CN110439614A - 一种煤炭开采底板疏放水模拟装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了矿井水文地质技术领域的一种煤炭开采底板疏放水模拟装置，包括煤炭开采底板疏放水地层、钻孔系统、承压水系统和监测系统，煤炭开采底板疏放水地层自上而下分别设有采煤区、隔水层、含水层第一段和含水层第二段，钻孔系统包括疏放水钻孔和抽水泵，承压水系统包括阀门、集水器和供水器，监测系统包括压力传感器和数据采集仪；本发明通过不需要在现场开展大量的工程，简单易实施，可以对不同的钻孔设计及含水层条件下的疏放水效果进行评价，使用范围广，实验的时间短，效率高，实验装置大部分可以重复利用，费用低。
Description
技术领域
本发明涉及矿井水文地质技术领域，具体涉及一种煤炭开采底板疏放水模拟装置及使用方法。
背景技术
我国华北地区煤炭开采受底板承压水害威胁，煤炭开采过程中多次发生底板突水事故，造成人员伤亡和财产损失。为了防治底板水害，目前主要采用的方法有底板疏放水、注浆加固及两者兼顾。其中，底板疏放水是通过钻孔对威胁煤炭开采的含水层进行井下疏放，降低对煤层和含水层之间的隔水层的压力，从而减少煤炭开采底板突水事故。煤炭开采底板疏放水现场实施中，需要大量人力、物力和时间才能评估疏放水方案的效果。为此，需要在室内进行小尺度的采煤开采底板疏放水实验工作。基于此，本发明设计了一种煤炭开采底板疏放水模拟装置及使用方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤炭开采底板疏放水模拟装置及使用方法，以解决上述背景技术中提出的煤炭开采底板疏放水效果室内实验评价的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种煤炭开采底板疏放水模拟装置，包括煤炭开采底板疏放水地层、钻孔系统、承压水系统和监测系统，所述煤炭开采底板疏放水地层自上而下分别设有采煤区、隔水层、含水层第一段和含水层第二段，所述钻孔系统包括疏放水钻孔和抽水泵，所述承压水系统包括阀门、集水器和供水器，所述监测系统包括压力传感器和数据采集仪，所述含水层第一段和含水层第二段的左右两侧均通过管道连接有供水器，所述供水器和含水层第一段与含水层第二段之间连接的管道上均设有阀门，所述采煤区的左右两侧均贯穿隔水层并延伸至含水层第一段或含水层第二段设有疏放水钻孔，所述疏放水钻孔的内腔底部设有抽水泵，两组所述抽水泵的出水口处均通过管道连通有集水器，所述含水层第一段和含水层第二段的内腔均等间距设有压力传感器，所述压力传感器与数据采集仪电性连接。
优选的，所述采煤区空置。
优选的，所述隔水层为黏土，厚度可调。
优选的，所述含水层第一段和含水层第二段的材料是砂和碎石并充满水，且含水层第一段和含水层第二段均厚度可调且整体密封。
优选的，所述阀门为流量调节阀。
优选的，所述疏放水钻孔位于含水层第一段和含水层第二段的部分透水，所述疏放水钻孔的其余部分密封不透水。
一种煤炭开采底板疏放水模拟装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一，设计地质模型尺寸
通过地震勘探和钻探结合，调整好采煤区、隔水层、含水层第一段和含水层第二段的厚度；
步骤二，设计动态补的承压水系统
通过钻孔简易水文观测，确定供水器中的水位高度，通过抽水实验，确定所述含水层第一段和含水层第二段中砂的粒度和碎石的大小，使得所述含水层第一段和含水层第二段的渗透性与实际相似，通过钻孔流速测定仪测试，确定阀门的流量，并打开阀门使得水位达到设计高度；
步骤三，设计抽水系统
设计一组疏放水钻孔，所述疏放水钻孔设计一定的长度、平面位置、数量和泵量，并开始进行抽水；
步骤四，开始监测水压力变化
观测不同位置压力传感器的水压力变化，每隔1-10分钟观测一次，连续两次观测到的水压力变化幅度小于3％则停止抽水，并记录所述压力传感器的水压力；
步骤五，评价设计的底板疏放水方案效果
将停止实验记录的最大水压力除以所述隔水层的厚度值，若小于临界突水系数，则设计的底板疏放水方案达到防止底板水的效果，否则没有达到效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)不需要在现场开展大量的工程，简单易实施；
2)可以对不同的钻孔设计及含水层条件下的疏放水效果进行评价，使用范围广；
3)实验的时间短，效率高；
4)实验装置大部分可以重复利用，费用低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、采煤区；2、隔水层；3、含水层第一段；4、含水层第二段；5、疏放水钻孔；6、抽水泵；7、阀门；8、集水器；9、供水器；10、压力传感器；11、数据采集仪。
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种煤炭开采底板疏放水模拟装置，包括煤炭开采底板疏放水地层、钻孔系统、承压水系统和监测系统，煤炭开采底板疏放水地层自上而下分别设有采煤区1、隔水层2、含水层第一段3和含水层第二段4，钻孔系统包括疏放水钻孔5和抽水泵6，承压水系统包括阀门7、集水器8和供水器9，监测系统包括压力传感器10和数据采集仪11，含水层第一段3和含水层第二段4的左右两侧均通过管道连接有供水器9，供水器9和含水层第一段3与含水层第二段4之间连接的管道上均设有阀门7，供水器9中的水位高度是可以调整的，但每次实验全过程保持在固定水位高度，采煤区1的左右两侧均贯穿隔水层2并延伸至含水层第一段3或含水层第二段4设有疏放水钻孔5，疏放水钻孔5的高度是可以调整的，疏放水钻孔5的平面位置也是可以调整的，疏放水钻孔5在含水层第一段3或含水层第二段4中的长度也是可以调整的，疏放水钻孔5的内腔底部设有抽水泵6，两组抽水泵6的出水口处均通过管道连通有集水器8，抽水泵6的泵量是可以调整的，含水层第一段3和含水层第二段4的内腔均等间距设有压力传感器10，压力传感器10与数据采集仪11电性连接。
其中，采煤区1空置。
隔水层2为黏土，厚度可调。
含水层第一段3和含水层第二段4的材料是砂和碎石并充满水，且含水层第一段3和含水层第二段4均厚度可调且整体密封，含水层第一段3和含水层第二段4内的砂的粒度和碎石的大小可以是不同的。
阀门7为流量调节阀，阀门7是可以控制流量的。
疏放水钻孔5位于含水层第一段3和含水层第二段4的部分透水，疏放水钻孔5的其余部分密封不透水。
一种煤炭开采底板疏放水模拟装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一，设计地质模型尺寸
通过地震勘探和钻探结合，调整好采煤区1、隔水层2、含水层第一段3和含水层第二段4的厚度；
步骤二，设计动态补的承压水系统
通过钻孔简易水文观测，确定供水器9中的水位高度，通过抽水实验，确定含水层第一段3和含水层第二段4中砂的粒度和碎石的大小，使得含水层第一段3和含水层第二段4的渗透性与实际相似，通过钻孔流速测定仪测试，确定阀门7的流量，并打开阀门使得水位达到设计高度；
步骤三，设计抽水系统
设计一组疏放水钻孔5，疏放水钻孔5设计一定的长度、平面位置、数量和泵量，并开始进行抽水；
步骤四，开始监测水压力变化
观测不同位置压力传感器10的水压力变化，每隔1-10分钟观测一次，连续两次观测到的水压力变化幅度小于3％则停止抽水，并记录压力传感器10的水压力；
步骤五，评价设计的底板疏放水方案效果
将停止实验记录的最大水压力除以隔水层2的厚度值，若小于临界突水系数，则设计的底板疏放水方案达到防止底板水的效果，否则没有达到效果。
本实施例的一个具体应用为：
煤炭开采底板疏放水实验装置原理如下：
首先，通过地质调查，设计采煤区1、隔水层2、含水层第一段3和含水层第二段4的厚度，形成了地质模型。
然后，含水层第一段3和含水层第二段4中的水接受供水器9的供水，形成了一个动态补给的承压水系统。
接着，按照长度、位置、数量等不同工艺设计的疏放水钻孔5中的水泵6将含水层第一段3和含水层第二段4中的水以设计泵量抽取到集水器8中，形成了设计的抽水系统。
最后，采用设计的抽水系统对地质模型下动态补给的承压水系统进行抽水的过程，对含水层第一段3和含水层第二段4中的水压力变化进行监测，进而评价底板疏放水的可行性。
陕西某煤矿，开采5号煤过程中受到下伏承压水害威胁，隔水层受到承压水天然条件下1.5Mpa的静水压力。为了防止底板水害的发生，计划开展底板疏放水工程。为了评价设计方案的可靠性，采用本实验装置进行了以下的实验，步骤如下：
步骤一：设计地质模型尺寸。通过地震勘探和钻探结合，调整好采煤区1、隔水层2、含水层第一段3和含水层第二段4的厚度。本次实验的几何比例为1:100，即实验1米代表实际100米，有采煤区1厚度为5厘米，隔水层2厚度为20厘米，含水层第一段3(峰峰二组)厚度为20厘米，含水层第二段4(峰峰组一段)厚度为30厘米。
步骤二：设计动态补的承压水系统。通过钻孔简易水文观测，确定供水器9的水位高度。通过抽水实验，确定含水层第一段3和含水层第二段4中砂的粒度和碎石的大小，使得含水层第一段3和含水层第二段4的渗透性与实际相似。通过钻孔流速测定仪测试，确定阀门7的流量，并打开阀门使得水位达到设计高度。供水器9中的水位距离隔水层2底板150厘米。含水层第一段3砂的平均粒度为0.6毫米，碎石平均大小22毫米，砂占固体总重量的82％。含水层第二段4砂的平均粒度为0.09毫米，碎石平均大小21毫米，砂占固体总重量的87％。含水层第一段3连通的阀门7的流量为0.08m3/d。含水层第二段4连通的阀门7的流量为0.02m3/d。
步骤三：设计抽水系统。设计一组疏放水钻孔5(一定的长度、平面位置、数量和泵量)，并开始进行抽水。设计的疏放水钻孔5有4个，2个深入含水层第一段3(峰峰二组)内10厘米，另外2个深入含水层第二段4(峰峰一组)内10厘米，泵量均为0.05m3/d。
步骤四：开始监测水压力变化。观测不同位置压力传感器10的水压力变化，每隔1-10分钟观测一次，连续两次观测到的水压力变化幅度小于3％则停止抽水，并记录传感器10的水压力。最终记录传感器10的水压力为0.010-0.011Mpa。
步骤五：评价设计的底板疏放水方案效果。最大水压力与隔水层2的厚度比值为0.055，小于临界突水系数0.06，说明该设计方案达到了效果，可以现场应用。
将评价结果应用到现场，疏放水降低压力后，煤炭安全回采，没有发生水害。
值得注意的是：抽水泵为泵量可以额定设置泵量的，数据采集仪连接压力传感器，从压力传感器获取数据，数据采集仪型号是行业常用的64通道，由于匹配的设备为常用设备，属于现有成熟技术，在此不再赘述其电性连接关系以及具体的电路结构。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (7)
1.一种煤炭开采底板疏放水模拟装置，包括煤炭开采底板疏放水地层、钻孔系统、承压水系统和监测系统，其特征在于：所述煤炭开采底板疏放水地层自上而下分别设有采煤区(1)、隔水层(2)、含水层第一段(3)和含水层第二段(4)，所述钻孔系统包括疏放水钻孔(5)和抽水泵(6)，所述承压水系统包括阀门(7)、集水器(8)和供水器(9)，所述监测系统包括压力传感器(10)和数据采集仪(11)，所述含水层第一段(3)和含水层第二段(4)的左右两侧均通过管道连接有供水器(9)，所述供水器(9)和含水层第一段(3)与含水层第二段(4)之间连接的管道上均设有阀门(7)，所述采煤区(1)的左右两侧均贯穿隔水层(2)并延伸至含水层第一段(3)或含水层第二段(4)设有疏放水钻孔(5)，所述疏放水钻孔(5)的内腔底部设有抽水泵(6)，两组所述抽水泵(6)的出水口处均通过管道连通有集水器(8)，所述含水层第一段(3)和含水层第二段(4)的内腔均等间距设有压力传感器(10)，所述压力传感器(10)与数据采集仪(11)电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种煤炭开采底板疏放水模拟装置，其特征在于：所述采煤区(1)空置。
3.根据权利要求1所述的一种煤炭开采底板疏放水模拟装置，其特征在于：所述隔水层(2)为黏土，厚度可调。
4.根据权利要求1所述的一种煤炭开采底板疏放水模拟装置，其特征在于：所述含水层第一段(3)和含水层第二段(4)的材料是砂和碎石并充满水，且含水层第一段(3)和含水层第二段(4)均厚度可调且整体密封。
5.根据权利要求1所述的一种煤炭开采底板疏放水模拟装置，其特征在于：所述阀门(7)为流量调节阀。
6.根据权利要求1所述的一种煤炭开采底板疏放水模拟装置，其特征在于：所述疏放水钻孔(5)位于含水层第一段(3)和含水层第二段(4)的部分透水，所述疏放水钻孔(5)的其余部分密封不透水。
7.根据权利要求1所述的一种煤炭开采底板疏放水模拟装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，设计地质模型尺寸
通过地震勘探和钻探结合，调整好采煤区(1)、隔水层(2)、含水层第一段(3)和含水层第二段(4)的厚度；
步骤二，设计动态补的承压水系统
通过钻孔简易水文观测，确定供水器(9)中的水位高度，通过抽水实验，确定所述含水层第一段(3)和含水层第二段(4)中砂的粒度和碎石的大小，使得所述含水层第一段(3)和含水层第二段(4)的渗透性与实际相似，通过钻孔流速测定仪测试，确定阀门(7)的流量，并打开阀门使得水位达到设计高度；
步骤三，设计抽水系统
设计一组疏放水钻孔(5)，所述疏放水钻孔(5)设计一定的长度、平面位置、数量和泵量，并开始进行抽水；
步骤四，开始监测水压力变化
观测不同位置压力传感器(10)的水压力变化，每隔1-10分钟观测一次，连续两次观测到的水压力变化幅度小于3％则停止抽水，并记录所述压力传感器(10)的水压力；
步骤五，评价设计的底板疏放水方案效果
将停止实验记录的最大水压力除以所述隔水层(2)的厚度值，若小于临界突水系数，则设计的底板疏放水方案达到防止底板水的效果，否则没有达到效果。
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