CN108303514B - 一种用于模拟煤矿地下封闭空间的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于模拟煤矿地下封闭空间的试验装置，包括带有外注水口的试验箱、以及设置在所述试验箱内的岩体；所述岩体内设置有填充有可溶于水的支撑材料的采空区，所述采空区内设置有注水机构，且在靠近所述采空区的所述岩体上设置有与所述注水机构相连接的第一注水口；所述第一注水口用于与一所述外注水口相连接后，将水通过所述注水机构输送到所述采空区内，并在所述支撑材料溶于水后将其通过所述外注水口排出所述采空区。本发明通过用可溶于水的支撑材料来作为采空区的临时支撑物，并向采空区注水来将支撑材料进行溶解，来模拟地下水库的开挖过程。
Description
技术领域
本发明属于矿山技术工程和水利工程领域，具体涉及一种用于模拟煤矿地下封闭空间的试验装置。
背景技术
随着我国大型能源基地建设和煤炭资源开发向西部地区的转移，大规模的煤炭开发对本就十分脆弱的西部生态环境和有限的水资源产生了更大的负面作用，富煤贫水的资源特征使西部地区的煤炭开采受到了较大的影响。
在以往的开采作业中，为了保障井下安全，矿井水的处置方法是进行处理后外排到地表，大量矿井水从井下排出造成了水资源极大的损失，使本已短缺的水资源更为短缺，并且由于矿井水中成分复杂，外排的污水在一定程度上造成了土壤盐碱化，使得矿区及周边环境出现沙漠化、荒漠化倾向。西部生态脆弱区水资源短缺的现实与能源需求之间的矛盾已成为我国煤炭工业科学发展中的重要问题，煤矿开采过程中的环境问题，特别是水资源问题，已成为影响国家能源安全，制约我国大型能源基地建设和煤炭资源开发战略西移的关键因素。
水资源既是一种基础的自然资源，也是一种重要的战略性经济资源，在煤矿开采过程中，水资源的保护也逐渐受到重视。从以往的矿井水外排这种粗犷型的开采方法，到现在的保水开采技术应用，既是理念上的转变和提高，也是技术方法上的创新。地下水库作为一种利用地下空间实现对水资源人工调蓄的设施，具有调蓄量大、不占用地面空间等天然的优势，因此被认为是一种有效的、发展前景广阔的水资源调蓄手段。利用煤矿采空区建造地下水库，实现保水开采是综合利用地下水资源、保护含水层、煤矿安全生产和矿山废弃后地下水源再利用的重大举措。“绿色煤炭”也是国家重大战略问题，将列入国家科技重大专项的重要研究内容。
但是，在地下水库建成后，其内部存有大量矿井水，形成一个含水的封闭空间，如果地下水库的人工坝体或者采空区预留的煤柱坝体发生破坏，将会引起重大的井下突水事故。特别是考虑到矿区极易发生的矿震、甚至是地震这类动力荷载作用下，以及考虑到邻近采区的人员设备的安全保障，地下水库的安全性就显得尤为重要。
目前，虽然数值模拟技术已有了长足的发展，但是作为一种基础的、直观的、可信度较高的物理模型试验，仍然是不可或缺的研究手段。在现场条件下，难以直接观察、观看、准确测试这些物理特征和相关物理力学参数，都可以通过模型试验获得并进行分析。
因此，如何尽量真实的模拟现场煤层开采方式，如何构建形成封闭空间后的地下水库模型，是研究煤层采动过程中顶底板岩体破损与裂隙发育过程和演化规律、破损岩体塌落方式，特别是在水库形成后，在振动载荷条件下水库的安全性能等一系列相关问题的重要前提，对研究和开发地下水库这种新型的“绿色煤炭”开采技术具有重要科学意义和切实有效的工程指导依据。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种用于模拟煤矿地下封闭空间的试验装置，通过用可溶于水的支撑材料来作为采空区的临时支撑物，并向采空区注水来将支撑材料进行溶解，来模拟地下水库的开挖过程。
为了实现上述目的，发明采用的技术方案如下：
一种用于模拟煤矿地下封闭空间的试验装置，包括带有外注水口的试验箱、以及设置在所述试验箱内的岩体；
所述岩体内设置有填充有可溶于水的支撑材料的采空区，所述采空区内设置有注水机构，且在靠近所述采空区的所述岩体上设置有与所述注水机构相连接的第一注水口；
所述第一注水口用于与一所述外注水口相连接后，将水通过所述注水机构输送到所述采空区内，并在所述支撑材料溶于水后将其通过所述外注水口排出所述采空区。
进一步的，靠近所述采空区的一侧的所述岩体内设置有填充有可溶于水的所述支撑材料的巷道，所述巷道和所述采空区之间设置有煤柱，靠近所述巷道一侧的所述岩体上设置有第二注水口；所述第二注水口与一所述外注水口相连接，用于将水输送到所述巷道内，并在所述支撑材料溶于水后将其从所述巷道内排出。
进一步的，所述岩体为包括设置在所述试验箱底板上的第一岩层、设置在所述第一岩层上方且形成所述采空区的第一水库外壁、以及设置在所述第一水库外壁上方的第二岩层。
进一步的，所述岩体还包括设置在所述第二岩层上方的第二水库外壁、以及设置在所述第二水库外壁上方的第三岩层，所述第二水库外壁用于在所述第二岩层和第三岩层之间形成所述采空区。
进一步的，在所述岩体上设置有多组在竖直方向分散设置的水压传感器组，所述水压传感器组包括至少两个在同一水平高度上的水压传感器，其中：在所述采空区内设置的水压传感器组包括两个设置在所述煤柱上且靠近所述第二注水口的水压传感器、以及至少两个设置在所述采空区上的水压传感器。
进一步的，所述注水机构由筛管组成的注水管网，所述注水管网能够在所述采空区内均匀分布。
进一步的，所述支撑材料为固体硝酸铵。
一种用于模拟煤矿地下封闭空间的试验装置，通过用可溶于水的支撑材料来作为采空区的临时支撑物，并通过向采空区注水来将支撑材料进行溶解，来模拟地下深部煤层开采或深部岩体开挖的过程，进而可较好地模拟现场的实际工况，以便于更好的了解和分析煤矿地下水库。
附图说明
图1为本发明示例性实施例的一种用于模拟煤矿地下封闭空间的试验装置的侧面剖视图；
图2为本发明示例性实施例的一种用于模拟煤矿地下封闭空间的试验装置的内部结构俯视图。
图中：1-岩体，2-采空区，3-注水机构，4-第一注水口,5-巷道，6-煤柱，7-第二注水口，8-水压传感器，101-第一岩层，102-第一水库外壁，103-第二岩层，104-第二水库外壁，105-第三岩层。
具体实施方式
为克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于模拟煤矿地下封闭空间的试验装置。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
如图1或2所示，一种用于模拟煤矿地下封闭空间的试验装置，包括带有外注水口的试验箱、以及设置在试验箱内的岩体1；岩体1内设置有填充有可溶于水的支撑材料的采空区2，采空区2内设置有注水机构3，且在靠近采空区2的岩体1上设置有与注水机构3相连接的第一注水口4；第一注水口4用于与一外注水口相连接后，将水通过注水机构3输送到采空区2内，并在支撑材料溶于水后将其通过外注水口排出采空区2。
作为一种优选实施方式，靠近采空区2的一侧的岩体1内设置有填充有可溶于水的支撑材料的巷道5，巷道5和采空区2之间设置有煤柱6，靠近巷道5一侧的岩体1上设置有第二注水口7；第二注水口7与一外注水口相连接，用于将水输送到巷道5内，并在支撑材料溶于水后将其从巷道5内排出。
作为一种优选实施方式，岩体1为包括设置在试验箱底板上的第一岩层101、设置在第一岩层101上方且形成采空区的第一水库外壁102、以及设置在第一水库外壁102上方的第二岩层103。
进一步的，岩体1还包括设置在第二岩层103上方的第二水库外壁104、以及设置在第二水库外壁104上方的第三岩层105，第二水库外壁104用于在第二岩层103和第三岩层105之间形成采空区2。
其中，在岩体1上设置有多组在竖直方向分散设置的水压传感器组，水压传感器组包括至少两个在同一水平高度上的水压传感器8，其中：在采空区2内设置的水压传感器组包括两个设置在煤柱6上且靠近第二注水口7的水压传感器8、以及至少两个设置在采空区2上的水压传感器8。
作为一种优选实施方式，注水机构3由筛管组成的注水管网，注水管网能够在采空区2内均匀分布。
作为一种优选实施方式，支撑材料为固体硝酸铵。
本发明提供的一种用于模拟煤矿地下封闭空间的试验装置，通过使用具有可溶于水的支撑材料作为采空区的临时支撑物，并通过注水溶解的办法，将临时支撑物移除，以此来模拟地下深部煤层开采或深部岩体开挖的过程，可较好地模拟现场的实际工况，并在试验中，可以通过装置中所埋设的水压传感器获取相关数据，了解和分析封闭地下水库在地震载荷作用下的响应情况，对煤矿分布式地下水库相关问题的研究，及诸如此类的深部地下工程的研究具有重要的意义。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种用于模拟煤矿地下封闭空间的试验装置，其特征在于，包括带有外注水口的试验箱、以及设置在所述试验箱内的岩体(1)；
所述岩体(1)内设置有填充有可溶于水的支撑材料的采空区(2)，所述采空区(2)内设置有注水机构(3)，且在靠近所述采空区(2)的所述岩体(1)上设置有与所述注水机构(3)相连接的第一注水口(4)，所述注水机构(3)由筛管组成的注水管网，所述注水管网能够在所述采空区(2)内均匀分布；
所述第一注水口(4)用于与一所述外注水口相连接后，将水通过所述注水机构(3)输送到所述采空区(2)内，并在所述支撑材料溶于水后将其通过所述外注水口排出所述采空区(2)。
2.根据权利要求1所述的一种用于模拟煤矿地下封闭空间的试验装置，其特征在于，靠近所述采空区(2)的一侧的所述岩体(1)内设置有填充有可溶于水的所述支撑材料的巷道(5)，所述巷道(5)和所述采空区(2)之间设置有煤柱(6)，靠近所述巷道(5)一侧的所述岩体(1)上设置有第二注水口(7)；所述第二注水口(7)与一所述外注水口相连接，用于将水输送到所述巷道(5)内，并在所述支撑材料溶于水后将其从所述巷道(5)内排出。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于模拟煤矿地下封闭空间的试验装置，其特征在于，所述岩体(1)为包括设置在所述试验箱底板上的第一岩层(101)、设置在所述第一岩层(101)上方且形成所述采空区(2)的第一水库外壁(102)、以及设置在所述第一水库外壁(102)上方的第二岩层(103)。
4.根据权利要求3所述的一种用于模拟煤矿地下封闭空间的试验装置，其特征在于，所述岩体(1)还包括设置在所述第二岩层(103)上方的第二水库外壁(104)、以及设置在所述第二水库外壁(104)上方的第三岩层(105)，所述第二水库外壁(104)用于在所述第二岩层(103)和第三岩层(105)之间形成所述采空区(2)。
5.根据权利要求3所述的一种用于模拟煤矿地下封闭空间的试验装置，其特征在于，在所述岩体(1)上设置有多组在竖直方向分散设置的水压传感器组，所述水压传感器组包括至少两个在同一水平高度上的水压传感器(8)，其中：在所述采空区(2)内设置的水压传感器组包括两个设置在所述煤柱(6)上且靠近所述第二注水口(7)的水压传感器(8)、以及至少两个设置在所述采空区(2)上的水压传感器(8)。
6.根据权利要求1所述的一种用于模拟煤矿地下封闭空间的试验装置，其特征在于，所述支撑材料为固体硝酸铵。
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