CN105527401B - 一种采动覆岩固液两相运移可视化模拟装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采动覆岩固液两相运移可视化模拟装置及其方法,尤其适用于模拟再现矿山保水开采过程中上覆隔水层采动裂隙张开、弥合及水流场演变的动态变化过程。本发明所采用的实验系统有五大系统组成：模型架、注水装置(2)、开采控制自动化系统、水位连续监测系统和可视化系统；发明采用的实验方法包括：1)铺设实验模型；2)模拟地下潜水3)向模型中注水；4)模拟开挖过程；5)通过水位连续监测系统时时记录分析模型中水位变化；6)通过可视化系统观察实验现象，本发明结构紧凑，具有很强的实验可操作性，在矿山保水开采中，为模拟地下层状矿产资源开采覆岩裂隙及地下水流场演变的可视化提供了一种新的方法。

Description

一种采动覆岩固液两相运移可视化模拟装置及其方法

技术领域

本发明涉及矿山开采过程模拟设备技术领域，具体涉及一种采动覆岩固液两相运移可视化模拟装置及其方法。

背景技术

矿山开采过程中水资源的流失及其对开采空间安全造成的隐患是目前矿井生产与矿区生态环境保护必须解决的关键问题。实验室进行固液耦合模拟实验是研究矿山开采过程中上覆隔水岩层(组)裂隙的生成、扩展、以及最终形态和此过程中水流场的演变。该实验致力于弄清矿山开采过程中水资源的流失机制，消除开采空间的安全隐患，为矿井安全生产和矿区生态环境保护提供理论依据。其中，保水开采是实现矿山绿色开采的一项重要技术手段，但现有模拟保水开采的物理相似实验系统及方法尚存在一些问题，突出表现在：(1)模拟实验过程中，上覆隔水层采动裂隙张开、弥合的动态变化过程无法清晰呈现和捕捉，实验现象显现不清楚；(2)模拟实验过程中，对地下水位的监测及水流场的动态演变过程观测不清楚；(3)模拟实验过程中，普通密封材料(如黄油、凡士林)在密封性和透视性上不能实现很好的统一，导致实验或是密封不良，干扰实验现象；或是实验可视性差，难以从外界清晰观察隔水层采动裂隙张开、弥合的变化过程，给实验操作或现象观察带来困难。

同时，在实验的具体操作及现象观察过程中也存在一些缺陷和不足，明显表现为：(1)现有实验中，模拟开采层由相似材料铺设，在实验开挖时由于人工的开挖凿动造成模型架产生振动，容易造成水的泄漏，致使实验失败。同时，人工的开挖凿动，容易造成开采层的采挖过量或开挖不足，影响实验结果的真实性、可靠性；(2)现有实验中，加水过程一般从模型最上部表土直接加入，由于模型表土沙砾具有一定的吸水性，加水后后期由于沙砾中含水下渗，往往造成模拟潜水水位比实际要求水位偏高，影响实验结果；(3)现有实验中，潜水水位的数值变化由人工读取，存在较大的读数误差，影响实验的精度，并且不能连续监测；(4)现有实验中，通常选用墨水或含有色素的染料作为示踪剂。此类示踪剂如果加入过多，待水流过或蒸发后会存在大量残留，干扰实验现象；加入过少，又会使水颜色太淡，影响观察和实验结果的呈现。

这些问题的存在，严重影响了此类模拟实验的实际操作性和实验结果的真实可靠性，也给对该科学领域的研究带来了困扰，因此亟待提出一种新的物理模拟实验系统及方法来解决此类问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种采动覆岩固液两相运移可视化模拟装置，通过控制液压装置模拟开采情况，观察模拟装置中的变化，再现矿山开采过程中上覆隔水层采动裂隙张开、弥合的动态变化过程及地下水流场的动态演变过程，为开采提供可靠的数据，解决了现有技术的不足。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种采动覆岩固液两相运移可视化模拟装置，其特征在于，包括模型架、注水装置、开采控制自动化系统、水位连续监测系统和可视化系统；

模型架位于整个系统的一侧，开采控制自动化系统位于整个系统的另一侧，可视化系统位于模型架和开采控制自动化系统之间，距离模型架N毫米；

所述模型架包括实验架、透明的有机玻璃挡板和液压千斤顶支撑块；

所述注水装置包括水箱、塑料注水管和注水孔；

所述开采控制自动化系统包括操作控制台、计算机、液压输油孔集成板、液压泵、液压出回油控制器；

所述水位连续监测系统包括操作控制台、计算机、水位连续检测器和水位连续监测记录仪；

所述可视化系统包括紫外灯、防护镜和荧光示踪剂；

所述实验架包括左右两个支架，支架两侧壁固定有机玻璃挡板；支架底部为一组液压千斤顶支撑块；实验架、两块有机玻璃挡板及一组液压千斤顶支撑块形成一个顶部开放的实验腔体；该实验腔体由底部向上依次填塞有物理模型岩层和物理模型表土层；

注水孔为注水管端部的出水孔；所述注水管两端伸入所述实验腔体中的物理模型表土层；所述水箱与注水管连接；一组玻璃管插在实验腔体中，水位连续监测器探入玻璃管内；

开采控制自动化系统连接液压千斤顶支撑块。

进一步的，所述挡板与实验架之间有密封层，该密封层材料为硅脂，涂膜厚度为5mm。

进一步的，所述模型架在挡板上部开有Φ＝15mm的注水孔，注水管Φ＝14mm，注水孔与注水管之间安放胶质垫圈。

一种采动覆岩固液两相运移可视化模拟方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)铺设实验模型：选择对应实际开采区域的地质材料按照地质层对试验腔体进行填充；

2)模拟地下潜水：通过注水装置向模型中注水；水中加入荧光示踪剂；

3)模拟开挖过程：通过开采控制自动化系统调节液压千斤顶支撑块的高度；

4)通过水位连续监测系统时时记录分析模型中水位变化；

5)通过可视化系统观察实验现象，并用照相机/摄录机拍摄记录隔水层采动裂隙张开、闭合及地下水流场的动态演变过程。

进一步的，步骤3)-5)的过程中使用紫外线灯照射观察实验现象；所述紫外线灯打开时光辐射范围包括整个模型架。

进一步的，所述荧光示踪剂为LUYOR-6200型的荧光检漏剂，所述检漏剂与水的配比为1:500，提前混合、搅拌，使用前静置10分钟。

有益效果：本发明提供的一种采动覆岩固液两相运移可视化模拟装置及其方法具体优点表现在：

(1)实验开挖过程由开采控制自动化系统完成，开采控制自动化系统通过降低液压千斤顶支撑块的高度来模拟开挖过程，实验过程有电脑全程自动控制，操作简单方便，精确度高，同时消除了普通开凿过程对模型的振动及破坏影响；

(2)利用注水装置直接在模型潜水位置注水，而不直接从模型最上部，消除了从上部注水后，后期表土含水下渗对潜水水位的影响；

(3)实验中采用水位连续监测系统连续记录分析水位变化，与人工读数记录相比更加准确，充分，避免了人工测量的读数误差；

(4)实验选用LUYOR-6200型的荧光检漏剂，在紫外灯的照射下，该检漏剂的示踪效果与墨水等普通示踪剂相比更加清晰明显，同时水流过或蒸发后无色素残留，消除了普通示踪剂色素残留对实验现象或结论的误导。

附图说明

图1为实验系统主视图；

图2为物理模型示意图；

图3为操作控制系统；

图4为注水装置结构示意图；

图5为千斤顶支撑块结构示意图；

图6为实验架剖面示意图。

图中：1：物理实验模型，2：注水装置，3：方凳，4：紫外灯，5：操作控制台。

1-1：实验架；1-2：物理模型表土层；1-3：PC方形管；1-4：水位连续监测器；1-5：P透明有机玻璃挡板；1-6：物理模型岩层；2：注水装置；6：液压千斤顶支撑块。

5-1：操作控制台；5-2：液压输油孔；5-3：液压输油孔集成板；5-4：鼠标；5-5：计算机；5-6：水位连续监测记录仪；5-7：水位连续监测通道；5-8：液压泵；5-9：总回油通道；5-10：总出油通道；5-11：液压出回油控制器；5-12：液压出回油控制器电源开关；5-13：油路控制阀；5-14：总储油箱；5-15：主机。

2-1：加入检漏剂的荧光水；2-2：水箱；2-3：塑料注水管；2-4：注水孔。6-1：千斤顶支撑块；6-2：千斤顶支撑杆；6-3：千斤顶储油箱；6-4：千斤顶出油孔；6-5：千斤顶进油孔。1-1：实验架；2-3：塑料注水管；7胶质密封垫圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种采动覆岩固液两相运移可视化模拟装置，其特征在于，包括模型架、注水装置2、开采控制自动化系统、水位连续监测系统和可视化系统；

模型架位于整个系统的一侧，开采控制自动化系统位于整个系统的另一侧，可视化系统位于模型架和开采控制自动化系统之间，距离模型架N毫米；

所述模型架包括实验架1-1、透明的有机玻璃挡板1-5和液压千斤顶支撑块6；

所述注水装置2包括水箱2-2、塑料注水管2-3和注水孔2-4；

所述开采控制自动化系统包括操作控制台5-1、计算机、液压输油孔集成板、液压泵、液压出回油控制器；

所述水位连续监测系统包括操作控制台5-1、计算机、水位连续检测器和水位连续监测记录仪；

所述可视化系统包括紫外灯、防护镜和荧光示踪剂；

所述实验架1-1包括左右两个支架，支架两侧壁固定有机玻璃挡板1-5；支架底部为一组液压千斤顶支撑块6；实验架1-1、两块有机玻璃挡板1-5及一组液压千斤顶支撑块6形成一个顶部开放的实验腔体；该实验腔体由底部向上依次填塞有物理模型岩层1-6和物理模型表土层；

注水孔2-4为注水管2-3端部的出水孔；所述注水管2-3两端伸入所述实验腔体中的物理模型表土层；所述水箱2-2与注水管2-3连接；一组玻璃管插在实验腔体中，水位连续监测器1-4探入玻璃管内；

开采控制自动化系统连接液压千斤顶支撑块6。

所述挡板1-5与实验架1-1之间有密封层，该密封层材料为硅脂，涂膜厚度为5mm。

所述模型架在挡板1-5上部开有Φ＝15mm的注水孔2-4，注水管2-3Φ＝14mm，注水孔2-4与注水管2-3之间安放胶质垫圈。

一种采动覆岩固液两相运移可视化模拟方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)铺设实验模型：选择对应实际开采区域的地质材料按照地质层对试验腔体进行填充；

2)模拟地下潜水：通过注水装置2向模型中注水；水中加入荧光示踪剂；

3)模拟开挖过程：通过开采控制自动化系统调节液压千斤顶支撑块6的高度；

4)通过水位连续监测系统时时记录分析模型中水位变化；

5)通过可视化系统观察实验现象，并用照相机/摄录机拍摄记录隔水层采动裂隙张开、闭合及地下水流场的动态演变过程。

步骤3)-5)的过程中使用紫外线灯照射观察实验现象；所述紫外线灯打开时光辐射范围包括整个模型架。

所述荧光示踪剂为LUYOR-6200型的荧光检漏剂，所述检漏剂与水的配比为1:500，提前混合、搅拌，使用前静置10分钟。

实施例：

一种模拟采动覆岩固液两相运移可视化模拟系统和方法，其具体实验步骤如下：

(1)选择规格为：140×8×105(单位：cm)物理实验模型架，在模型架左右挡板上部适当位置等高处开直径为15mm的圆形注水孔，并将模型底座设计成一个个大小合适并由液压千斤顶控制、能调节高度的千斤顶支撑块，千斤顶支撑块的结构如图2和5所示，支撑块之间顺次排列，紧密相连；

(2)选用合适的相似材料，在上述模型架上按常规方法铺设物理实验模型，将模型静至5-10天至相似材料良好胶结；

(3)将实验模型的前后挡板拆掉，换上与模型规格相当的、厚度为8mm的透明有机玻璃挡板。为保证实验良好的密封性，选择的有机玻璃挡板为一整块，在玻璃挡板左右两侧与模型架固定孔对应位置处开孔，并用螺栓螺母固定。玻璃挡板固定前，在玻璃挡板与实验架及实验模型之间涂抹厚度为5mm的295-2硅脂进行密封；

(4)利用连通器原理，采用变水头注水法，向模型架左侧注水装置(如图2所示)的注水箱中缓慢注水，水箱中的水经注水管由模型架两侧注水孔同时向模型中注水。需要说明的是，左侧注水孔经注水管直接与水箱相连；右侧注水孔连接的注水管为不干扰实验，绕至模型后侧与水箱相连(图中因模型遮挡，未完全画出)，注水管为Φ＝14mm的透明塑料管。注水后，保证模型中水位至同一高度，各处水位误差控制在5％以内，来模拟地下潜水。加水前，在水中加入LUYOR-6200型的荧光检漏剂，检漏剂与水的配比量为1:500，并提前混合、搅拌、静置10分钟。模型加水高度依据实际模拟要求而定，并由连续测量水位计实时测量、监测；

(5)启动开采控制自动化系统，在计算机中输入需要降低的支撑块编号、降低高度和时间间隔(具体数据视实验要求而定)。此时，液压千斤顶支撑块(6)在计算机的控制下通过向液压泵中回流液压油自动有序地调节千斤顶高度，模拟开挖过程；

(6)启动水位连续监测系统，用水位计连续记录模型中水位变化，监测数据实时传入计算机进行分析处理，并完成自动存储。

(7)将紫外灯摆放在模型架中部正前方1m处，与地面的垂直距离为0.5m，保证紫外灯打开时能完全照射实验模型。此后，实验者佩戴专用防护眼镜(品名：Honeywell紫外灯专用防护镜)，打开紫外灯观察记录实验现象，并用照相机/摄录机拍摄记录隔水层采动裂隙张开、闭合及地下水流场的变化过程。此时，在紫外灯照射下呈现黄绿色荧光的区域即表明有裂隙发育或有潜水涌入。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种采动覆岩固液两相运移可视化模拟装置，其特征在于，包括模型架、注水装置(2)、开采控制自动化系统、水位连续监测系统和可视化系统；

模型架位于整个系统的一侧，开采控制自动化系统位于整个系统的另一侧，可视化系统位于模型架和开采控制自动化系统之间，距离模型架N毫米；

所述模型架包括实验架(1-1)、透明的有机玻璃挡板(1-5)和液压千斤顶支撑块(6)；

所述注水装置(2)包括水箱(2-2)、塑料注水管(2-3)和注水孔(2-4)；

所述开采控制自动化系统包括操作控制台(5-1)、计算机、液压输油孔集成板、液压泵、液压出回油控制器；

所述水位连续监测系统包括操作控制台(5-1)、计算机、水位连续检测器和水位连续监测记录仪；

所述可视化系统包括紫外灯、防护镜和荧光示踪剂；

所述实验架(1-1)包括左右两个支架，支架两侧壁固定有机玻璃挡板(1-5)；支架底部为一组液压千斤顶支撑块(6)；实验架(1-1)、两块有机玻璃挡板(1-5)及一组液压千斤顶支撑块(6)形成一个顶部开放的实验腔体；该实验腔体由底部向上依次填塞有物理模型岩层(1-6)和物理模型表土层；

注水孔(2-4)为注水管(2-3)端部的出水孔；所述注水管(2-3)两端伸入所述实验腔体中的物理模型表土层；所述水箱(2-2)与注水管(2-3)连接；一组玻璃管插在实验腔体中，水位连续监测器(1-4)探入玻璃管内；

开采控制自动化系统连接液压千斤顶支撑块(6)。

2.如权利要求1所述的一种采动覆岩固液两相运移可视化模拟装置，其特征在于，所述挡板(1-5)与实验架(1-1)之间有密封层，该密封层材料为硅脂，涂膜厚度为5mm。

3.如权利要求1所述的一种采动覆岩固液两相运移可视化模拟装置，其特征在于，所述模型架在挡板(1-5)上部开有Φ＝15mm的注水孔(2-4)，注水管(2-3)Φ＝14mm，注水孔(2-4)与注水管(2-3)之间安放胶质垫圈。

4.一种采动覆岩固液两相运移可视化模拟方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)铺设实验模型：选择对应实际开采区域的地质材料按照地质层对试验腔体进行填充；

2)模拟地下潜水：通过注水装置(2)向模型中注水；水中加入荧光示踪剂；

3)模拟开挖过程：通过开采控制自动化系统调节液压千斤顶支撑块(6)的高度；

4)通过水位连续监测系统时时记录分析模型中水位变化；

5)通过可视化系统观察实验现象，并用照相机/摄录机拍摄记录隔水层采动裂隙张开、闭合及地下水流场的动态演变过程。

5.如权利要求4所述的一种采动覆岩固液两相运移可视化模拟方法，其特征在于，步骤3)-5)的过程中使用紫外线灯照射观察实验现象；所述紫外线灯打开时光辐射范围包括整个模型架。

6.如权利要求4所述的一种采动覆岩固液两相运移可视化模拟方法，其特征在于，所述荧光示踪剂为LUYOR-6200型的荧光检漏剂，所述检漏剂与水的配比为1:500，提前混合、搅拌，使用前静置10分钟。