CN105719551A - 一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，包括试验台架、试验用岩土层、地表移动观测装置，以及为岩土层的含水层补给水源的补给装置，试验用岩土层的上煤层和下煤层以液压枕结构和/或顶升千斤顶结构替代，液压枕结构通过设置在试验台架外侧的侧拉动力装置实现模拟煤层的开采。本发明在试验架内设置有代替上层煤及开采的液压枕结构和替代最下层煤及开采的顶升千斤顶结构，可准确把握上层煤和最下层煤开采后的走向和倾向支承压力分布规律；补水结构给含水层提供所需要水量，从而可达到煤炭开采和含水层持续供水同步进行的目的，实现有效模拟区域范围多煤层开采三维顶板动态移动破坏和裂隙渗流等效果。

Description

一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置

【技术领域】

本发明专利涉及一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，属于采矿工程试验研究技术领域。

【背景技术】

煤矿本身就是一块很大的公里级别的地质体，且煤矿井下巷道围岩环境复杂，煤层群开采及顶板水动态渗流三维模拟装置能够将很大的地质体通过相似比例缩小为室内小型三维模型体，并通过开挖获取岩土层的移动、破坏、裂隙、渗流等规律，从而为煤矿安全提供技术指导。目前，煤层开采模拟装置多为单一平面两维固相模拟装置，伴随着西北地区多煤层开采和煤矿突水导致的灾害事故频发问题，现有的单一平面两维固相模拟装置一是不能模拟区域三维开采的顶板破坏、顶板和采空区渗流问题，二是多煤层开采时不能准确把握上层煤和最下层煤走向和倾向支承压力分布规律。

鉴于以上技术问题，实有必要设计一种操作实用性强，试验功能全面、可操作性强的煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流三维模拟装置。

【发明内容】

本发明专利旨在克服现有模拟试验方法与技术方面存在的不足，设计一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，实现渗流功能，可有效模拟区域范围多煤层开采三维顶板动态移动、破坏、裂隙、渗流等规律。

本发明专利采用的技术方案如下：

一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，包括试验台架、铺设在试验台架内的试验用岩土层、设置在试验台架上用于观测岩土层下沉变化的地表移动观测装置，以及为岩土层的含水层补给水源的补给装置，所述试验用岩土层的上煤层和下煤层以液压枕结构和/或顶升千斤顶结构替代，所述液压枕结构通过设置在所述试验台架外侧的侧拉动力装置实现模拟煤层的开采。

进一步，所述液压枕结构为多个液压枕串联而成，每个所述液压枕用收紧螺丝通过液压枕截面上下的螺丝孔将所有液压枕串联起来，所述液压枕的高度为试验所替代煤层的厚度，所述液压枕截面的螺丝孔沿着截面垂直方向布置。

进一步，所述顶升千斤顶结构包括底座连为一体的多个千斤顶立柱、顶梁和设置于顶梁表面的液压传感器，所述千斤顶立柱升降的高度即是最下层煤的厚度，所述传感器设置于所述顶梁表面的安装槽内。

进一步，所述顶升千斤顶结构的传感器直径与安装槽的直径相同但小于顶梁宽度，所述安装槽的深度为传感器高度的一半。

进一步，所述千斤顶顶梁的宽度与千斤顶底座的宽度相同，均与替代上煤层的千斤顶结构或液压枕结构宽度和长度相同；所述千斤顶底座的长度与试验台长度相同，以保障每排千斤顶的稳定，使用时只需升降立柱并由顶梁支撑即可。

进一步，所述试验用岩土层自下而上依次为：替代下煤层的顶升千斤顶结构或液压枕结构、基岩层、替代上煤层的液压枕结构或顶升千斤顶结构、基岩层、隔水层、含水层、风积沙松散层；所述含水层主要由粗粒沙、石膏、大白粉铺设而成，所述隔水层主要由粘性土、细沙、石膏、大白粉和食用油铺设而成，所述基岩层主要由石膏、大白粉、细沙铺设而成。

进一步，所述地表移动观测装置包括设置在所述试验台架上部的固定架、位移百分表及接触件；所述固定架上等分排布有多个所述位移百分表，所述位移百分表固定在固定架上；所述接触件一端连接位移百分表，另一端触及试验用岩土层表面。

进一步，所述含水层补给结构包括容器支架、补水容器、补水管，所述补水容器由容器支架支撑固定，补水容器上标有水量刻度，补水容器连接补水管，补水管一端与补水容器连接，另一端伸入含水层且与含水层上表面平齐。

进一步，所述补水管的进水管口和出水孔均设置滤网，穿过试验架侧向槽钢孔，伸入至含水层的不同位置中，给含水层和采空区提供所需要水量。

进一步，所述补水管为“L”形结构，在“L”形结构的拐角位置设有排水口，该排水孔通过开关阀控制。

与现有技术相比，本发明专利至少具有以下有益效果：本发明在试验架内设置有代替上层煤及开采的液压枕结构和替代最下层煤及开采的顶升千斤顶结构，可准确把握上层煤和最下层煤开采后的走向和倾向支承压力分布规律；本发明在试验架内设置有试验架侧连续补水结构，给含水层提供所需要水量，从而可达到煤炭开采和含水层持续供水同步进行的目的，实现有效模拟区域范围多煤层开采三维顶板动态移动破坏和裂隙渗流等效果。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为本发明专利结构示意图；

图2为三维物理模拟试验台架示意图；

图3为调节度装置示意图；

图4为两侧挡板(槽钢)示意图；

图5为前挡板(槽钢)示意图；

图6为可视玻璃后挡板板示意图；

附图标记说明：

【具体实施方式】

本发明专利公布一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，属于煤矿相似材料模型试验模拟技术领域。它主要由试验台架1、铺装在试验台架内的模拟岩土层及设置在试验台架1侧的含水层补给结构组成。所述试验台架1是煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流综合试验系统的核心单元，所述试验台架1包括四周立柱、试验台两侧挡板2、试验台前挡板3、可视玻璃板挡板4、底座及地表移动观测装置。所述铺装在试验台架内的模拟岩土层自上而下依次包括风积沙松散层7、含水层8、隔水层9、基岩层11及上层煤、基岩层11和最下层煤，所述上层煤和最下层煤分别由液压枕结构12和顶升千斤顶结构13代替。所述的含水层补给结构包括补水容器16、容器支架15及补水管17，所述补水管17一端与补水容器16连接，另一端伸入至含水层中给含水层提供所需要的设计水量，所述补水管17设置有排水功能。

以下结合附图和实例对本发明专利作进一步说明。

请参阅图1及图2所示，本发明专利提供了一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，包括试验台架1、铺装在试验台架内的模拟岩土层及设置在试验台架侧的含水层补给结构；所述试验台架体1包括两侧(槽钢)挡板2、前(槽钢)挡板3、可视玻璃板挡板4、四周立柱、底座及地表移动观测装置。所述四周立柱和底座均由前(槽钢)挡板3代替；

所述两侧挡板2、前挡板3及四周立柱均由槽钢螺丝孔5固定；所述可视玻璃板挡板4通过玻璃板螺丝孔6来与槽钢固定。

所述铺装在试验台架内的模拟岩土层包括风积沙松散层7、含水层8、隔水层9、基岩层11、代替上层煤铺设的液压枕结构12及代替最下层煤铺设顶升千斤顶结构13；所述模拟岩土层自下而上铺设顺序依次为：顶升千斤顶结构13、基岩层11、液压枕结构12、基岩层11、隔水层9、含水层8、风积沙松散层7。

所述含水层8，铺装的材料主要以粗粒沙、石膏、大白粉按照一定级配铺设而成；

所述隔水层9主要用粘性土、细沙、石膏、大白粉及食用油按一定级配铺设；

所述隔水材料10，铺装在隔水层9和基岩层11接触面，起到绝对的防水作用；

所述基岩层11，主要以石膏、大白粉、细沙按一定级配铺设而成；

所述液压枕结构12，主要由液压枕、收紧螺丝、侧拉动力装置14组成。选用普通液压枕，在液压枕上下沿着截面垂直方向上各加工两对螺丝孔，在铺设上层煤时，上层煤全部由液压枕来代替，用收紧螺丝通过液压枕截面设计的上下两对螺丝孔将每个液压枕串联起来，所述液压枕的宽度和长度根据模型中煤层的开采进尺确定，所述液压枕的高度根据所替代煤层的厚度来设计。通过侧拉动力装置14在试验台架侧面向外拉动每个液压枕来模拟上层煤开采，拉出一块液压枕代表开采一块液压枕长度的煤体。

所述顶升千斤顶结构13，主要由千斤顶立柱、顶梁、底座及顶梁表面的液压传感器组成，主要用来替代最下层煤及开采过程，通过升降千斤顶来代替下层煤开采，升降的高度即是下层煤的厚度。所述顶梁的设计宽度与底座宽度相同，也与替代上层煤铺装的液压枕设计宽度和长度相同。所述千斤顶底座设计成一体，即长度和试验台架长度相当，保障每排千斤顶底座的稳定，使用时只需升降立柱并由顶梁支撑即可。所述千斤顶顶梁和底座均由一定厚度的钢板加工而成。所述顶梁表面的压力传感器主要用来实时传递上部岩层开采的移动压力，传感器形状为圆形，直径小于顶梁宽度，安装时紧紧的卡在顶梁表面预先设计的圆形浅槽内。所述圆形浅槽的直径与传感器直径相当，圆形浅槽深度为传感器高度的一半。

所述的含水层补给结构包括容器支架15、补水容器16、补水管17、开关阀18及出水孔19；所述补水容器16由容器支架15支撑固定，补水容器16上标有水量刻度，补水容器16连接补水管17，补水管17一端与补水容器16连接，另一端伸入含水层8且与含水层8上表面平齐；所述补水管17的进水管口和出水孔19均设置滤网，穿过试验架侧向槽钢孔，伸入至含水层的不同位置中，给含水层和采空区提供所需要水量；所述补水管17设置有排水功能，排水口设置在“L”形管道拐角处，当试验完成后，将管内多余的水从排水口排出，在该排水口设置有开关阀18用以控制排水。

以下针对本发明专利监测系统的安装方法予以说明：

步骤1、首先将试验台架四周立柱和底座用前(槽钢)挡板3代替，由螺丝拧紧固定，然后在试验台四周各固定一排前(槽钢)挡板3和两侧(槽钢)挡板2，进一步固定可视玻璃板后挡板4，形成试验台初始框架；

步骤2、铺设代替最下层煤的顶升千斤顶结构13，将顶升千斤顶以及顶梁圆槽中的传感器按照顺序一排一排的铺设，根据顶升千斤顶的宽度，直到铺满试验台架长度为止；

步骤3、岩土层材料配比制作，含水层8铺装的材料以粗粒沙、石膏、大白粉按照一定级配铺设而成；隔水层9用粘性土、细沙、石膏、大白粉及食用油按一定级配铺设；隔水材料10，一般选用防水剂材料，铺装在隔水层和基岩层接触面；基岩层11，以石膏、大白粉、细沙按一定级配铺设而成；

步骤4、铺设岩土层，除了预先铺好的代替最下层煤的顶升千斤顶结构13，其它岩土层自下而上铺设顺序依次为基岩层11、代替上层煤铺设的液压枕结构12、基岩层11、隔水材料10、隔水层9、含水层8、风积沙松散层7；每铺设一个两侧(槽钢)挡板2宽度的岩层高度，需增加一排槽钢，直到铺设至风积沙松散层7，即岩土层铺设完毕；

步骤5、在铺设基岩层时，在基岩层中安设小型传感器，小型传感器类型为普通传感器，间排距按照20cm等分设计，用以测试基岩层局部应力；

步骤6、在铺设液压枕结构12时，将每排液压枕用收紧螺丝拧紧串联起来，根据液压枕的宽度，直到铺满试验台架长度为止；

步骤7、将补水容器16固定在容器支架15上，将补水管17上方与补水容器16连接，另一头插入含水层8中，高度与上表面齐平，出水孔朝下。补水容器16所连接的补水管可以加工为长短不一的规格，方便试验需求，换接；

步骤8、将侧拉动力装置14等辅助设施准备到位，以便随时使用；

步骤9、在铺设好的风积沙松散层7表面布设地表移动观测装置，先将固定架23与试验台架体1固定，先后由接触件22连接位移百分表21和固定架23，将位移固定百分表固定并保持垂直稳定。将位移百分表按照20cm的间排距等分设计；

步骤10、在试验台架体外侧的底座下方布置可调角度装置，用以调节试验台架的角度，将拉伸钢丝绳固定在试验台架体一侧底座的两端，通过拉伸千斤顶24拉动钢丝绳调节试验台架的角度，拉伸钢丝绳通过角度滑轮26，然后再经过固定支撑滑轮25，由拉伸千斤顶24提供试验台架体的角度旋转拉力。支撑立柱27提供可调角度装置的重心稳定性。

与现有技术相比，本发明专利具有如下优点：

1、本发明通过相似比例将大型地质体缩小为室内小型三维模型体，并通过试验获取岩土层的三维移动、破坏、裂隙、渗流等规律。

2、本发明设置有代替上层煤及开采的液压枕结构和替代最下层煤及开采的顶升千斤顶结构，可准确把握上层煤和最下层煤开采后的走向和倾向支承压力分布规律。

液压枕结构由一个一个相同尺寸的液压枕串联组成，液压枕的厚度也即是上层煤厚度，通过侧拉动力装置每拉出一块液压枕，相当于开采了一个液压枕长度的煤层。同时，未拉出的液压枕可起到监测上部岩土层采动荷载的作用。

顶升千斤顶装置表面设置有液压传感器组成，主要用来替代最下层煤的铺设、最下层煤的开采以及支承压力监测，通过升降千斤顶来代替最下层煤开采，升降的高度即是最下层煤的厚度。

3、本发明设置有连续补水结构，补水容器连接补水管，通过补水管给试验架内的含水层补水，给含水层提供所需要水量，从而可达到煤炭开采和含水层持续供水同步进行的目的，实现有效模拟区域范围多煤层开采三维顶板动态移动破坏和裂隙渗流等效果。

4、本发明在基岩层中安设小型传感器，可方便监测基岩层荷载动态变化情况。

以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，其特征在于：包括试验台架(1)、铺设在试验台架(1)内的试验用岩土层、设置在试验台架(1)上用于观测岩土层下沉变化的地表移动观测装置，以及为岩土层的含水层补给水源的补给装置，所述试验用岩土层的上煤层和下煤层以液压枕结构(12)和/或顶升千斤顶结构替代，所述液压枕结构(12)通过设置在所述试验台架(1)外侧的侧拉动力装置(14)实现模拟煤层的开采。

2.根据权利要求1所述的一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，其特征在于：所述液压枕结构(12)为多个液压枕串联而成，每个所述液压枕用收紧螺丝通过液压枕截面上下的螺丝孔将所有液压枕串联起来，所述液压枕的高度为试验所替代煤层的厚度，所述液压枕截面的螺丝孔沿着截面垂直方向布置。

3.根据权利要求1所述的一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，其特征在于：所述顶升千斤顶结构(13)包括底座连为一体的多个千斤顶立柱、顶梁和设置于顶梁表面的液压传感器，所述千斤顶立柱升降的高度即是最下层煤的厚度，所述传感器设置于所述顶梁表面的安装槽内。

4.根据权利要求3所述的一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，其特征在于：所述顶升千斤顶结构(13)的传感器直径与安装槽的直径相同但小于顶梁宽度，所述安装槽的深度为传感器高度的一半。

5.根据权利要求3所述的一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，其特征在于：所述千斤顶顶梁的宽度与千斤顶底座的宽度相同，均与替代上煤层的千斤顶结构或液压枕结构宽度和长度相同；所述千斤顶底座的长度与试验台长度相同，以保障每排千斤顶的稳定，使用时只需升降立柱并由顶梁支撑即可。

6.根据权利要求1所述的一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，其特征在于：所述试验用岩土层自下而上依次为：替代下煤层的顶升千斤顶结构(13)或液压枕结构(12)、基岩层(11)、替代上煤层的液压枕结构(12)或顶升千斤顶结构(13)、基岩层(11)、隔水层(9)、含水层(8)、风积沙松散层(7)；所述含水层(8)主要由粗粒沙、石膏、大白粉铺设而成，所述隔水层(9)主要由粘性土、细沙、石膏、大白粉和食用油铺设而成，所述基岩层(11)主要由石膏、大白粉、细沙铺设而成。

7.根据权利要求1所述的一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，其特征在于：所述地表移动观测装置包括设置在所述试验台架(1)上部的固定架(23)、位移百分表(21)及接触件(22)；所述固定架(23)上等分排布有多个所述位移百分表(21)，所述位移百分表(21)固定在固定架(23)上；所述接触件(22)一端连接位移百分表(21)，另一端触及试验用岩土层表面。

8.根据权利要求1所述的一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，其特征在于：所述含水层补给结构包括容器支架(15)、补水容器(16)、补水管(17)，所述补水容器(16)由容器支架(15)支撑固定，补水容器(16)上标有水量刻度，补水容器(16)连接补水管(17)，补水管(17)一端与补水容器(16)连接，另一端伸入含水层(8)且与含水层(8)上表面平齐。

9.根据权利要求8所述的一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，其特征在于：所述补水管(17)的进水管口和出水孔均设置滤网，穿过试验架侧向槽钢孔，伸入至含水层的不同位置中，给含水层和采空区提供所需要水量。

10.根据权利要求8所述的一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，其特征在于：所述补水管(17)为“L”形结构，在“L”形结构的拐角位置设有排水口，该排水孔通过开关阀(18)控制。