[发明专利]大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置及测试方法

说明书

本发明公开了一种大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置及测试方法，该装置由围压加载模块、试样存放及出水模块、承压水加载模块、载荷加载模块及信号采集与处理系统组成，围压加载模块由两套独立、垂直的水平加卸载系统构成，对所包裹的试样存放及出水模块进行水平载荷的加卸载，承压水加载模块位于试样存放及出水模块底部，对层状岩石底部进行承压水的加卸载，载荷加载模块位于试样存放及出水模块顶部，对层状岩石顶部进行垂直载荷的加卸载，信号采集与处理系统在实验过程中进行信号采集分析。该试验装置通过四套相互独立的加卸载系统实现层状岩石的真三轴试验，真实模拟煤系层状承压岩石三向不等压的受力状态，较常规三轴试验更加真实可靠。

技术领域

本发明涉及层状承压岩石力学特性与渗透特性试验领域，特别涉及一种大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置及测试方法。

背景技术

我国煤炭资源丰富，但水文地质条件复杂，使得煤矿开采中地质灾害时有发生。其中，煤层开采过程中的底板突水严重威胁着煤矿的安全生产，特别是随着开采深度、开采强度的增大，采掘工作面底板承受的水压、地压越来越大，地质构造环境越来越复杂，使得底板突水问题更为普遍且突出。底板突水在造成经济损失和人员伤亡的同时，也对矿区（地下）水资源与环境造成了严重的破坏和污染。因此，加强地下水资源管理，合理利用矿井（地下）水资源，有效遏制底板水害的发生，已成为众多矿井所共同面对的热点问题和技术难题。

承压水体上带压开采不仅具有生产成本低的优点，而且可以有效降低对矿区水资源与环境的污染和破坏，符合科学开采的理念。但其在技术上难度较大，能否安全带压开采，关键取决于煤层底板隔水层的阻水能力。由于地质构造的作用，底板隔水层内部存在大量尺度、方向和性质均不相同、纵横交错的不连续结构面（如节理、裂隙、断层和其它软弱面）。工作面回采过程中会对隔水层中的应力状态产生较大的扰动和影响，在采动应力、承压水渗透力和地应力耦合作用下，底板隔水层内不连续结构面会进一步扩展、贯通直至屈服破坏，使得底板隔水层的渗透性明显改变，进而形成突水通道，诱发工作面底板突水。因此，要弄清楚承压底板隔水层的变形、破坏与渗透性演化的相关关系，就必须开展承压岩石力学特性、破坏机理及其渗透性演化规律方面的试验研究，这将有助于揭示底板突水机理，为突水预测和防治提供重要的理论依据和工程价值。

大量研究表明，底板隔水层的渗透特性与岩层裂隙萌生、扩展、贯通过程密切相关。目前，在岩石力学特性和岩石裂隙扩展、贯通、破坏机理以及岩石渗流应力耦合特性的理论、数值和试验研究方面均取得了丰富的研究成果，所涉及的岩石主要有砂岩、泥岩、煤岩、盐岩、大理岩、花岗岩等。但由于受实验设备及试验岩样尺寸的限制，在反映岩石破坏过程与渗透性演化相关关系的试验研究方面多采用单一岩性的标准岩石试样。而煤系地层属于沉积岩层，具有典型的层状结构特点，组成煤层底板的各层岩层的物理力学性质差别较大，其破坏机理十分复杂。专利“承压岩石破坏失稳过程与动态渗透特性试验装置及方法（201510350657.5）”，通过承压岩石破坏失稳过程中应力应变信号、声发射信号和视电阻率信号的采集与处理，得到大尺寸承压岩石破坏失稳过程中的应力应变关系、声发射事件数量、位置及承压水渗透导升引起的岩石视电阻率变化规律，获得水-力耦合作用下岩石破坏过程中裂隙扩展、贯通与失稳的动态演化规律及其与之相对应的动态渗透特性，在实现承压水上安全带压开采方面具有重要的工程价值。但该试验装置是一种常规三轴承压岩石试验加载装置，其围压为环形液压加载方式，圆柱形岩石试样周围的应力状态完全一致，是一种理想的轴对称状态，不能真实地反映承压水上煤层底板岩层处于三向不等压的受力状态，无法模拟承压岩石的真实三向受力状态，也不能研究中间主应力、层状岩石的各向异性对其渗透特性的影响规律。因此，迫切需要构建全新试验装置及测试方法深入开展真三轴条件下层状承压岩石破坏机理与渗透特性相关方面的研究工作，阐明三向不等压条件下层状岩石水-力耦合变形破坏过程与渗透性演化规律的关系，为预测和防治煤层底板突水提供重要的理论和实验依据，实现承压水上煤层安全带压开采。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置及测试方法。