CN104849428B - 一种模拟地下煤炭开采覆岩运移及突水溃砂实验装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟地下煤炭开采覆岩运移及突水溃砂实验装置，属于煤炭开采技术领域。该实验装置可获得含水层下煤层开采时上覆含水层水压及水量的实时监控的相似材料模拟实验。注水高压胶管的一端与地面水压力模拟实验装置中的压力水罐的放水阀连接，注水高压胶管的另一端与矿压模型框架上的进水接头连接，所述的注气高压胶管的一端与地面水压力模拟实验装置中的压力水罐的进气接头连接，注气高压胶管的另一端与储气罐的出气接头连接。本发明可以广泛用于上覆水体下或承压水体上煤层开采覆岩运移及突水溃砂相似模拟实验之中。

Description

一种模拟地下煤炭开采覆岩运移及突水溃砂实验装置

技术领域

本发明涉及一种模拟地下煤炭开采实验设备，属于煤炭开采技术领域。

背景技术

目前，在国内已有的模拟地下煤炭开采实验装置中，平-立组合加载相似模拟实验架（专利号：200910020960.3），地下工程相似材料模拟实验装置（专利号：201220603366.4），一种相似材料立体模拟实验支架（专利号：00226585.0），类似装置采用单体实验架组装的技术方案，单体实验架上设置加压装置，属于固体材料实验模拟装置。在煤层开采固体相似材料实验模拟过程中使用上述装置虽然具有组装方便、能加载等特点，但是在模拟含水层下煤层开采，上覆岩层运移及突水溃砂等固液耦合实验模拟时，还是存在无法模拟诸多含水层及含水层水压水量无法精准控制的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟地下煤炭开采覆岩运移及突水溃砂实验装置，利用该装置可获得含水层下煤层开采时上覆含水层水压及水量的实时监控的相似材料模拟实验。

本发明解决上述问题采取的技术方案分别是：

一种模拟地下煤炭开采覆岩运移及突水溃砂实验装置，包括储气罐、矿压模型框架、地面水压力模拟实验装置、注水高压胶管及注气高压胶管；所述的注水高压胶管的一端与地面水压力模拟实验装置中的压力水罐的放水阀连接，注水高压胶管的另一端与矿压模型框架上的进水接头连接，所述的注气高压胶管的一端与地面水压力模拟实验装置中的压力水罐的进气接头连接，注气高压胶管的另一端与储气罐的出气接头连接。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明的实验装置用于实验室的利用相似材料模拟监测含水层下煤层开挖时上覆岩层运移及突水溃砂模拟过程中水压及水量监控。其有益效果具体如下：

1、本发明中，高压注水胶管的一端与地面水压力模拟实验装置中的压力水罐的放水阀连接，高压注水胶管的另一端与矿压模型框架上的进水接头连接，高压注气胶管的一端与地面水压力模拟实验装置中的压力水罐的进气接头连接，高压注气胶管的另一端与储气罐的出气接头连接，使得压力水罐、储气罐与矿压模型框架之间连接成一体，并与固液耦合相似材料配合完成含水层下煤层开采覆岩运移及突水溃砂实验模拟工作，工作效率高。

2、矿压模型框架中的底板支架、底板、立柱、横梁及墙板均为槽钢结构件，并且均在实验室内现场进行安装，安装更加灵活，减轻劳动强度；地面水压力模拟实验装置和储气罐均安装有万向轮，便于移动，利于实验设备的维护和保养。

3、储气罐为压力水罐上部的储气空间提供压力，由于储气罐内的气体压力调控性能好，从而实现了压力水罐注入模拟含水层内的水量、水压的精准调控，尤其是在上覆水体下或承压水体上煤层开采相似模拟实验中，实现含水层的模拟效果更好，水压水量调控更加安全可靠。

综上，本发明可以广泛用于上覆水体下或承压水体上煤层开采覆岩运移及突水溃砂相似模拟实验之中。

附图说明

图1是本发明的矿压模型框架的轴测图；

图2是本发明的地面水压力模拟实验装置的西南视角的轴测图；

图3是本发明的地面水压力模拟实验装置的东南视角的轴测图；

图4是压力水罐通过高压注水胶管与矿压模型框架上的进水接头连接的轴测图。

上述图中涉及到的部件名称及标号分别为：

图中，底板支架1、底板2、出线槽3、墙板4、立柱5、横梁6、横梁连接板7、进水接头8、墙板固定件9、万向轮10、支撑架11、放水阀12、压力传感器13、磁体式水位显示器14、压力表15、时间显示表16、电子水位检测器17、进气接头18、控制盒19、数字显示水位表20、压力水罐21、法兰22、注水高压胶管23、矿压模型框架24、地面水压力模拟实验装置25、注气高压胶管26、储气罐27、出气接头28。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1~图4所示，一种模拟地下煤炭开采覆岩运移及突水溃砂实验装置，包括储气罐27、矿压模型框架24、地面水压力模拟实验装置25、注水高压胶管23及注气高压胶管26；所述的注水高压胶管23的一端与地面水压力模拟实验装置25中的压力水罐21的放水阀12连接，注水高压胶管23的另一端与矿压模型框架24上的进水接头8连接，所述的注气高压胶管26的一端与地面水压力模拟实验装置25中的压力水罐21的进气接头18连接，注气高压胶管26的另一端与储气罐27的出气接头28连接。

所述的注水高压胶管23和注气高压胶管26均由耐高压的双层钢丝网的橡胶材料制成，并且在注水高压胶管23和注气高压胶管26的两端分别压制有连接接头。

所述的储气罐27为压力水罐21提供压力，由于储气罐27内的气体压力可调控性好，从而实现了压力水罐21注入模拟含水层内的水量、水压可精准调控，尤其是在上覆水体下或承压水体上煤层开采相似模拟实验中，实现含水层的模拟效果更好，水压水量调控更加安全可靠。

所述的储气罐27的底部安装有万向轮（优选为万向限位轮），便于将储气罐27移动至需要的位置。

具体实施方式二：如图1和图4所示，具体实施方式一所述的一种模拟地下煤炭开采覆岩运移及突水溃砂实验装置，所述的矿压模型框架24包括底板支架1、底板2、多个墙板4、两个立柱5、两个横梁6、多个横梁连接板7、多个进水接头8和多个墙板固定件9；

所述的两个立柱5与底板支架1的两端固定连接（采用螺栓），两个立柱5的中部均加工有多个进水孔（每相邻两个进水孔的间隔为70mm；进水孔的形状为圆形，方便连接），所述的多个进水孔沿立柱5的竖向设置，每个进水孔上安装有进水接头8（方便连接注水高压胶管23），所述的底板2设置在两个立柱5之间，且底板2与底板支架1和两个立柱5固定连接，所述的两个横梁6并列设置在两个立柱5之间的上端，且两个横梁6的两端与两个立柱5固定连接，两个横梁6之间固定有多个横梁连接板7，每个立柱5上与进水孔中心线相垂直的两个侧面上分别设置有多个墙板4，每个墙板4的两端通过两个墙板固定件9与两个立柱5固定连接，墙板固定件9上设有出线槽3。

具体实施方式三：如图1和图4所示，具体实施方式二所述的一种模拟地下煤炭开采覆岩运移及突水溃砂实验装置，所述的底板支架1、底板2、立柱5、横梁6及墙板4均为槽钢结构件。强度高，使得矿压模型框架24稳定性好。

出线槽3的作用是：将相似模型中预埋的应力应变传感器（为装置的外部部件）的数据线引出至外部应变仪上，防止数据线被槽钢卡断。

具体实施方式四：如图2~图4所示，具体实施方式一所述的一种模拟地下煤炭开采覆岩运移及突水溃砂实验装置，所述的地面水压力模拟实验装置25包括支撑架11、放水阀12、压力传感器13、磁体式水位显示器14、压力表15、时间显示表16、电子水位检测器17、进气接头18、控制盒19、数字显示水位表20、压力水罐21、法兰22及四个万向轮10（万向胶轮，优选为万向限位胶轮）；所述的支撑架11的底部安装有四个万向轮10，所述的压力水罐21固定在支撑架11的底板上，压力水罐21的上端安装有进气接头18（以备模拟不同位含水层时，连接注水高压胶管23），压力水罐21的下端安装有放水阀12，压力水罐21侧壁的下部安装有压力传感器13，压力水罐21的侧壁上安装有磁体式水位显示器14，所述的磁体式水位显示器14的下端通过法兰22与支撑架11的底板固定连接，所述的电子水位检测器17安装在磁体式水位显示器14上，所述的压力表15、时间显示表16和数字显示水位表20均安装在控制盒19上，所述的控制盒19固定在支撑架11上，压力表15与压力水罐21螺纹连接，数字显示水位表20与电子水位检测器17连接。

压力传感器13的作用是：测试压力水罐21的出水压力值。

磁体式水位显示器14的作用是：显示水位的高低，用于远距离肉眼观测。

电子水位检测器17是一个水位传感器，与数字显示水位表20相连。

控制盒19用于控制所述的实验装置的供电。

控制盒19上设有液晶显示屏，电子水位检测器17所监测到的水位数据以及压力传感器13所检测到的压力数据都集中显示在这个控制盒19上，是一个集成。

所述的压力表15为数字显式压力表，为从市场专门订购的高精度仪表，精度为1‰MPa；所述的数字显式水位表20也为从市场专门定购的高精度仪表，精度为1.00mm。

放水阀12、压力传感器13、磁体式水位显示器14、压力表15、时间显示表16、电子水位检测器17及进气接头18也均为市场采购件。

压力水罐21的容积要根据相似模拟实验中含水层需水量、含水层模拟水压力的大小确定。

压力水罐21的压力是通过注气高压胶管26连接的储气罐27来供压，地面水压力模拟实验装置25中含有压力表15（优选采用数字显示压力表，便于观测）用来监测压力水罐21上部储气空间内气体压力的变化；压力水罐21下端的放水阀12的一端通过注水高压胶管23与矿压模型框架24的进水接头8相连，数字显示水位表20与电子水位检测器17相连，电子水位检测器17安装在磁体式水位显示器14上，用来监测压力水罐21注入模拟含水层内的水量变化。

具体实施方式五：如图2和图3所示，具体实施方式四所述的一种模拟地下煤炭开采覆岩运移及突水溃砂实验装置，所述的压力水罐21为不锈钢压力水罐，所述的支撑架11的底板为不锈钢底板。

压力水罐4和储气罐27的外形均为圆柱形状，且均由不锈钢材质制成。

如图1~图4所示，本发明的装置安装过程是：

1）将已经加工完成的底板支架1、底板2、出线槽3、墙板4、立柱5、横梁6、横梁连接板7、进水接头8、墙板固定件9和用于固定各部件的不锈钢螺栓运送至实验室内，除进水接头8未装配外，其余按图1设计要求进行现场装配；

2）在每个立柱9中部间隔一定距离加工有多个进水孔（为圆形），并安装上进水接头8，以备在模拟不同含水层层位时，连接注水高压胶管23；

3）将已经加工完成的万向轮10、支撑架11、放水阀12、压力传感器13、磁体式水位显示器14、电压表15、时间显示表16、电子水位检测器17、进气接头18、控制盒19、水位显示表20、压力水罐21和法兰22运送至实验室内，现场装配地面水压力模拟实验装置25；

4）将注水高压胶管23的一端与压力水罐21下端的放水阀12连接，注水高压胶管23的另一端与立柱5侧面预先安装的进水接头8连接，用来监测压力水罐21注入本发明的实验装置中模拟含水层内的水量。

将注气高压胶管26的一端与地面水压力模拟实验装置25中的压力水罐21的进气接头18连接，注气高压胶管26的另一端与储气罐27的出气接头28连接，用来监测压力水罐21上部储气空间内气体压力的变化量。进而使压力水罐21、储气罐27与矿压模型框架24之间连接成一体，即完成本发明的实验装置的组装。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

本发明的工作过程是：

一、相似模型的铺设

（1）根据所模拟矿井的地质资料，依据相似理论，确定相似模拟试验各岩层配比及所需铺设的层数；按照试验方案，在矿压模型框架24内进行模型铺设；

（2）根据所模拟矿井的地质资料，在铺设的煤层上方确定层位处，铺设防水固液耦合相似材料，用来模拟含水层，并在含水层上下界面处涂抹防水涂料；

（3）在煤层及上覆岩层指定位置处预埋岩层应力传感器，将各岩层应力传感器的数据线经出线槽3引出至外部应变仪上，与电脑相连，实时监测开挖过程中岩层内应力变化；

（4）在步骤（2）所述的含水层上方继续正常铺设相似模拟材料，直至铺设至设计层数，完成试验模型铺设；

二、地面水压力模拟实验装置25与相似模型的连接

（5）将注水高压胶管23的一端与压力水罐21下端的放水阀12连接，另一端与立柱5侧面预先安装的进水接头8连接；

（6）将注气高压胶管26的一端与压力水罐21的进气接头18连接，另一端与储气罐27的出气接头连接；

三、开始实验

（7）打开储气罐27的送气阀，气体经注气高压胶管26进入压力水罐21上部储气空间，使压力水罐21内的水经注水高压胶管23、进水接头8进入预先铺设好的模拟含水层内；

（8）对模拟煤层进行开挖，研究开挖过程中，上覆各岩层裂隙发育规律及含水层内裂隙水导通情况，观察并记录试验数据。

Claims (5)

1.一种模拟地下煤炭开采覆岩运移及突水溃砂实验装置，包括储气罐（27）、矿压模型框架（24）、地面水压力模拟实验装置（25）、注水高压胶管（23）及注气高压胶管（26）；其特征是：所述的注水高压胶管（23）的一端与地面水压力模拟实验装置（25）中的压力水罐（21）的放水阀（12）连接，注水高压胶管（23）的另一端与矿压模型框架（24）上的进水接头（8）连接，所述的注气高压胶管（26）的一端与地面水压力模拟实验装置（25）中的压力水罐（21）的进气接头（18）连接，注气高压胶管（26）的另一端与储气罐（27）的出气接头（28）连接；所述的注水高压胶管（23）和注气高压胶管（26）均由耐高压的双层钢丝网的橡胶材料制成。

2.根据权利要求1所述的一种模拟地下煤炭开采覆岩运移及突水溃砂实验装置，其特征是：所述的矿压模型框架（24）包括底板支架（1）、底板（2）、多个墙板（4）、两个立柱（5）、两个横梁（6）、多个横梁连接板（7）、多个进水接头（8）和多个墙板固定件（9）；

所述的两个立柱（5）与底板支架（1）的两端固定连接，两个立柱（5）的中部均加工有多个进水孔，所述的多个进水孔沿立柱（5）的竖向设置，每个进水孔上安装有进水接头（8），所述的底板（2）设置在两个立柱（5）之间，且底板（2）与底板支架（1）和两个立柱（5）固定连接，所述的两个横梁（6）并列设置在两个立柱（5）之间的上端，且两个横梁（6）的两端与两个立柱（5）固定连接，两个横梁（6）之间固定有多个横梁连接板（7），每个立柱（5）上与进水孔中心线相垂直的两个侧面上分别设置有多个墙板（4），每个墙板（4）的两端通过两个墙板固定件（9）与两个立柱（5）固定连接，墙板固定件（9）上设有出线槽（3）。

3.根据权利要求2所述的一种模拟地下煤炭开采覆岩运移及突水溃砂实验装置，其特征是：所述的底板支架（1）、底板（2）、立柱（5）、横梁（6）及墙板（4）均为槽钢结构件。

4.根据权利要求1所述的一种模拟地下煤炭开采覆岩运移及突水溃砂实验装置，其特征是：所述的地面水压力模拟实验装置（25）包括支撑架（11）、放水阀（12）、压力传感器（13）、磁体式水位显示器（14）、压力表（15）、时间显示表（16）、电子水位检测器（17）、进气接头（18）、控制盒（19）、数字显示水位表（20）、压力水罐（21）、法兰（22）及四个万向轮（10）；所述的支撑架（11）的底部安装有四个万向轮（10），所述的压力水罐（21）固定在支撑架（11）的底板上，压力水罐（21）的上端安装有进气接头（18），压力水罐（21）的下端安装有放水阀（12），压力水罐（21）侧壁的下部安装有压力传感器（13），压力水罐（21）的侧壁上安装有磁体式水位显示器（14），所述的磁体式水位显示器（14）的下端通过法兰（22）与支撑架（11）的底板固定连接，所述的电子水位检测器（17）安装在磁体式水位显示器（14）上，所述的压力表（15）、时间显示表（16）和数字显示水位表（20）均安装在控制盒（19）上，所述的控制盒（19）固定在支撑架（11）上，压力表（15）与压力水罐（21）螺纹连接，数字显示水位表（20）与电子水位检测器（17）连接。

5.根据权利要求4所述的一种模拟地下煤炭开采覆岩运移及突水溃砂实验装置，其特征是：所述的压力水罐（21）为不锈钢压力水罐，所述的支撑架（11）的底板为不锈钢底板。