CN107356510A - 模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统，底座转动连接支架，支架设置试验管和加载液压缸，试验管的一端活动连接加载头，加载液压缸的活柱端连接加载头，试验管的另一端连接注水盖，加载头内开设空腔，加载头的一侧开设多个透水孔，加载头的另一侧设置出水管路、出水阀和流量传感器，注水盖连接进水管路，进水管路设置进水阀和流量传感器，水压水量双控伺服装置分别连接出水阀和进水阀，位移压力双控伺服装置连接加载液压缸，试验管内设置孔隙水压传感器，控制单元分别信号连接水压水量双控伺服装置、位移压力双控伺服装置、流量传感器和孔隙水压传感器。本发明的有益效果：定量模拟分析采场围岩突水通道扩展演化试验。

Description

模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统

技术领域

本发明涉及采矿工程模拟试验技术领域，特别是涉及一种模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统。

背景技术

我国华北、华东地区煤矿水文地质条件复杂，底板奥灰水威胁日趋严重，近10年发生重特大突水事故50多起，死亡人数近千人，直接经济损失30多亿元，突水已成为煤矿安全生产重大隐患。近年来随着煤矿开采强度的不断加大和开采深度的不断提高，煤层受底板层压水及上覆松散含水层的影响日益严重，地下水体通过裂隙涌入采空区或者工作面，导致造成严重的人员伤亡和财产损失，严重制约着煤炭工业的发展。2010年3月28日，王家岭矿北翼盘区101回风顺槽受老空水影响发生突水事故，事故造成153人被困。2010年3月1日骆驼山煤矿掘进巷道受隐伏构造影响发生重大透水事故，此次透水事故共造成32人遇难、7人受伤。2002年11月10日淮北矿业集团公司桃园煤矿二采区1022上工作面(准备面)，切眼上口发生突水、溃砂事故，死亡4人，受伤1人，直接经济损失130多万元。受煤层开采影响，采场围岩性质发生变化，破坏范围极易导通含水区域引发煤矿突水。

为了保证煤炭资源的安全开采，摆脱突水灾害的严重困扰，在水体下及水体上采煤时，防止突水事故的发生，科学合理的设计采场布置方式，进行采动围岩空间裂隙演化规律、渗流、突水模拟，获得工作面围岩至灾的动力机制，是亟待解决的关键问题之一。由于地下采掘工程隐蔽性的特点，使得采煤引起的突水的机理研究和影响因素难以借助现场观测进行研究，室内试验成为解决这一问题的有效手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统，以定量化研究不同模拟地质环境下突水裂隙扩展形成突水通道过程中岩体应力、渗流的变化特征，获得裂隙演化的方向、尺寸等参数特征。

本发明提供一种模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统，包括底座、水压水量双控伺服装置、位移压力双控伺服装置和控制单元，底座上转动连接有支架，支架上设置有试验管和加载液压缸，试验管包括下半管和与下半管可拆卸连接的上半管，试验管的一端活动连接有加载头，加载液压缸的活柱端连接加载头，试验管的另一端连接有注水盖，加载头内开设有空腔，加载头的一侧开设有多个与空腔连通的透水孔，加载头的另一侧设置有与空腔连通的出水管路，出水管路上设置有出水阀和流量传感器，注水盖上连接有进水管路，进水管路上设置有进水阀和流量传感器，水压水量双控伺服装置分别连接出水阀和进水阀，位移压力双控伺服装置连接加载液压缸，上半管内等间距地设置有多个孔隙水压传感器，控制单元分别信号连接水压水量双控伺服装置、位移压力双控伺服装置、流量传感器和孔隙水压传感器。

进一步的，支架上设置有旋转轴，旋转轴转动连接底座。

进一步的，还包括半圆形的压紧条板，压紧条板骑跨于上半管上且压紧条板装配连接支架。

进一步的，压紧条板的两端分别经螺栓连接支架。

进一步的，下半管和上半管之间设置有密封圈。

进一步的，密封圈由脆性环氧树脂材料制成。

进一步的，加载头上设置有通信电缆接头，通信电缆接头的一端分别信号连接多个孔隙水压传感器，通信电缆接头的另一端连接控制单元。

进一步的，加载头的一侧为圆形板，圆形板上开设多个透水孔，圆形板的圆心向外划定多个同心圆，多个同心圆的圆周上等间距布置多个透水孔。

进一步的，试验管的另一端螺纹连接注水盖。

进一步的，支架上设置有量角仪。

与现有技术相比，本发明的模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统具有以下特点和优点：

本发明的模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统，进行采场围岩突水通道的扩展演化的模拟试验，研究在不同地应力、水压力、不同地质构造、不同地层组合等条件下突水通道的演化过程，通过设置不同应力大小、水压大小、材料力学性质等参数，定量化研究围岩突水裂隙扩展演化的多种地质信息，获得压力、水压、流量等参数之间的相互影响变化曲线，获得突水发生的前兆、现象等具有规律性特征，进而提高了煤层开采诱发围岩突水特征识别的可靠性；模拟试验系统具有水压、载荷各自独立的稳压系统，更精确、稳定性更优；还可以配合相应的监测软件，实现了对孔隙水压力、流量、位移信息的实时监测。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统的示意图；

图2为图1中局部结构的侧视图；

图3为本发明实施例试验管的剖面图；

图4为本发明实施例试验管密封结构示意图；

图5为本发明实施例加载头的剖面图；

图6为本发明实施例注水盖的剖面图；

其中，11、底座，12、支架，13、旋转轴，21、下半管，22、上半管，23、密封圈，24、压紧条板，31、加载头，311、透水孔，312、空腔，32、注水盖，321、内螺纹，33、加载液压缸，41、位移压力双控伺服装置，42、水压水量双控伺服装置，5、控制单元，6、孔隙水压传感器，61、通信电缆接头，7、流量传感器，8、量角仪，91、进水阀，92、出水阀。

具体实施方式

如图1至图6所示，本实施例提供一种模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统，底座11为框架结构，支架12也为框架结构，成本较低，便于装配。支架12上设置有旋转轴13，底座11上设置有轴承，旋转轴13装配连接轴承，以使支架12可绕底座11转动。在支架12上设置量角仪8，可以控制支架12相对底座11转动的角度。

试验管包括下半管21和上半管22，采用上下分管的结构形式，使便于向试验管铺设模拟材料。上半管22内等间距地设置有多个孔隙水压传感器6，以监测试验管内不同区域内模拟材料孔隙水压的变化量。加载头31上设置有通信电缆接头61，通信电缆接头61的一端分别信号连接多个孔隙水压传感器6。支架12上固定连接下半管21，上半管22可拆卸地连接下半管21。具体的，将上半管22扣合在下半管21上，在下半管21和上半管22之间设置由脆性环氧树脂材料制成的密封圈23，以实现下半管21和上半管22间良好的密封。半圆形的压紧条板24骑跨于上半管22上，并且压紧条板24两端分别经螺栓装配连接支架12，实现下半管21、上半管22及支架12间的紧固。

支架12上设置加载液压缸33，加载液压缸33的活柱端连接加载头31，加载头31伸入试验管的一端其加载头31可在试验管内移动。加载头31对试验管内的模拟材料施加压力。加载头31的一侧为圆形板，圆形板上开设多个透水孔311，圆形板的圆心向外划定多个同心圆，多个同心圆的圆周上等间距布置多个透水孔311，可以使水均匀、快速地从加载头31的一侧透过。加载头31内开设有空腔312，透水孔311与空腔312连通。加载头31的另一侧设置有出水管路，出水管路页与空腔312连通的，出水管路上设置有出水阀92和流量传感器7。试验管的另一端设置有外螺纹，注水盖32内设置有内螺纹321，试验管的另一端螺纹连接注水盖32。注水盖32上连接有进水管路，进水管路上设置有进水阀91和流量传感器7。

水压水量双控伺服装置42分别连接出水阀92和进水阀81，位移压力双控伺服装置41连接加载液压缸33，控制单元5分别信号连接水压水量双控伺服装置42、位移压力双控伺服装置41、流量传感器7和通信电缆接头61的另一端。

本实施例的模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统，应用其进行试验，步骤如下：

(1)根据实际地质条件和采矿条件，按照研究内容将模拟材料铺设在试验管内并安置于支架12上，具体的，将试验管拆离支架12，然后将模拟材料按照实际地质参数铺设在试验管内，保证模拟材料的密实及上半管22和下半管21的上下对正，再将试验管通过压紧条板24固定在支架12上，将注水盖32旋紧在试验管的下端口，同时将加载头31置于试验管的上端口；

(2)依据水源位置以及地应力方向特征，使支架12绕底座11转动，调节支架12的角度，观察量角仪8的参数，直到达到实际地质环境所需要的模拟条件；

模拟煤层底板突水，支架12绕底座11转动，使加载头31置于上方，注水盖32置于下方，量角仪8参数由现场地质构造决定；

模拟煤层顶板溃水，支架12绕底座11转动，使加载头31置于下方，注水盖32置于上方，量角仪8参数由现场地质构造决定；

拟煤层保护煤柱突水，支架12水平放置，使加载头31、注水盖32处于水平位置；

(3)关闭进水阀91和出水阀92，启动位移压力双控伺服装置41，逐级向加载头31施加竖向荷载，直至达到预定设计模拟载荷，实时监测试验管中模拟材料的变形情况；

(4)待模拟材料变形稳定之后，打开进水阀91和出水阀92，启动水压水量双控伺服装置42，设置所需的水压力和水流量，试验过程中采集孔隙水压、流量及位移信息，试验结束后取下试验管并打开，观测模拟材料突水裂隙的扩展情况及突水通道的空间尺寸参数；

(5)更换不同的模拟材料，修改位移压力双控伺服装置41与水压水量双控伺服装置42的对应运行状态，重复上述步骤。

本实施例的模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统，进行采场围岩突水通道的扩展演化的模拟试验，研究在不同地应力、水压力、不同地质构造、不同地层组合等条件下突水通道的演化过程，通过设置不同应力大小、水压大小、材料力学性质等参数，定量化研究围岩突水裂隙扩展演化的多种地质信息，获得压力、水压、流量等参数之间的相互影响变化曲线，获得突水发生的前兆、现象等具有规律性特征，进而提高了煤层开采诱发围岩突水特征识别的可靠性；模拟试验系统具有水压、载荷各自独立的稳压系统，更精确、稳定性更优；还可以配合相应的监测软件，实现了对孔隙水压力、流量、位移信息的实时监测。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统，其特征在于：包括底座、水压水量双控伺服装置、位移压力双控伺服装置和控制单元，底座上转动连接有支架，支架上设置有试验管和加载液压缸，试验管包括下半管和与下半管可拆卸连接的上半管，试验管的一端活动连接有加载头，加载液压缸的活柱端连接加载头，试验管的另一端连接有注水盖，加载头内开设有空腔，加载头的一侧开设有多个与空腔连通的透水孔，加载头的另一侧设置有与空腔连通的出水管路，出水管路上设置有出水阀和流量传感器，注水盖上连接有进水管路，进水管路上设置有进水阀和流量传感器，水压水量双控伺服装置分别连接出水阀和进水阀，位移压力双控伺服装置连接加载液压缸，上半管内等间距地设置有多个孔隙水压传感器，控制单元分别信号连接水压水量双控伺服装置、位移压力双控伺服装置、流量传感器和孔隙水压传感器。

2.根据权利要求1所述的模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统，其特征在于：支架上设置有旋转轴，旋转轴转动连接底座。

3.根据权利要求1所述的模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统，其特征在于：还包括半圆形的压紧条板，压紧条板骑跨于上半管上且压紧条板装配连接支架。

4.根据权利要求3所述的模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统，其特征在于：压紧条板的两端分别经螺栓连接支架。

5.根据权利要求1所述的模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统，其特征在于：下半管和上半管之间设置有密封圈。

6.根据权利要求5所述的模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统，其特征在于：密封圈由脆性环氧树脂材料制成。

7.根据权利要求1所述的模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统，其特征在于：加载头上设置有通信电缆接头，通信电缆接头的一端分别信号连接多个孔隙水压传感器，通信电缆接头的另一端连接控制单元。

8.根据权利要求1所述的模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统，其特征在于：加载头的一侧为圆形板，圆形板上开设多个透水孔，圆形板的圆心向外划定多个同心圆，多个同心圆的圆周上等间距布置多个透水孔。

9.根据权利要求1所述的模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统，其特征在于：试验管的另一端螺纹连接注水盖。

10.根据权利要求1所述的模拟采场围岩突水通道扩展演化试验系统，其特征在于：支架上设置有量角仪。