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創新點
（1）對早期研製的深部採動底板突水模擬試驗系統進行升級改造，在突水定量化監測方面增設了基於“10+1”流量感測器構成的突水流量監測系統，在實驗臺應力載入方面豎向增設了由氣壓膠囊和伺服氣壓控制器組成的覆巖柔性載入系統，橫向升級了可進行多點獨立伺服控制的水平分級載入系統，在水壓控制系統中增設了由大容量儲能罐組成的液體恆壓增壓器。
（2）升級後的煤層採動底板突水演變過程視覺化試驗平臺，實現了對底板特定區域承壓水湧出量的實時監測以及底板突水過程中湧水量的定量分析；增設覆巖柔性載入系統，實現了對模擬材料的柔性均布壓力載入；解決了非均布側向分級載入的問題，實現了不同埋深側向應力變化的模擬；實現向實驗臺穩定恆壓供水的同時解決了載入壓頭往復運動過程中全方位密封的難題。
（3）開展了針對山東某礦開採地質條件的底板承壓水突水物理模擬試驗，依據底板巖體可視裂隙的擴充套件特徵，將底板突水過程劃分為橫縱向演化、橫向週期演化和災變突水3個階段；底板巖體中形成的主滲區具有時間性和區域性變化特徵，突水通道形成後，主滲區成為承壓水突水的源頭，其他區域流量不再發生突變，可將主滲區的流量急劇突變特徵作為突水預警資訊。
煤層採動底板突水演變過程視覺化試驗平臺研製與試驗研究
作者：李楊楊1，張士川1，孫煕震2，沈寶堂1，孫文斌1，陳軍濤1，趙金海1
單位：1.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地；2.臨沂大學 土木工程與建築學院
背 景
我國中東部地區煤炭產量佔全國的37.7％，其中受底板承壓水威脅的煤炭儲量就達150億t以上，且隨著開採深度的增加，底板岩溶水害威脅日益加重。因此，如何安全地採出受深部高承壓水威脅的煤炭資源，已成為我國中東部礦區建設綠色低碳、安全高效的現代能源體系面臨的棘手難題。
煤礦底板突水問題可以劃分為特定構造、水－巖－應力及採掘工程相互作用影響下的複雜巖體力學問題，藉助物理模擬試驗系統可以直觀展現底板突水全過程，為獲取採動底板突水災變演化多元化資訊提供有效的手段。
隨著模擬試驗監測手段的進步及礦井突水深入研究的需要，現有的煤礦突水物理模擬系統仍有眾多問題需要解決，如突水水量區域化定量監測、模擬材料柔性、分級載入和全方位的密封。其中，分析礦井底板突水方向及速度並實現突水水量區域化定量分析，確定突水水源和突水通道空間位置，進而對突水災害的預測與防治提供手段和方法。前人對於突水流量的研究手段往往侷限於數值模擬方面，而在物理相似模擬方面鮮有報道，因此利用突水模擬系統闡述突水流量演變過程有待進一步的發展。
摘 要
物理模擬試驗可以直觀展現底板突水全過程，並可獲取採動底板突水災變演化的多元化資訊，成為研究承壓水上開採的有效研究手段。對早期研製的深部採動底板突水模擬試驗系統的突水流量監測、覆巖柔性載入、水平分級載入和恆壓穩流試驗艙等4個模組進行了改造，實現了突水水量區域化定量監測、覆巖柔性均布載入、雙側分割槽域獨立載入、大容量恆壓供水和全方位的密封等功能。
藉助改造後的試驗系統和研製的非親水相似模擬材料，以受底板承壓水威脅的山東某礦為工程背景，研究了突水通道形成、流量災變演化、隔水層應力變化等過程。試驗結果表明：依據底板可視裂隙的擴充套件特徵，將底板突水劃分為橫縱向演化階段、橫向週期演化階段和災變突水階段。
在第1階段，承壓水頂介面主滲區首先產生於開切眼下方且位置不隨煤層開採發生變化，隨著開採可視裂隙向承壓水含水層方向和工作面推進方向擴充套件，主滲區範圍變大且流量顯著提高。
在第2階段，隨煤層開採煤壁下方產生新的裂隙，上一階段回採產生的裂隙封閉，裂隙擴充套件呈現週期性變化特徵，主滲區流量呈現降低—升高—降低—升高的週期性變化趨勢。
在第3階段，突水通道形成後，主滲區成為承壓水突水的源頭，其他區域流量不再發生突變，可將該階段初期的流量急劇突變特徵作為突水預警資訊。
試驗結果不僅對中東部礦區承壓水上開採底板突水潰砂過程中裂隙演化、突水流量特徵研究提供實驗指導，同時也對礦井安全性評價及災害預測與防治提供參考。
圖 片
底板突水模擬試驗系統主要升級改造模組
採動煤層底板突水時空演化試驗系統
開採煤層頂底板岩層分佈特徵
煤礦底板承壓水突水三維模型
底板可視裂隙擴充套件及突水通道形成過程
突水通道實物
不同開採距離承壓水頂介面流量演變特徵
突水過程水壓及流量變化曲線
底板隔水層A1～A5號應力監測資料
作者簡介
李楊楊，男，1987年8月生，山東濰坊人，副教授，碩士生導師，山東科技大學能源與礦業工程學院採礦工程系副主任，山東岩石力學與工程學會理事會理事。主要從事岩石力學、煤礦深部動力災害預測與控制等方面的理論和技術研究工作。發表學術論文30篇，其中SCI、EI檢索20篇；授權發明專利16項；出版專著2部；主持承擔國家自然科學基金專案、山東省重點研發計劃等省部級以上課題5項；獲山東省科技進步獎二等獎、教育部科技進步二等獎等省部級科技獎勵5項。
來源：
李楊楊，張士川，孫煕震，等． 煤層採動底板突水演變過程視覺化試驗平臺研製與試驗研究[J]． 煤炭學報,2021,46(11)：3515-3524．
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