CN110470586A - 一种室内离层充水沟通断层的渗透实验方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种室内离层充水沟通断层的渗透实验方法及系统，属于煤矿安全技术领域。该系统包括试验台，试验台上设有相似模拟实验模型，相似模拟实验模型由相似模拟实验材料制成，相似模拟实验模型连接有离层水加载系统；离层水加载系统包括多个支路进水管道，支路进水管道预埋在相似模拟实验材料中，且多个支路进水管道均通过三通和总进水管道连接，总进水管道通过供水管路和供水装置连接，总进水管道上设有第一压力表和稳压调节器，供水管路上设有第二压力表。本发明的试验系统模拟水压因素对离层水渗流产生的影响，有利于观测断层对离层水渗流产生的影响，分析水压以及水流量的变化对渗流过程产生以及工作面的影响。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全技术领域，具体涉及一种室内离层充水沟通断层的渗透实验方法及系统。
背景技术
煤炭生产的安全问题长期以来备受社会各界的关注，在煤炭生产过程中常出现的五大灾害中，瓦斯事故和水害事故对社会影响最大。在煤矿重特大事故中，水害事故在伤亡人数上，仅次于瓦斯事故居第二位。其中，离层水害作为一种新的水害类型，具有瞬时水量大、突水前兆不明显、危害大等特点，给许多生产矿井造成了重大的经济损失和人员伤亡。
近年来，许多学者专家对这种水害展开了积极的研究。到现在为止，此类问题研究主要集中于离层水的水文地质方面和一些机理分析：研究离层水的直接充水水源和产生离层水的地质结构，离层水的一些防治工作等。在室内试验方面主要集中研究离层空间的发育位置以及离层空间变化情况，对于模拟离层水的形成机理、离层充水渗流突出过程和离层水发生涌水对工作面产生的破坏等的研究涉及很少，因此我们提出一种室内离层充水沟通断层的渗透实验方法及系统。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种室内离层充水沟通断层的渗透实验方法及系统。
本发明提供了一种室内离层充水沟通断层的渗透实验系统，包括试验台，所述试验台上设有相似模拟实验模型，所述相似模拟实验模型由相似模拟实验材料制成，所述相似模拟实验模型的顶部设有加载板，所述相似模拟实验模型连接有离层水加载系统；
所述离层水加载系统包括多个支路进水管道，所述支路进水管道预埋在相似模拟实验材料中，且多个支路进水管道均通过三通和总进水管道连接，所述总进水管道通过供水管路和供水装置连接，所述总进水管道上设有第一压力表和稳压调节器，供水管路上设有第二压力表。
较佳地，相似模拟实验模型自下而上依次包括底板层、煤层、直接顶层、基本顶层、泥岩层、粗砂岩层、砂质泥岩层、粗砾岩层、中砂岩层和松散层，相似模拟实验模型内还设有贯穿多个岩层的断层。
较佳地，供水管路与总进水管道或总进水管道与支路进水管道均通过连接管连接。
较佳地，供水管路上还设有水泵和单向控制阀，所述水泵设在靠近供水装置的一端，单向控制阀设在水泵和第二压力表之间。
较佳地，相似模拟实验模型的两侧设有由透明材质制成的防水挡板。
较佳地，粗砂岩层两侧表面设有厚度2-5cm的石蜡。
较佳地，断层自下而上贯穿底板层、煤层、直接顶层和基本顶层。
较佳地，支路进水管道包括水平段和垂直段，所述水平段埋设在松散层内，所述垂直段延伸至粗砂岩层顶部，水平段与总进水管道连接。
上述室内离层充水沟通断层的渗透实验系统的实验方法，包括以下步骤：
步骤一：设计模型的原始水文地质条件，配比相似模拟实验材料，建立相似模拟实验模型，并在岩层间安装好支路进水管道，再在相似模拟实验模型的前后两侧安装上防水挡板，最后在相似模拟实验模型的顶部放置加载钢板；
步骤二：根据实验设计要求，将支路进水管道和总进水管道连接，总进水管道与供水管道连接，并依次安装好第一压力表、稳压调节器、第二压力表、单向控制阀和水泵和供水装置；
步骤三：启动水泵，设置初始水压为0.02-0.06MPa，打开单向控制阀，开始向粗砂岩层中缓慢注水；
步骤四：注水10-20min之后开始进行煤层开挖，观察相似模拟实验模型中岩层下沉和垮落的动态变化以及离层水产生、发展和沟通断层发生突涌水害的渗透变化；
步骤五：通过分别改变推进速度，水压、水流量因素，观察离层水对渗流过程以及对采煤工作面产生的影响。
较佳地，步骤四注水15min后开始进行煤层开挖，并以每20min的时间开挖10cm的距离匀速推进。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过小型精密水泵控制进水管路初段的压力，可以根据需要改变水压，模拟水压因素对离层水渗流产生的影响；通过第一压力表和第二压力表计算出水管的沿程阻力，有利于得出准确的水压；通过单向控制阀能够控制水流量，可以观测不同的水流量在渗流通道中的水流变化情况。通过本发明的室内模拟实验，有利于观测断层对离层水渗流产生的影响，分析水压以及水流量的变化对渗流过程产生以及工作面的影响，为离层水的预测预防以及灾后治理提供实验帮助。
附图说明
图1为本发明提供的室内相似模拟材料堆积成型的地层结构示意图；
图2为本发明提供的室内离层充水沟通断层的渗透试验系统的示意图；
图3为本发明提供的室内离层充水沟通断层的渗透试验系统的侧视图；
图4为本发明提供的室内离层充水沟通断层的渗透试验系统的俯视图。
附图标记说明：
1.试验台，2.相似模拟实验模型，201.底板层，202.煤层，203.直接顶层，204.基本顶层，205.泥岩层，206.粗砂岩层，207.砂质泥岩层，208.粗砾岩层，209.中砂岩层，210.松散层，41.支路进水管道，42.三通，43.总进水管道，44.供水管路，45.供水装置，5.第一压力表，6.稳压调节器，7.第二压力表，8.断层，9.连接管，10.加载板，11.水泵，12.单向控制阀，13.防水挡板。
具体实施方式
下面结合附图1-4，对本发明的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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
本发明提供的一种室内离层充水沟通断层的渗透实验系统，包括试验台1，所述试验台1上设有相似模拟实验模型2，所述相似模拟实验模型2由相似模拟实验材料制成，所述相似模拟实验模型2的顶部设有加载板10，所述相似模拟实验模型2连接有离层水加载系统；
所述离层水加载系统包括多个支路进水管道41，所述支路进水管道41预埋在相似模拟实验材料中，且多个支路进水管道41均通过三通42和总进水管道43连接，所述总进水管道43通过供水管路44和供水装置45连接，所述总进水管道43上设有第一压力表5和稳压调节器6，供水管路44上设有第二压力表7。需要说明的是，相似模拟材料以及相似模拟实验模型的制作均采用现有技术的常规制作方法。
进一步地，相似模拟实验模型2自下而上依次包括底板层201、煤层202、直接顶层203、基本顶层204、泥岩层205、粗砂岩层206、砂质泥岩层207、粗砾岩层208、中砂岩层209和松散层210，相似模拟实验模型2内还设有贯穿多个岩层的断层8。
其中，供水管路44与总进水管道43或总进水管道43与供水管路44均通过连接管9连接。
其中，供水管路44上还设有水泵11和单向控制阀12，所述水泵11设在靠近供水装置45的一端，单向控制阀12设在水泵11和第二压力表7之间。
其中，相似模拟实验模型2的两侧设有由透明材质制成的防水挡板13。
其中，粗砂岩层206两侧表面设有厚度2-5cm的石蜡。
其中，断层8自下而上贯穿底板层201、煤层202、直接顶层203和基本顶层204。
其中，支路进水管道41包括水平段和垂直段，所述水平段埋设在松散层210内，所述垂直段延伸至粗砂岩层206顶部，水平段与总进水管道43连接。
一种室内离层充水沟通断层的渗透试验系统，实验原理如下：
按照既定实验设计方案，首先建立起相似模拟实验模型，在岩层中铺设好输水管道，并和外侧的支路进水管道相连接；其次在相似模拟材料的两侧安装好透明防水挡板，控制水流渗透路径。通过一定步距开挖煤层，模拟上覆岩层发生下沉破坏充填采空区、离层空间发育的动态过程、离层水从水源岩层渗流入离层空间的动态过程、离层水沟通断层后发生突涌水害的渗透过程。在本室内实验中，通过压力表和小型精密水泵控制水压变化，模拟水压在离层水渗透过程产生的影响；通过单向控制阀控制管道水流流量大小，模拟水流流量的变化对离层水发生突涌的影响；通过改变煤层推进速度，模拟离层水发生突涌的时间变化。
上述室内离层充水沟通断层的渗透实验系统的实验方法，包括以下步骤：
步骤一：设计模型的原始水文地质条件，配比相似模拟实验材料，建立相似模拟实验模型，并在岩层间安装好支路进水管道，再在相似模拟实验模型的前后两侧安装上防水挡板，最后在相似模拟实验模型的顶部放置加载钢板；
步骤二：根据实验设计要求，将支路进水管道和总进水管道连接，总进水管道与供水管道连接，并依次安装好第一压力表、稳压调节器、第二压力表、单向控制阀和水泵和供水装置；
步骤三：启动水泵，设置初始水压为0.02-0.06MPa，打开单向控制阀，开始向粗砂岩层中缓慢注水；
步骤四：注水15min之后开始进行煤层开挖，并以每20min的时间开挖10cm的距离匀速推进，观察相似模拟实验模型中岩层下沉和垮落的动态变化以及离层水产生、发展和沟通断层发生突涌水害的渗透变化；
步骤五：通过分别改变推进速度，水压、水流量因素，观察离层水对渗流过程以及对采煤工作面产生的影响。
本发明通过小型精密水泵控制进水管路初段的压力，可以根据需要改变水压，模拟水压因素对离层水渗流产生的影响；通过压力表一和压力表二计算出水管的沿程阻力，有利于得出准确的水压；通过单向控制阀能够控制水流量，可以观测不同的水流量在渗流通道中的水流变化情况。通过本发明的室内模拟实验，有利于观测断层对离层水渗流产生的影响，分析水压以及水流量的变化对渗流过程产生以及工作面的影响，为离层水的预测预防以及灾后治理提供实验帮助。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种室内离层充水沟通断层的渗透实验系统，其特征在于，包括试验台(1)，所述试验台(1)上设有相似模拟实验模型(2)，所述相似模拟实验模型(2)由相似模拟实验材料制成，所述相似模拟实验模型(2)的顶部设有加载板(10)，所述相似模拟实验模型(2)连接有离层水加载系统；
所述离层水加载系统包括多个支路进水管道(41)，所述支路进水管道(41)预埋在相似模拟实验材料中，且多个支路进水管道(41)均通过三通(42)和总进水管道(43)连接，所述总进水管道(43)通过供水管路(44)和供水装置(45)连接，所述总进水管道(43)上设有第一压力表(5)和稳压调节器(6)，供水管路(44)上设有第二压力表(7)。
2.如权利要求1所述的室内离层充水沟通断层的渗透实验系统，其特征在于，所述相似模拟实验模型(2)自下而上依次包括底板层(201)、煤层(202)、直接顶层(203)、基本顶层(204)、泥岩层(205)、粗砂岩层(206)、砂质泥岩层(207)、粗砾岩层(208)、中砂岩层(209)和松散层(210)，相似模拟实验模型(2)内还设有贯穿多个岩层的断层(8)。
3.如权利要求1所述的室内离层充水沟通断层的渗透实验系统，其特征在于，所述供水管路(44)与总进水管道(43)或总进水管道(43)与支路进水管道(41)均通过连接管(9)连接。
4.如权利要求1所述的室内离层充水沟通断层的渗透实验系统，其特征在于，所述供水管路(44)上还设有水泵(11)和单向控制阀(12)，所述水泵(11)设在靠近供水装置(45)一端，单向控制阀(12)设在水泵(11)和第二压力表(7)之间。
5.如权利要求1所述的室内离层充水沟通断层的渗透实验系统，其特征在于，所述相似模拟实验模型(2)的两侧设有由透明材质制成的防水挡板(13)。
6.如权利要求2所述的室内离层充水沟通断层的渗透实验系统，其特征在于，所述粗砂岩层(206)两侧表面设有厚度2-5cm的石蜡。
7.如权利要求1所述的室内离层充水沟通断层的渗透实验系统，其特征在于，所述断层(8)自下而上贯穿底板层(201)、煤层(202)、直接顶层(203)和基本顶层(204)。
8.如权利要求1所述的室内离层充水沟通断层的渗透实验系统，其特征在于，所述支路进水管道(41)包括水平段和垂直段，所述水平段埋设在松散层(210)内，所述垂直段延伸至粗砂岩层(206)顶部，水平段与总进水管道(43)连接。
9.如权利要求1-8任意一项所述的室内离层充水沟通断层的渗透实验系统的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：设计模型的原始水文地质条件，配比相似模拟实验材料，建立相似模拟实验模型，并在岩层间安装好支路进水管道，再在相似模拟实验模型的前后两侧安装上防水挡板，最后在相似模拟实验模型的顶部放置加载钢板；
步骤二：根据实验设计要求，将支路进水管道和总进水管道连接，总进水管道与供水管道连接，并依次安装好第一压力表、稳压调节器、第二压力表、单向控制阀、水泵和供水装置；
步骤三：启动水泵，设置初始水压为0.02-0.06MPa，打开单向控制阀，开始向粗砂岩层中缓慢注水；
步骤四：注水10-20min之后开始进行煤层开挖，观察相似模拟实验模型中岩层下沉和垮落的动态变化以及离层水产生、发展和沟通断层发生突涌水害的渗透变化；
步骤五：通过分别改变推进速度，水压、水流量因素，观察离层水对渗流过程以及对采煤工作面产生的影响。
10.如权利要求9所述的室内离层充水沟通断层的渗透实验系统的实验方法，其特征在于，步骤四中注水15min后开始进行煤层开挖，并以每20min的时间开挖10cm的距离匀速推进。
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