CN102865077B - 一种保水开采的模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种保水开采的模拟系统，所述系统包括：模型架、含水层模拟装置和监测装置。含水层模拟装置安装在模型架上。含水层模拟装置包括进水管、水箱支架、水箱、含水层水管、含水层水管进水阀门、含水层水管流量计、含水层水管出水阀门、岩层模拟层、含水层箱体和含水层水位计。本发明能够模拟开采前含水层中水与岩层共存的状态，开采后下部岩层形成裂隙场后，含水层中水的流动过程、水在裂隙场中渗流过程及含水层所形成的整体结构受采动影响的变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于煤矿开采研究领域的模拟装置，尤其涉及一种保水开采的模拟系统。
背景技术
随着现代煤矿开采理论与技术的发展，在获得采矿工程设计基本数据进行设计方案的试验论证和施工工序的合理安排上，岩层力学模拟实验是最基本、最重要的研究方法。岩石力学实验模拟具有直观性强，研究结果快，可进行单因素分析研究，探讨某一因素对开采条件下围岩的稳定性的影响及其敏感程度，根据模型实验的结果，可以推断原型可能出现的力学现象与变形状态以及围岩稳定性与安全程度。
在以往的物理模拟实验中，主要是模拟岩层在受采动影响的情况下，应力场变化导致岩层形成破碎带，裂隙带与弯曲下沉带的状态。通过模拟实验，分析各种区域的压力变化规律与区域分布规律。
但在实际工程中，岩层除了受应力场的影响外，岩层中含水层的存在还会对岩层产生影响，出现了应力场与流场的耦合问题。对于应力场与流场的耦合问题的模拟还处于初级阶段，如何模拟含水层及水在裂隙场形成后的渗流过程是待解决的关键问题。现有技术中，仅能采用水管喷淋或用水袋来模拟含水层，这样的方式难以模拟含水层中水的赋存状态以及水与岩体所形成的结构在受采动影响下的整体变化。
因此，有必要设计一种新型的模拟装置，以解决现有技术无法为保水开采提供较准确信息的缺陷。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种能够模拟含水层及水在裂隙场形成后的渗流过程的模拟装置。
本发明提供的保水开采的模拟系统包括：模型架、含水层模拟装置和监测装置，含水层模拟装置安装在模型架上，其中：含水层模拟装置包括进水管、水箱支架、水箱、含水层水管、含水层水管进水阀门、含水层水管流量计、含水层水管出水阀门、岩层模拟层、含水层箱体和含水层水位计。进水管设置在水箱上方，用于为水箱供水；水箱安装在水箱支架上；含水层水管的入水端与水箱连接，并且含水层水管的一部分管路在岩层模拟层中延伸，在所述管路上设置有多个出水方向向下的出水孔；岩层模拟层铺设在含水层箱体中；含水层箱体固定在模型架上；含水层水位计设置在含水层箱体中，用于检测含水层箱体中的水位；含水层水管进水阀门设置在含水层水管入水端与水箱之间；含水层水管流量计连接在含水层水管的管路上，用于检测含水层水管中的流量；含水层水管出水阀门设置在含水层水管的出水端；监测装置与含水层模拟装置之间通过信号链路连接。
优选地，岩层模拟层由砂粒或碎石构成。
优选地，含水层水管在进入到岩层模拟层的管路下侧每隔预定间隔设置一个出水孔。
优选地，模型架包括第一侧面立柱、第二侧面立柱、前挡板、后挡板和箱式底座，其中：第一侧面立柱、第二侧面立柱均垂直安装在箱式底座上，所述第一侧面立柱、第二侧面立柱之间相互平行；前挡板、后挡板均安装在第一侧面立柱、第二侧面立柱之间，前挡板安装在前端；后挡板安装在后端。
优选地，模型架还包括横梁，所述横梁连接在第一侧面立柱、第二侧面立柱之间。
优选地，含水层箱体包括：挡板、侧板、隔水板、滑槽总成、夹层，其中：所述挡板和侧板构成含水层箱体的四周边界；滑槽总成设置在挡板之间，是隔水板的插接部件；夹层设置在含水层箱体的底部，与隔水板的平面相贴合地邻接设置。
优选地，所述系统还包括监测装置，所述监测装置包括图像采集模块和信号采集模块，其中：图像采集模块设置在含水层模拟装置的正面，以对含水层模拟装置进行拍摄；信号采集模块与含水层模拟装置连接，以获得相应的水位、流量信号；
优选地，水箱中还设置有水箱水位计。
优选地，在含水层水管6延伸在岩层模拟层中的管路上，每隔100mm设置一个直径为3-5mm的出水孔。
优选地，滑槽上设置有密封槽，在密封槽中安装有密封圈，利用所述密封圈，滑槽总成与隔水板之间隔水密封。
相对于现有技术，本发明能够模拟开采前含水层中水与岩层共存的状态，开采后下部岩层形成裂隙场后，含水层中水的流动过程、水在裂隙场中渗流过程及含水层所形成的整体结构受采动影响的变化，从而能够为保水开采提供较准确的信息。
附图说明
图1是本发明一种具体实施方式的保水开采的模拟系统的结构示意图；
图2是图1所示系统的俯视图；
图3是本发明一种具体实施方式的保水开采的模拟系统中模型架的结构示意图；
图4是本发明一种具体实施方式中含水层箱体的滑槽总成的结构示意图；
图5是图4所示的滑槽总成的A-A向剖视图；
图6是图4所示的滑槽总成的B-B向剖视图；
图7是本发明一种具体实施方式中滑槽与隔水板之间密封的结构示意图
图8是本发明一种具体实施方式中夹层支架与隔水板之间密封的结构示意图；
图9是本发明一种具体实施方式中夹层与隔水板之间密封的结构示意图；
图10是本发明一种具体实施方式中监测装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明一种具体实施方式中的保水开采的模拟系统包括：模型架100、含水层模拟装置和监测装置。
其中，如图3所示，模型架100包括第一侧面立柱101、第二侧面立柱103、前挡板104、后挡板（未示出）和箱式底座105。第一侧面立柱、第二侧面立柱均垂直安装在箱式底座上，所述第一侧面立柱、第二侧面立柱之间相互平行；前挡板、后挡板可以是相同的板件，前挡板、后挡板均安装在第一侧面立柱、第二侧面立柱之间，而且前挡板安装在前端；后挡板安装在后端。所述“前”、“后”位于与第一侧面立柱、第二侧面立柱垂直，且与前挡板、后挡板垂直的方向上，其中，水流入含水层模拟装置的一端是“前”，水流出含水层模拟装置的一端是“后”。
其中：第一侧面立柱101、第二侧面立柱103均可以由槽钢实现，优选地采用32b号槽钢。第一侧面立柱101、第二侧面立柱103焊接在箱式底座105上。多块前挡板104、后挡板连接在第一侧面立柱101、第二侧面立柱103之间，前挡板、后挡板可以由多块5号槽钢或10号槽钢形成。通过螺栓将前挡板、后挡板的两端固定在侧面立柱101、103上，从而构成一个模型箱体。在模型架100中，可以逐层地设置诸如含水层模拟装置、覆岩模拟层、煤层模拟层等模拟材料层。
箱式底座105是模型架100的基础，用于支撑第一侧面立柱101、第二侧面立柱103、前挡板、后挡板。箱式底座105可以由钢板通过焊接或其他工艺连接形成，箱式底座105的具体尺寸可以根据具体应用确定。
优选地，模型架100包括横梁102，横梁102可以通过螺栓固定到第一侧面立柱101、第二侧面立柱103上，例如：分别在第一侧面立柱101、第二侧面立柱103上部500mm区域中，每隔50mm开设横梁的装配孔，以便安装横梁102，也便于调节横梁102在竖直方向上的位置。横梁102用于增加模型架100的结构强度，而且，在测量覆岩模拟层的位移等参数时，横梁102还可以用于固定千分表或千斤顶等器件。
含水层模拟装置安装在模型架100上，监测装置与含水层模拟装置200之间通过信号链路连接。所述信号链路包括有线信号链路或无线信号链路，有线信号链路可以通过信号线及其相应的适配器来实现，用于传输流量信号或水位信号等参数；无线信号链路可以由射频信号发射器、射频信号接收器等器件实现，用于通过无线方式传输流量信号或水位信号等参数。
含水层模拟装置包括进水管1、水箱支架2、水箱3、含水层水管6、含水层水管进水阀门7、含水层水管流量计8、含水层水管出水阀门9、岩层模拟层10、含水层箱体11和含水层水位计12。
进水管1设置在水箱上方，用于为水箱供水。进水管1可以采用金属管或PVC管路，如图所示，进水管1的出水口可以位于水箱3上方，以便进水管1的出水可以顺利流入水箱3中。进水管1的长度、管径可以根据具体应用来确定。优选地，本发明的保水开采的模拟系统的水箱3中还设置有水箱水位计5，通过所述水箱水位计5可以观测水箱中水位的高低。水箱水位计5可以采用浮子式水位计、压力式水位计等合适类型的水位计。
水箱3安装在水箱支架2上。水箱支架2可以由金属材料制成，所述水箱支架2用于支撑水箱3。水箱支架2的架体结构、尺寸可以采用各种适合的结构。
含水层水管6的入水端与水箱3连接，并且含水层水管6的一部分管路在岩层模拟层10中延伸，在所述管路上设置有多个出水方向向下的出水孔。优选地，在水箱3的底部设置有连接管4，可以通过连接管4与含水层水管6的入水端连接，连接管4可以采用塑料软管，含水层水管6可以采用金属管，在进入到含水层箱体11中的岩层模拟层10的管路下侧每隔预定间隔设置一个出水孔，从而在含水层水管6上设置多个出水孔，以使含水层水管6中的水渗入岩层模拟层10中。在一个优选实施方式中，含水层水管6延伸在岩层模拟层10中的管路上每隔100mm设置一个直径为3-5mm的出水孔。
岩层模拟层10铺设在含水层箱体11中，在含水层箱体11中还铺设有煤层模拟层，以便模拟煤矿开采过程中煤层的状态。岩层模拟层10可以采用洁净的中粗砂、砾砂或直径小于10mm的碎石块与河砂的混合物构成，其中，中粗砂是指粒度在2.8mm-3.2mm之间的砂粒；砾砂是指砂土中砾粒（粒径大于2毫米的砂粒）含量占总质量25％～50％的砂。岩层模拟层10放置在含水层箱体总成11中，含水层箱体中水位的高低，可以通过含水层水位计12来进行观测。含水层水位计12可以采用浮子式水位计、压力式水位计等合适类型的水位计。
含水层箱体11固定在模型架100上。含水层箱体11的容积、尺寸可以根据具体应用来确定，在含水层箱体11中分层设置有多个模拟层，各模拟层由相应的模拟材料构成。
如图4、5、6所示，含水层箱体11包括：挡板；侧板；隔水板11-3；滑槽总成11-4；夹层11-7、11-8。其中：挡板11-1、11-6和侧板11-2、11-5均可以由厚度为15mm的有机玻璃板制成；隔水板11-3可以由有机玻璃板制成，例如由厚度为5mm的有机玻璃板制成。所述挡板和侧板构成含水层箱体11的四周边界，在含水层箱体11的底部设置有夹层11-7、11-8。挡板可以包括第一挡板11-1、第二挡板11-6；侧板可以包括第一侧板11-2、第二侧板11-5。
在挡板11-1、11-6的边缘处设置有螺栓孔，通过螺母将挡板11-1、11-6固定在模型架100上。在侧板11-5的底部设置有出水孔，所述出水孔用于将含水层箱体中的水排出。优选地，在出水孔处设置有含水层水位计12，用于检测含水层箱体中的水位。
滑槽总成11-4用作隔水板11-3的插接部件，使得隔水板11-3能够插入滑槽总成11-4中。滑槽总成11-4设置在挡板之间，例如第一挡板11-1、第二挡板11-6之间。滑槽总成11-4的结构如图7、8、9所示。滑槽总成11-4包括：滑槽11-4-1、密封圈11-4-2。隔水板11-3的一部分边缘安装在滑槽总成11-4上，在滑槽11-4-1上可以设置密封槽，在密封槽中安装密封圈11-4-2，从而实现滑槽总成11-4与隔水板11-3之间的隔水密封。
隔水板11-3的另一部分边缘安装在夹层支架11-7-2上，而且在夹层支架11-7-2上可以设置密封槽，在密封槽中安装密封条11-7-1，从而实现夹层支架11-7-2与隔水板11-3之间的隔水密封。
夹层11-7、11-8与隔水板11-3的平面相贴合地邻接设置，夹层11-8的结构如图9所示。在夹层支架11-8-1上设置密封槽，在密封槽中安装密封条11-8-2，从而实现夹层11-8与隔水板11-3之间的隔水密封。
含水层水管进水阀门7设置在含水层水管6的入水端与水箱3之间，用于控制含水层水管6的进水。含水层水管出水阀门9设置在含水层水管6的出水端，用于控制含水层水管6的出水。含水层水管进水阀门7、含水层水管出水阀门9可以采用各种适合的阀门类型，优选地，含水层水管进水阀门7、含水层水管出水阀门9均为电子阀门。
含水层水管流量计8串联在含水层水管的管路上，用于检测含水层水管6中的流量。含水层水管流量计8可以采用各种适合的流量计，例如差压式流量计、容积式流量计中的任何一种。含水层水管流量计8由含水层水管进水阀门7控制水箱3中的水是否流入含水层水管6，含水层进水管流量计8用于采集流入含水层水管6水流量的大小。
如图10所示，监测装置用于监测裂隙场形成及演化过程。监测装置包括信号采集模块310和图像采集模块320，其中，图像采集模块320用于拍摄岩层模拟层的裂隙状态；信号采集模块310用于采集含水层模拟装置中的水位信号、流量信号。
图像采集模块320可以由摄像机等视频采集装置及相应的有线信号链路或无线信号链路实现，图像采集模块设置在含水层模拟装置的正面，以对含水层模拟装置进行实时拍摄，以便实时记录不同时刻含水层模拟装置的表面裂隙产生及发育过程，从而可以通过图像分析裂隙场的分布及含水层中水的渗流过程。
信号采集模块310可以由数字处理单元（例如CPU）、流量计、水位计、A/D转换器、D/A转换器及有线信号链路或无线信号链路实现。信号采集模块从设置在含水层模拟装置中的各个水位计、流量计获得相应的水位、流量信号。
在实际应用中，监测装置可以同时监测含水的岩层模拟层和其他模拟层的数据，在图10所示的实施例中：采集预埋在岩层中的压力盒312存储的数据以及固定在模型架100的横梁上监测最上部岩层位移的位移计313的数据。在图10所示的实施例中，315为含水的岩层模拟层，316为其它模拟层。利用图像采集模块320从正面对模型架100上的各个模拟层实时进行拍摄，并且实时记录不同时刻模拟层表面裂隙产生及发育过程，通过图像分析各岩层的位移以及裂隙场的分布及含水层中水的渗流过程。
以上实施方式仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施方式对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种保水开采的模拟系统，其特征在于，所述系统包括：模型架、含水层模拟装置和监测装置，含水层模拟装置安装在模型架上，其中：
含水层模拟装置包括进水管、水箱支架、水箱、含水层水管、含水层水管进水阀门、含水层水管流量计、含水层水管出水阀门、岩层模拟层、含水层箱体和含水层水位计，其中：
进水管设置在水箱上方，用于为水箱供水；
水箱安装在水箱支架上；
含水层水管的入水端与水箱连接，并且含水层水管的一部分管路在岩层模拟层中延伸，在所述管路上设置有多个出水方向向下的出水孔；
岩层模拟层铺设在含水层箱体中；岩层模拟层由砂粒或碎石构成；
含水层箱体固定在模型架上；
含水层水位计设置在含水层箱体中，用于检测含水层箱体中的水位；
含水层水管进水阀门设置在含水层水管入水端与水箱之间；
含水层水管流量计连接在含水层水管的管路上，用于检测含水层水管中的流量；
含水层水管出水阀门设置在含水层水管的出水端；
监测装置与含水层模拟装置之间通过信号链路连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，含水层水管在进入到岩层模拟层的管路下侧每隔预定间隔设置一个出水孔。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，模型架包括第一侧面立柱、第二侧面立柱、前挡板、后挡板和箱式底座，其中：
第一侧面立柱、第二侧面立柱均垂直安装在箱式底座上，所述第一侧面立柱、第二侧面立柱之间相互平行；
前挡板、后挡板均安装在第一侧面立柱、第二侧面立柱之间，前挡板安装在前端；后挡板安装在后端。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，模型架还包括横梁，所述横梁连接在第一侧面立柱、第二侧面立柱之间。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，含水层箱体包括：挡板、侧板、隔水板、滑槽总成、夹层，其中：
所述挡板和侧板构成含水层箱体的四周边界；
滑槽总成设置在挡板之间，是隔水板的插接部件；
夹层设置在含水层箱体的底部，与隔水板的平面相贴合地邻接设置。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括监测装置，所述监测装置包括图像采集模块和信号采集模块，其中：
图像采集模块设置在含水层模拟装置的正面，以对含水层模拟装置进行拍摄；
信号采集模块与含水层模拟装置连接，以获得相应的水位、流量信号。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，水箱中还设置有水箱水位计。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在含水层水管延伸在岩层模拟层中的管路上，每隔100mm设置一个直径为3-5mm的出水孔。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述滑槽总成包括滑槽，所述滑槽上设置有密封槽，在密封槽中安装有密封圈，利用所述密封圈，滑槽总成与隔水板之间隔水密封。
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| SU1157234A1 (ru) * | 1983-12-22 | 1985-05-23 | Brekhov Ivan T | Способ вскрыти и разработки рабочих горизонтов карьеров выт нутой формы |
| CN201007871Y (zh) * | 2007-02-23 | 2008-01-16 | 中国矿业大学 | 保水采煤固液耦合三维物理模拟试验架 |
| CN201037819Y (zh) * | 2007-04-20 | 2008-03-19 | 中国矿业大学 | 松散承压含水层载荷传递作用的实验装置 |
| CN102400714A (zh) * | 2010-09-11 | 2012-04-04 | 中国矿业大学 | 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 |
| CN202914104U (zh) * | 2012-04-28 | 2013-05-01 | 中国神华能源股份有限公司 | 一种保水开采的模拟系统 |
-
2012
- 2012-04-28 CN CN201210133769.1A patent/CN102865077B/zh active Active
Patent Citations (5)
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| CN202914104U (zh) * | 2012-04-28 | 2013-05-01 | 中国神华能源股份有限公司 | 一种保水开采的模拟系统 |
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