煤层采动底板裂隙扩展诱发突水多场表征试验

基于微观裂隙扩张的采场底板突水机理研究

煤层采动过程底板裂隙力学模型

一、设备介绍

本装置为煤层采动过程中底板裂隙扩展诱发突水的多场演化机制而设计，可模拟采动应力、水压耦合作用下底板“三层段” 结构（隔水层、导水裂隙带、原始岩层）的裂隙发育与突水过程。通过同步监测应力场、渗流场、位移场及裂隙演化的多物理场响应，为承压水上开采的底板水害防治提供试验支撑。

装置核心特点包括：采用真三轴应力加载模拟深部采动环境，集成高压水压系统复现压力，配备多维度监测阵列捕捉多场耦合特征，可模拟含断层、裂隙等构造的底板突水过程，适配1:100 几何相似比的大型物理模型（1000mm×800mm×800mm）。

二、主要技术参数

模型与加载参数

模型尺寸：1000mm×800mm×800mm（长×宽×高）

应力加载范围：三轴独立加载0~15MPa（轴向σ1、侧向σ2/σ3）

应力控制精度：±0.5% FS，

加载速率0.01~1MPa/min，

可调水压模拟范围：0~10MPa，

多场监测参数

应力监测：

微型土压力传感器（量程0~15MPa，精度±1% FS）

孔隙水压力：渗压计（0~10MPa，精度±0.1MPa）

渗流量：电磁流量计（0~500mL/min，精度±0.5%）

位移监测：激光位移计（±0.1mm）

数据采集频率：1~100Hz 可调

三、系统组成

装置由真三轴应力加载系统、高压水压模拟系统、采动模拟系统、多场监测及采集系统部分组成。

1. 真三轴应力加载系统

核心功能：模拟深部地应力环境，施加轴向（σ1）与侧向（σ2、σ3）独立应力，复现采动过程中的应力转移。

2. 高压水压模拟系统

核心功能：模拟含水层水压，实现水压稳定加载与动态调节，研究水压对裂隙扩展的驱动作用。

高压水泵组：zui大输出压力15MPa，流量0~10L/min，配备变频调速器；

压力稳定装置：蓄能器（容积5L）+ PID 调节阀，水压波动≤±0.02MPa；

3. 采动模拟系统

核心功能：模拟煤层开采过程，通过机械切割实现采高与推进速度可控，诱发底板应力扰动。煤层模拟模块：可拆卸式煤层试件（厚度50~100mm），材质为相似材料。

4. 多场监测及采集系统

核心功能：同步采集应力、渗流、位移及裂隙演化数据，构建多场耦合数据库，集成各系统控制与数据处理，实现试验参数设定、实时监测与数据分析。