本發(fā)明涉及一種試驗(yàn)裝置，具體涉及一種采動(dòng)斷裂巖體裂隙動(dòng)態(tài)閉合滲流模擬試驗(yàn)裝置及方法，可用于測(cè)試開(kāi)采覆巖破壞帶內(nèi)斷裂巖體后期應(yīng)力恢復(fù)作用下巖體間錯(cuò)動(dòng)剪切過(guò)程中裂隙閉合、滲流的特性。

背景技術(shù)：

地下煤層開(kāi)采引起上覆巖土層下沉破壞，在垂直空間由下至上依次形成垮落帶、斷裂帶、整體移動(dòng)下沉帶?？迓鋷c斷裂帶構(gòu)成導(dǎo)水裂隙帶，導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)裂隙發(fā)育且相互連通，形成大量滲流通道，一方面導(dǎo)致地下水滲漏和滲流，對(duì)地下水資源系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，另一方面引起工作面涌水量增大或突水，對(duì)安全開(kāi)采構(gòu)成威脅。一般情況下，斷裂帶是直接接觸和連通上覆含水層（體）的關(guān)鍵層段，其斷裂結(jié)構(gòu)、滲透性的演化對(duì)突水涌水量變化、地下水滲流系統(tǒng)的恢復(fù)程度至關(guān)重要。

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、室內(nèi)模型試驗(yàn)研究結(jié)果表明，斷裂帶內(nèi)巖體雖產(chǎn)生斷裂或裂縫，但仍保持其原有層狀結(jié)構(gòu)，斷裂巖塊排列相對(duì)整齊。斷裂巖塊（體）沉降接觸底后，開(kāi)始恢復(fù)支承上覆巖土層荷載，自重應(yīng)力逐漸恢復(fù)。隨著應(yīng)力的恢復(fù)，巖塊間裂隙將產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)、剪切變形，受圍巖的限制，同時(shí)產(chǎn)生較大的水平力擠壓裂隙，在上述位移、變形和滲流固結(jié)等一系列工程地質(zhì)作用過(guò)程，其水文地質(zhì)、工程地質(zhì)性質(zhì)在該過(guò)程中得到一定程度的改善，有些特定結(jié)構(gòu)裂隙巖體阻隔水能力甚至可以恢復(fù)。

我國(guó)西北干旱半干旱生態(tài)環(huán)境脆弱礦區(qū)，為保護(hù)或減損生態(tài)環(huán)境，需進(jìn)行地下水滲流系統(tǒng)的修復(fù)性研究；我國(guó)東部煤炭資源逐漸枯竭礦區(qū)，為延長(zhǎng)礦井壽命對(duì)采動(dòng)裂隙巖體下殘留煤層的進(jìn)行開(kāi)采，其上覆已有擾動(dòng)斷裂巖體的閉合、滲透性特征對(duì)其安全開(kāi)采具有重要影響。認(rèn)識(shí)與揭示采動(dòng)斷裂巖體后期阻隔水性能演化機(jī)理是上述工程的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題與關(guān)鍵。

采動(dòng)裂隙巖體在應(yīng)力恢復(fù)作用下結(jié)構(gòu)演化是一項(xiàng)復(fù)雜的四維空間問(wèn)題，是時(shí)間與空間的連續(xù)函數(shù)，實(shí)際上為一種邊界條件上側(cè)向約束、軸向加載的裂隙巖體的力學(xué)變形過(guò)程。目前對(duì)于裂隙巖體滲流特征的研究，多在裂隙試樣內(nèi)部預(yù)制單條裂隙、多條交叉或非交叉裂隙，在滲流方向預(yù)制裂隙不貫通，進(jìn)行雙軸或三軸滲流試驗(yàn)研究，其研究重點(diǎn)在于揭示裂隙擴(kuò)展過(guò)程及其滲透性演化。采動(dòng)斷裂巖體是擾動(dòng)破壞巖體，斷裂巖塊間由于巖塊斷面的凸凹不平，斷裂巖塊間凸出部分相互鉸接、存在較大裂隙，張開(kāi)空間大、滲透性好、滲流量大，在應(yīng)力恢復(fù)作用下，斷裂巖體發(fā)生旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)動(dòng)、擠壓，斷面凸出部分受壓剪破壞，其斷裂裂隙開(kāi)度、滲透性均較初期減小，該裂隙巖體變形及滲流耦合過(guò)程與以往研究條件顯著不同。斷裂巖塊斷面的不規(guī)則，導(dǎo)致難以獲得應(yīng)力-結(jié)構(gòu)-滲流間的定量性研究結(jié)果，而研究斷裂裂隙巖體應(yīng)力恢復(fù)作用下阻隔水能力恢復(fù)特征，對(duì)“保水采煤”、“殘煤復(fù)采”等工程中地下水滲流系統(tǒng)恢復(fù)及頂板防治水等提供重要的理論基礎(chǔ)及工程指導(dǎo)意義。因此亟需解決采動(dòng)斷裂巖體在應(yīng)力恢復(fù)作用下裂隙結(jié)構(gòu)、滲透性演化的研究。考慮裂隙連接程度、傾角、開(kāi)度及強(qiáng)度，本發(fā)明給出了一種斷裂巖體裂隙試樣模型制作的方法，并解決了裂隙試樣裂隙斷面加載同時(shí)施加大滲流的關(guān)鍵技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種采動(dòng)斷裂巖體裂隙動(dòng)態(tài)閉合滲流模擬試驗(yàn)裝置及方法，目的在于通過(guò)這種方法認(rèn)識(shí)和揭示采動(dòng)斷裂巖體在應(yīng)力恢復(fù)過(guò)程中結(jié)構(gòu)錯(cuò)動(dòng)、剪切、閉合與滲流力學(xué)特性，將會(huì)為深入研究保水采煤地下水滲流系統(tǒng)恢復(fù)機(jī)理及殘煤復(fù)采涉及的已有擾動(dòng)斷裂巖體的滲透性特性提供理論基礎(chǔ)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種采動(dòng)斷裂巖體裂隙動(dòng)態(tài)閉合滲流模擬試驗(yàn)裝置，包括滲流測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體和裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體，所述實(shí)驗(yàn)罐體內(nèi)設(shè)斷裂巖體裂隙試樣，斷裂巖體裂隙試樣內(nèi)設(shè)上下貫通傾斜裂隙，在裂隙上盤下段及下盤上段均設(shè)軟弱層，裂隙與試樣側(cè)邊之間依次設(shè)有完整塊體和密封凹槽；試樣上下兩端分別設(shè)上、下裂隙保護(hù)板，裂隙保護(hù)板上設(shè)與裂隙重合的通槽，上、下裂隙保護(hù)板外設(shè)上、下滲透加壓板，滲透加壓板密設(shè)滲流孔，在與裂隙保護(hù)板接觸面上設(shè)多個(gè)相互連通集水凹槽，其中一個(gè)集水凹槽與裂隙保護(hù)板通槽相重合；上、下滲透加壓板分別與垂直荷載加載系統(tǒng)、荷載傳遞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接，在上、下滲透加壓板外側(cè)設(shè)罐體上、下密封蓋，上密封蓋設(shè)置出水口，下密封蓋內(nèi)設(shè)進(jìn)水口；試樣與罐體側(cè)壁間設(shè)置活動(dòng)側(cè)壓板及側(cè)壓傳感器，側(cè)壓板相互間密封連接；對(duì)于滲流測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體，進(jìn)水口、出水口分別與滲流加壓系統(tǒng)和滲流測(cè)試系統(tǒng)連接；對(duì)裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體，裂隙保護(hù)板與滲流加壓板間設(shè)置帶有導(dǎo)水連接管的密封膜，導(dǎo)水連接管一端對(duì)準(zhǔn)裂隙保護(hù)板通槽，另一端依次通過(guò)滲透加壓板滲流孔及上、下密封蓋出、進(jìn)水口引出與外部體積測(cè)試管連接。

進(jìn)一步，所述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)罐體結(jié)構(gòu)相同，一個(gè)用于荷載作用下裂隙試樣變形過(guò)程中滲流流量的測(cè)試，一個(gè)用于裂隙開(kāi)度的變化監(jiān)測(cè)，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)罐體共同放置于約束框架內(nèi)，對(duì)應(yīng)于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)罐體中心位置上方的約束框架上安裝有加載千斤頂，下方安裝有荷載傳感器；所述罐體上部可施加垂直荷載，罐體底部設(shè)置底座荷載傳感器可監(jiān)測(cè)傳遞的垂直荷載，側(cè)壁側(cè)壓板可監(jiān)測(cè)側(cè)向壓力；所述的用于測(cè)試滲流的實(shí)驗(yàn)罐體底部可施加滲流水壓，上部可監(jiān)測(cè)滲流流量及水壓；所述的用于測(cè)試裂隙開(kāi)度變化的實(shí)驗(yàn)罐體在裂隙試樣上端和下端設(shè)置帶有導(dǎo)水連接管的密封膜，用于測(cè)試裂隙試樣內(nèi)在裂隙空間體積變化。

進(jìn)一步，所述的實(shí)驗(yàn)罐體是兩端有上、下兩個(gè)密封蓋，側(cè)向可通過(guò)法蘭固定與打開(kāi)的圓柱形罐體，內(nèi)腔體截面為正方形，腔體內(nèi)由4塊可分離的側(cè)壓板相互銜接密封，形成第二層封閉滲流腔體；下密封蓋與底座相連，上、下密封蓋中心設(shè)有上、下荷載活塞，上、下蓋中心荷載活塞孔處設(shè)有導(dǎo)向槽及密封槽。

進(jìn)一步，所述實(shí)驗(yàn)罐體內(nèi)的側(cè)壓板為錐形結(jié)構(gòu)剛性板，側(cè)壓板橫斷面為梯形，外寬內(nèi)窄，側(cè)壓板外側(cè)內(nèi)角為45°，內(nèi)側(cè)內(nèi)角為135°，共4塊相互分離，側(cè)壓板內(nèi)置應(yīng)力傳感器，側(cè)壓板之間設(shè)側(cè)壓板間密封條，優(yōu)選為橡膠帶密封，側(cè)壓板上部和下部均設(shè)置側(cè)壓板端部密封橡膠條，側(cè)壓板與試樣之間設(shè)隔水薄膜。

進(jìn)一步地，所述有貫穿裂隙試樣為一非親水性相似材料立方塊體，內(nèi)置一貫通傾斜裂隙，內(nèi)置裂隙開(kāi)度為0.5~2.0 mm，傾角為50°~90°，邊界密封凹槽深2mm，在裂隙上盤下段、下盤上段均設(shè)置一定厚度軟弱層，軟弱層厚度按內(nèi)在裂隙空間體積折算，密封凹槽與裂隙間有一定寬度完整塊體，寬度為5~30 mm；密封凹槽寬度與裂隙開(kāi)度相同。

進(jìn)一步地，所述裂隙保護(hù)板為厚度在1 mm的鋼板，其尺寸與裂隙試樣兩端斷面相同，緊貼于裂隙試樣兩端，保護(hù)板內(nèi)設(shè)與裂隙開(kāi)度尺寸相同的通槽。

進(jìn)一步地，所述滲透加壓板為滲流孔密布的厚鋼板，在與裂隙保護(hù)板接觸的面上，滲透加壓板上設(shè)置多個(gè)相互連通的集水凹槽，將各滲流孔相互連接，并保證其中某一滲流板集水凹槽與裂隙保護(hù)板通槽相重合。

進(jìn)一步地，所述垂直荷載加載系統(tǒng)由伺服加載萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、荷載轉(zhuǎn)換器、2個(gè)加載千斤頂及液壓管線構(gòu)成，荷載轉(zhuǎn)換器放置于伺服加載萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載平臺(tái)，另外兩個(gè)加載千斤頂分別安裝在兩個(gè)罐體上方約束框架上，伺服加載萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)荷載轉(zhuǎn)換器加載，荷載轉(zhuǎn)換器通過(guò)液壓管與另外兩個(gè)實(shí)驗(yàn)罐體上方的加載千斤頂相連并傳遞荷載，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)罐體上方的加載千斤頂之間也通過(guò)液壓管連通，通過(guò)這種方式，可以將伺服加載萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的加載路徑施加于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)罐體；在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)罐體上方的加載千斤頂位置均安裝有位移傳感器和荷載傳感器，監(jiān)測(cè)加載過(guò)程中的荷載及裂隙試樣的位移變形。

進(jìn)一步地，由活動(dòng)側(cè)壓板、側(cè)壓傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成側(cè)壓測(cè)試系統(tǒng)，垂直荷載作用下的裂隙試樣變形過(guò)程中形成的側(cè)向應(yīng)力傳遞至側(cè)壓板，通過(guò)監(jiān)測(cè)側(cè)壓板內(nèi)應(yīng)力傳感器獲得側(cè)壓力變化。

進(jìn)一步地，荷載傳遞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)罐體底部荷載傳感器、下加載活塞及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

進(jìn)一步地，所述裂隙開(kāi)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體、連接導(dǎo)水管的密封膜、體積測(cè)試管組成，選用滲流試驗(yàn)中同樣參數(shù)試樣在裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體進(jìn)行加載試驗(yàn)，與滲流實(shí)驗(yàn)罐體同步加載，通過(guò)測(cè)試裂隙空間內(nèi)在液體體積變化監(jiān)測(cè)開(kāi)度變化過(guò)程，試驗(yàn)過(guò)程中密封裂隙試樣上下端面，并將裂隙試樣內(nèi)在裂隙注滿液體并與外部體積測(cè)試管通過(guò)導(dǎo)水連接管相連；導(dǎo)水連接管優(yōu)選為尼龍材料。

進(jìn)一步地，所述滲流加載系統(tǒng)由包括依次連接的進(jìn)水口水壓力傳感器、水壓穩(wěn)壓罐體、穩(wěn)壓溢流閥、泵組及集水箱，水流由實(shí)驗(yàn)罐體下蓋進(jìn)水口進(jìn)入，滲流加載體統(tǒng)施加最大滲流量大于10 L/s，且滲流水流可循環(huán)使用。

進(jìn)一步地，所述滲流測(cè)試系統(tǒng)由出水口水壓力傳感器、微-中型流量計(jì)（量程0.5 ml/s~20000 ml/s）、數(shù)據(jù)采集儀器、集水箱共同組成，微流量計(jì)與中流量計(jì)并聯(lián)，當(dāng)流量較大時(shí)打開(kāi)中流量計(jì)、關(guān)閉微流量計(jì)監(jiān)測(cè)水流量，當(dāng)流量較小時(shí)打開(kāi)微流量計(jì)、關(guān)閉中流量計(jì)監(jiān)測(cè)水流量。

相應(yīng)地，本發(fā)明給出了一種采動(dòng)斷裂巖體裂隙動(dòng)態(tài)閉合滲流模擬試驗(yàn)方法，包括下述步驟：

1）制作采動(dòng)斷裂巖體的裂隙試樣：

為了模擬斷裂巖體裂隙擠壓、錯(cuò)動(dòng)、剪切過(guò)程，并定量研究其結(jié)構(gòu)演化特征，將斷裂巖體的裂隙試樣設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)部預(yù)制一條上下貫通的傾斜規(guī)則裂隙，裂隙用于模擬斷裂巖體間裂隙空間，裂隙邊界預(yù)留一定尺寸完整塊體，該部分完整塊體用于模擬斷裂巖體斷面間凸出鉸接部分，為防止裂隙試樣受壓剪切錯(cuò)斷過(guò)程中水向外滲流，在裂隙邊界完整塊體外側(cè)預(yù)設(shè)一密封凹槽，凹槽內(nèi)填充塑性隔水材料；所述隔水材料優(yōu)選為聚氨酯；在裂隙上盤下部、下盤上部均鋪設(shè)一定厚度的軟弱層，用以模擬斷裂下體下部松散結(jié)構(gòu)巖體，并提供斷裂裂隙試樣的剪切錯(cuò)動(dòng)變形空間；

在裂隙試樣模具內(nèi)固定好預(yù)制裂隙鋼板，將裂隙保護(hù)板穿過(guò)預(yù)制裂隙鋼板放入模具底部，在底部裂隙鋼板上側(cè)放入已經(jīng)預(yù)制好的軟弱層塊體，在鋼板及模具內(nèi)側(cè)均勻涂上一層潤(rùn)滑油或凡士林，注入配置好的非親水性相似裂隙試樣材料，在上部裂隙鋼板下側(cè)放入另一塊預(yù)制好的軟弱層塊體，在模具上方穿過(guò)預(yù)制鋼板放入另一塊裂隙保護(hù)板，振動(dòng)均勻后，待裂隙試樣達(dá)到一定強(qiáng)度后拆模，拔出預(yù)制裂隙鋼板，置入水中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)完成后在裂隙邊界密封凹槽內(nèi)填充塑性隔水材料；

2）安裝裂隙試樣

滲流裂隙試樣安裝的方式：首先在底部密封蓋上放入下部滲透加壓板，將養(yǎng)護(hù)好的裂隙試樣側(cè)壁包裹一至兩層隔水薄膜，然后放在滲透加壓板上，保證下部滲透加壓板的某一集水凹槽與裂隙保護(hù)板裂隙通槽重合，并逐步安裝活動(dòng)側(cè)壓板，并在側(cè)壓活動(dòng)板內(nèi)壁涂抹潤(rùn)滑油，固定罐體側(cè)壁，放入上部滲透加壓板，保證上部滲透加壓板的某一集水凹槽與裂隙保護(hù)板通槽重合，安裝上部密封蓋，固定密封整個(gè)罐體，連接進(jìn)、出水管，并將水壓傳感器、水流量計(jì)及應(yīng)力傳感器與數(shù)據(jù)采集儀及電腦相連；

裂隙開(kāi)度測(cè)試裂隙試樣安裝的方式與滲流裂隙試樣基本相同：首先在底部密封蓋上放入下部滲透加壓板，將養(yǎng)護(hù)好的裂隙試樣側(cè)壁包裹一至兩層隔水薄膜，在下裂隙試樣保護(hù)板外側(cè)增加密封膜，與密封膜連接的下導(dǎo)水連接管一端部對(duì)準(zhǔn)裂隙保護(hù)板通槽，下導(dǎo)水連接管另一端由滲透加壓板、進(jìn)水口引出，然后放在滲透加壓板上逐步安裝活動(dòng)側(cè)壓板，并在側(cè)壓活動(dòng)板內(nèi)壁涂抹潤(rùn)滑油，固定罐體側(cè)壁，在上裂隙保護(hù)板上同樣放置連接上導(dǎo)水連接管的密封膜，上導(dǎo)水連接管一端對(duì)準(zhǔn)裂隙保護(hù)板通槽，另一端由滲透加壓板引出，然后放入上滲透加壓板，安裝上部密封蓋，上導(dǎo)水連接管由出水口引出，固定密封整個(gè)罐體，由下導(dǎo)水連接管向裂隙試樣內(nèi)注入液體直至上導(dǎo)水連接管出口不再有氣泡冒出，然后將上導(dǎo)水連接管、下導(dǎo)水連接管另一端與外部體積測(cè)試管連接；

3）檢查傳感器與數(shù)據(jù)采集儀連接情況及工作狀態(tài)：打開(kāi)數(shù)據(jù)采集裝置，檢查各傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接情況，啟動(dòng)伺服加載裝置，對(duì)荷載轉(zhuǎn)換器加載，打開(kāi)荷載轉(zhuǎn)換器與2個(gè)千斤頂之間的開(kāi)關(guān)，使實(shí)驗(yàn)罐體上部加載活塞與上部滲透加壓板接觸，但不施加荷載，打開(kāi)滲流加載裝置，檢查各傳感器測(cè)試、監(jiān)測(cè)設(shè)備處于正常工作狀態(tài)；

4）施加穩(wěn)定水壓力和流量：關(guān)閉微型流量計(jì)、打開(kāi)中型流量計(jì)，啟動(dòng)水壓力水量控制泵組，調(diào)節(jié)溢流閥，設(shè)置好需要的水壓力和流量；

5）施加軸向荷載：垂直荷載加載前，首先測(cè)試荷載為零時(shí)，在設(shè)定滲透壓力條件下裂隙試樣的滲流量，同時(shí)觀測(cè)裂隙開(kāi)度體積測(cè)試管水位；在伺服加載萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)機(jī)上輸入折算后對(duì)應(yīng)的加載路徑（伺服加載萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)需要提供滲流實(shí)驗(yàn)罐體、裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體的垂直加載荷載，因此需調(diào)整對(duì)應(yīng)加載荷載），施加軸向荷載，同時(shí)施加穩(wěn)定水壓；

6）數(shù)據(jù)采集：采集實(shí)驗(yàn)罐體上方千斤頂?shù)妮S向荷載、軸向位移，罐體的側(cè)向圍壓、底部荷載，滲流罐體的滲流量、滲透壓力，裂隙開(kāi)度體積測(cè)試管內(nèi)的體積變化，伺服加載萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)可自動(dòng)監(jiān)測(cè)加載路徑及位移變化；

7）打開(kāi)微型流量計(jì)、關(guān)閉中型流量計(jì)：加載過(guò)程中，裂隙試樣的滲流量逐漸減小，減小到一定程度后，滲流量在微型流量計(jì)量程范圍時(shí)，關(guān)閉中型流量計(jì)、打開(kāi)微型流量計(jì)，確保監(jiān)測(cè)精度；

8）卸載：當(dāng)微型流量計(jì)監(jiān)測(cè)滲流為零時(shí)或者達(dá)到預(yù)設(shè)荷載時(shí)，控制伺服加載萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)停止加載，卸載的過(guò)程中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)繼續(xù)采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)直至各項(xiàng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變；

9）模型拆卸和現(xiàn)象觀測(cè)：打開(kāi)罐體，觀測(cè)裂隙試樣的破壞變形特征；

10）更換不同參數(shù)裂隙試樣，重復(fù)步驟2）-9）；

11）數(shù)據(jù)分析與提煉：根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程采集的不同試驗(yàn)數(shù)據(jù)和信息，分析不同參數(shù)裂隙試樣，在應(yīng)力恢復(fù)過(guò)程中應(yīng)力、位移、裂隙開(kāi)度、滲流及相互間耦合關(guān)系的演化模型，定量描述和分析裂隙開(kāi)度、傾角及裂隙邊界完整巖體寬度對(duì)應(yīng)力恢復(fù)過(guò)程中裂隙閉合及阻隔水能力恢復(fù)的影響機(jī)理。

與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用三維側(cè)向約束軸向加載體系，模擬采動(dòng)裂隙恢復(fù)應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)合設(shè)計(jì)研制的斷裂巖體貫通裂隙模型，實(shí)現(xiàn)了大流量貫通裂隙巖體應(yīng)力作用下的滲流耦合試驗(yàn)；實(shí)現(xiàn)了裂隙開(kāi)度、滲流量的同步監(jiān)測(cè)；裂隙試樣上下端面設(shè)置軟弱層，實(shí)現(xiàn)了對(duì)垮落帶破碎巖體的壓縮變形模擬；貫通裂隙邊界完整部分尺寸變化實(shí)現(xiàn)了斷裂裂隙鉸接程度的模擬；實(shí)現(xiàn)了按采動(dòng)裂隙巖體應(yīng)力恢復(fù)路徑加載，獲取斷裂巖體垂直受壓旋轉(zhuǎn)錯(cuò)動(dòng)過(guò)程中的側(cè)向應(yīng)力，及其耦合應(yīng)力場(chǎng)作用下裂隙開(kāi)度閉合的定量過(guò)程；測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同開(kāi)度、傾角、連接程度裂隙的加載裂隙開(kāi)度閉合過(guò)程的滲流模擬試驗(yàn)；能有效認(rèn)識(shí)和揭示采動(dòng)巖體應(yīng)力恢復(fù)作用下不同結(jié)構(gòu)特征裂隙巖體的結(jié)構(gòu)演化、裂隙閉合及阻隔水能力恢復(fù)特性，將會(huì)為深入研究“保水采煤”地下水滲流系統(tǒng)恢復(fù)機(jī)理及“殘煤復(fù)采”涉及的已有擾動(dòng)斷裂巖體的滲透性特性提供理論基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明試驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)驗(yàn)罐體正視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖2的打開(kāi)上密封蓋后的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為側(cè)向活動(dòng)壓力板及傳感器連接示意圖；

圖6為裂隙試樣主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為裂隙試樣俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為裂隙內(nèi)在空間變化測(cè)試連接簡(jiǎn)化圖；

圖9為滲流加壓板平面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為裂隙保護(hù)板平面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11為裂隙試樣與裂隙保護(hù)板、滲透加壓板組合示意圖。

其中：1-約束框架；2-1-裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體加載千斤頂；2-2-滲流測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體加載千斤頂；3-體積測(cè)量管；4-伺服加載萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；5-荷載轉(zhuǎn)換器；6-開(kāi)關(guān)；7-1-出水口水壓傳感器；7-2-進(jìn)水口水壓傳感器；8-1-微型流量計(jì)；8-2-中型流量計(jì)；9-溢流閥；10-泵組；11-集水槽；12-穩(wěn)壓罐；13-滲流測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體；14-裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體；15-上荷載活塞；16-出水口；17-上滲透加壓板；18-罐體；19-側(cè)壓傳感器；20-側(cè)壓板；21-進(jìn)水口；22-上密封蓋；23-上裂隙保護(hù)板；24-裂隙試樣；25-隔水薄膜；26-下裂隙保護(hù)板；27-下滲透加壓板；28-下密封蓋；29-下加載活塞；30-底座荷載傳感器；31-底座；32-側(cè)壁法蘭；33-密封蓋密封條；34-側(cè)壓板端部密封條；35-側(cè)壓板間密封條；36-軟弱層；37-密封凹槽；38-密封橡膠模；39-集水凹槽；40-導(dǎo)水連接管；41-通槽。

具體實(shí)施方式

一種采動(dòng)斷裂巖體裂隙動(dòng)態(tài)閉合滲流模擬試驗(yàn)裝置，如圖1所示，主要包括兩個(gè)實(shí)驗(yàn)罐體共同放置于約束框架1內(nèi)，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)罐體分別為滲流測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體13和裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體14，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)罐體結(jié)構(gòu)相同。實(shí)驗(yàn)罐體外觀為圓柱形剛性的耐高壓罐體，如圖1至圖3所示，可通過(guò)罐體側(cè)壁法蘭32側(cè)向打開(kāi)，也可以通過(guò)上密封蓋22及下密封蓋28打開(kāi)，其內(nèi)在腔體截面為正方形，如圖4所示，腔體每個(gè)面布置側(cè)壓板20，共四個(gè)側(cè)壓板，在側(cè)壓板20與罐體18側(cè)壁間安裝側(cè)壓傳感器19，側(cè)壓板20相互間密封連接，在罐體側(cè)向約束緊固下，四塊側(cè)壓板20在罐體內(nèi)形成第二個(gè)腔體，如圖4和圖5所示，裂隙試樣24放置在第二個(gè)腔體內(nèi)。

斷裂巖體裂隙試樣24為一非親水性相似材料長(zhǎng)方塊體，內(nèi)置一上下貫通傾斜裂隙，內(nèi)置裂隙開(kāi)度為0.5~2.0 mm，傾角為50°~90°，如圖6所示，邊界設(shè)置密封凹槽37深2mm，如圖7所示，在裂隙上盤下段、下盤上段均設(shè)置一定厚度軟弱層36，如圖6所示，軟弱層36厚度按內(nèi)在裂隙空間體積折算，上、下盤軟弱層設(shè)置尺寸相同，密封凹槽37與裂隙間有一定寬度完整塊體，寬度為5~30 mm，密封凹槽37與裂隙開(kāi)度相同；該裂隙試樣的設(shè)計(jì)可有效的模擬斷裂巖體的受壓變形過(guò)程，并能從定量的角度去分析研究裂隙開(kāi)度、傾角、裂隙間膠結(jié)程度對(duì)斷裂巖體變形的影響機(jī)制。

側(cè)壓板20為錐形結(jié)構(gòu)剛性板，橫斷面為梯形設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5所示，外寬內(nèi)窄，外側(cè)內(nèi)角為45°，內(nèi)側(cè)內(nèi)角為135°，在內(nèi)側(cè)受壓時(shí)其荷載可向外傳遞；上滲透加壓板17置于裂隙試樣24上方，在上滲透加壓板17和裂隙試樣24間設(shè)置上裂隙保護(hù)板23；如圖9所示，上滲透加壓板17為一厚度較大的剛性板，其內(nèi)部密布滲流孔，在與裂隙保護(hù)板23接觸面上設(shè)置多個(gè)相互連通的集水凹槽39，下滲透加壓板27與上滲透加壓板17結(jié)構(gòu)相同；如圖10所示，上裂隙保護(hù)板23為一厚度為1mm斷面尺寸與裂隙試樣斷面相同的鋼板，上裂隙保護(hù)板23可保護(hù)裂隙試樣24在受壓過(guò)程中裂隙試樣上端裂隙開(kāi)口穩(wěn)定變形并保證裂隙滲流入口不堵塞、滲流量充足，上裂隙保護(hù)板23內(nèi)設(shè)置通槽41，通槽41尺寸與裂隙試樣24內(nèi)裂隙尺寸相同，滲透加壓板其中的某一集水凹槽與裂隙保護(hù)板的通槽重合，下裂隙保護(hù)板26與上裂隙保護(hù)板23結(jié)構(gòu)相同；裂隙試樣24在安裝的時(shí)候，外圍包裹至少一層隔水薄膜25，保證裂隙試樣24與側(cè)壓板20之間無(wú)滲流；上滲透加壓板17、上裂隙保護(hù)板23、裂隙試樣24、下裂隙保護(hù)板26、下滲透加壓板27組合關(guān)系如圖11所示。

在罐體18上部設(shè)置上密封蓋22，上密封蓋22為一直徑與罐體直徑相同厚度為20mm的剛性板，上密封蓋22與罐體18間設(shè)置密封蓋密封條33見(jiàn)圖4，上密封蓋22與罐體18間通過(guò)螺栓緊固，上密封蓋22中部設(shè)置上荷載活塞15，上荷載活塞15為一直徑為60mm、長(zhǎng)度為100mm的剛性圓柱，出水口16設(shè)置在上密封蓋22內(nèi)，出水口16直徑為20mm；試驗(yàn)罐體下部設(shè)置下密封蓋28，下密封蓋28尺寸與上密封蓋22相同，下密封蓋28通過(guò)四個(gè)立柱與底座31相連，下密封蓋28同時(shí)通過(guò)螺栓與試驗(yàn)罐體18緊固，在下密封蓋28與實(shí)驗(yàn)罐體18間設(shè)置密封蓋密封條33，在下密封蓋28中間設(shè)置下荷載活塞29，下荷載活塞29尺寸與上荷載活塞15相同，下密封蓋內(nèi)部設(shè)置進(jìn)水口21，進(jìn)水口21尺寸與出水口16相同，底座31為一厚度為20mm剛性板，其直徑與實(shí)驗(yàn)罐體18相同，在底座31中間設(shè)置底座荷載傳感器30，底座荷載傳感器30與下荷載活塞29相連；此外，側(cè)壓板20的高度與實(shí)驗(yàn)罐體18內(nèi)腔高度相同，四塊側(cè)壓板上部和下部均設(shè)置側(cè)壓板端部密封條34，側(cè)壓板之間設(shè)置側(cè)壓板間密封條35，見(jiàn)圖4和圖5，上密封蓋22、下密封蓋28與側(cè)壓板20組成密封性較好的第二腔體。

對(duì)于滲流測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體13，上、下滲透加壓板分別與垂直荷載加載系統(tǒng)、荷載傳遞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接，進(jìn)水口、出水口分別與滲流加壓系統(tǒng)和滲流測(cè)試系統(tǒng)連接；對(duì)于裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體14，裂隙保護(hù)板與滲透加壓板間設(shè)置帶有導(dǎo)水連接管40的密封膜38，裂隙試樣24內(nèi)的裂隙可通過(guò)密封膜38上的導(dǎo)水連接管40與外部體積測(cè)試管3連接，進(jìn)行裂隙開(kāi)度的測(cè)試。

荷載加載系統(tǒng)為獨(dú)立的加載系統(tǒng)，主要由伺服加載系統(tǒng)WES-D1000型微機(jī)控制電液私服加載萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)4、荷載轉(zhuǎn)換器5、滲流測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體13上部千斤頂2-2及裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體14上部千斤頂2-1組成；伺服加載系統(tǒng)WES-D1000型微機(jī)控制電液私服加載萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)4對(duì)荷載轉(zhuǎn)換器5進(jìn)行加載，荷載轉(zhuǎn)換器5與滲流測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體上部千斤頂2-2及裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體上部千斤頂2-1相連，可同步伺服加載萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)4的加載路徑，滲流測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體13上部千斤頂2-2及裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體14上部千斤頂2-1均安裝有荷載及位移傳感器，該系統(tǒng)可同步監(jiān)測(cè)軸向荷載、軸向位移，預(yù)設(shè)加載路徑，最大加載荷載可達(dá)1000kN，精度等級(jí)為0.5級(jí)。

滲流加載系統(tǒng)由集水箱11、泵組10、穩(wěn)壓溢流閥9與水壓穩(wěn)壓罐12、進(jìn)水口水壓力傳感器7-2串聯(lián)構(gòu)成，水流由滲流測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體13的下密封蓋28內(nèi)的進(jìn)水口21進(jìn)入，最大滲流流量大于10 L/s，水流流經(jīng)裂隙試樣24通過(guò)上密封蓋22內(nèi)出水口16、微型型流量計(jì)8-1或中型流量計(jì)8-2后，流入集水箱11，滲流水流可循環(huán)使用。

滲流測(cè)試系統(tǒng)由出水口水壓力傳感器7-1、微型流量計(jì)（量程0.5 ml/s~5000 ml/s）8-1、中型流量計(jì)8-2（量程1000 ml/s~20000 ml/s）、集水箱11共同組成，微型流量計(jì)8-1與中型流量計(jì)8-2并聯(lián)；在初始階段，斷裂巖體裂隙試樣24滲流量較大，此時(shí)流量的測(cè)量打開(kāi)中型流量計(jì)8-2關(guān)閉微型流量計(jì)8-1，隨著荷載的增加斷裂巖體裂隙試樣24受壓變形，內(nèi)在貫通裂隙開(kāi)度減小，滲流量減小，當(dāng)流量減小到5000ml/s以下時(shí)，關(guān)閉中型流量計(jì)8-2打開(kāi)微型流量計(jì)8-1；由出水口16流出的水流最終流入集水箱11內(nèi)循環(huán)使用。

裂隙開(kāi)度測(cè)試系統(tǒng)的工作同步并獨(dú)立于裂隙試樣滲流試驗(yàn)完成，通過(guò)測(cè)試裂隙空間內(nèi)在液體體積變化監(jiān)測(cè)開(kāi)度變化過(guò)程；選用與滲流試驗(yàn)中同樣參數(shù)試塊放入裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體14內(nèi)進(jìn)行加載試驗(yàn)，如圖8所示，試驗(yàn)過(guò)程中使用橡膠密封模38密封裂隙試樣24的上下端面，并由導(dǎo)水連接管40連接裂隙內(nèi)在液體與外部體積測(cè)試管3，與滲流測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體13采用同樣的加載路徑加載同步加載，通過(guò)監(jiān)測(cè)體積測(cè)試管3內(nèi)液體體積的變化來(lái)監(jiān)測(cè)裂隙試樣24內(nèi)在裂隙尺寸的變化，裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體14與滲流測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體13同步加載，同步監(jiān)測(cè)；

下面給出本發(fā)明采動(dòng)斷裂巖體裂隙動(dòng)態(tài)閉合滲流模擬的試驗(yàn)方法，包括下述步驟：

1) 制作采動(dòng)斷裂巖體的裂隙試樣：

根據(jù)需要制備裂隙試樣24，選擇相應(yīng)預(yù)制裂隙鋼板，在裂隙試樣模具內(nèi)按照裂隙傾角固定好預(yù)制裂隙鋼板，將下裂隙保護(hù)板26穿過(guò)預(yù)制裂隙鋼板放入模具底部，在底部裂隙鋼板上側(cè)放入已經(jīng)預(yù)制好的軟弱層36的塊體，在鋼板及模具內(nèi)側(cè)均勻涂上一層潤(rùn)滑油或凡士林，注入配置好的非親水性相似裂隙試樣材料，在裂隙鋼板的下側(cè)放入另一塊預(yù)制好的軟弱層36的塊體，在模具上方穿過(guò)預(yù)制鋼板放入上裂隙保護(hù)板23，振動(dòng)均勻后，待裂隙試樣24達(dá)到一定強(qiáng)度后拆模，拔出預(yù)制裂隙鋼板，并將裂隙試樣放入水中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)完成后在裂隙邊界密封凹槽37內(nèi)填充塑性隔水材料；采用同樣的方法制備其它參數(shù)的裂隙試樣24，同參數(shù)裂隙試樣至少制備兩塊；

2) 安裝裂隙試樣

滲流測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體13與裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體14內(nèi)裂隙試樣24的安裝方法基本相同，在罐體底座31上的下密封蓋28上放入下滲透加壓板27，將養(yǎng)護(hù)好的裂隙試樣24側(cè)壁包裹一至兩層隔水薄膜25，然后將放在下滲透加壓板27上，保證下滲透加壓板27的某一集水凹槽39與下裂隙保護(hù)板26的通槽41重合，并逐步安裝側(cè)壓板20，并在側(cè)壓板20內(nèi)壁涂抹潤(rùn)滑油，固定實(shí)驗(yàn)罐體18的側(cè)壁，放入上滲透加壓板17，保證上滲透加壓板17的某一集水凹槽與上裂隙保護(hù)板23的通槽41重合，安裝上密封蓋22，固定密封整個(gè)實(shí)驗(yàn)罐體18，對(duì)于滲流測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體13連接進(jìn)水口21的進(jìn)水管及滲流加載系統(tǒng)，出水口16的出水管及滲流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將水壓傳感器、水流量計(jì)及應(yīng)力傳感器與數(shù)據(jù)采集儀及電腦相連；對(duì)于裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體14，在上述安裝過(guò)程中，裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體14內(nèi)的裂隙試樣24的上裂隙保護(hù)板23與上滲透加壓板17及下裂隙保護(hù)板26與下滲透加壓板27間增加帶有導(dǎo)水連接管40的橡膠密封膜38，與橡膠密封膜38連接的上導(dǎo)水連接管、下導(dǎo)水連接管一端對(duì)準(zhǔn)裂隙保護(hù)板內(nèi)通槽41，另一端通過(guò)上、下滲透加壓板（17及27）引出罐體18，然后固定密封整個(gè)罐體，由下導(dǎo)水連接管向裂隙試樣24內(nèi)注入液體直至上導(dǎo)水連接管出口不再有氣泡冒出，然后將上導(dǎo)水連接管、下導(dǎo)水連接管另一端與外部體積測(cè)試管3連接；

3) 啟動(dòng)荷載加載系統(tǒng)，打開(kāi)荷載轉(zhuǎn)換器5與兩罐體間的開(kāi)關(guān)6，上荷載活塞15與上滲透加壓板17接觸，但不施加荷載，打開(kāi)滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使中型流量計(jì)8-2處于打開(kāi)狀態(tài)并關(guān)閉微流量計(jì)8-1，打開(kāi)滲透加載裝置，施加水壓力和流量，檢測(cè)各傳感器、監(jiān)測(cè)設(shè)備是否處于工作狀態(tài)；

4) 施加穩(wěn)定水壓力和流量：打開(kāi)滲流加載泵組10，控制溢流閥9設(shè)置所需的水壓力和流量，滲流及水壓均穩(wěn)定后，測(cè)試未加載時(shí)裂隙試樣24的初始滲流量；

5)施加軸向荷載：按照采動(dòng)裂隙巖體現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)力恢復(fù)路徑輸入伺服加載系統(tǒng)WES-D1000型微機(jī)控制電液私服加載萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)4，然后加載，測(cè)試加載過(guò)程中裂隙試樣24的滲流量、應(yīng)力-應(yīng)變、裂隙開(kāi)度、側(cè)向應(yīng)力等參數(shù)；

6) 數(shù)據(jù)采集：通過(guò)連接數(shù)據(jù)采集儀的電腦同步采集側(cè)向圍壓、滲流量、滲透壓力、底部荷載，荷載加載的軸向荷載及位移、應(yīng)變，體積測(cè)試管3內(nèi)體積的變化，記錄加載時(shí)間，保證各組采集數(shù)據(jù)相互對(duì)應(yīng)；

7）停止加載或卸載：當(dāng)滲流測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體13內(nèi)裂隙試樣24的滲流量為0或者伺服加載系統(tǒng)WES-D1000型微機(jī)控制電液私服加載萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)4達(dá)到最大預(yù)制荷載時(shí)，停止加載，繼續(xù)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)至卸載完成；

8)模型拆卸和現(xiàn)象觀測(cè)：拔掉滲流實(shí)驗(yàn)罐體13進(jìn)水口21連接管、出水口16連接管，拔掉裂隙開(kāi)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)罐體14導(dǎo)水連接管40，逐步打開(kāi)實(shí)驗(yàn)罐體上密封蓋22、下密封蓋28，然后打開(kāi)側(cè)壁法蘭32，逐步拆卸側(cè)壓板20，上、下滲透加壓板17和27，取出裂隙試樣24，拆除隔水薄膜25及上、下裂隙保護(hù)板23和26，觀測(cè)裂隙試樣24的破壞變形特征；

9) 更換不同參數(shù)裂隙試樣，重復(fù)步驟2）-8）；

10)數(shù)據(jù)分析與提煉：將試驗(yàn)過(guò)程及采集不同試驗(yàn)數(shù)據(jù)和信息，分析不同參數(shù)裂隙試樣，在應(yīng)力恢復(fù)過(guò)程中應(yīng)力、位移、裂隙開(kāi)度、滲流及相互間耦合關(guān)系的演化模型，定量描述和分析裂隙開(kāi)度、傾角及裂隙邊界完整巖體寬度對(duì)應(yīng)力恢復(fù)過(guò)程中裂隙閉合及阻隔水能力恢復(fù)的影響機(jī)理。

本發(fā)明斷裂裂隙巖體裂隙試樣模型的研制，通過(guò)規(guī)則化裂隙、裂隙兩側(cè)留設(shè)不同尺寸完整巖塊的寬度（模擬斷裂巖體鉸接程度）、裂隙邊界設(shè)置密封凹槽、在裂隙上盤下部及下盤上部設(shè)置軟弱層，側(cè)向約束軸向加載并施加滲流流量，實(shí)現(xiàn)采動(dòng)斷裂巖體間剪切錯(cuò)動(dòng)變形過(guò)程及其滲流的量化研究；通過(guò)設(shè)置裂隙保護(hù)板，有效的保護(hù)貫通裂隙端面加載過(guò)程中裂隙試樣端面裂隙的完整性，防止了端面裂隙受壓提前破壞堵塞裂隙滲流通道；此外裂隙保護(hù)板與滲流加壓板集水凹槽的相互組合的設(shè)置實(shí)現(xiàn)了對(duì)裂隙施加穩(wěn)定大滲流；側(cè)壓板的設(shè)置實(shí)現(xiàn)了斷裂裂隙巖體在垂直應(yīng)力恢復(fù)過(guò)程中水平擠壓應(yīng)力變化模擬試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)；小開(kāi)度裂隙開(kāi)度變形的監(jiān)測(cè)：采用體積變化監(jiān)測(cè)方法，對(duì)小開(kāi)度裂隙在剪切過(guò)程中裂隙開(kāi)度變化的時(shí)候監(jiān)測(cè)，結(jié)合滲流試驗(yàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了裂隙開(kāi)度、滲流量、應(yīng)力等的定量耦合關(guān)系。

以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明整體構(gòu)思前提下，還可以作出若干改變和改進(jìn)，這些也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。