CN107218974A - 一种煤矿地下水库储水系数测定装置 - Google Patents

Abstract

一种煤矿地下水库储水系数测定装置，包括内装有相似模拟材料岩体的试验箱，试验箱的一侧连接有输水管，另一侧连接有出水管，输水管连接于储水仓，输水管上设有电控自动化止水阀，出水管连接于储水量监测设备，试验箱的顶部放置有加压板，加压板上连接有加压杆，加压杆铰接于杠杆，杠杆的一端铰接于试验箱上方的支撑架上，另一端连接于加压设备，加压设备上设有压力监测设备，支撑架上设有位移监测设备，用于监测加压板的位移量，电控自动化止水阀、储水量监测设备、压力监测设备及位移监测设备均连接于计算机。本发明能够真实模拟储水采空区顶板压力环境，测得顶板压力作用下的储水系数，大大提高了煤矿地下水库储水量预测的可靠性。

Description

一种煤矿地下水库储水系数测定装置

技术领域

本发明涉及煤矿参数测定技术领域，特别是涉及一种煤矿地下水库储水系数测定装置。

背景技术

伴随我国实施煤炭开采西移战略，陕北榆神府矿区已逐渐发展成我国特大型煤田开发基地，但矿区地处毛乌素沙漠与黄土高原接壤地带，属典型半干旱、半沙漠高原大陆性气候，水资源极度匮乏。为此，针对矿区煤炭大规模、高强度开采产生大面积采空区和大量矿井水的普遍条件，提出矿井水煤矿地下水库储用技术方案，即利用采空区垮落岩体空隙储存矿井水，实现矿井水循环利用。其中，储水量预测作为矿井水煤矿地下水库储用技术体系中较为重要的技术组成部分，引起了国内外专家和学者的广泛关注。

国外，1979年，B.M.Sahni基于简化瞬态地下水流动方程成有限差分形式，提出一种运用压力等值线图测定地下含水层储水系数的方法。1983年，波兰学者M.诺勾兹对采空区积水量进行了研究，认为采空区积水量等于采出煤层原始体积与单位积水系数的乘积。而积水系数主要取决于矿山压力与垮落岩体性质，并建立积水系数计算公式；2006年，V.N.Sharda运用水面波动法和氯离子质量平衡法对印度西部干旱-半干旱地区地水库补给地下水量进行了预测；2012年，P.Arlai充分考虑了能够反映地下水发展的相关参数，提出一种适用于泰国地下含水层动态储水量计算的新方法；2015年，A.根据阿斯图里亚斯中部煤盆地水文及地质特征，建立了关于河流对矿井采空区储水补给量的预测模型。国内，1994年，彭新宁认为采空区储水率对预测水位上涨速度与时间起关键作用，其大小等于空隙率与吸水率之和，很好地解决了采空区储水空间难以量化的问题；2010年，罗立平根据淮南煤田采空区积水实际数据，采用非线性理论建立了采空区积水系数预测模型，结合工程应用验证了模型的合理性；2012年，张革委分析了神南矿区采空区储水条件、过程及机理，预测了采空区储水量，提出了风沙滩区有利于形成采空区储水盆地的观点；2014年，常金源以陕北神南矿区为例，开展了潜水漏失程度评价、采空区水质分析以及储水量预测等工作，提出了干旱矿区“保水采煤”效果评价标准。

鉴于已有的研究方法大部分是采用规则几何体代替复杂、不规则采空区垮落岩体空隙结构，并不能完全反映出真实岩体空隙的复杂性和非均匀性，具有较大的局限性。因此，有必要设计一种煤矿地下水库储水系数测定装置，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种煤矿地下水库储水系数测定装置，该装置能够真实模拟储水采空区顶板压力环境和垮落岩体空隙空间分布特征，通过储水系数的准确测定大大提高了煤矿地下水库储水量预测的可靠性，而且结构简单，操作方便，且具有实时监测功能，可以对顶板压力、位移变化，储水系数进行实时监测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤矿地下水库储水系数测定装置，包括内装有相似模拟材料岩体的试验箱，所述试验箱的一侧连接有输水管，另一侧连接有出水管，所述输水管连接于储水仓，所述输水管上设有电控自动化止水阀，所述出水管连接于储水量监测设备，所述试验箱的顶部放置有加压板，所述加压板上连接有加压杆，所述加压杆铰接于杠杆，所述杠杆的一端铰接于所述试验箱上方的支撑架上，另一端连接于加压设备，所述加压设备上设有压力监测设备，所述支撑架上设有位移监测设备，用于监测所述加压板的位移量，所述电控自动化止水阀、所述储水量监测设备、所述压力监测设备及所述位移监测设备均连接于计算机。

进一步，所述储水仓的顶部连接有进水管，所述输水管设置于所述储水仓的底部。

进一步，所述储水仓设置于支架上，所述支架的底部设有滚轮。

进一步，所述加压设备为电动液压千斤顶，所述电动液压千斤顶的输出端通过钢绳与所述杠杆连接。

进一步，所述压力监测设备为压力传感器，所述压力传感器设置于所述电动液压千斤顶的输出端，用于监测所述电动液压千斤顶施加的压力。

进一步，所述试验箱底部设有钢垫板，周围设有加劲肋。

进一步，所述加压板上设有螺旋套筒，所述加压杆的底部设有螺旋部，所述螺旋部旋紧在所述螺旋套筒内。

进一步，所述储水量监测设备包括连接于所述出水管的水箱，以及设置于所述水箱内的电控水位计。

进一步，所述加压板包括位于中间呈矩形的第一加压板，以及环绕于所述第一加压板周围呈回形的第二加压板，所述第一加压板上均匀分布有四个所述加压杆，所述第二加压板上设有两个所述加压杆，分别位于所述第一加压板横向两侧的中部。

进一步，所述位移监测设备为激光位移传感器，所述激光位移传感器设有两个，位于所述支撑架纵向的两侧。

本发明的有益效果：

本发明在试验箱内装有相似模拟材料岩体，真实模拟储水采空区顶板压力环境和垮落岩体空隙空间分布特征，通过储水仓和电控自动化止水阀向试验箱内自动注水，注水量可控且可被监测，加压设备通过杠杆和加压杆对加压板进行加压，模拟采空区顶板压力，同时监测试验箱储水量，算得顶板压力作用下的储水系数，通过储水系数的准确测定大大提高了煤矿地下水库储水量预测的可靠性，本发明测定装置结构简单，操作方便，且具有实时监测功能，实现对顶板压力、位移变化，储水系数的实时监测，通过改变加压板大小，完成不同尺寸的顶板压力下的储水系数的测定试验。

附图说明

图1为本发明煤矿地下水库储水系数测定装置的结构示意图；

图中，1—进水管、2—储水仓、3—支架、4—输水管、5—电控自动化止水阀、6—支撑架、7—试验箱、8—第一加压板、9—第二加压板、10—螺旋套筒、11—加压杆、12—杠杆、13—出水管、14—水箱、15—激光位移传感器、16—电动液压千斤顶、17—压力传感器、18—计算机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1，本发明提供一种煤矿地下水库储水系数测定装置，包括内装有相似模拟材料岩体的试验箱7，在试验箱7内装设相似模拟材料岩体，可以真实模拟储水采空区顶板压力环境和垮落岩体空隙空间分布特征。

试验箱7的一侧连接有输水管4，输水管4的一端连接于储水仓2，储水仓2的顶部连接有进水管1，输水管4设置于储水仓2的底部，输水管4上设有电控自动化止水阀5，通过电控自动化止水阀5控制进入试验箱7内的水量，使得注水量可控，且可被监测。储水仓2设置于支架3上，支架3的底部设有滚轮，方便移动支架3及储水仓2。

试验箱7的顶部放置有加压板，加压板可以使试验箱7内岩体受到的压力均匀连续变化。加压板上连接有加压杆11，加压杆11铰接于杠杆12，杠杆12的一端铰接于试验箱7上方的支撑架6上，另一端连接于加压设备。加压板上设有螺旋套筒10，加压杆11的底部设有螺旋部，螺旋部旋紧在螺旋套筒10内，从而将加压杆11与加压板固定连接起来，通过螺旋套筒10与螺旋部旋紧，可以升高或降低加压杆11。在本实施例中，根据应力分区计算设计，加压板包括位于中间呈矩形的第一加压板8，以及环绕于第一加压板8周围呈回形的第二加压板9，第一加压板8上均匀分布有四个加压杆11，第二加压板9上设有两个加压杆11，分别位于第一加压板8横向两侧的中部。加压设备采用电动液压千斤顶16，电动液压千斤顶16的输出端通过钢绳与杠杆12连接，在本实施例中，采用型号为DYG-320T的电动液压千斤顶16，接通电源后，可以调节压力以及位移，控制加压速率，采用电动液压千斤顶16，压力稳定，操作方便。杠杆12采用省力杠杆，便于减少千斤顶施加压力，方便操作。加压设备上设有压力监测设备，在本实施例中，压力监测设备为压力传感器17，压力传感器17设置于电动液压千斤顶16的输出端，用于监测电动液压千斤顶16施加的压力。

支撑架6上还设有位移监测设备，用于监测加压板的位移量，在本实施例中，位移监测设备为激光位移传感器15，激光位移传感器15设有两个，位于支撑架6纵向的两侧，采用激光位移传感器15，对试验箱7的试验不产生干扰，测量准确。在本实施例中，采用型号为Q50AVUQ的激光位移传感器15，接通电源可自动化监测。

试验箱7的另一侧连接有出水管13，出水管13连接于储水量监测设备，储水量监测设备包括连接于出水管13的水箱14，以及设置于水箱14内的电控水位计，在本实施例中，电控水位计采用型号为RISEN-RPE的电控水位计，接通电源可实现自动化监测。

电控自动化止水阀5、电动液压千斤顶16、电控水位计、压力传感器17及激光位移传感器15均连接于计算机18，通过计算机18自动控制注水量、电动液压千斤顶16的施加压力，并能够实时监测电控水位计、压力传感器17及激光位移传感器15的监测数据。

优选的，试验箱7底部设有钢垫板，防止压力过大导致试验箱底部应力集中产生破裂。试验箱7的周围设有横向或纵向延伸的加劲肋，防止压力过大导致试验箱侧向产生位移。

本发明煤矿地下水库储水系数测定装置的一次试验过程为：首先在试验箱7内填充好配制好的相似模拟材料岩体，按所需实验时间进行模型干燥，干燥完成后，通过进水管1，向储水仓2内注满水，打开电控自动化止水阀5通过输水管4，向试验箱7内注水，当水位达到实验水位时停止加水，并将加水量传递给电控自动化止水阀5，停止注水。经研究分析，选择适合的加压板，通过螺旋套筒10与加压杆11连接，并通过杠杆12与电动液压千斤顶16相连。然后开启压力传感器17，电控水位计，激光位移传感器15，确保出水管通畅，通过计算机18将其对应数据调零，为加压实验做好准备。

开启电动液压千斤顶16，通过计算机18输入相应的实验进程，计算机18自动记录压力传感器17，电控水位计，激光位移传感器15的实验数据。最终，利用监测储水量与试验箱7体积计算出顶板压力作用下的储水系数。

本发明通过更换不同尺寸的加压板，模拟不同顶板，完成不同尺寸的顶板压力下的储水系数的测定试验。通过电动液压千斤顶16可以实现压力稳定、连续变化的加压，完成不同压力下的储水系数测定试验，采用加压板使压力均匀连续变化。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种煤矿地下水库储水系数测定装置，其特征在于，包括：内装有相似模拟材料岩体的试验箱，所述试验箱的一侧连接有输水管，另一侧连接有出水管，所述输水管连接于储水仓，所述输水管上设有电控自动化止水阀，所述出水管连接于储水量监测设备，所述试验箱的顶部放置有加压板，所述加压板上连接有加压杆，所述加压杆铰接于杠杆，所述杠杆的一端铰接于所述试验箱上方的支撑架上，另一端连接于加压设备，所述加压设备上设有压力监测设备，所述支撑架上设有位移监测设备，用于监测所述加压板的位移量，所述电控自动化止水阀、所述储水量监测设备、所述压力监测设备及所述位移监测设备均连接于计算机。

2.根据权利要求1所述的煤矿地下水库储水系数测定装置，其特征在于：所述储水仓的顶部连接有进水管，所述输水管设置于所述储水仓的底部。

3.根据权利要求1所述的煤矿地下水库储水系数测定装置，其特征在于：所述储水仓设置于支架上，所述支架的底部设有滚轮。

4.根据权利要求1所述的煤矿地下水库储水系数测定装置，其特征在于：所述加压设备为电动液压千斤顶，所述电动液压千斤顶的输出端通过钢绳与所述杠杆连接。

5.根据权利要求4所述的煤矿地下水库储水系数测定装置，其特征在于：所述压力监测设备为压力传感器，所述压力传感器设置于所述电动液压千斤顶的输出端，用于监测所述电动液压千斤顶施加的压力。

6.根据权利要求1所述的煤矿地下水库储水系数测定装置，其特征在于：所述试验箱底部设有钢垫板，周围设有加劲肋。

7.根据权利要求1所述的煤矿地下水库储水系数测定装置，其特征在于：所述加压板上设有螺旋套筒，所述加压杆的底部设有螺旋部，所述螺旋部旋紧在所述螺旋套筒内。

8.根据权利要求1所述的煤矿地下水库储水系数测定装置，其特征在于：所述储水量监测设备包括连接于所述出水管的水箱，以及设置于所述水箱内的电控水位计。

9.根据权利要求1所述的煤矿地下水库储水系数测定装置，其特征在于：所述加压板包括位于中间呈矩形的第一加压板，以及环绕于所述第一加压板周围呈回形的第二加压板，所述第一加压板上均匀分布有四个所述加压杆，所述第二加压板上设有两个所述加压杆，分别位于所述第一加压板横向两侧的中部。

10.根据权利要求9所述的煤矿地下水库储水系数测定装置，其特征在于：所述位移监测设备为激光位移传感器，所述激光位移传感器设有两个，位于所述支撑架纵向的两侧。