CN109470624B - 一种室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿山安全技术领域，公开了一种室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统，包括：相似模拟实验装置、相似模拟材料、含水层加载装置和含水层渗流装置；相似模拟材料设置在相似模拟实验装置上，含水层加载装置和含水层渗流装置相连接，含水层渗流装置设置在相似模拟材料中；所述含水层加载装置包括：计算机控制系统、进水管路和设置在进水管路上的加压装置、单向控制阀、压力表和稳压调节器；所述含水层渗流装置包括：蛇形管、导水装置和连接管；蛇形管上设有多个出水孔，这种模拟系统，通过改变含水层的水流量以及水体压力可以分析出工作面的水量变化情况，为防治离层水害提供实验帮助。

Description

一种室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统

技术领域

本发明涉及矿山安全技术领域，特别涉及一种室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统。

背景技术

近年来，以煤层顶板含水层为主要充水水源的水害事故日益增多，造成的人员伤亡约占3.9％，事故发生的频次约占8.8％，这其中没有统计未造成人员伤亡或重大经济损失的水害事故。顶板水害事故发生的原因除了顶板含水层(体)水通过采动裂隙、构造及钻孔等导入矿井造成灾害外，离层水害作为一种新的水害类型，给许多矿井造成重大损失和人员伤亡。

开采过程中煤层之上上覆岩层产生离层，一部分充水离层空间在受静水压力、应力或开采扰动作用等因素影响下，离层水体破裂并在短时间内溃入井下造成灾害。

国内外对于离层水的问题研究主要集中在离层水产生的地质、水文地质、工程地质以及采矿条件的研究；离层积水水害的直接形成原因的分析，离层积水的涌(突)水通道的理论分析和离层水的防治方案等方面的研究。在室内试验方面，主要涉及上覆岩层破坏后离层的形成过程，而对于用相似模拟实验方法模拟离层水的形成机理、沿上覆岩层裂隙处的渗流过程以及离层水的供给水量对采场工作面的影响等方面的研究尚存在不足。

发明内容

本发明提供一种室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统，可以解决现有技术中的上述问题。

本发明提供了一种室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统，包括：相似模拟实验装置、相似模拟材料、含水层加载装置和含水层渗流装置；

相似模拟材料设置在相似模拟实验装置内，含水层加载装置和含水层渗流装置相连接，含水层渗流装置设置在相似模拟材料中；

所述相似模拟材料包括：由下而上依次设置的煤层、直接顶、基本顶、相互交错设置的软岩层和含水层；所述含水层加载装置包括：计算机控制系统、进水管路和设置在进水管路上的加压装置、单向控制阀、压力表和稳压调节器；所述加压装置、单向控制阀、压力表和稳压调节器分别与计算机控制系统连接，进水管路外接水源；

所述含水层渗流装置包括：蛇形管、连接管和导水装置；蛇形管设置在含水层中，蛇形管上设有多个出水孔，蛇形管通过连接管与进水管路连接，所述导水装置包括：亚克力板、储水箱和水槽，亚克力板位于煤层和煤层底板之间，水槽设置在亚克力板外侧，水槽与储水箱相连通。

所述蛇形管设置于含水层内的两侧，每侧各两个，蛇形管上的出水孔从边缘向内侧逐渐密集分布，当水从出水孔渗出时，便于集中流入下部的离层空间，凸显出上覆岩层离层的充水效应。

所述加压装置包括压力罐和加压器，加压器设置在压力罐上，加压器与计算机控制系统连接。

所述相似模拟实验装置为通用的二维试验台。

所述水槽平行于二维试验台。

所述相似模拟材料前后两面各安装一块防水挡板，防止水渗流出相似模拟材料外。

所述防水挡板包括一块设置在观察面的透明玻璃板，便于观察实验，设置在背面的防水挡板为普通钢板。

所述软岩层包括软岩层一和软岩层二，所述含水层包括含水层一和含水层二，软岩层一位于基本顶的上方，含水层一位于软岩层一与软岩层二之间，含水层二位于软岩层二的上方，含水层一和含水层二内均设有蛇形管。

所述蛇形管上设有一个双向控制阀，双向控制阀对含水层一和含水层二的水流量进行控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过计算机控制系统控制加压器以及稳压调节器改变注入水压，进而模拟水压力对离层水渗流的影响变化；通过进水管路中双向控制阀控制水流管路，模拟不同含水层下离层水向下渗流变化；通过改变煤层推进速度进行观察离层水渗流变化；通过本发明的室内模拟系统方式，可以进行一些关于离层水渗流方面研究的科学实验；通过改变含水层的水流量以及水体压力可以分析出工作面的水量变化情况，为防治离层水害提供实验帮助。

附图说明

图1为本发明提供的一种室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统的结构示意图。

图2为本发明提供的一种室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统中含水层结构的俯视图；

图3为本发明提供的一种室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统中采煤工作面下导水结构的俯视图；

图4为本发明提供的一种室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统发生离层水渗流的示意图。

附图标记说明：

1、加载装置；2、蛇形管；3、双向控制阀；4、可视玻璃板；5、直接顶；6、煤层；7、隔水层亚克力板；8、稳压调节器；9、单向控制阀；10、储水箱；11、压力表；12、压力罐；13、加压器；14、计算机控制系统；15、普通钢板；16、出水孔；17、水槽；18、含水层二；19、含水层一；20、离层空间；21、垮落区；22、煤层底板；23、二维试验台；24、软岩层一；25软岩层二。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1所示，本发明实施例提供的一种室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统，包括：相似模拟实验装置、相似模拟材料、含水层加载装置和含水层渗流装置；

相似模拟材料设置在相似模拟实验装置内，含水层加载装置和含水层渗流装置相连接，含水层渗流装置设置在相似模拟材料中；

所述相似模拟材料包括：由下而上依次设置的煤层6、直接顶5、基本顶、相互交错设置的软岩层和含水层；所述含水层加载装置包括：计算机控制系统14、进水管路和设置在进水管路上的加压装置、单向控制阀9、压力表11和稳压调节器8；所述加压装置、单向控制阀9、压力表11和稳压调节器8分别与计算机控制系统14连接，进水管路外接水源；

所述含水层渗流装置包括：蛇形管2、连接管和导水装置；蛇形管2设置在含水层中，蛇形管2上设有多个出水孔16，蛇形管2通过连接管与进水管路连接，所述导水装置包括：亚克力板7、储水箱10和水槽17，亚克力板7位于煤层6和煤层底板22之间，水槽17设置在亚克力板7外侧，水槽17与储水箱10相连通。

如图2所示，所述蛇形管2设置于含水层内的两侧，每侧各两个，蛇形管2上的出水孔16从边缘向内侧逐渐密集分布，当水从出水孔渗出时，便于集中流入下部的离层空间20，凸显出上覆岩层离层的充水效应。

如图1所示，所述加压装置包括压力罐12和加压器13，加压器13设置在压力罐12上，加压器13与计算机控制系统14连接。

所述相似模拟实验装置为通用的二维试验台23。

如图4所示，所述水槽17平行于二维试验台23。

所述相似模拟材料前后两面各安装一块防水挡板，防止水渗流出相似模拟材料外。

如图2所示，所述防水挡板包括一块设置在观察面的透明玻璃板4，便于观察实验，设置在背面的防水挡板为普通钢板15。

如图4所示，所述软岩层包括软岩层一24和软岩层二25，所述含水层包括含水层一19和含水层二18，软岩层一24位于基本顶的上方，含水层一19位于软岩层一24与软岩层二25之间，含水层二18位于软岩层二25的上方，含水层一19和含水层二18内均设有蛇形管2。

所述蛇形管2上设有一个双向控制阀3，双向控制阀3对含水层一19和含水层二18的水流量进行控制。

使用方法及工作原理：

如图1、图2、图3和图4所示，包括相似模拟实验装置、相似模拟材料、含水层加载装置和含水层渗流装置。其中，所述相似模拟实验装置为通用二维试验台23；相似模拟材料由煤层6、含水层和软岩层等组成；所述含水层加载装置由加压装置、进水管路和计算机控制系统组成；所述含水层渗流装置由蛇形管2、可视玻璃板4、导水装置和连接管组成。

所述的加压装置包括压力罐12和加压器13，所述的进水管路由单向控制阀9、压力表11和稳压调节器8组成，所述的计算机控制系统14与稳压调节器8和加压器相连接。

所述的蛇形管2分布于含水层的两侧，每侧共两个，且蛇形管内的小孔分布从边缘到内侧逐渐密集，当水从出水孔渗出时，便于集中流入下部的离层空间20，凸显出上覆岩层离层的充水效应。

所述的相似模拟实验模型在前后两面各安装一个挡板，防治离层水渗流出模型外，一个为可视玻璃板4，便于观察实验，另一个为普通钢板15即可。

所述的导水装置包括隔水层亚克力板7、水槽17、储水箱10，水槽平行于二维试验台22，分布于隔水层亚克力板的外侧面并和储水箱10相连接。

一种室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统，实验原理如下：

按实验设计配比相似材料并在二维试验台上建立起实验模型，在模型含水层中铺设蛇形管2和在含水层前后两面安装防水挡板，其中一挡板为可视玻璃板4，模拟煤层开挖后上覆岩层随之发生弯曲破断、离层动态发育以及含水层中的供给水向离层空间20和下部岩层渗流变化情况。在本室内试验中，通过计算机控制系统14控制加压器13以及稳压调节器8改变注入水压，进而模拟水压力对离层水渗流的影响变化；通过进水管路中双向控制阀3控制水流管路，模拟不同含水层下离层水向下渗流变化；通过改变煤层开挖推进速度进行观察离层水渗流变化。

一种室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统的模拟方法，包括以下步骤：

第一步：确定模型的原始地质条件，建立相似模拟实验模型，并在煤层下铺设亚克力板作为隔水层，以及在含水层中按照设计要求埋设蛇形管道，最后在二维试验台前后两面安装防水挡板，其中观察侧面为可视玻璃板，另一个为普通钢板。

第二步：根据实验要求，在隔水层亚克力板同一水平面的外部两侧安装长方形水槽，离层水渗流至工作面后可通过水槽导水。

第三步：依次连接压力表、单向控制阀以及稳压调节器形成进水管路，将压力罐和加压器连接形成加压装置，并与进水管路连接起来。进水管路分别连接八个蛇形管进行注水，双向控制阀进行控制注入含水层的水量，最后将稳压调节器与计算机控制系统连接。

第四步：启动加压器并将压力罐中的水体加压至一定压力，并通过双向控制阀向含水层中注入水。期间，稳压调节器对管道中的水流压力进行精确控制。

在进行煤层开挖的10min之前，先对水体加压，再根据实验设计的地质情况对两个含水层的注入水流量通过双向控制阀控制。

第五步：采煤工作面开始匀速开挖，观察模型中岩层变化以及离层水产生、发展和渗流变化。最后通过控制不同含水层下或水体压力变化，分析水槽中的水流量情况。

观测上覆岩层离层空间的发育情况、含水层的水向离层空间的渗流以及顺着贯穿裂隙向采煤工作面的流动，同时检测从工作面渗流到水槽的水流量。再通过改变各含水层的注入水量、对水体压力进行梯度加压，观察离层水在上覆岩层中的流动情况，分析对上覆岩层运动的影响以及渗流到水槽的水流量变化。

本发明通过计算机控制系统控制加压器以及稳压调节器改变注入水压，进而模拟水压力对离层水渗流的影响变化；通过进水管路中双向控制阀控制水流管路，模拟不同含水层下离层水向下渗流变化；通过改变煤层推进速度进行观察离层水渗流变化；通过本发明的室内模拟系统方式，可以进行一些关于离层水渗流方面研究的科学实验；通过改变含水层的水流量以及水体压力可以分析出工作面的水量变化情况，为防治离层水害提供实验帮助。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统，其特征在于，包括：相似模拟实验装置、相似模拟材料、含水层加载装置和含水层渗流装置；

相似模拟材料设置在相似模拟实验装置内，含水层加载装置和含水层渗流装置相连接，含水层渗流装置设置在相似模拟材料中；

所述相似模拟材料包括：由下而上依次设置的煤层(6)、直接顶(5)、基本顶、相互交错设置的软岩层和含水层；所述含水层加载装置包括：计算机控制系统(14)、进水管路和设置在进水管路上的加压装置、单向控制阀(9)、压力表(11)和稳压调节器(8)；所述加压装置、单向控制阀(9)、压力表(11)和稳压调节器(8)分别与计算机控制系统(14)连接，进水管路外接水源；

所述含水层渗流装置包括：蛇形管(2)、连接管和导水装置；蛇形管(2)设置在含水层中，蛇形管(2)上设有多个出水孔(16)，蛇形管(2)通过连接管与进水管路连接，所述导水装置包括：亚克力板(7)、储水箱(10)和水槽(17)，亚克力板(7)位于煤层(6)和煤层底板(22)之间，水槽(17)设置在亚克力板(7)外侧，水槽(17)与储水箱(10)相连通；

所述蛇形管(2)设置于含水层内的两侧，每侧各两个，蛇形管(2)上的出水孔(16)从边缘向内侧逐渐密集分布，当水从出水孔渗出时，便于集中流入下部的离层空间(20)，凸显出上覆岩层离层的充水效应；

所述软岩层包括软岩层一(24)和软岩层二(25)，所述含水层包括含水层一(19)和含水层二(18)，软岩层一(24)位于基本顶的上方，含水层一(19)位于软岩层一(24)与软岩层二(25)之间，含水层二(18)位于软岩层二(25)的上方，含水层一(19)和含水层二(18)内均设有蛇形管(2)；

所述蛇形管(2)上设有一个双向控制阀(3)，双向控制阀(3)对含水层一(19)和含水层二(18)的水流量进行控制。

2.如权利要求1所述的室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统，其特征在于，所述加压装置包括压力罐(12)和加压器(13)，加压器(13)设置在压力罐(12)上，加压器(13)与计算机控制系统(14)连接。

3.如权利要求1所述的室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统，其特征在于，所述相似模拟实验装置为通用的二维试验台(23)。

4.如权利要求3所述的室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统，其特征在于，所述水槽(17)平行于二维试验台(23)。

5.如权利要求1所述的室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统，其特征在于，所述相似模拟材料前后两面各安装一块防水挡板，防止水渗流出相似模拟材料外。

6.如权利要求5所述的室内上覆岩层离层充水及渗透模拟系统，其特征在于，所述防水挡板包括一块设置在观察面的透明玻璃板(4)，便于观察实验，设置在背面的防水挡板为普通钢板(15)。

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