CN102400714A - 一种高水压、高应力和自动开采的矿井水害综合模拟系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明为“一种高水压、高应力和自动开采的矿井水害综合模拟系统及试验方法”，属于矿井防治水基础研究技术领域。主要内容是发明了一种在高水压、高垂直应力条件下，具有密闭性、能模拟开采、反映顶底板岩体与水相互作用和获取固、液物理力学参数变化规律的矿井水害综合模拟系统，采用圆柱密闭试验舱和舱内自动开采模拟装置，容许最高水压3MPa，施加最大垂直荷载3MPa，试验直径1.4m，试样组合高度1.4m。包含模型试验舱、稳定高水压(流量)供水及控制装置、开采模拟及控制装置、多重干涉流量观测装置和压力、应力、温度、PH值组合观测子系统。并建立了高水压、高应力下自动模拟矿井顶底板采动突涌水和实时监测的试验方法。

Description

一种高水压、高应力和自动开采的矿井水害综合模拟系统及试验方法

技术领域

本发明涉及煤矿顶底板水作用下采动变形、破坏、渗流、突涌水模拟研究领域，特指一种高水压、高应力条件下，自动模拟开采和监测矿井水害的综合模拟系统及试验方法。 

背景技术

水害防治和水资源保护是煤矿开采过程中的一类重要地质问题。我国水体下压煤和受底板水影响的煤炭资源储量巨大，顶底板涌水、突水事故轻者冲垮工作面、淹没设备、增加矿井排水负担，严重者造成人员伤亡、淹井，造成重大经济损失，严重威胁矿工生命安全。但在人口众多、煤炭需求量大的情况下，最大限度地提高煤炭资源回采率，也是关系到能源安全的重大经济和社会问题。同时，我国水资源分布不平衡，华东、华北、西北等煤炭基地，地下水资源尤其宝贵，但这部分水又被污染作为矿井废水排出、流失，每年流失量将以亿m3计。因此，防止矿井突涌水兼顾“保水采煤”和水害治理研究具有经济和社会双重价值。 

水害防治和水资源保护研究一方面侧重于经验规律的总结，另一方面侧重于理论、机理分析。在工程实践上，已经逐步发展出采用监测预报手段，力求获得突涌水前兆信息等客观反映采矿与地下水相互作用关系的技术成果和工程实例，但仍不能全面概括各种复杂地质条件下采矿与地下水作用过程，包括人们还无法认识、预知的一些工程现象。特别是对高承压含水层开采突水事故而言，由于其发生的破坏性和突发性，很难通过现场工业性试验取得相关规律，模型试验是积累对各种条件组合的认识，逐步认识其规律性的重要方法之一。 

在水害防治和水资源保护研究中，水、岩土的相互作用关系是研究的核心内容之一。考虑水岩相互作用的突水模型不仅从物性、地质结构组合及开采动力角度揭示了岩体破坏、应力分布等采动特征，而且体现了水对岩体破坏、应力分布的影响。但随着应力水平增加、水压力提高，制约试验条件的密封、开采模拟和渗流系统等关键问题将导致模型装置在制造、仪器工作原理等方面与低应力、低水压力模型有所区别，并在试验监测、现象发掘方面也需要克服拍照摄像等手段难于获取试验参数的问题。为此，必须采用新的结构设施、工作原理、监测手段和加工工艺，克服高水压条件下难于实现的密封、动态开采、试验安全和信息传输等系列技术问题。同时，遴选出反应工程现象的信息种类，设计出高应力水平、水压力条件下模拟试验的监测方法及分析方法，最大可能的揭示高应力水平、水压力下采动水岩作用过程。 

发明内容

本发明要解决的问题是：针对现有模型研究开采水岩耦合作用技术问题，设计一种在高水压、高垂直应力条件下，具有密闭性、能模拟开采、反映顶底板岩体与水相互作用和获取渗流压力、应力重分布、温度场、位移场、化学场随水岩作用变化规律的试验装置和试验方法，提高顶底板承压水突涌水作用特征识别的可靠性。 

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种高水压、高应力和自动开采的矿井水害综合模拟系统及试验方法。 

一种高水压、高应力和自动开采的矿井水害综合模拟系统的特征在于：它包括模拟试验舱(9)，水压力和水量自动控制装置(1)、(4)和(21)，荷载控制装置(2)、(3)、(7)和(8)，采动模拟装置(17)、(18)、(22)和(23)，监测和数据采集装置(5)、(10)、(14)、(15)和(20)，以及系统密封、阀门、控制、电气等辅助设施。 

所述模拟试验舱为系统的主体试验结构，整体圆柱形，其上部为试验舱上盖(24)和荷载液压缸(7)，密封上盖设置有试验舱进水阀(6)和排气阀(28)；中部为试验舱内腔(11)，内腔上部为活动推力隔板(8)，下部为采动模拟顶(底)板(12)，中间部分充填试验材料和埋设监测传感器与电缆(10)；活动推力隔板(8)布置有上下连通的透水孔；采动模拟顶(底)板(12)内嵌采动模拟活动板(18)，并与采动模拟控制液压缸(17)相连；采动模拟顶(底)板(12)至试验舱底座(25)间为涌水收集通道，并与下部试验舱出水阀(16)相通。试验舱上盖(24)与试验舱底座(25)通过抗高压连杆(27)连接。试验舱底座(25)固定于其下的试验舱支撑及移动机构(26)上。试验舱底座(25)设有2个排渣口(29)。 

所述水压力和水量自动控制装置，由水箱、泵组含低压大流量泵(1-1)与高压低流量泵(1-2)和水压稳压舱(4)串联，水压稳压舱压力信号变化经压力流量控制器(21)转换分别控制泵(1-1)和(1-2)，水压稳压舱输出水流至模拟试验舱进水阀(6)。 

所述荷载控制装置，由油箱、荷载伺服控制油泵(2)、油压稳压舱(3)和加载液压缸(7)串联组成，位移计(5)固定于加载液压缸(7)外置伸缩杆上。 

所述采动模拟装置，机械部分由采动模拟活动板(18)与其下部一对一连接的采动模拟控制液压缸(17)组成，采动模拟活动板(18)内嵌于采动模拟顶(底)板(12)；液压控制部分，采动模拟控制液压缸(17)分别与对应的分步采动模拟控制阀(22)串联后组成并联控制组合，再与采动模拟活动板复位开关阀组(23)串联。 

所述监测和数据采集装置，由外置位移计(5)、流量计(15)，试验舱内置水压、应力、温度、PH传感器(10)，密封装置(19)和数据采集器(20)组成。外置传感器直接连接数据采集器，内置传感器经密封装置连接数据采集器。密封装置由与试验舱一体的密封套、电缆锁定管(31)和电缆密封段(30)组成。同时采用多重干涉稳定水流堰箱(14)监测流量，由多级干涉透水板(32)、插板式堰板(13)先后排列于堰箱水流方向上，堰口角度可调。 

一种高水压、高应力和自动开采的矿井水害综合模拟试验方法，其步骤为： 

(1)采动模拟复位和仪器检验：采动模拟活动板复位，关闭所有阀门，只留排气阀打开，注水，关闭排气阀，密闭试压，监测仪表、监测设备工作状态。 

(2)建立和装配模型：根据地质和采矿条件抽象地层组合和构造特征和相似准则，配置模型的结构和材料并装配入试验舱。密封可采用隔水胶、柔性密封垫填塞环形空隙。同时分层埋置需要的传感器。养护模型。 

(3)施加垂直荷载：关闭上舱盖，打开排气阀，启动试验控制器，逐级施加垂直荷载， 监测每级加载时液压缸行程，位移稳定后施加下一级荷载，直至需要荷载，监测应力、应变数据。 

(4)施加稳定水压力和流量：在控制器上设置好需要的水压力和边界补给流量，通过试验控制器启动水压水量双作用伺服控制泵组，排气阀涌水后关闭，直至达到设置水压。打开试验舱出水阀，检验模型渗漏特性后关闭等待开采模拟。 

(5)模拟开采和数据采集：打开试验舱出水阀，按设计方案逐步启闭分步采动模拟控制阀，同时采集记录应力、温度、压力、流量、位移、PH值信息，并用三角堰监测流量，记录水量变化的时间历程和水压水量双作用伺服控制泵组启闭经历，直至涌水量发生突变。 

(6)模型拆卸和现象观测：打开模型，按层序拆除模型，分步拍照，记录现象。 

(7)修改试验参数，重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)、(6)。 

(8)数据分析与提炼：结合信号-时间、信号-位置关系，整理采动过程-监测信号数据，建立不同时刻的应力场、位移场和水压力场等，分析开采、垂直荷载、水压力、地层组合、岩性与开采破坏、突涌水的关系，提炼突涌水前后监测信号变化特征。 

与现有技术比较，本发明的优点在于：建立了一种高水压、高应力和自动开采的矿井水害综合模拟试验系统，与同类装置相比，1)能够实现总应力不大于3MPa，水压不大于3MPa条件下的密闭模拟试验，2)试验系统具有水压、荷载各自独立的稳压系统和应力、温度、压力、流量、位移、PH值等多种信息监测能力，3)水压-流量控制装置实现了突水过程水头剧烈降低补给流量，不突水时保持稳定水压的水文地质双重边界条件伺服控制，4)采用多重干涉透水板稳定水流堰箱与流量计联合观测获得更为精确突涌水数据，5)采用液压系统实现了高压密闭条件下自动可控分步开采模拟。 

附图说明

图1是本发明综合模拟系统的概念模型示意图； 

图2是本发明综合模拟系统的结构示意图； 

图3是本发明综合模拟系统的模拟试验舱结构图； 

图4是本发明试验舱内模拟煤层开采顶(底)板结构图； 

图5是本发明试验舱内活动推力隔板结构图； 

图6是本发明综合模拟系统监测接口密封结构示意图； 

图7是本发明综合模拟系统自动开采控制装置示意图； 

图8是本发明综合模拟系统水压力、水量自动控制装置示意图； 

图9是本发明综合模拟系统涌水量监测装置示意图； 

图10是本发明综合模拟系统模拟底板高承压水上开采试验示意图； 

图11是本发明综合模拟系统模拟顶板高承压水上开采试验示意图； 

图12是本发明试验监测点布置示意图； 

图13是本发明综合模拟试验流程图。 

图例说明 

1、水压水量双作用伺服控制泵组    2、荷载伺服控制油泵 

3、油压稳压舱                    4、水压稳压舱 

5、位移计                        6、试验舱进水阀 

7、加载液压缸                    8、活动推力隔板 

9、模拟试验舱                    10、舱内监测电缆与传感器 

11、试验舱内腔                   12、采动模拟顶(底)板 

13、三角堰堰板                   14、堰箱 

15、流量计                       16、试验舱出水阀 

17、采动模拟控制液压缸           18、采动模拟活动板 

19、监测接口                     20、数据采集器 

21、试验控制器                   22、分步采动模拟控制阀 

23、采动模拟活动板复位开关       24、试验舱上盖 

25、试验舱底座                   26、试验舱支撑及移动机构 

27、抗高压连杆                   28、排气阀 

29、排渣口                       30、电缆密封段 

31、电缆锁定管                   32、多级干涉透水板 

33、煤层                         34、采空区 

35、底板破坏带                   36、顶板破坏带 

具体实施方式

以下将结合附图和具体实例对本发明做进一步详细说明。 

如图1所示，本发明一种高水压、高应力和自动开采的矿井水害综合模拟系统在概念上主要包括试验舱、试验条件控制、试验监测和三个主要部分。由图2可知，本发明所述综合模拟系统由模拟试验舱(9)，水压力和水量自动控制装置(1)、(4)和(21)，荷载控制装置(2)、(3)、(7)和(8)，采动模拟装置(17)、(18)、(22)和(23)，监测和数据采集装置(5)、(10)、(14)、(15)和(20)及辅助装置等六个子系统构成。 

其中，水压力和水量自动控制装置由图8水泵(1-1)，(1-2)和水压水量泵组伺服控制器(21)、水压稳压舱(4)共同构成，试验中在未突水前，泵(1-2)启动维持稳定的水压，模拟高水头；在突水后，泵(1-1)启动，形成边界上稳定补给的流量，与矿井突涌水的两个状态相对应。水压稳压舱输出水流至模拟试验舱进水阀(6)。 

荷载控制装置为一套稳定油压控制系统，在试验中模拟上部垂直荷载，由一组液压缸(7)，经过模拟试验舱上盖(24)进入试验舱内，再由活动推力隔板(8)将荷载分配到圆形试验材料断面上。液压缸(7)固定于模拟试验舱上盖(24)上，确保密闭不透水。加载液压缸(7)外置伸缩杆，位移计(5)固定于加载液压缸和外置伸缩杆上。 

采动模拟装置如图7，在模拟煤层底板以下设置系列矩形托盘，称为采动模拟活动板(18)， 嵌套于图4所示采动模拟顶(底)板(12)内，采动模拟活动板相互接触无连接，固定于采动模拟控制液压缸(17)的活塞上。液压缸体固定于模型试验舱底座上，确保密闭不透水。初始条件下，液压缸活塞伸出，底板水平连续。开采后，持续打开分步采动模拟控制阀(22)，通过控制排出液压油，形成液压缸活塞沉降控制开采厚度和顺序，开采结束后关闭。液压缸复位通过液压阀组(23)控制。采动模拟活动板(18)为矩形，长度固定，有多种宽度组合，模拟不同开采速度。 

监测和数据采集装置由传输电缆通过图6所示密封的监测接口(19)将模拟试验舱内水压力、温度、ph值、应力、应变信息传递给数据采集器(20)，实现数据实时记录.外置传感器直接连接数据采集器，内置传感器经密封装置连接数据采集器。数据采集频率可达100Hz，舱外加载装置位移计(5)、流量计(15)产生信息直接传输到采集器(21)。为提高流量监测精度，图9为多重透水板稳定水流堰箱，采用两道透水板(32)，形成稳定水流后，再用三角堰法监测流量，堰板为插板式，堰口角度可调。 

模拟试验舱(9)内砌筑或者铺设依据相似比配置的试验材料，由于采用圆柱状设计，在试验材料和舱壁环状间隙内采用再生胶片或隔水胶充填防水，既保证上下自由移动，同时起隔水作用。由于圆柱状试样侧向均匀膨胀作用，隔水效果好于矩形断面。试验过程中将传感器布置于模拟材料中，可在舱内空间任意方案布置，但尽可能离开舱壁密封部位。传感器电缆通过密封装置(19)与外部采集器(20)相连。由于模型内试验材料体积力远小于施加的外部荷载，故对于顶底板问题均采用下部开挖方案实现，而试验材料的性质、结构随实际地质条件改变。典型模型铺设结构如图10和11所示，煤层(33)采后形成采空区(34)以及顶底板破坏带(35)和(36)。 

在具体实例中，以河南某矿深部高承压地板水上带压开采和山东某矿松散层承压含水层下的地质、采矿条件为原型，概化为如附图10和11两个地质模型。模型直径为φ1400mm，高1350mm。其中模型10几何比例尺C_l＝100∶1，隔水层厚度60m，模拟底板隔水层承受水压8MPa，模拟采深900m，根据模型比例尺，则模型底板隔水层厚度60cm，正常模拟水压80kPa，荷载(垂直主应力)为240kPa。由白金汉定理可知，原型比例为1时孔隙水压力u的量纲乘积为u/ρgL，自重应力的量纲乘积为σ_z/(ρgL)，当几何尺寸缩小为原型的1/n时，由于重度不变，孔隙水压力和自重应力也均缩小为原型的1/n，并能够满足相似要求。模型荷载通过试验系统中的液压加载系统施加补偿荷载来实现，水压力通过水压加载系统进行自动供给。 

对于底板隔水层的相似材料，主要考虑抗压强度和重度对采动变形的影响，材料配比参数如表1。 

在模拟试验的监测点布置中，强调加强对初次来压区域进行相关信息的采集，分别在距煤层底板10cm、25cm底板隔水层中埋设相应传感器，例如图12中对称布置孔隙水压力、应力测点14个。 

试验过程如图13，顺序如下： 

(一)首先装配测试电缆并胶结密封，安装传感器，全部打开分步采动模拟控制阀(22)， 

表1相似材料配比试验结果 

切换采动模拟活动板复位开关(23)到加压回路，使采动模拟活动板(18)复位，全部关闭分步采动模拟控制阀(22)，活动板复位开关(23)切换至回油到油箱；连接控制和检测系统，开机检验；开机正常后，密闭试验舱，打开排气阀(28)，向试验舱(11)加水至排气阀涌水后关闭，启动水压加载系统试压，待控制系统输出压力与监测仪表一致，并保持不渗漏后，停止仪器检验，开舱。 

(二)按照图10上下反向，逐层铺设试验材料，周边采用再生胶和隔水胶逐层密封。在设计位置设置传感器，电缆外壁涂隔水胶埋入同种试验材料内部，不得沿界面布置。材料装配完毕，调整试验材料表面水平，吊装活动推力隔板(8)，对中放入试验舱内。 

(三)检查试验舱密封条完整性，密封试验舱。打开排气阀(28)，启动荷载加载装置(2)，加载液压缸活塞伸出接触到活动推力隔板(8)，油压升高，系统内应力和应变传感器数据变化，位移计(5)读书逐步达到稳定。 

(四)向试验舱内腔(11)加水至排气阀涌水后停止注水，饱和24h后继续注水至排气阀涌水，关闭排气阀(28)。启动水压加载系统逐级加水压，监测试验舱内各传感器读数，试验水压达到设计要求后，稳定48h，打开试验舱出水阀(16)，监测出水量，验证模型不渗漏后开始下步试验。 

(五)确认活动板复位开关(23)切换至回油到油箱和监测系统启动后，按顺序、时间逐步打开分步采动模拟控制阀(22)，监测系统内的参数变化和涌水量。发生涌水量突然变化后再持续观测一定时间，停止采动，关闭试验舱出水阀(16)停止试验。 

(六)关闭水压加载装置和荷载加载装置，待监测系统反应水压降低到大气压时，打开排气阀(28)和试验舱出水阀(16)，排水。逐步打开试验舱，起吊活动推力隔板(8)，分层拍照、拆除试验材料和取出传感器，描述发生的现象。若要改变试验参数，重复以上步骤(一)至(六)。 

(七)对获取的数据资料进行分析整理，提炼发生突涌水时开采、地质条件、水压、温度、应力及PH值等的变化过程及规律。 

试验中，各模型的设计背景参数如表2所示。根据突水模拟系统开采系统的条件，开采共分为九步，每1800s开采一次。 

表2各模型开采设计 

实际模拟开采分两阶段进行：第一阶段为正常模拟开采阶段，水压和荷载按原型地质条件施加；第二阶段为加压破坏阶段，开采结束后，逐步增加水压力，直至突水发生。 

通过单一结构底板、多岩层组合结构底板以及断裂构造型三种典型底板隔水层结构的高压突水模拟试验和传感器数据采集系统，实现了模拟试验过程中底板隔水层破坏及突水发生前后的应力、孔隙水压力等信息的自动监测，获得了大量的基础数据资料。 

Claims (7)

1.一种高水压、高应力和自动开采矿井水害综合模拟系统的特征在于：它包括3MPa水压模拟试验舱(9)，水压力和水量自动控制装置(1)、(4)和(21)，3MPa垂直荷载控制装置(2)、(3)、(7)和(8)，采动模拟装置(17)、(18)、(22)和(23)，监测和数据采集装置(5)、(10)、(14)、(15)和(20)，以及系统密封、阀门、控制、电气等辅助设施。

2.根据权利要求1所述的模拟试验舱，其特征为系统的主体试验结构，整体圆柱形，舱内试验材料受压后侧向膨胀，具有自密封作用，其上部为密封上盖(24)和荷载液压缸(7)，密封上盖设置有试验舱进水阀(6)和排气阀(28)；中部为试验舱(9)，舱内上部为活动推力隔板(8)，下部为采动模拟顶(底)板(12)，中间部分可埋设监测传感器与电缆(10)；采动模拟顶(底)板(12)内嵌采动模拟活动板(18)，与采动模拟控制液压缸(17)相连；采动模拟顶(底)板(12)至试验舱底座(25)间为涌水收集通道，并与下部试验舱出水阀(16)相通；试验舱上盖(24)与试验舱底座(25)通过抗高压连杆(27)连接；试验舱底座(25)固定于其下的试验舱支撑及移动机构(26)上；试验舱底座(25)设有2个排渣口(29)；内置传感器经密封装置连接数据采集器；密封装置由与试验舱一体的密封套、电缆锁定管(31)和电缆密封段(30)组成。

3.根据权利要求1所述的水压力和水量自动控制装置，其特征在于：在试验舱突水情况下，补给稳定的流量，在不突水而水压力变化的情况下，维持稳定的水压力；水由水箱经泵组：低压大流量泵(1-1)和高压低流量泵(1-2)进入水压稳压舱(4)，稳压舱出水口连接权利要求2所述模拟试验舱的进水口(6)；稳压舱压力经压力流量控制器(21)反馈到控制泵组。

4.根据权利要求1所述的采动模拟装置，其特征在于：采动模拟装置位于权利要求2所述模拟试验舱的下部，由嵌入采动模拟顶(底)板(12)的采动模拟活动板(18)和采动模拟控制液压缸(17)组成；采动模拟控制液压缸(17)位于采动模拟活动板(18)下部，二者一对一组合连接；由液压缸(17)形成的差异沉降模拟开采动作，分步采动模拟控制阀(22)控制采动顺序及开采厚度；通过采动模拟活动板复位开关阀组(23)控制复位。

5.根据权利要求1所述的监测和数据采集装置，其特征在于：由位移计(5)、流量计(15)、水压、应力、温度、PH传感器(10)采集试验信号，电缆经密封装置(19)将信号传递出模型试验舱，监测数据采集器(20)记录采集到的信号和数据。

6.根据权利要求5所述的监测和数据采集装置，其特征在于：由两道透水板(32)干涉堰箱形成稳定水流后，再用三角堰法监测流量，与流量计共同监测提高流量监测精度；堰板为插板式，堰口角度可调。

7.一种高水压、高应力和自动开采的矿井水害综合模拟试验方法，其步骤为：(1)采动模拟活动板复位和仪器检验：采动模拟活动板复位，关闭所有阀门，只留排气阀打开，注水，关闭排气阀，密闭试压，监测仪表、监测设备工作状态；(2)建立和装配模型：根据地质和采矿条件抽象地层组合和构造特征，依据相似准则，配置模型的结构、材料并分层装配入试验舱，密封采用隔水胶、再生胶垫填塞环形空隙，同时分层埋置需要的传感器，养护模型；(3)施加垂直荷载：关闭上舱盖，打开排气阀，启动试验控制器，逐级施加垂直荷载，监测每级加载时液压缸行程，位移稳定后施加下一级荷载，直至需要荷载，监测应力、应变数据；(4)施加稳定水压力和流量：在控制器上设置水压力和边界补给流量，通过试验控制器启动水压水量双作用伺服控制泵组，排气阀涌水后关闭，直至达到设置水压，打开试验舱出水阀，检验模型渗漏特性后关闭等待开采模拟；(5)模拟开采和数据采集：打开试验舱出水阀，按设计方案逐步启闭分步采动模拟控制阀，同时采集记录应力、温度、压力、流量、位移、PH值信息，并用三角堰监测流量，记录水量变化的时间历程和水压水量双作用伺服控制泵组启闭经历，直至涌水量发生突变；(6)模型拆卸和现象观测：打开模型，按层序拆除模型，分步拍照，记录现象；(7)修改试验参数，重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)、(6)；(8)数据分析与提炼：结合信号-时间、信号-位置关系，整理采动过程-监测信号数据，建立不同时刻的应力场、位移场和水压力场等，分析开采、垂直荷载、水压力、地层组合、岩性与开采破坏、突涌水的关系，提炼突涌水前后监测信号变化特征。

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