失的泥水。
[0013] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的采动岩石裂隙扩展 试验装置及试验方法，由于包括透明圆筒容器，透明圆筒容器的顶部设有顶盖、底部设有空 心圆盘，透明圆筒容器通过顶盖上的开口与注水加压装置连接，并在连接管道上设有流量 计，透明圆筒容器的侧壁连接有压力表和溢流阀，透明圆筒容器的下部设有集水箱，通过注 水加压装置控制水压，并模拟含水层的补给水源向所述透明圆筒容器内注水，可以通过室 内试验对采动岩石裂隙扩展规律进行初步探测，便于对裂隙扩展进行人为的控制，减少矿 井突水灾害事故。
【附图说明】
[0014] 图1为现有技术中防砂安全煤（岩）柱留设示意图。
[0015] 图2a、图2b分别为本发明实施例提供的采动岩石裂隙扩展试验装置和岩石试件 的结构示意图。
[0016] 图3为本发明实施例提供的采动岩石裂隙扩展试验装置的简化示意图。
[0017] 图4a、图4b、图4c分别为本发明实施例变水压岩石裂隙扩展试验中的压力变化、 流量变化、裂隙变化试验结果示意图。
[0018] 图5a、图5b、图5c分别为本发明实施例变裂隙宽度岩石裂隙扩展试验中的压力变 化、流量变化、裂隙变化试验结果示意图。
[0019] 图6a、图6b、图6c分别为本发明实施例变空心底盘岩石裂隙扩展试验中的压力变 化、流量变化、裂隙变化试验结果示意图。
[0020] 图7a、图7b、图7c分别为本发明实施例不同岩石强度岩石裂隙扩展试验中的压力 变化、流量变化、裂隙变化试验结果示意图。
[0021] 图8a、图8b、图8c分别为本发明实施例中的起始动压弥合率与压裂比的关系中， 同裂隙起始动压弥合率与压裂比的关系示意图、不同试件裂隙弥合面积与压裂比的关系示 意图、不同试件起始动压弥合率与压裂比的关系示意图。
【具体实施方式】
[0022] 下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
[0023] 本发明的采动岩石裂隙扩展试验装置及试验方法，其较佳的【具体实施方式】是：
[0024] 包括透明圆筒容器，所述透明圆筒容器的顶部设有顶盖、底部设有空心圆盘，所述 透明圆筒容器通过顶盖上的开口与注水加压装置连接，并在连接管道上设有流量计，所述 透明圆筒容器的侧壁连接有压力表和溢流阀，所述透明圆筒容器的下部设有集水箱。
[0025] 所述透明圆筒容器的顶部和底部分别设有法兰，所述顶盖和空心圆盘分别通过螺 钉连接在顶部和底部的法兰上，所述底部的法兰和空心圆盘固定在底座上，所述空心圆盘 中部的圆孔的直径为20mm至40mm〇
[0026] 本发明的上述的采动岩石裂隙扩展试验装置实现采动岩石裂隙扩展试验方法，其 较佳的【具体实施方式】是：
[0027] 包括步骤：
[0028] 首先，将岩石试件放入所述透明圆筒容器内，所述岩石试件为圆柱状结构，所述圆 柱状结构沿纵向轴线切