创新点

（1）对早期研制的深部采动底板突水模拟试验系统进行升级改造，在突水定量化监测方面增设了基于“10+1”流量传感器构成的突水流量监测系统，在实验台应力加载方面竖向增设了由气压胶囊和伺服气压控制器组成的覆岩柔性加载系统，横向升级了可进行多点独立伺服控制的水平分级加载系统，在水压控制系统中增设了由大容量储能罐组成的液体恒压增压器。

（2）升级后的煤层采动底板突水演变过程可视化试验平台，实现了对底板特定区域承压水涌出量的实时监测以及底板突水过程中涌水量的定量分析；增设覆岩柔性加载系统，实现了对模拟材料的柔性均布压力加载；解决了非均布侧向分级加载的问题，实现了不同埋深侧向应力变化的模拟；实现向实验台稳定恒压供水的同时解决了加载压头往复运动过程中全方位密封的难题。 （3）开展了针对山东某矿开采地质条件的底板承压水突水物理模拟试验，依据底板岩体可视裂隙的扩展特征，将底板突水过程划分为横纵向演化、横向周期演化和灾变突水3个阶段；底板岩体中形成的主渗区具有时间性和区域性变化特征，突水通道形成后，主渗区成为承压水突水的源头，其他区域流量不再发生突变，可将主渗区的流量急剧突变特征作为突水预警信息。

煤层采动底板突水演变过程可视化试验平台研制与试验研究

作者：李杨杨1，张士川1，孙煕震2，沈宝堂1，孙文斌1，陈军涛1，赵金海1

单位：1.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地；2.临沂大学 土木工程与建筑学院

背 景

我国中东部地区煤炭产量占全国的37.7％，其中受底板承压水威胁的煤炭储量就达150亿t以上，且随着开采深度的增加，底板岩溶水害威胁日益加重。因此，如何安全地采出受深部高承压水威胁的煤炭资源，已成为我国中东部矿区建设绿色低碳、安全高效的现代能源体系面临的棘手难题。

煤矿底板突水问题可以划分为特定构造、水－岩－应力及采掘工程相互作用影响下的复杂岩体力学问题，借助物理模拟试验系统可以直观展现底板突水全过程，为获取采动底板突水灾变演化多元化信息提供有效的手段。随着模拟试验监测手段的进步及矿井突水深入研究的需要，现有的煤矿突水物理模拟系统仍有众多问题需要解决，如突水水量区域化定量监测、模拟材料柔性、分级加载和全方位的密封。其中，分析矿井底板突水方向及速度并实现突水水量区域化定量分析，确定突水水源和突水通道空间位置，进而对突水灾害的预测与防治提供手段和方法。前人对于突水流量的研究手段往往局限于数值模拟方面，而在物理相似模拟方面鲜有报道，因此利用突水模拟系统阐述突水流量演变过程有待进一步的发展。

摘 要

物理模拟试验可以直观展现底板突水全过程，并可获取采动底板突水灾变演化的多元化信息，成为研究承压水上开采的有效研究手段。对早期研制的深部采动底板突水模拟试验系统的突水流量监测、覆岩柔性加载、水平分级加载和恒压稳流试验舱等4个模块进行了改造，实现了突水水量区域化定量监测、覆岩柔性均布加载、双侧分区域独立加载、大容量恒压供水和全方位的密封等功能。

借助改造后的试验系统和研制的非亲水相似模拟材料，以受底板承压水威胁的山东某矿为工程背景，研究了突水通道形成、流量灾变演化、隔水层应力变化等过程。试验结果表明：依据底板可视裂隙的扩展特征，将底板突水划分为横纵向演化阶段、横向周期演化阶段和灾变突水阶段。 在第1阶段，承压水顶界面主渗区首先产生于开切眼下方且位置不随煤层开采发生变化，随着开采可视裂隙向承压水含水层方向和工作面推进方向扩展，主渗区范围变大且流量显著提高。 在第2阶段，随煤层开采煤壁下方产生新的裂隙，上一阶段回采产生的裂隙封闭，裂隙扩展呈现周期性变化特征，主渗区流量呈现降低—升高—降低—升高的周期性变化趋势。 在第3阶段，突水通道形成后，主渗区成为承压水突水的源头，其他区域流量不再发生突变，可将该阶段初期的流量急剧突变特征作为突水预警信息。 试验结果不仅对中东部矿区承压水上开采底板突水溃砂过程中裂隙演化、突水流量特征研究提供实验指导，同时也对矿井安全性评价及灾害预测与防治提供参考。

图 片

底板突水模拟试验系统主要升级改造模块

采动煤层底板突水时空演化试验系统

开采煤层顶底板岩层分布特征

煤矿底板承压水突水三维模型

底板可视裂隙扩展及突水通道形成过程

突水通道实物

不同开采距离承压水顶界面流量演变特征

突水过程水压及流量变化曲线

底板隔水层A1～A5号应力监测数据

作者简介

李杨杨，男，1987年8月生，山东潍坊人，副教授，硕士生导师，山东科技大学能源与矿业工程学院采矿工程系副主任，山东岩石力学与工程学会理事会理事。主要从事岩石力学、煤矿深部动力灾害预测与控制等方面的理论和技术研究工作。发表学术论文30篇，其中SCI、EI检索20篇；授权发明专利16项；出版专著2部；主持承担国家自然科学基金项目、山东省重点研发计划等省部级以上课题5项；获山东省科技进步奖二等奖、教育部科技进步二等奖等省部级科技奖励5项。

李杨杨，张士川，孙煕震，等． 煤层采动底板突水演变过程可视化试验平台研制与试验研究[J]． 煤炭学报,2021,46(11)：3515-3524．

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