CN105403667A - 一种演示煤炭水下开采的实验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种演示煤炭水下开采的实验装置，包括支撑架和架设于其上的煤层和岩层，在所述岩层中设置有承压含水层，所述承压含水层由多个小水袋连接而成，所述小水袋是由顶板(1)、底板(2)、前侧壁(3)、后侧壁(4)、左侧壁(5)和右侧壁(6)围合而成的长方体结构，其内部为充水空间，在所述小水袋的左侧壁上设置有入水口(7)，右侧壁上设置有出水口(8)。本发明的承压水下采煤对含水层的相似模拟试验装置及方法，能够实现在煤层开采过程中，对上覆岩层中存在含水层时，对承压水的近似模拟。

Description

一种演示煤炭水下开采的实验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种试验装置，特别是涉及一种演示煤炭水下开采的实验装置。

背景技术

承压含水层广泛存在于我国煤系地层当中，由于该类含水层水压及补给作用的存在，给承压含水层下采煤带来了威胁。国内外发生了多起承压含水层下采煤的工作面压架致灾事故，造成了大量人员伤亡和巨大经济损失。而多数工作面压架致灾事故都有一个显著特点，即开采煤层上部的基岩较薄(薄基岩)，同时存在承压含水层。这样在采动影响、矿山压力以及承压水的共同作用下，弄清承压水的载荷传递、水岩共同作用下矿山压力及工作面压架致灾的机理，变得尤为重要。而目前针对上述问题，中国矿业大学许家林教授展开了大量的理论分析和试验研究，设计了松散承压含水层载荷传递作用的实验装置和松散承压含水层采动水位变化规律的实验装置及方法(申请号：200720037001.9)，但是上述试验装置及方法，存在以下不足：

⑴上述方法中用到了一整体的、全长承压水袋来近似模拟煤系地层中的承压含水层，然而作为水袋这种材料本身的特殊性，它存在一定的强度和曲率，一旦采用全长铺设水袋(如3m长的试验架就选用3m长的水袋)，由于一般需要模拟的承压水的水压较大，所设计水袋必须能承受一定的水压力，这样水袋本身的强度就不能太低，其曲率自然就变小，加之水袋在上覆岩层移动变形的两端会被岩层压紧，而覆岩的移动变形区域又很大，就会造成水袋在煤层开采后不能随着岩层移动而同步下沉运动，造成岩层与水袋的离层，承压含水层载荷就无法向下传递，造成试验失真甚至失败。

⑵上述实验方法中，也无法做到在煤层开采过程中，对含水层中受采动影响部分的水的流动及补给规律进行模拟及监控，进而也就无法做到对采煤工作面推进距离、推进速度等因素与承压水内部水流的补给方向的变化之间建立联系，做出定性及定量的判断，自然就无法得出规律性认识。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，减小水袋本身对试验的影响及对采动过程中含水层内部的水的流动及补给进行监控，提供一种结构简单、效果好的演示煤炭水下开采的实验装置。

一种演示煤炭水下开采的实验装置，包括支撑架和架设于其上的煤层和岩层，在所述岩层中设置有承压含水层，所述承压含水层由多个小水袋连接而成，所述小水袋是由顶板、底板、前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁围合而成的长方体结构，其内部为充水空间，在所述小水袋的左侧壁上设置有入水口，右侧壁上设置有出水口，后一个所述小水袋的入水口通过输水管与前一个所述小水袋的出水口相连，第一个所述小水袋的入水口与水供应装置相连，最后一个所述小水袋只设置有入水口；

所述输水管包括第一管体、第二管体和第三管体，所述第一管体的一端通过弹性软管和接头与前一个所述小水袋的出水口连接，所述第二管体的一端通过弹性软管与所述第一管体的另一端相连，所述第三管体的一端通过弹性软管与所述第二管体的另一端相连，所述第三管体的另一端通过弹性软管和接头与后一个所述小水袋的入水口连接；所述第一管体与所述第二管体之间形成的角度以及所述第二管体与所述第三管体之间形成的角度均为锐角；在所述第二管体外侧的中部设置有水流量传感器。

所述输水管还包括第一支撑管和第二支撑管，所述第一支撑管的一端固定在所述第一管体的中部，另一端固定在前一个小水袋的右侧壁上，所述第一支撑管、第一管体和右侧壁之间形成一个稳定的等边三角形的空间；所述第二支撑管的一端固定在所述第三管体的中部，另一端固定在后一个小水袋的左侧壁上，所述第二支撑管、第三管体和左侧壁之间形成一个稳定的等边三角形的空间，所述第一支撑管和第二支撑管为塑料棒。

本发明所述的演示煤炭水下开采的实验装置，其包括10个所述小水袋，从第1个～第5个小水袋的入水口设置在所述左侧壁的中部，处于靠近所述前侧壁的位置，出水口设置在所述右侧壁的下部，处于靠近所述后侧壁的位置；从第6个到10个小水袋的入水口设置在所述左侧壁的下部，处于靠近所述前侧壁的位置；从第6个到9个小水袋的出水口设置在所述右侧壁的中部，处于靠近所述后侧壁的位置。

本发明所述的演示煤炭水下开采的实验装置，其中，在所述顶板和所述底板的左右两侧还分别设置有保护板，由所述顶板和底板向左右两侧延伸而成，将所有所述小水袋的保护板依次相连，在相邻的两个所述小水袋间形成保护所述输水管的置物空间。

本发明所述的演示煤炭水下开采的实验装置，其中，所述顶板和所述底板为PVC板，所述前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁的截面为可折叠伸缩的齿形结构，由丁基橡胶制成。

本发明所述的演示煤炭水下开采的实验装置，其中，所述小水袋在使用前其内部处于完全压缩状态。

本发明所述的演示煤炭水下开采的实验装置，其中，所述水供应装置包括多个相同规格的水箱，所述水箱从上至下包括依次连通的上管体、上箱体、下管体和下箱体，所述上管体的上端为管口，所述上管体的上部为无刻度区，下部为有刻度区，所述下管体的上部为有刻度区，下部为无刻度区，在所述有刻度区的管壁上设置有刻度；在所述水箱的底部设置有水箱出水口。

本发明所述的演示煤炭水下开采的实验装置，其中，所述水箱由透明材料制成。

本发明所述的演示煤炭水下开采的实验装置，其中，所述上管体和所述下管体的横截面为边长为80mm的正方形，所述上管体的总高度为150mm，其中，上部的无刻度区高度为81.25mm，下部的有刻度区的高度为68.75mm，所述下管体的总高度为1000mm，上部的有刻度区高度为900mm，下部的无刻度区高度为100mm；所述上箱体和下箱体的横截面为边长为250mm的正方形，所述上箱体的高度为160mm，所述下箱体的高度为100mm；所述水箱的有刻度区的刻度值由上至下依次增大。

本发明所述的演示煤炭水下开采的实验装置，其中，所述水箱为3个，所述水供应装置还包括接头和压力表，所述3个水箱的水箱出水口分别通过管路与所述压力表连接，所述接头的一端通过管路与所述压力表连接，另一端与第一个所述小水袋的入水口连接，在每个水箱和所述压力表之间的管路上设置有阀门。

采用本发明所述的演示煤炭水下开采的实验装置进行试验的方法，包括如下步骤：

①准备好试验工具、材料，必要的仪器设备；

②第一次使用水箱时，需要进行水管空气排放过程，过程为：关闭水供应装置中第一个水箱的阀门，向水箱中注入干净水源，加水过程要平稳，水加到下箱体即将注满时停止，打开水箱阀门，水箱中的水会在压力下从水管流出，从而将初次使用的水箱水管中空气排出，然后关闭阀门；然后按照上述方法依次向第二个水箱和第三个水箱加水并进行排放空气过程；水箱加水之后，要拿干净的木板盖住水箱口；

③按照相似原理，分层铺设需要模拟的煤岩层，要保证铺设的煤岩层层面平直，在需要监测应力的岩层铺设应变片，将应变片数据线都引向一侧，从相似模拟装置两侧圆孔中穿出，同时安装侧护板，铺设到承压含水层时暂停，开始铺设小水袋；

④铺设承压含水层：将小水袋构成的承压含水层铺于岩层上，保证连接紧密，铺设紧凑、平直，将水流量传感器数据线都引向一侧；

⑤小水袋构成的承压含水层铺于岩层上之后，需要向进行排放空气过程后的水箱内加水，要根据含水层实际的厚度加水，使小水袋充水到模拟厚度，水箱加水之后，要拿干净的木板盖住水箱口；加水量及小水袋的充水方法如下：

当实际含水层厚度小于2m时，按照相似比100:1计算，小水袋需要达到的厚度小于20mm，则水袋中总共需要的水量小于16200ml，使用一个水箱加水，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对第一个水箱加水到刚好零刻度位置时，升高水箱位置，打开水箱阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为810aml时关闭阀门，a为含水层模拟高度，a＝h/100，单位为mm，h为含水层实际高度，刻度值从下管体的有刻度区中读出；

当实际含水层厚度小于4m大于2m时，使用两个水箱，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对第一个水箱和第二个水箱加水到刚好零刻度位置时，升高水箱位置，打开第一个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区最后刻度时关闭第一个水箱的阀门，再打开第二个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为(810a-16200)ml时关闭第二个水箱的阀门，刻度值从下管体的有刻度区中读出；

当实际含水层厚度小于6m大于4m时，3个水箱水量刚好可以满足，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对三个水箱分别加水到刚好零刻度位置，升高水箱位置，打开第一个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区最后刻度时关闭第一个水箱的阀门；再打开第二水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区的最后刻度时关闭第二个水箱的阀门；再打开第三个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，当最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为(810a-32400)ml时关闭第三个水箱的阀门，刻度值从下管体的有刻度区中读出；

⑥对小水袋充完水之后，在承压含水层上方水平压一块槽钢或铁板，持续3-5分钟，各个小水袋会逐步调整水量，直到各个高度一致；按照步骤②铺设方法，在承压含水层上方水平铺设上覆岩层；

⑦风干、养护模型一周，期间将相似模拟装置的部分侧护板卸下；

⑧补偿缺少的载荷，通过杠杆或者配重铁块，加于上覆岩层层面之上以补偿缺失的载荷；

⑨按照实际开采情况，进行相似比逐步开挖煤层，通过水流量传感器及铺在岩层中的应力传感器，在煤层开挖过程中，对承压含水层载荷传递规律、含水层移动变形规律及含水层内部随着工作面的推进水压补给规律及其流动规律的相似模拟。

本发明演示煤炭水下开采的实验装置与现有技术不同之处在于：

本发明演示煤炭水下开采的实验装置能够实现在煤层开采以后，对承压含水层载荷传递规律、含水层移动变形规律及含水层内部随着工作面的推进水流补给规律及其流动规律的相似模拟，为研究采动影响及水压力共同作用下采场的矿山压力、工作面压架致灾、水灾防治等方面提供试验方法。

本发明演示煤炭水下开采的实验装置是依据离散元的思想设计而成的，既然整体性全长水袋的模拟效果不理想，就把全长水袋分离成一个个尺寸较小的水袋，每个小水袋有一个进水口和一个出水口，进出水口用弹性软管连接，并且进出水口交错布置，使弹性软管有一定的移动行程，保证其在下覆岩层发生移动时不会影响小水袋的移动；同时在每个弹性软管上安装流量监控传感器，并与主机相连，实现各小水袋中的水流量数据的在线监测与分析；最后配合水压控制系统实现不同水压条件下的承压含水层下采煤相似材料模拟试验。

本发明的承压水下采煤对含水层的相似模拟试验装置及方法，能够实现在煤层开采过程中，对上覆岩层中存在含水层时，对承压水的近似模拟。通过调节水箱高度和调压阀做到对承压含水层的水压力的控制，以及小水袋之间的水流量传感器，实现在采动过程中对含水层中受采动影响部分的水的流动及补给规律进行模拟及监控，进而可以得到含水层内部水流变化与煤层开采之间的内在联系，通过实验室分析最终得出规律性认识，从而实现对不同含水层，特别是不同水压、不同埋藏深度、不同厚度下的含水层在采动过程中其载荷传递规律、承压水的补给规律、承压含水层下采煤采场矿山压力及显现规律、工作面压架致灾机理等相关问题的研究。而设计的离散型小水袋及连接的弹性软管，保证了载荷传递的连续性及变形的协调性。同时小水袋的制作工艺简单、密闭性较好、铺设方便，调压阀调压精度较高，保证了采动过程中含水层水压的稳定性。

下面结合附图对本发明的演示煤炭水下开采的实验装置作进一步说明。

附图说明

图1为本发明演示煤炭水下开采的实验装置的单个小水袋的结构示意图；

图2为本发明演示煤炭水下开采的实验装置的10个小水袋的正视图；

图3为图2去掉上侧壁和下侧壁的10个小水袋的俯视图；

图4为本发明演示煤炭水下开采的实验装置的输水管的结构示意图；

图5为本发明演示煤炭水下开采的实验装置的水供应装置的结构示意图。

具体实施方式

一种演示煤炭水下开采的实验装置，包括支撑架和架设于其上的煤层和岩层，在所述岩层中设置有承压含水层，如图1-图4所示，所述承压含水层由多个小水袋连接而成，所述小水袋是由顶板1、底板2、前侧壁3、后侧壁4、左侧壁5和右侧壁6围合而成的长方体结构，其内部为充水空间，在所述小水袋的左侧壁上设置有入水口7，右侧壁上设置有出水口8，后一个所述小水袋的入水口7通过输水管9与前一个所述小水袋的出水口8相连，第一个所述小水袋的入水口7与水供应装置相连，最后一个所述小水袋只设置有入水口7。

包括10个所述小水袋，从第1个～第5个小水袋的入水口7设置在所述左侧壁5的中部，处于靠近所述前侧壁3的位置，出水口8设置在所述右侧壁6的下部，处于靠近所述后侧壁4的位置；从第6个到10个小水袋的入水口7设置在所述左侧壁5的下部，处于靠近所述前侧壁3的位置；从第6个到9个小水袋的出水口8设置在所述右侧壁6的中部，处于靠近所述后侧壁4的位置。

所述输水管9包括第一管体201、第二管体202和第三管体203，所述第一管体201的一端通过弹性软管102和接头101与前一个所述小水袋的出水口8连接，所述第二管体202的一端通过弹性软管102与所述第一管体201的另一端相连，所述第三管体203的一端通过弹性软管102与所述第二管体202的另一端相连，所述第三管体203的另一端通过弹性软管102和接头101与后一个所述小水袋的入水口7连接；所述第一管体201与所述第二管体202之间形成的角度以及所述第二管体202与所述第三管体203之间形成的角度均为锐角；在所述第二管体202外侧的中部设置有水流量传感器10。所述第一管体201和第三管体203的长度为25mm，所述第二管体203的长度为40mm，用于连接的弹性软管102的长度均为10mm。这种“Z”型布置方式可以保证水袋之间有相对较大的滑动甚至旋转，这种对于大采高以及特厚煤层的相似模拟试验效果更佳，成功率高。因为大采高以及特厚煤层的顶板垮落范围和幅度相对剧烈，水袋移动范围也较大。

所述输水管还包括第一支撑管301和第二支撑管302，所述第一支撑管301的一端固定在所述第一管体201的中部，另一端固定在前一个小水袋的右侧壁6上，所述第一支撑管301、第一管体201和右侧壁6之间形成一个稳定的等边三角形的空间；所述第二支撑管302的一端固定在所述第三管体203的中部，另一端固定在后一个小水袋的左侧壁5上，所述第二支撑管302、第三管体203和左侧壁5之间形成一个稳定的等边三角形的空间，所述第一支撑管301和第二支撑管302为直径2mm的塑料棒。这种双接头“Z”型布置方式可以保证水袋之间有相对较大的滑动甚至旋转的同时，可以降低因为上方砂石等下落，压住接头导致失败等风险，双接头的设计大大降低了试验失败的风险。这种对于大采高以及特厚煤层且，含水层在所在岩层垮落范围较大时的相似模拟试验效果更佳，因为在这种情况下，水袋之间移动距离相对较大，上方模拟岩层垮落的砂石较多，容易压住管路。

在所述顶板1和所述底板2的左右两侧还分别设置有保护板11，由所述顶板1和底板2向左右两侧延伸而成，将所有所述小水袋的所述保护板11依次相连，在相邻的两个所述小水袋间形成保护所述输水管9的置物空间。

所述顶板1和所述底板2为PVC板，所述前侧壁3、后侧壁4、左侧壁5和右侧壁6的截面为可折叠伸缩的齿形结构，由丁基橡胶制成。所述小水袋的长度为270mm，宽度为300mm，所述前侧壁3、后侧壁4、左侧壁5和右侧壁6的最大拉伸高度为60mm；所述保护板11的长度为15mm，宽度为300mm；所述顶板1和底板2的厚度为4mm，所述前侧壁3、后侧壁4、左侧壁5和右侧壁6的厚度为2.2mm；所述弹性软管102为聚丙烯材料制成，外直径为70mm，内直径为50mm。上下两平面为4mm的硬度PVC(聚氯乙烯)板，硬度大，强度大，强度高，可以抵抗上下方压力，且达到水袋均匀受力的要求，前后左右四个侧面都比上下板相对薄一点，厚度2.2mm，材质为丁基橡胶，且2.2mm的厚度保证不易变形，不会挤压小水袋之间的水管。软管材质为聚丙烯，直径70mm，内腔直径50mm，20mm的外壳厚度可以保证软管有一定外部抗压强度，且50mm内腔在完全充水情况下，内部压力不会压爆软管而漏水。

从正视图来看，10个水袋的入水口7和出水口8的排列为对称设计，当模型水袋下方的煤层开挖时，水袋中部会率先下沉，且下移的位移最大，这样的设计可以有效保护水袋和软管的连接安全，且输水管9为塑料软管，可以弯曲和拉长，加上这样的角度设计，不会影响水袋的运动。左边5个小水袋，进水口7在中间高度，出水口8在下部，距离底部平面1-2mm左右；右边5个水袋，出水口8在中间高度，进水口7在下部，距离底部平面1-2mm左右。从俯视图来看，入水口7都在前方，出水口8都在后方，主要是为了在有限的空间内增加塑料软管的最大拉伸长度，保证塑料软管不会拉扯到小水袋，从而不会影响小水袋的位移，保证研究结果更加科学。这种特殊的小水袋的设计可以保证有较大的滑动和旋转，同时，倾斜设计可以保证在安装的时候可以错开，这样就有较大的安装空间。水袋设计为上下材质很厚，前后左右四个侧面都很薄，且4个侧壁的竖向切面为齿形结构，可在一定范围内任意上下伸缩，所述小水袋在使用前处于完全压缩状态，这样可以根据煤层厚度的多少，放相对应的水进去，下材质很厚，前后左右四个侧面都很薄和齿形结构的侧面设计可以保证上下平面水平增高，可以根据需要冲水，来控制其高度。改变了以前每模拟一个试验，都需要根据含水层厚度定制加工的麻烦，且节约大量成本和时间。只按照需要灌多少水，高度和面积压力之间的关系，然后关闭水箱之间的开关，当开采垮落以后，根据开关两边两项压力值大小，微调水箱，使其等压时打开开关，模拟含水层透水或者移动时，水源等压补给，模拟开挖之后，水的厚度下降，代表着泄压或者是透水时应力变化情况。

如图5所示，所述水供应装置包括多个相同规格的水箱，所述水箱从上至下包括依次连通的上管体401、上箱体402、下管体403和下箱体404，所述上管体401的上端为管口，所述上管体401的上部为无刻度区，下部为有刻度区，所述下管体403的上部为有刻度区，下部为无刻度区，在所述有刻度区的管壁上设置有刻度；在所述水箱的底部设置有水箱出水口405。

所述水箱由透明材料制成，所述上管体401和所述下管体403的横截面为边长为80mm的正方形，所述上管体401的总高度为150mm，其中，上部的无刻度区高度为81.25mm，下部的有刻度区的高度为68.75mm，所述下管体403的总高度为1000mm，上部的有刻度区高度为900mm，下部的无刻度区高度为100mm；所述上箱体402和下箱体404的横截面为边长为250mm的正方形，所述上箱体402的高度为160mm，所述下箱体404的高度为100mm；所述水箱的有刻度区的刻度值由上至下依次增大。下管体403和上管体401的截面积小，测量准确，保证每次在测量水量时，水面都在下管体403内，这也是这个水箱特殊设计的地方。

所述水箱为3个，所述水供应装置还包括接头407和压力表408，所述3个水箱的水箱出水口405分别通过管路与所述压力表408连接，所述接头407的一端通过管路与所述压力表408连接，另一端与第一个所述小水袋的入水口7连接，在每个水箱和所述压力表408之间的管路上设置有阀门406。

采用本发明所述的演示煤炭水下开采的实验装置进行试验的方法，包括如下步骤：

①准备好试验工具、材料，必要的仪器设备；

②第一次使用水箱时，需要进行水管空气排放过程，过程为：关闭水供应装置中第一个水箱的阀门，向水箱中注入干净水源，加水过程要平稳，水加到下箱体即将注满时停止，打开水箱阀门，水箱中的水会在压力下从水管流出，从而将初次使用的水箱水管中空气排出，然后关闭阀门；然后按照上述方法依次向第二个水箱和第三个水箱加水并进行排放空气过程；水箱加水之后，要拿干净的木板等盖住水箱口，防止相似模拟实验过程中产生的沙子和微粒进入水箱；

③按照相似原理，分层铺设需要模拟的煤岩层，要保证铺设的煤岩层层面平直，在需要监测应力的岩层铺设应变片，将应变片数据线都引向一侧，从相似模拟装置两侧圆孔中穿出，同时安装侧护板，铺设到承压含水层时暂停，开始铺设小水袋；

④铺设承压含水层：将小水袋构成的承压含水层铺于岩层上，保证连接紧密，铺设紧凑、平直，将水流量传感器数据线都引向一侧；

⑤小水袋构成的承压含水层铺于岩层上之后，根据需要对水箱进行加水，并加干净的盖板，并根据含水层实际的厚度对小水袋进行充水到模拟厚度，当实际含水层厚度小于2m时，按照一般相似模拟的相似比100:1计算，水袋需要达到的厚度小于20mm，则水袋中总共需要的水量小于16200ml，为保证最后水位测量准确，必须要保证最后停止加水时的水面在下管体内部，因为下管体的截面积比腔体截面积小，刻度精密，水量测量准确，因此当实际含水层厚度小于2m时，一个水箱的总可测量容量为440ml+10000ml+5760ml＝16200ml，即一个水箱刚好可以满足，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对第一个水箱加水到刚好零刻度位置时，升高水箱位置，打开第一个水箱阀门，利用水箱自身重力，将水注入到水袋，最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为810aml时关闭阀门，a为含水层模拟高度，a＝h/100，单位为mm，h为含水层实际高度，刻度可以从下管体中读出。

当实际含水层厚度小于4m大于2m时，2个水箱水量刚好可以满足，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对第一个水箱和第二个水箱加水到刚好零刻度位置时，升高水箱位置，打开第一个水箱阀门，利用水的自身重力，将水注入到水袋，水面下降到下管体最后刻度时关闭阀门，再打开第二个水箱阀门，利用水的自身重力，将水注入到水袋，最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为(810a-16200)ml时关闭阀门，刻度可以从下管体中读出。

当实际含水层厚度小于6m大于4m时，3个水箱水量刚好可以满足，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对三个水箱均加水到刚好零刻度位置时，升高水箱位置，打开第一个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到水袋，水面下降到下管体最后刻度时关闭阀门，再打开第二个水箱阀门，利用水的自身重力，将水注入到水袋，水面下降到下管体最后刻度时关闭阀门，再打开第三个水箱阀门，利用水的自身重力，将水注入到水袋，最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为(810a-32400)ml时关闭阀门，刻度可以从管体中读出。

一般模拟的含水层厚度均小于6m，如有大于6m的情况发生，则需要更换水袋型号，在此不讨论。

⑥对小水袋充完水之后，在承压含水层上方水平压一块槽钢或铁板，持续3-5分钟，各个小水袋会逐步调整水量，直到各个高度一致；按照步骤②铺设方法，在承压含水层上方水平铺设上覆岩层；

⑦风干、养护模型一周，期间将相似模拟装置的部分侧护板卸下；

⑧补偿缺少的载荷，通过杠杆或者配重铁块，加于上覆岩层层面之上以补偿缺失的载荷；

⑨按照实际开采情况，进行相似比逐步开挖煤层，通过水流量传感器及铺在岩层中的应力传感器，在煤层开挖过程中，对承压含水层载荷传递规律、含水层移动变形规律及含水层内部随着工作面的推进水压补给规律及其流动规律的相似模拟。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种演示煤炭水下开采的实验装置，包括支撑架和架设于其上的煤层和岩层，在所述岩层中设置有承压含水层，其特征在于：所述承压含水层由多个小水袋连接而成，所述小水袋是由顶板(1)、底板(2)、前侧壁(3)、后侧壁(4)、左侧壁(5)和右侧壁(6)围合而成的长方体结构，其内部为充水空间，在所述小水袋的左侧壁上设置有入水口(7)，右侧壁上设置有出水口(8)，后一个所述小水袋的入水口(7)通过输水管(9)与前一个所述小水袋的出水口(8)相连，第一个所述小水袋的入水口(7)与水供应装置相连，最后一个所述小水袋只设置有入水口(7)；

所述输水管(9)包括第一管体(201)、第二管体(202)和第三管体(203)，所述第一管体(201)的一端通过弹性软管(102)和接头(101)与前一个所述小水袋的出水口(8)连接，所述第二管体(202)的一端通过弹性软管(102)与所述第一管体(201)的另一端相连，所述第三管体(203)的一端通过弹性软管(102)与所述第二管体(202)的另一端相连，所述第三管体(203)的另一端通过弹性软管(102)和接头(101)与后一个所述小水袋的入水口(7)连接；所述第一管体(201)与所述第二管体(202)之间形成的角度以及所述第二管体(202)与所述第三管体(203)之间形成的角度均为锐角；在所述第二管体(202)外侧的中部设置有水流量传感器(10)；

所述输水管(9)还包括第一支撑管(301)和第二支撑管(302)，所述第一支撑管(301)的一端固定在所述第一管体(201)的中部，另一端固定在前一个小水袋的右侧壁(6)上，所述第一支撑管(301)、第一管体(201)和右侧壁(6)之间形成一个稳定的等边三角形的空间；所述第二支撑管(302)的一端固定在所述第三管体(203)的中部，另一端固定在后一个小水袋的左侧壁(5)上，所述第二支撑管(302)、第三管体(203)和左侧壁(5)之间形成一个稳定的等边三角形的空间，所述第一支撑管(301)和第二支撑管(302)为塑料棒。

2.根据权利要求1所述的演示煤炭水下开采的实验装置，其特征在于：包括10个所述小水袋，从第1个～第5个小水袋的入水口(7)设置在所述左侧壁(5)的中部，处于靠近所述前侧壁(3)的位置，出水口(8)设置在所述右侧壁(6)的下部，处于靠近所述后侧壁(4)的位置；从第6个到10个小水袋的入水口(7)设置在所述左侧壁(5)的下部，处于靠近所述前侧壁(3)的位置；从第6个到9个小水袋的出水口(8)设置在所述右侧壁(6)的中部，处于靠近所述后侧壁(4)的位置。

3.根据权利要求2所述的演示煤炭水下开采的实验装置，其特征在于：在所述顶板(1)和所述底板(2)的左右两侧还分别设置有保护板(11)，由所述顶板(1)和底板(2)向左右两侧延伸而成，将所有所述小水袋的所述保护板(11)依次相连，在相邻的两个所述小水袋间形成保护所述输水管(9)的置物空间。

4.根据权利要求3所述的演示煤炭水下开采的实验装置，其特征在于：所述顶板(1)和所述底板(2)为PVC板，所述前侧壁(3)、后侧壁(4)、左侧壁(5)和右侧壁(6)的截面为可折叠伸缩的齿形结构，由丁基橡胶制成。

5.根据权利要求4所述的演示煤炭水下开采的实验装置，其特征在于：所述小水袋在使用前其内部处于完全压缩状态。

6.根据权利要求5所述的演示煤炭水下开采的实验装置，其特征在于：所述水供应装置包括多个相同规格的水箱，所述水箱从上至下包括依次连通的上管体(401)、上箱体(402)、下管体(403)和下箱体(404)，所述上管体(401)的上端为管口，所述上管体(401)的上部为无刻度区，下部为有刻度区，所述下管体(403)的上部为有刻度区，下部为无刻度区，在所述有刻度区的管壁上设置有刻度；在所述水箱的底部设置有水箱出水口(405)。

7.根据权利要求6所述的演示煤炭水下开采的实验装置，其特征在于：所述水箱由透明材料制成。

8.根据权利要求7所述的演示煤炭水下开采的实验装置，其特征在于：所述上管体(401)和所述下管体(403)的横截面为边长为80mm的正方形，所述上管体(401)的总高度为150mm，其中，上部的无刻度区高度为81.25mm，下部的有刻度区的高度为68.75mm，所述下管体(403)的总高度为1000mm，上部的有刻度区高度为900mm，下部的无刻度区高度为100mm；所述上箱体(402)和下箱体(404)的横截面为边长为250mm的正方形，所述上箱体(402)的高度为160mm，所述下箱体(404)的高度为100mm；所述水箱的有刻度区的刻度值由上至下依次增大。

9.根据权利要求8所述的演示煤炭水下开采的实验装置，其特征在于：所述水箱为3个，所述水供应装置还包括接头(407)和压力表(408)，所述3个水箱的水箱出水口(405)分别通过管路与所述压力表(408)连接，所述接头(407)的一端通过管路与所述压力表(408)连接，另一端与第一个所述小水袋的入水口(7)连接，在每个水箱和所述压力表(408)之间的管路上设置有阀门(406)。

10.采用权利要求9所述的演示煤炭水下开采的实验装置进行试验的方法，其特征在于：包括如下步骤：

①准备好试验工具、材料，必要的仪器设备；

②第一次使用水箱时，需要进行水管空气排放过程，过程为：关闭水供应装置中第一个水箱的阀门，向水箱中注入干净水源，加水过程要平稳，水加到下箱体即将注满时停止，打开水箱阀门，水箱中的水会在压力下从水管流出，从而将初次使用的水箱水管中空气排出，然后关闭阀门；然后按照上述方法依次向第二个水箱和第三个水箱加水并进行排放空气过程；水箱加水之后，要拿干净的木板盖住水箱口；

③按照相似原理，分层铺设需要模拟的煤岩层，要保证铺设的煤岩层层面平直，在需要监测应力的岩层铺设应变片，将应变片数据线都引向一侧，从相似模拟装置两侧圆孔中穿出，同时安装侧护板，铺设到承压含水层时暂停，开始铺设小水袋；

④铺设承压含水层：将小水袋构成的承压含水层铺于岩层上，保证连接紧密，铺设紧凑、平直，将水流量传感器数据线都引向一侧；

⑤小水袋构成的承压含水层铺于岩层上之后，需要向进行排放空气过程后的水箱内加水，并要根据含水层实际的厚度向小水袋充水到模拟厚度，水箱加水之后，要拿干净的木板盖住水箱口，加水量及小水袋的充水方法如下：

当实际含水层厚度小于2m时，按照相似比100:1计算，小水袋需要达到的厚度小于20mm，则小水袋中总共需要的水量小于16200ml，使用一个水箱加水，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对第一个水箱加水到刚好零刻度位置时，升高水箱位置，打开水箱阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为810aml时关闭阀门，a为含水层模拟高度，a＝h/100，单位为mm，h为含水层实际高度，刻度值从下管体的有刻度区中读出；

当实际含水层厚度小于4m大于2m时，使用两个水箱，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对第一个水箱和第二个水箱加水到刚好零刻度位置时，升高水箱位置，打开第一个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区最后刻度时关闭第一个水箱的阀门，再打开第二个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为(810a-16200)ml时关闭第二个水箱的阀门，刻度值从下管体的有刻度区中读出；

当实际含水层厚度小于6m大于4m时，3个水箱水量刚好可以满足，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对三个水箱分别加水到刚好零刻度位置，升高水箱位置，打开第一个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区最后刻度时关闭第一个水箱的阀门；再打开第二水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区的最后刻度时关闭第二个水箱的阀门；再打开第三个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，当最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为(810a-32400)ml时关闭第三个水箱的阀门，刻度值从下管体的有刻度区中读出；

⑥对小水袋充完水之后，在承压含水层上方水平压一块槽钢或铁板，持续3-5分钟，各个小水袋会逐步调整水量，直到各个高度一致；按照步骤②铺设方法，在承压含水层上方水平铺设上覆岩层；

⑦风干、养护模型一周，期间将相似模拟装置的部分侧护板卸下；

⑧补偿缺少的载荷，通过杠杆或者配重铁块，加于上覆岩层层面之上以补偿缺失的载荷；

⑨按照实际开采情况，进行相似比逐步开挖煤层，通过水流量传感器及铺在岩层中的应力传感器，在煤层开挖过程中，对承压含水层载荷传递规律、含水层移动变形规律及含水层内部随着工作面的推进水压补给规律及其流动规律的相似模拟。