CN110579406A - 测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验装置及方法 - Google Patents

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CN110579406A CN201910985605.3A CN201910985605A CN110579406A CN 110579406 A CN110579406 A CN 110579406A CN 201910985605 A CN201910985605 A CN 201910985605A CN 110579406 A CN110579406 A CN 110579406A
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Abstract

本发明公开一种测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验装置及方法，装置包括：容置实验样品的容置腔体、向容置腔体内的实验样品提供松散层土体原位压力等效加载的土压力等效补给系统、向容置腔体内注水的水位加载系统、以及向容置腔体提供水头压力等效加载的水面气压补给系统；容置腔体内设置有放置在实验样品底部且具有裂隙通道的基岩试件，基岩试件上部设置有与水压力信息采集器通信连接的水压力传感器。本发明能够对溃水溃砂灾害启动条件开展系统性的实验研究，能够对溃水溃砂灾害的启动前孔隙水压力的变化信息实现有效采集从而为灾害预警提供依据，为溃水溃砂灾害的防治提供理由依据，以预防经济损失，提高井下开采环境的安全性。

Description

测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验装置及方法
技术领域
本发明涉及煤矿实验相关技术领域，特别是一种测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验装置及方法。
背景技术
煤炭资源采出后形成采空区，采空区上部岩体由于失去底部约束导致整个覆岩体稳定状态被打破，覆岩体在重力作用下而向采空区方向发生垮落、移动、沉降，经过长时间的内部应力调整最终达到新的平衡状态。从原始应力平衡状态到新的应力平衡状态调整过程中，覆岩体内部发生了巨大的破坏，而岩体破坏过程即是岩体内部裂隙“萌生-发展-贯通-闭合”的发育过程。
我国西部煤炭资源储量丰富，煤炭赋存条件简单，极其适合大规模机械化开采。浅层煤开采过程中普遍会遇到基岩试件厚度薄、松散层厚度大且松散层内水头高度较大的工况条件。由于基岩试件厚度小，采动影响下整个基岩试件层完全垮落，岩体裂隙贯穿整个基岩试件层，形成了连接松散含水层和采空区的裂隙通道，导致水砂沿基岩试件裂隙溃涌至采煤工作面，堆积的砂体将液压支架和采掘设备掩埋导致液压支架无法随工作面推进向前移动，溃涌水砂混合物导致井下涌水量突增且夹带泥沙的水无法使用水泵直接外排，严重影响正常采掘工作进度并对井下工人生命安全构成严重威胁。
近年来，西部矿区已发生多次溃水溃砂事故，矿山生产单位针对溃水溃砂做了大量的灾害防治工作，主要工作包括：采前疏放水、基岩试件顶部松散层灌注水泥浆，在取得一定防灾减灾效果的同时也花费了巨大的人力、物力和财力。目前，矿山生产单位在开展疏放水过程中遇到的问题为：水头高度需要控制在什么范围是安全的，基岩试件厚度低于多少是安全的，基岩试件顶部松散层灌注水泥浆需要至少注至什么程度。需要确定溃水溃砂发生的各种主控因素的量化关系，从而改变现有技术实施过程中缺乏理论指导、盲目增加放水孔、盲目加大注浆量的技术现状。
针对现场施工中遇到的问题，众多专家学者开展了大量研究，研究成果显示溃水溃砂灾害的发生与众多影响因素有关，其中工作面上覆基岩试件厚度、黏土层厚度、松散含水层厚度、采动基岩试件裂隙特征均为溃水溃砂灾害启动的重要影响因素。但是，溃水溃砂灾害启动条件的定量研究成果相对稀缺，主要原因为多因素影响下溃水溃砂灾害的启动条件需要大量的实验样本数据，而目前可以提供参考的数据仅为灾害现场的工程条件，缺少完备的室内模拟试验设备严重制约了溃水溃砂灾害定量化研究的进程。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术缺少完备的测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的室内模拟试验设备的技术问题，提供一种测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验装置及方法。
本发明提供一种测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验装置，包括：容置实验样品的容置腔体、与所述容置腔体连接向所述容置腔体内的实验样品提供松散层土体原位压力等效加载的土压力等效补给系统、与所述容置腔体连接向所述容置腔体内注水的水位加载系统、以及与所述容置腔体连接向所述容置腔体提供水头压力等效加载的水面气压补给系统；
所述容置腔体内设置有放置在所述实验样品底部且具有裂隙通道的基岩试件，所述基岩试件上部设置有与水压力信息采集器通信连接的水压力传感器，所述容置腔体底部设置有能开合的开孔区域，所述裂隙通道下端出口位于所述开孔区域。
进一步地，所述容置腔体包括：设置所述开孔区域的底座、桶体、以及顶盖，所述基岩试件放置在所述底座上，且裂隙通道下端出口位于所述开孔区域，所述开孔区域设置有旋转螺塞，所述桶体套过基岩试件竖立在所述底座上，所述顶盖安装在所述桶体上部；
所述土压力等效补给系统设置有穿过所述顶盖向所述桶体内的所述实验样品提供松散层土体原位压力等效加载的土压力补充板；
所述顶盖上设有供所述水面气压补给系统向所述桶体的实验样品提供水头压力等效加载的注水进气孔。
更进一步地，所述土压力等效补给系统还包括依次连通的：气泵、第一气压控制阀、第一截止阀、气压反转控制阀、以及气缸，所述气缸的伸缩杆与所述土压力补充板连接。
再进一步地，所述水位加载系统包括依次连通的：水源、以及第三截止阀，所述第三截止阀与所述注水进气孔连通。
再进一步地，所述水面气压补给系统包括：设置在所述气泵和所述第一气压控制阀之间的三通接头、第一快速接头、第二快速接头、以及第四截止阀，所述三通接头通过第二气压控制阀、第二截止阀与第二快速接头连通，所述第三截止阀依次与所述第一快速接头、以及所述第四截止阀连通，所述第一快速接头与所述第二快速接头可拆卸连接。
本发明提供一种如前所述的测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验装置的实验方法，包括：
在所述基岩试件上方装填实验方案对应的黏土层，密实、平整后装填所需厚度、按配比混合的砂层，并加以密实、平整；
封闭所述容置腔体；
通过所述土压力等效补给系统向容置腔体内提供松散层土体原位压力等效加载；
通过所述水位加载系统向容置腔体内部注水至实验设计高度；
通过所述水面气压补给系统向所述容置腔体内提供气压，通过气压对水作用实现模拟工程实际中水头高度；
打开所述开孔区域，进行测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件实验。
进一步地，所述容置腔体包括：底座、桶体、以及顶盖，所述基岩试件放置在所述底座上，且裂隙通道下端出口位于所述开孔区域，所述桶体套过基岩试件竖立在所述底座上，所述顶盖安装在所述桶体上部；
所述在所述容置腔体内设置具有裂隙通道的基岩试件，在所述基岩试件上部设置与水压力信息采集器通信连接的水压力传感器，所述裂隙通道下端出口位于所述开孔区域，闭合所述开孔区域，具体包括：
在所述容置腔体内设置具有裂隙通道的基岩试件；
在裂隙通道上端引线与水压力传感器连接，下端引线与水压力信息采集器连接；
封堵底板的开孔区域；
在裂隙通道内部装填干燥砂，通道上表面放置细小彩色圆粒；
向基岩试件与桶体之间的间隙内装填嵌缝砂，并用金属细杆沿缝隙倒捣实。
更进一步地，所述土压力等效补给系统设置有穿过所述顶盖向所述桶体内的所述实验样品提供松散层土体原位压力等效加载的土压力补充板；
所述通过所述土压力等效补给系统向容置腔体内提供松散层土体原位压力等效加载，具体包括：
根据现场工程中的松散层厚度、松散层底部含水厚度、松散层砂土体干密度和饱和密度计算得到松散层土体原位压力等效加载值，所述松散层土体原位压力等效加载值P实＝ρ干土gH干+ρ饱和土gH饱和，其中H干为松散层上部干燥部分厚度，H饱和为松散层底部含水层厚度，ρ干土为现场实际松散层干燥砂土体密度，ρ饱和土为现场实际松散层底部饱和土密度，g为重力加速度；
通过所述土压力等效补给系统向容置腔体内提供所述松散层土体原位压力等效加载值。
再进一步地，所述通过所述土压力等效补给系统向容置腔体内提供所述松散层土体原位压力等效加载值，具体包括：
向气缸施加补充气压，通过土压力补充板向容置腔体内提供所述松散层土体原位压力等效加载值P实，所述补充气压P补土＝P实×r2 板/r2 缸，其中，土压力补充板为圆形刚性筛盘，r板为土压力补充板的半径，r缸为气缸内半径。
再进一步地，所述通过所述水面气压补给系统向所述容置腔体内提供气压，通过气压对水作用实现模拟工程实际中水头高度，具体包括：
根据现场工程中涉及的真实水头高度计算得到水头气压；
向所述容置腔体内提供所述水头气压，通过气压对水作用实现模拟工程实际中水头高度，所述水头气压P补水＝P水-ρ水gH水层，其中，P水为现场松散层底部砂土体单元受到真实水压力，P水＝ρ水gH水头，ρ水为水的密度，H水层为实验仪器内填充的水层厚度。
本发明实现了现场水头高度的真实模拟，实现了现场松散层底部砂土体单元原始应力状态的真实模拟，实现了采煤工作面溃水溃砂事故的室内灾害过程模拟，通过室内实验能够针对不同现场工程情况对溃水溃砂灾害开展定量研究与灾害评估，能够对溃水溃砂灾害启动条件开展系统性的实验研究，能够对溃水溃砂灾害的启动前孔隙水压力的变化信息实现有效采集从而为灾害预警提供依据，为溃水溃砂灾害的防治提供理由依据，以预防经济损失，提高井下开采环境的安全性。
附图说明
图1为本发明一种测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验装置的结构示意图；
图2为本发明一种测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验方法的工作流程图；
图3为本发明最佳实施例一种测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验方法的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示为本发明一种测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验装置的结构示意图，包括：容置实验样品的容置腔体、与所述容置腔体连接向所述容置腔体内的实验样品提供松散层土体原位压力等效加载的土压力等效补给系统、与所述容置腔体连接向所述容置腔体内注水的水位加载系统、以及与所述容置腔体连接向所述容置腔体提供水头压力等效加载的水面气压补给系统；
所述容置腔体内设置有放置在所述实验样品底部且具有裂隙通道19 的基岩试件22，所述基岩试件22上部设置有与水压力信息采集器1通信连接的水压力传感器20，所述容置腔体底部设置有能开合的开孔区域，所述裂隙通道19下端出口位于所述开孔区域。
具体来说，在基岩试件22上设置实验样品，实验样品包括但不限于与实验方案对应的黏土层24及砂层25。
实验时，先闭合开孔区域在所述基岩试件22上方装填实验方案对应的黏土层24，密实、平整后装填所需厚度、按配比混合的砂层25，并加以密实、平整。然后，通过所述土压力等效补给系统向容置腔体内提供松散层土体原位压力等效加载，通过所述水位加载系统向容置腔体内部注水至实验设计高度；通过水面气压补给系统向所述容置腔体内提供气压，通过气压对水作用实现模拟工程实际中水头高度。
然后，打开开孔区域，进行测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件实验。
本发明实现了现场水头高度的真实模拟，实现了现场松散层底部砂土体单元原始应力状态的真实模拟，实现了采煤工作面溃水溃砂事故的室内灾害过程模拟，通过室内实验能够针对不同现场工程情况对溃水溃砂灾害开展定量研究与灾害评估，能够对溃水溃砂灾害启动条件开展系统性的实验研究，能够对溃水溃砂灾害的启动前孔隙水压力的变化信息实现有效采集从而为灾害预警提供依据，为溃水溃砂灾害的防治提供理由依据，以预防经济损失，提高井下开采环境的安全性。
在其中一个实施例中，所述容置腔体包括：设置所述开孔区域的底座2、桶体3、以及顶盖4，所述基岩试件22放置在所述底座2上，且裂隙通道19下端出口位于所述开孔区域，所述开孔区域设置有旋转螺塞 33，所述桶体3套过基岩试件竖立在所述底座2上，所述顶盖4安装在所述桶体3上部；
所述土压力等效补给系统设置有穿过所述顶盖4向所述桶体3内的所述实验样品提供松散层土体原位压力等效加载的土压力补充板21；
所述顶盖4上设有供所述水面气压补给系统向所述桶体3的实验样品提供水头压力等效加载的注水进气孔6。
本实施例实现容置腔体的具体结构。
在其中一个实施例中，所述水压力信息采集器1通过埋设在所述基岩试件22中的通信线与所述水压力传感器20通信连接。
具体来说，水压力传感器20和水压力信息采集器1的链接通信线在预制基岩过程中筑入混凝土中。
本实施例将通信线埋设在基岩试件中，以保证水压力传感器和水压力信息采集器的通信顺畅。
在其中一个实施例中，所述底座2上设置有凹槽，所述桶体3设置在所述凹槽上，所述桶体3与所述凹槽之间设置有密封件28。
具体来说，密封件28为密封橡胶圈。
本实施例通过设置密封件保证桶体的密封性。
在其中一个实施例中，所述桶体3与所述基岩试件22之间填充有嵌缝砂23。
具体来说，向基岩试件22与桶体3之间的间隙内装填嵌缝砂23，并用金属细杆沿缝隙倒捣实。
在其中一个实施例中，所述容置腔体还包括设置在所述底座2下方的调平支座34。
本实施例通过设置调平支座34实现底座2的调平。
在其中一个实施例中，所述土压力等效补给系统还包括依次连通的：气泵11、第一气压控制阀9、第一截止阀8、气压反转控制阀7、以及气缸5，所述气缸5的伸缩杆与所述土压力补充板21连接。
本实施例通过气缸提供对土压力补充板的压力。
在其中一个实施例中，所述水位加载系统包括依次连通的：水源14、以及第三截止阀15，所述第三截止阀15与所述注水进气孔6连通。
本实施例通过水源与第三截止阀实现对容置腔体内注水。
在其中一个实施例中，所述水面气压补给系统包括：设置在所述气泵11和所述第一气压控制阀9之间的三通接头10、第一快速接头16、第二快速接头17、以及第四截止阀18，所述三通接头10通过第二气压控制阀13、第二截止阀12与第二快速接头17连通，所述第三截止阀15 依次与所述第一快速接头16、以及所述第四截止阀18连通，所述第一快速接头16与所述第二快速接头17可拆卸连接。
本实施例通过气泵实现水面气压补给。
在其中一个实施例中，所述土压力补充板21为刚性筛盘。
如图2所示为本发明一种测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验方法的工作流程图，包括：
步骤S201，在所述基岩试件22上方装填实验方案对应的黏土层24，密实、平整后装填所需厚度、按配比混合的砂层25，并加以密实、平整；
步骤S202，封闭所述容置腔体；
步骤S203，通过所述土压力等效补给系统向容置腔体内提供松散层土体原位压力等效加载；
步骤S204，通过所述水位加载系统向容置腔体内部注水至实验设计高度；
步骤S205，通过所述水面气压补给系统向所述容置腔体内提供气压，通过气压对水作用实现模拟工程实际中水头高度；
步骤S206，打开所述开孔区域，进行测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件实验。
具体来说，如图1所示为本发明所使用的实验装置，步骤S201至步骤S202完成对实验装置的安装。然后通过步骤S203提供松散层土体原位压力等效加载，通过步骤S204向容置腔体内部注水至实验设计高度，通过步骤S205实现模拟工程实际中水头高度。最后，由步骤S206进行测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件实验。
本发明实现了现场水头高度的真实模拟，实现了现场松散层底部砂土体单元原始应力状态的真实模拟，实现了采煤工作面溃水溃砂事故的室内灾害过程模拟，通过室内实验能够针对不同现场工程情况对溃水溃砂灾害开展定量研究与灾害评估，能够对溃水溃砂灾害启动条件开展系统性的实验研究，能够对溃水溃砂灾害的启动前孔隙水压力的变化信息实现有效采集从而为灾害预警提供依据，为溃水溃砂灾害的防治提供理由依据，以预防经济损失，提高井下开采环境的安全性。
在其中一个实施例中，所述容置腔体包括：底座2、桶体3、以及顶盖4，所述基岩试件22放置在所述底座2上，且裂隙通道19下端出口位于所述开孔区域，所述桶体3套过基岩试件竖立在所述底座2上，所述顶盖4安装在所述桶体3上部；
所述在所述容置腔体内设置具有裂隙通道19的基岩试件22，在所述基岩试件22上部设置与水压力信息采集器1通信连接的水压力传感器 20，所述裂隙通道19下端出口位于所述开孔区域，闭合所述开孔区域，具体包括：
在所述容置腔体内设置具有裂隙通道19的基岩试件22；
在裂隙通道19上端引线与水压力传感器20连接，下端引线与水压力信息采集器1连接；
封堵底板2的开孔区域；
在裂隙通道19内部装填干燥砂，通道上表面放置细小彩色圆粒；
向基岩试件22与桶体3之间的间隙内装填嵌缝砂23，并用金属细杆沿缝隙倒捣实。
本实施例在裂隙通道19内部装填干燥砂，通道上表面放置细小彩色圆粒用于标记和计时。
在其中一个实施例中，所述土压力等效补给系统包括依次连通的：气泵11、第一气压控制阀9、第一截止阀8、气压反转控制阀7、以及气缸5，所述气缸5的伸缩杆与设置在所述桶体3内的土压力补充板21连接；
所述通过所述土压力等效补给系统向容置腔体内提供松散层土体原位压力等效加载，具体包括：
关闭第一截止阀8，启动气泵11，通过调节第一气压控制阀9，获得持续且稳定的实验气压；
压力里稳定后通过气压反转控制阀7控制气缸5为外伸的状态；
打开第一截止阀8，通过气缸5伸缩杆前段所接土压补充板21压实砂层25。
本实施例实现土压力等效补给系统向容置腔体内提供松散层土体原位压力等效加载。
在其中一个实施例中，所述水位加载系统包括依次连通的：水源14、以及第三截止阀15，所述第三截止阀15与设置在顶盖4的注水进气孔6 连通；
所述通过所述水位加载系统向容置腔体内部注水至实验设计高度，具体包括：
打开第三截止阀15，利用水源14向容置腔体内部注水至实验设计高度。
本实施例实现通过所述水位加载系统向容置腔体内部注水至实验设计高度。
在其中一个实施例中，所述水面气压补给系统包括：设置在所述气泵11和所述第一气压控制阀9之间的三通接头10、第一快速接头16、第二快速接头17、以及第四截止阀18，所述三通接头10通过第二气压控制阀13、第二截止阀12与第二快速接头17连通，所述第三截止阀15 依次与所述第一快速接头16、以及所述第四截止阀18连通，所述第一快速接头16与所述第二快速接头17可拆卸连接；
所述通过所述水位加载系统向容置腔体内部注水至实验设计高度，具体包括：
将第一快速接头16与第二快速接头17拆开，打开第三截止阀15，打开第四截止阀18，利用水源14向容置腔体内部注水至实验设计高度。
在其中一个实施例中，所述通过所述水面气压补给系统向所述容置腔体内提供气压，通过气压对水作用实现模拟工程实际中水头高度，具体包括：
重新接好第一快速接头16与第二快速接头17，关闭第三截止阀15，关闭第四截止阀18，打开第二截止阀12，调节第二气压控制阀13；
待所需数值气压持续稳定后打开第四截止阀18，通过气压对水作用实现模拟工程实际中水头高度。
本实施例对水作用实现模拟工程实际中水头高度。
在其中一个实施例中，所述通过所述土压力等效补给系统向容置腔体内提供松散层土体原位压力等效加载，具体包括：
根据现场工程中的松散层厚度、松散层底部含水厚度、松散层砂土体干密度和饱和密度计算得到松散层土体原位压力等效加载值，所述松散层土体原位压力等效加载值P实＝ρ干土gH干+ρ饱和土gH饱和，其中H干为松散层上部干燥部分厚度，H饱和为松散层底部含水层厚度，ρ干土为现场实际松散层干燥砂土体密度，ρ饱和土为现场实际松散层底部饱和土密度，g为重力加速度；
通过所述土压力等效补给系统向容置腔体内提供所述松散层土体原位压力等效加载值。
本实施例土压力补充板的压力荷载需要根据现场工程中涉及的松散层厚度、松散层底部含水厚度、松散层砂土体干密度和饱和密度计算得到，使得压力荷载更为符合现场需求。
在其中一个实施例中，所述通过所述土压力等效补给系统向容置腔体内提供所述松散层土体原位压力等效加载值，具体包括：
向气缸施加补充气压，通过土压力补充板21向容置腔体内提供所述松散层土体原位压力等效加载值P实，所述补充气压P补土＝P实×r2 板/r2 缸，其中，土压力补充板21为圆形刚性筛盘，r板为土压力补充板的半径，r 缸为气缸内半径。
在其中一个实施例中，所述通过所述水面气压补给系统向所述容置腔体内提供气压，通过气压对水作用实现模拟工程实际中水头高度，具体包括：
根据现场工程中涉及的真实水头高度计算得到水头气压；
向所述容置腔体内提供所述水头气压，通过气压对水作用实现模拟工程实际中水头高度，所述水头气压P补水＝P水-ρ水gH水层，其中，P水为现场松散层底部砂土体单元受到真实水压力，P水＝ρ水gH水头，ρ水为水的密度，H水层为实验仪器内填充的水层厚度。
本实施例根据现场工程中涉及的真实水头高度计算得到水头气压，使得水头气压更符合现场需求。
在其中一个实施例中，所述水压力传感器20安装在距离基岩试件22 的裂隙通道19上方预设高度阈值并偏离所述裂隙通道19正上方预设距离阈值。
本实施例能防止实验过程中砂土体下部物质流失造成水压力传感器直接浸与水中无法采集孔隙水压力的情况。
如图3所示为本发明最佳实施例，一种测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验方法，采用如图1所示的实验装置，包括：
步骤S301，调整调平支座33使底板2处于水平状态。
步骤S302，将基岩试件22放置于底板2中央浅槽，使裂隙通道19 下端出口处于底板2开孔区域，在浅槽上沿与基岩试件22表面接触部分加打密封胶，防止侧砂沿底板外流。
步骤S303，在裂隙通道19上端引线与传感器20连接，下端引线与1 采集器连接。并封堵底板2中央开孔。
步骤S304，清理底板2用于放置透明亚克力桶3的卡槽，将内嵌O 型圈28与扁平O型圈29布置于卡槽内部。
步骤S305，在裂隙通道19内部装填干燥砂，通道上表面放置细小彩色圆粒，用于标记和计时。
步骤S306，将亚克力桶3摆放至底板2卡槽中。
步骤S307，向基岩试件22与亚克力桶3之间的间隙内装填嵌缝砂23，并用金属细杆沿缝隙倒捣实。在基岩试件22上方装填实验方案对应的黏土层24，密实、平整后装填所需厚度、按配比混合的砂层25并加以密实、平整。
步骤S308，将扁平O型圈29以及法兰片30与底板2组装，用外部支撑螺杆31及螺母32固定。先对设备下部进行组装四根外部支撑螺杆31 安装好后，再按照法兰盘30、扁平O型圈、顶盖4的顺序从下至上组装确保顶盖2卡槽与亚克力桶3契合。通过调整螺母32实现设备内部气密性要求。
步骤S309，关闭第一截止阀8、第二截止阀12，启动气泵11，通过调节第一气压控制阀9，获得持续且稳定的实验气压，压力里稳定后将手拉阀7调为使气缸5外伸的状态，打开第一截止阀8，通过气缸5伸缩杆前段所接土压补充板21压实砂层25，实现模拟工程实际中补充实验土压力的目的。
步骤S310，拆下第二快速接头17，打开第三截止阀15、第四截止阀 18、利用水源14通过注水进气孔6向实验设备内部注水至实验设计高度。
步骤S311，重新接好第二快速接头17，关闭第三截止阀15、第四截止阀18，打开第二截止阀12，通过调节减压阀B13，待所需数值气压持续稳定后打开第四截止阀18，通过气压对水作用实现模拟工程实际中水头高度。
步骤S312，静置，开展数据、现象记录采集准备工作。
步骤S313，去掉底板2中央开孔封堵，开始实验。
步骤S314，实验完成后，通过气压反转控制阀7，第一截止阀8，第一气压控制阀9，三通接头10，气泵将土压力补充板21，完成本次实验模型的拆除。
实验装置包括：水压力信息采集器1、底座2、使用透明亚克力桶的桶体3、顶盖4、气缸5、注水进气孔6、气压反转控制阀7、第一截止阀 8、第一气压控制阀9、三通接头10、气泵11、第二截止阀12、第二气压控制阀13、水源14、第三截止阀15、第一快速接头16、第二快速接头17、第四截止阀18、裂隙通道19、水压力传感器20、土压力补充板 21、基岩试件22、嵌缝砂23、黏土层24、砂层25、水层26、空气27、密封橡胶圈28、亚克力桶固接槽29、法兰片30、螺杆31、螺母32、旋转螺塞33、以及调平支座34。将预制好的带有裂隙的基岩试件22安置在调平支座34上部圆形凹槽的正中间位置，与水压力信息采集器1连接的水压力传感器20安置在基岩试件上部，水压力信息采集器1的导线为预制基岩试件22过程中提前放置在基岩试件22内部，密封橡胶圈28安置在调平支座34上表面圆形凹槽29边缘位置，亚克力桶3套过基岩试件22竖立在调平支座34上表面的圆形凹槽29内且确保亚克力桶3的底部均匀压覆在密封橡胶圈28上，将嵌缝砂23装入基岩试件22与亚克力桶3的间隙，将现场取样的砂层25铺装在基岩试件22上部，将顶,4安装在亚克力桶3上部，通过法兰盘30、螺杆31和螺母32调整顶盖4至水平，通过导管将气缸5、气压反转控制阀7、第一截止阀8、第一气压控制阀9、三通接头10、和气泵11串联形成土压力等效补给系统，通过调整第一气压控制阀9、第一截止阀8、气压反转控制阀7、土压力补充板21实现松散层土体原位压力等效加载，通过导管将注水进气孔6、第四截止阀18、三通接头10、第三截止阀15、第二气压控制阀13、三通接头10和气泵11串联形成水面气压补给系统，通过调整第二气压控制阀13、第三截止阀15和第四截止阀18实现水头压力等效加载，通过导管将注水进气孔6、第四截止阀18、三通接头10、第三截止阀15和水源 14串联形成水位加载系统，安装实验设计方案组装、加载完成后打开调平支座下部旋转螺塞33实现预制裂隙的畅通，实验开始观察并记录实验现象，实验完成后，通过气压反转控制阀7，第一截止阀8，第一气压控制阀9，三通接头10，气泵11将土压力补充板提升，完成本次实验模型的拆除。
其中，土压力补充板的压力荷载需要根据现场工程中涉及的松散层厚度、松散层底部含水厚度、松散层砂土体干密度和饱和密度计算得到，现场松散层底部砂土体单元受到的真实压力荷载为：P实＝ρ干土gH干+ρ饱和土gH饱和，土压力补充板为圆形刚性筛盘，实现土压力均匀施加且不阻碍水的通过，模拟实验过程中气缸内需要补充的气压为：P补土＝P实×r2 板/r2 缸，水压力补给的压力值需要根据现场工程中涉及的真实水头高度计算得到，计算方法为P水＝ρ水gH水头，P补水＝P水-ρ水gH水层，土压力补充板和水头高度补给气压来源统一为外接气泵，具体压力值通过气压控制阀调节， P实为松散层底部砂土体实际上覆荷载，H干为松散层上部干燥部分厚度， H饱和为松散层底部含水层厚度，ρ干土为现场实际松散层干燥砂土体密度，ρ饱和土为现场实际松散层底部饱和土密度，g为重力加速度，P补土为实验过程中需要通过土压力补充板对砂土体补充的上覆荷载，r板为土压力补充板的半径，r缸为气缸内半径，P水为现场松散层底部砂土体单元受到真实水压力，P补水为实验时为了达到真实模拟现场水头采用气压补给水压的补给部分压力，ρ水为水的密度，H水层为实验仪器内填充的水层厚度。
其中，水压力传感器和水压力信息采集器的链接导线需要在预制基岩试件过程中筑入混凝土中，实验开始前的安装过程，水压力传感器需要安装在距离基岩试件裂隙通道口上方5cm的高度并偏离裂隙通道口正上方10cm，以防止实验过程中砂土体下部物质流失造成水压力传感器直接浸与水中无法采集孔隙水压力的情况。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验装置有了清楚的认识。本发明实现了现场水头高度的真实模拟，实现了现场松散层底部砂土体单元原始应力状态的真实模拟，实现了采煤工作面溃水溃砂事故的室内灾害过程模拟，通过室内实验能够针对不同现场工程情况对溃水溃砂灾害开展定量研究与灾害评估，能够对溃水溃砂灾害启动条件开展系统性的实验研究，能够对溃水溃砂灾害的启动前孔隙水压力的变化信息实现有效采集从而为灾害预警提供依据，为溃水溃砂灾害的防治提供理由依据，以预防经济损失，提高井下开采环境的安全性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验装置，其特征在于，包括：容置实验样品的容置腔体、与所述容置腔体连接向所述容置腔体内的实验样品提供松散层土体原位压力等效加载的土压力等效补给系统、与所述容置腔体连接向所述容置腔体内注水的水位加载系统、以及与所述容置腔体连接向所述容置腔体提供水头压力等效加载的水面气压补给系统；
所述容置腔体内设置有放置在所述实验样品底部且具有裂隙通道(19)的基岩试件(22)，所述基岩试件(22)上部设置有与水压力信息采集器(1)通信连接的水压力传感器(20)，所述容置腔体底部设置有能开合的开孔区域，所述裂隙通道(19)下端出口位于所述开孔区域。
2.根据权利要求1所述的测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验装置，其特征在于，所述容置腔体包括：设置所述开孔区域的底座(2)、桶体(3)、以及顶盖(4)，所述基岩试件(22)放置在所述底座(2)上，且裂隙通道(19)下端出口位于所述开孔区域，所述开孔区域设置有旋转螺塞(33)，所述桶体(3)套过基岩试件竖立在所述底座(2)上，所述顶盖(4)安装在所述桶体(3)上部；
所述土压力等效补给系统设置有穿过所述顶盖(4)向所述桶体(3)内的所述实验样品提供松散层土体原位压力等效加载的土压力补充板(21)；
所述顶盖(4)上设有供所述水面气压补给系统向所述桶体(3)的实验样品提供水头压力等效加载的注水进气孔(6)。
3.根据权利要求2所述的测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验装置，其特征在于，所述土压力等效补给系统还包括依次连通的：气泵(11)、第一气压控制阀(9)、第一截止阀(8)、气压反转控制阀(7)、以及气缸(5)，所述气缸(5)的伸缩杆与所述土压力补充板(21)连接。
4.根据权利要求3所述的测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验装置，其特征在于，所述水位加载系统包括依次连通的：水源(14)、以及第三截止阀(15)，所述第三截止阀(15)与所述注水进气孔(6)连通。
5.根据权利要求4所述的测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验装置，其特征在于，所述水面气压补给系统包括：设置在所述气泵(11)和所述第一气压控制阀(9)之间的三通接头(10)、第一快速接头(16)、第二快速接头(17)、以及第四截止阀(18)，所述三通接头(10)通过第二气压控制阀(13)、第二截止阀(12)与第二快速接头(17)连通，所述第三截止阀(15)依次与所述第一快速接头(16)、以及所述第四截止阀(18)连通，所述第一快速接头(16)与所述第二快速接头(17)可拆卸连接。
6.一种如权利要求1至5任一项所述的测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验装置的实验方法，其特征在于，包括：
在所述基岩试件上方装填实验方案对应的黏土层，密实、平整后装填所需厚度、按配比混合的砂层，并加以密实、平整；
封闭所述容置腔体；
通过所述土压力等效补给系统向容置腔体内提供松散层土体原位压力等效加载；
通过所述水位加载系统向容置腔体内部注水至实验设计高度；
通过所述水面气压补给系统向所述容置腔体内提供气压，通过气压对水作用实现模拟工程实际中水头高度；
打开所述开孔区域，进行测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件实验。
7.根据权利要求6所述的测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验方法，其特征在于，所述容置腔体包括：底座、桶体、以及顶盖，所述基岩试件放置在所述底座上，且裂隙通道下端出口位于所述开孔区域，所述桶体套过基岩试件竖立在所述底座上，所述顶盖安装在所述桶体上部；
所述在所述容置腔体内设置具有裂隙通道的基岩试件，在所述基岩试件上部设置与水压力信息采集器通信连接的水压力传感器，所述裂隙通道下端出口位于所述开孔区域，闭合所述开孔区域，具体包括：
在所述容置腔体内设置具有裂隙通道的基岩试件；
在裂隙通道上端引线与水压力传感器连接，下端引线与水压力信息采集器连接；
封堵底板的开孔区域；
在裂隙通道内部装填干燥砂，通道上表面放置细小彩色圆粒；
向基岩试件与桶体之间的间隙内装填嵌缝砂，并用金属细杆沿缝隙倒捣实。
8.根据权利要求7所述的测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验方法，其特征在于，所述土压力等效补给系统设置有穿过所述顶盖向所述桶体内的所述实验样品提供松散层土体原位压力等效加载的土压力补充板；
所述通过所述土压力等效补给系统向容置腔体内提供松散层土体原位压力等效加载，具体包括：
根据现场工程中的松散层厚度、松散层底部含水厚度、松散层砂土体干密度和饱和密度计算得到松散层土体原位压力等效加载值，所述松散层土体原位压力等效加载值P实＝ρ干土gH干+ρ饱和土gH饱和，其中H干为松散层上部干燥部分厚度，H饱和为松散层底部含水层厚度，ρ干土为现场实际松散层干燥砂土体密度，ρ饱和土为现场实际松散层底部饱和土密度，g为重力加速度；
通过所述土压力等效补给系统向容置腔体内提供所述松散层土体原位压力等效加载值。
9.根据权利要求8所述的测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验方法，其特征在于，所述通过所述土压力等效补给系统向容置腔体内提供所述松散层土体原位压力等效加载值，具体包括：
向气缸施加补充气压，通过土压力补充板向容置腔体内提供所述松散层土体原位压力等效加载值P实，所述补充气压P补土＝P实×r2 板/r2 缸，其中，土压力补充板为圆形刚性筛盘，r板为土压力补充板的半径，r缸为气缸内半径。
10.根据权利要求9所述的测试煤矿开采过程中溃水溃砂启动条件的实验方法，其特征在于，所述通过所述水面气压补给系统向所述容置腔体内提供气压，通过气压对水作用实现模拟工程实际中水头高度，具体包括：
根据现场工程中涉及的真实水头高度计算得到水头气压；
向所述容置腔体内提供所述水头气压，通过气压对水作用实现模拟工程实际中水头高度，所述水头气压P补水＝P水-ρ水gH水层，其中，P水为现场松散层底部砂土体单元受到真实水压力，P水＝ρ水gH水头，ρ水为水的密度，H水层为实验仪器内填充的水层厚度。
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