本技术提供一种煤岩体浸水破裂失稳物理模拟试验系统及试验方法,属于矿山地下开采技术领域。系统包括物理模型、双轴加载装置、液压千斤顶、刚性压板、组合板、水压控制系统、压力传感器、位移传感器、声发射传感器和电阻测试探头。物理模型在预设的采空区和巷道周围埋设有压力传感器和电阻测试探头,在采空区后方埋有水管,双轴加载装置可对物理模型水平和竖直方向加载,刚性压板置于物理模型后面,组合板置于物理模型前面,并通过高强度螺栓与刚性压板连接固定,组合板在物理模型的预设位置留设有巷道开挖口,水压控制系统通过水管与物理模型的预设采空区相连。可用于研究采空区煤岩体的内部水分扩散规律、浸水弱化机理以及煤柱宽度设计等问题。
背景技术
煤矿的水文地质条件大多较为复杂,井下煤炭资源在开采完毕后,会留下大面积的采空区,有可能出现积水情况,严重的将会对矿井产生水害威胁。对此,煤矿为了预防采空区水害的影响普遍在采空区设置防隔水煤柱。防隔水煤柱虽然一定程度上降低了矿井水害所带来的困扰,但由于含泥炭质煤柱受浸水弱化的影响明显,煤柱长时间受水浸泡,会导致预先设计的隔水煤柱的有效尺寸减少,严重威胁煤矿安全生产。此外,随着抽水蓄能技术和地下储层技术在废弃矿山的应用,煤岩体作为地下空间的承载结构,也不可避免地受到长期浸泡或干湿循环的影响。因此,为了合理设计隔水煤柱留设尺寸,保障采空区相邻工作面的安全开采和地下水库的稳定运行,获取荷载和浸水耦合作用下煤岩体内部水分运移规律及弱化失稳机理非常重要。
目前,对采空区煤岩体浸水弱化失稳的研究多采用室内岩石力学试验或室内试验和数值模拟相结合的方法。在岩石力学试验中,通常先将煤岩试样浸入水中一段时间,然后将其取出并放置在试验机中进行测试,然而采空区的煤岩体通常受到浸水和荷载共同作用;并且该方法也没有考虑实际工程中开挖扰动对煤岩造成的损伤。室内试验和数值模拟相结合的方法一般是通过室内试验获取浸水岩石试样的水分扩散规律和力学参数劣化规律,以此建立相应的水分扩散方程、力学参数劣化方程、本构方程等。最后,根据建立的方程在数值计算软件内进行二次开发,从而实现采空区煤岩体浸水弱化失稳的模拟。在这一方法中,通常未考虑开挖扰动对煤岩体的影响以及扩散系数的变化,而且所建立的方程通常会基于一些假设和对工程问题的简化,难以真实反应矿井中煤岩体的力学特性。
因此,需要一种能够考虑煤岩体的实际受力、开挖扰动、浸水情况以及水分运移规律的煤岩体浸水破裂失稳物理模拟试验系统及方法。
实现思路