CN104200734A - 一种反演煤层底板突水的试验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模拟煤层底板突水的试验装置及其方法，可有效解决模拟煤层底板突水过程中承压水的作用，演示导水通道的形成过程并收集相关数据的问题，技术方案是，包括实验架和顶部加载系统，实验架的下部内装有水平的储水加载板，实验架的外部装有拆卸式的挡板，储水加载板和挡板之间的实验架内部构成用于容纳模拟材料的实验空间，底梁上装有底部加载系统，储水加载板的上表面均布有连通实验空间和其内腔的出水孔，下表面均布有与其内腔相连通的注水孔，注水孔上装有自由端伸入水槽内水体的注水管道，本发明不但解决了压力变化难以控制的问题，更起到水力冲刷渗透作用，是模拟煤层底板突水试验装置上的创新。

Description

一种反演煤层底板突水的试验装置及其方法

技术领域

本发明涉及模拟试验装置，特别是一种用于模拟煤层底板突水的试验装置及其方法。

背景技术

相似试验是以相似理论为基础的模型试验技术，利用事物或现象间存在的相似或类似等特征来研究自然规律，适用于那些难以用理论分析方法获取结果的研究领域。采场底板失稳破坏引发突水的过程实质上是在采动矿压和水压共同作用下，导升带与采动破坏带相连进而形成导水通道的演变过程。由于底板突水问题的特殊性，人们不可能在现场观察到底板突水的破坏过程，而理论分析过程中对许多因素做了大量简化。鉴于相似试验具有直观性强、灵活性好、效率高、重复性好等优点，对带压开采底板突水过程进行物理模拟，可以形象揭示底板隔水层裂隙生长、发育、贯通，并最终形成导水通道的动态过程。

中国矿业大学、西安煤科院等单位先后开展底板突水的相似试验。对于此试验的难点是对底板承压水的模拟，前人有用弹簧、橡胶块、水囊等替代承压水，这些替代物的缺点是被动施压，由于采动影响压力一旦释放就不能持续施压导致实验结果与事实不符，另外模拟不到水力的冲刷渗透作用。有部分学者研制了直接用水力代替承压水的装置，虽然起到了冲刷渗透的作用，但由于外界施加的水压保持一致，而事实是承压水导升以后导致水压的变化，如果继续保持水压的不变就会致使形成的导水通道失真。

由此可见，现有的试验装置有待于更进一步的改进。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种用于模拟煤层底板突水的试验装置及其方法，可有效解决模拟煤层底板突水过程中承压水的作用，演示导水通道的形成过程并收集相关数据的问题。

本发明解决的技术方案是：

一种反演煤层底板突水的试验装置，包括实验架和顶部加载系统，实验架是由底梁、顶梁底梁和装在底梁、顶梁之间的竖梁构成的方形框架结构，实验架的下部内装有水平的储水加载板，实验架的外部装有拆卸式的挡板，储水加载板和挡板之间的实验架内部构成用于容纳模拟材料的实验空间，实验架的顶梁装有顶部加载系统，底梁上装有底部加载系统，底部加载系统是由竖直装在实验架的底梁上的多个第一液压缸构成的，第一液压缸的活塞杆与储水加载板固定在一起，构成储水加载板在第一液压缸活塞杆的推动下沿实验空间上下滑动的活动结构，第一液压缸的缸体经管道与液压控制台相连，所述的储水加载板为中空结构，储水加载板的上表面均布有连通实验空间和其内腔的出水孔，下表面均布有与其内腔相连通的注水孔，注水孔上装有自由端伸入水槽内水体的注水管道，每条注水管道上均装有与水压控制台相连的增压水泵，液压控制台和水压控制台分别与计算机相连。

所述的实验空间内装有模拟材料，压力盒、位移计和孔隙水压力传感器分别置于模拟材料内，压力盒、位移计和孔隙水压力传感器分别经数据线与数据收集设备相连。

一种基于权利要求1所述试验装置的反演煤层底板突水的方法，包括以下步骤：

1）针对所要模拟的具有突水危险性的工作面，回采前在承压水层上部沿工作面推进方向埋若干水压力传感器；工作面推进过程中，水压力传感器采集到的不同位置的水压数据；

2）将水压力传感器采集到的不同位置的水压数据输入计算机，经数据处理软件处理后，现场的水压数据转化为试验需要的待用数据；

3）安装试验装置，所述的试验装置包括实验架和顶部加载系统，实验架是由底梁、顶梁底梁和装在底梁、顶梁之间的竖梁构成的方形框架结构，实验架的下部内装有水平的储水加载板，实验架的外部装有拆卸式的挡板，储水加载板和挡板之间的实验架内部构成用于容纳模拟材料的实验空间，实验架的顶梁装有顶部加载系统，底梁上装有底部加载系统，底部加载系统是由竖直装在实验架的底梁上的多个第一液压缸构成的，第一液压缸的活塞杆与储水加载板固定在一起，构成储水加载板在第一液压缸活塞杆的推动下沿实验空间上下滑动的活动结构，第一液压缸的缸体经管道与液压控制台相连，所述的储水加载板为中空结构，储水加载板的上表面均布有连通实验空间和其内腔的出水孔，下表面均布有与其内腔相连通的注水孔，注水孔上装有自由端伸入水槽内水体的注水管道，每条注水管道上均装有与水压控制台相连的增压水泵，液压控制台和水压控制台分别与计算机相连。

4）根据工作面岩层性质，确定模拟材料的配比，按确定的配比将各个原料混合在一起，搅拌均匀，等待铺设；模拟材料的配比可参照《矿山压力的相似模拟试验》，根据岩层性质确定配比号，以此确定各分层的各种原料用量；

5）在储水加载板和挡板之间的的实验空间内铺设模拟材料，铺设过程中把压力盒、位移计和孔隙水压力传感器埋在所需收集数据的位置，并将压力盒、位移计和孔隙水压力传感器分别经数据线与数据收集设备相连；

6）拆去挡板，等待模拟材料干燥胶结，作为模拟的底板；

7）模型干燥以后，上部加载系统施加压力补偿未模拟到的部分；

8）开始模拟开挖煤层，同时输出计算机中的待用数据分别控制液压控制台和水压控制台，两控制台根据输出数据，控制增压水泵及第一液压缸工作，对模拟的底板施压，自动调节压力大小，模拟开挖期间，观察底板破坏过程并通过数据收集设备收集数据，模拟开挖位置的时间与计算机输出数据时间相对应。

本发明结构新颖独特，是一种能够逼真的模拟出煤层底板突水的装置，其反演煤层底板突水的方法简单，自动化控制程度高，液压装置与水压装置共同作用模拟承压水，不但解决了压力变化难以控制的问题，更起到水力冲刷渗透作用。计算机软件的自动化控制更是消除了人力控制的不准确性，使试验结果更真实，是模拟煤层底板突水试验装置上的创新。

附图说明

图1 为本发明试验装置的结构示意图。

图2为本发明实验架的侧视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

由图1、2给出，本发明一种反演煤层底板突水的试验装置，包括实验架和顶部加载系统，实验架是由底梁2c、顶梁底梁2a和装在底梁、顶梁之间的竖梁2b构成的方形框架结构，实验架的下部内装有水平的储水加载板5，实验架的外部装有拆卸式的挡板14，储水加载板5和挡板14之间的实验架内部构成用于容纳模拟材料12的实验空间，实验架的顶梁装有顶部加载系统3，底梁上装有底部加载系统，底部加载系统是由竖直装在实验架的底梁上的多个第一液压缸4构成的，第一液压缸4的活塞杆与储水加载板5固定在一起，构成储水加载板在第一液压缸活塞杆的推动下沿实验空间上下滑动的活动结构，第一液压缸4的缸体经管道与液压控制台10相连，所述的储水加载板5为中空结构，储水加载板的上表面均布有连通实验空间和其内腔的出水孔16，下表面均布有与其内腔相连通的注水孔17，注水孔17上装有自由端伸入水槽8内水体8a的注水管道6，每条注水管道6上均装有与水压控制台9相连的增压水泵7，液压控制台10和水压控制台9分别与计算机11相连。

为保证使用效果，所述的液压控制台10上装有与各个第一液压缸4相对应的压力表，观察方便；

所述的顶部加载系统3是由竖直装在实验架的顶梁上的多个第二液压缸4构成的，第二液压缸4的活塞杆伸入实验空间，端部上装有压板（压板图中未给出）；

所述的实验空间内装有模拟材料2，压力盒1a、位移计1b和孔隙水压力传感器1c分别置于模拟材料2内，压力盒1a、位移计1b和孔隙水压力传感器1c分别经数据线与数据收集设备13相连；

所述的实验架装在底座18上，起到稳定试验架的作用；

所述的液压控制台10为市售产品（现有技术），如扬州添尔力机械厂生产的YKT-100型智能液压控制台；所述的水压控制台9为市售产品（现有技术），如广州三晶电器公司生产的8200型智能水泵控制器；所述的孔隙水压力传感器1c均为市售产品（现有技术），如长沙三智电子科技有限公司生产的SZX-FXX型的孔隙水压力传感器；所述的数据收集设备13为市售产品（现有技术），如济南西格马公司生产的ASMB2-24型应变仪；

一种反演煤层底板突水的方法，包括以下步骤：

1）针对所要模拟的具有突水危险性的工作面，回采前在承压水层上部沿工作面推进方向埋若干水压力传感器；工作面推进过程中，水压力传感器采集到的不同位置的水压数据；

2）将水压力传感器采集到的不同位置的水压数据输入计算机，经数据处理软件处理后，现场的水压数据转化为试验需要的待用数据；所述的经数据处理软件能将采掘现场水压力传感器采集到的不同位置的水压数据按相似比例（相似比例为依据相似准则确定的相似参数，包括模型几何相似系数、时间相似系数、容重相似系数等）转化为模型中相对应位置的水压数据，并将转化后的待用数据输出给液压控制台和水压控制台，所述的数据处理软件可使用由上海宝信软件股份有限公司开发的iCentroView； 

3）安装试验装置，所述的试验装置包括实验架和顶部加载系统，实验架是由底梁2c、顶梁底梁2a和装在底梁、顶梁之间的竖梁2b构成的方形框架结构，实验架的下部内装有水平的储水加载板5，实验架的外部装有拆卸式的挡板14，储水加载板5和挡板14之间的实验架内部构成用于容纳模拟材料12的实验空间，实验架的顶梁装有顶部加载系统3，底梁上装有底部加载系统，底部加载系统是由竖直装在实验架的底梁上的多个第一液压缸4构成的，第一液压缸4的活塞杆与储水加载板5固定在一起，构成储水加载板在第一液压缸活塞杆的推动下沿实验空间上下滑动的活动结构，第一液压缸4的缸体经管道与液压控制台10相连，所述的储水加载板5为中空结构，储水加载板的上表面均布有连通实验空间和其内腔的出水孔16，下表面均布有与其内腔相连通的注水孔17，注水孔17上装有自由端伸入水槽8内水体8a的注水管道6，注水管道6穿过实验架上的预留口15伸入液面以下，每条注水管道6上均装有与水压控制台9相连的增压水泵7，液压控制台10和水压控制台9分别与计算机11相连。

4）根据工作面岩层性质，确定模拟材料12的配比，按确定的配比将各个原料混合在一起，搅拌均匀，等待铺设；模拟材料12的配比可参照《矿山压力的相似模拟试验》，根据岩层性质确定配比号，以此确定各分层的各种原料用量，如其中一层中粒砂岩厚3.2cm，根据岩层确定配比号为537，总重为24Kg，材料用量为砂18Kg，碳酸钙3Kg，石膏3Kg，水2.67Kg，硼砂16.7g；

5）在储水加载板5和挡板14之间的的实验空间内铺设模拟材料，铺设过程中把压力盒1a、位移计1b和孔隙水压力传感器1c埋在所需收集数据的位置，并将压力盒1a、位移计1b和孔隙水压力传感器1c分别经数据线与数据收集设备13相连；

6）拆去挡板，等待模拟材料干燥胶结，作为模拟的底板；

7）模型干燥以后，上部加载系统施加压力补偿未模拟到的部分，由于模型架的高度有一定的限制，有时模型模拟不到地表，对于未模拟到的部分上部加载系统施加压力给予补偿；

8）开始模拟开挖煤层，计算机用数据传输线分别与液压控制台、水压控制台相连，模拟开挖位置的时间与计算机输出数据时间相对应，保证模拟开挖到的位置有相应的压力施加，随着模型开挖的进行，计算机在相应时间内输出处理过的数据到两个控制台，分别控制液压控制台10和水压控制台9根据输出数据，控制增压水泵7及第一液压缸4工作，压水泵7经注水管道6依次通过注水孔和出水孔，对模拟的底板进行注水加压，起到水力冲刷渗透的作用，第一液压缸4的活塞杆伸出，推动储水加载板5对模拟的底板加压，共同作用，对模拟的底板施压，并且通过计算机自动调节压力大小，实现煤层底板突水的模拟，开挖期间，观察底板破坏过程并通过数据收集设备13收集数据。

本发明经实际应用，取得了良好的效果，如通过对赵固二矿11011工作面进行了底板突水模拟，重现了底板断层抬升失稳突水的前兆信息，和现场情形相符合。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、液压装置与水压装置共同作用模拟承压水，不但解决了压力变化难以控制的问题，更起到水力冲刷渗透作用；

2、自动化控制程度高，计算机软件的自动化控制更是消除了人力控制的不准确性，使试验结果更真实，准确；

3、解决了底板突水难以模拟的问题，使底板裂隙在水压和采动双重作用下扩展失稳及其突水过程更加容易观测记录。

Claims (6)

1.一种反演煤层底板突水的试验装置，包括实验架和顶部加载系统，其特征在于，实验架是由底梁（2c）、顶梁底梁（2a）和装在底梁、顶梁之间的竖梁（2b）构成的方形框架结构，实验架的下部内装有水平的储水加载板（5），实验架的外部装有拆卸式的挡板（14），储水加载板（5）和挡板（14）之间的实验架内部构成用于容纳模拟材料（12）的实验空间，实验架的顶梁装有顶部加载系统（3），底梁上装有底部加载系统，底部加载系统是由竖直装在实验架的底梁上的多个第一液压缸（4）构成的，第一液压缸（4）的活塞杆与储水加载板（5）固定在一起，构成储水加载板在第一液压缸活塞杆的推动下沿实验空间上下滑动的活动结构，第一液压缸（4）的缸体经管道与液压控制台（10）相连，所述的储水加载板（5）为中空结构，储水加载板的上表面均布有连通实验空间和其内腔的出水孔（16），下表面均布有与其内腔相连通的注水孔（17），注水孔（17）上装有自由端伸入水槽（8）内水体（8a）的注水管道（6），每条注水管道（6）上均装有与水压控制台（9）相连的增压水泵（7），液压控制台（10）和水压控制台（9）分别与计算机（11）相连。

2.根据权利要求1所述的反演煤层底板突水的试验装置，其特征在于，所述的液压控制台（10）上装有与各个第一液压缸（4）相对应的压力表。

3.根据权利要求1所述的反演煤层底板突水的试验装置，其特征在于，所述的顶部加载系统（3）是由竖直装在实验架的顶梁上的多个第二液压缸（4）构成的，第二液压缸（4）的活塞杆伸入实验空间，端部上装有压板。

4.根据权利要求1所述的用于反演煤层底板突水的试验装置，其特征在于，所述的实验空间内装有模拟材料（2），压力盒（1a）、位移计（1b）和孔隙水压力传感器（1c）分别置于模拟材料（2）内，压力盒（1a）、位移计（1b）和孔隙水压力传感器（1c）分别经数据线与数据收集设备（13）相连。

5.根据权利要求1所述的反演煤层底板突水的试验装置，其特征在于，所述的实验架装在底座（18）上，起到稳定试验架的作用。

6.一种基于权利要求1所述试验装置的反演煤层底板突水的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）针对所要模拟的具有突水危险性的工作面，回采前在承压水层上部沿工作面推进方向埋若干水压力传感器；工作面推进过程中，水压力传感器采集到的不同位置的水压数据；

2）将水压力传感器采集到的不同位置的水压数据输入计算机，经数据处理软件处理后，现场的水压数据转化为试验需要的待用数据；

3）安装试验装置，所述的试验装置包括实验架和顶部加载系统，实验架是由底梁（2c）、顶梁底梁（2a）和装在底梁、顶梁之间的竖梁（2b）构成的方形框架结构，实验架的下部内装有水平的储水加载板（5），实验架的外部装有拆卸式的挡板（14），储水加载板（5）和挡板（14）之间的实验架内部构成用于容纳模拟材料（12）的实验空间，实验架的顶梁装有顶部加载系统（3），底梁上装有底部加载系统，底部加载系统是由竖直装在实验架的底梁上的多个第一液压缸（4）构成的，第一液压缸（4）的活塞杆与储水加载板（5）固定在一起，构成储水加载板在第一液压缸活塞杆的推动下沿实验空间上下滑动的活动结构，第一液压缸（4）的缸体经管道与液压控制台（10）相连，所述的储水加载板（5）为中空结构，储水加载板的上表面均布有连通实验空间和其内腔的出水孔（16），下表面均布有与其内腔相连通的注水孔（17），注水孔（17）上装有自由端伸入水槽（8）内水体（8a）的注水管道（6），每条注水管道（6）上均装有与水压控制台（9）相连的增压水泵（7），液压控制台（10）和水压控制台（9）分别与计算机（11）相连；

4）根据工作面岩层性质，确定模拟材料（12）的配比，按确定的配比将各个原料混合在一起，搅拌均匀，等待铺设； 

5）在储水加载板（5）和挡板（14）之间的的实验空间内铺设模拟材料，铺设过程中把压力盒（1a）、位移计（1b）和孔隙水压力传感器（1c）埋在所需收集数据的位置，并将压力盒（1a）、位移计（1b）和孔隙水压力传感器（1c）分别经数据线与数据收集设备（13）相连；

6）拆去挡板，等待模拟材料干燥胶结，作为模拟的底板；

7）模型干燥以后，上部加载系统施加压力补偿未模拟到的部分；

8）开始模拟开挖煤层，同时输出计算机中的待用数据分别控制液压控制台（10）和水压控制台（9），两控制台根据输出数据，控制增压水泵（7）及第一液压缸（4）工作，对模拟的底板施压，自动调节压力大小，模拟开挖期间，观察底板破坏过程并通过数据收集设备（13）收集数据。