CN111351699B - 二维承压水上采煤相似模拟试验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二维承压水上采煤相似模拟试验装置，包括相似模拟支架、水箱和与水箱上表面可拆卸配合的盖板，所述盖板表面设置有多个透水孔，盖板与水箱之间设置有隔水膜，透水孔内设置有朝向隔水膜的锥刺，防水膜变形时能够与锥刺接触，相似模拟支架内形成模拟岩层，水箱设置有盖板的一面与相似模拟支架固定配合。本发明提供的二维承压水上采煤相似模拟实验装置及使用方法的优点在于：通过在水箱内设置隔水膜，能够防止在实验开始之前水箱内的承压水与相似岩层发生接触，防止隔水层被提前破坏，保证了实验结果的准确性，能够研究接近真实的承压水裂隙发育情况，本发明还提供了该实验装置的使用方法，方便研究采动扰动对应力分布的影响。

Description

二维承压水上采煤相似模拟试验装置及使用方法

技术领域

本发明涉及采煤生产环境突水模拟技术领域，尤其涉及二维承压水上采煤相似模拟试验装置及使用方法。

背景技术

煤矿底板突水主要发生于掘进工作面和采煤工作面底板，随着采掘扰动影响，其下具有颇高水压的承压水突发性的穿透位于开采煤层或巷道岩层与含水层之间的隔水岩层，并涌进开采空间所形成的突水事故。近年来，随着煤炭资源开采强度和深度进一步增加，煤炭水文地质条件变得更加的复杂，煤层底板岩层中含水层厚度减少，煤层底部含水层水压逐渐增大，使得煤层底板突水的可能性增大，已经成为煤矿安全生产的巨大隐患，严重制约和影响矿山的安全生产。

目前，针对煤矿底板突水的研究，国内外专家与学者已经开展了大量的研究工作。煤矿底板突水机理方面，从20世纪四五十年代，首次提出“底板相对隔水层”的概念开始，不断获得底板突水与否的预测标准、“下三带”理论、原位张裂与零位破坏理论、“强渗通道”说、“岩水应力关系”说、底板“关键层”等理论成果。随着数值计算软件的发展，利用FLAC-3D、Particle Flow Code、Ansys等数值计算软件进行煤矿采掘扰动底板突水方面的研究不断加深。但是由于煤矿底板突水灾害的复杂性，在采掘扰动影响下，仅仅依靠理论分析和数值模拟进行分析研究，难以实现对底板突水过程提供全面可靠的分析。

室内相似材料物理模拟试验是研究煤矿开采过程其围岩应力、位移变化的一种重要的科学研究手段，其具有直观、简便、经济、快速以及实验周期短等特点；是研究承压水、隔水岩层以及采动扰动相互作用致灾机理的重要途径。

专利申请CN201037819Y公开了松散承压含水层载荷传递作用的实验装置，其采用整体的、全长承压水袋来近似模拟煤系地层中的承压含水层，但是水袋使得水与隔水岩层的分离，水袋本身的抗变形能力，均会造成承压含水层载荷传递的失真，难以建立工作面开采、围岩变形破坏及承压水突水过程的直观、可靠的联系，实验效果较差。专利申请CN105259045A公开了一种承压水下采煤的相似模拟试验装置，该装置利用10个相互连接的可压缩方体水袋作为承压含水层，利用输水管、流量传感器、应力传感器等相互配合，实现对煤炭开采过程中上覆承压含水层载荷传递规律等进行相似模拟，但这种方法仍然使得承压水与隔水岩层相分离，对模拟过程采煤工作回采覆岩裂隙发育形成突水通道的时间、位置及围岩应力位移规律仍然无法直观有效的判断和分析。专利申请CN105675818A公开了一种受采动影响煤层底板突水模拟试验系统，该系统由模拟试验装置、操作控制台和水压控制装置组成，同时模拟试验装置包括外框架和设置在外框架内的试验台，该试验台可以施加纵向应力与横向应力，可以模拟高水压与底板岩性变化、底板突水全过程，具有试验密闭性好、自动化程度高等特点，但目前该设备整体密封过程较为繁琐，相似材料摊铺过程容易提前通过隔板水缝进入水箱内，造成相似材料在试验开始前的陷漏，从而影响整体实验结果。

综上所述，现有技术存在承压水侧向渗水、相似材料沿板孔/缝陷漏等现象，整体操作较为复杂，试验失败可能性较高，同时针对煤矿采动扰动底板突水模拟过程中，难以做到底板承压水压力变化规律、采动扰动应力分布特征、围岩裂隙发育过程相互作用关系的建立，进而无法实现对各规律的相互响应机制进行定性及定量分析与判断。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种密封性能好、数据准确度高的二维承压水上采煤相似模拟试验装置及该实验装置的使用方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种二维承压水上采煤相似模拟试验装置，包括相似模拟支架、水箱和与水箱上表面可拆卸配合的盖板，所述盖板表面设置有多个透水孔，盖板与水箱之间设置有隔水膜，透水孔内设置有朝向隔水膜的锥刺，隔水膜变形时能够与锥刺接触，水箱内的水能够从透水孔离开水箱；相似模拟支架内形成模拟岩层，水箱设置有盖板的一面与相似模拟支架固定配合。

本发明通过在水箱内设置隔水膜，能够防止在实验开始之前水箱内的承压水与相似岩层发生接触，防止隔水层被提前破坏，保证了实验结果的准确性，能够研究接近真实的承压水裂隙发育情况，为相关研究提供辅助指导。

优选的，所述水箱为无盖的长方体结构，水箱上表面与盖板之间还设置有两层密封垫，所述隔水膜处于两层密封垫之间，密封垫与水箱上表面的边框密封配合。

优选的，所述水箱包括底板和四个侧板，底板和四个侧板相互拼合，连接处设置防水垫，水箱盖板表面具有与四个侧板固定连接的螺纹孔。

优选的，所述相似模拟支架包括顶板、垂直设置于顶板两侧的侧护板，所述顶板外侧设置有多个油缸，油缸的输出端穿过顶板延伸到相似模拟支架内部，并覆盖顶板的投影区域，相似模拟支架的前后侧面设置有与两侧的侧护板可拆卸配合的活动护板。

优选的，还包括与油缸连接的加载控制柜、与水箱连接的水泵站、以及与加载控制柜和水泵站通信连接的控制台；所述盖板表面还设置有多个压力传感器，压力传感器与控制台通信连接；水箱上设置进水管和排水管，进水管和排水管上分别从水箱内向外依次设置有控制阀门、水压表、流量表和另一个控制阀门；所述进水管与水泵站连通，排水管设置在侧板的上方。

本发明还提供了所述二维承压水上采煤相似模拟实验装置的使用方法，包括以下步骤，

步骤A：将水箱夹持固定于相似模拟支架的侧护板之间，通过螺栓将活动护板与侧护板固定连接从而封闭水箱所在区域，进水管和排水管穿过侧护板或活动护板与外部连通；

步骤B：在水箱上表面依次放置一层密封垫、隔水膜、密封垫，最后放置盖板并用螺栓连接盖板和水箱上表面，打开控制阀门向水箱内供水，若无漏水则继续，否则返回步骤A；

步骤C：在水箱的盖板上防止一层金属防漏筛网，固定一层活动护板；

步骤D：根据模拟对象的实际地质情况制作骨料，将骨料摊铺在金属防漏筛网上，根据实际情况确定岩层数量和每一层的厚度，并确保每一层均匀压实，层间使用云母片进行隔离；根据需要在层间布设传感器，并将传感器与控制台通信连接；

步骤E：铺设一定高度后停止施工，晾晒一定时间后拆除前后活动护板，在摊铺相似材料岩层和水箱的前后表面分别粉刷隔水材料；隔水材料干燥后重新固定前后活动护板；

步骤F：根据步骤E的方法，使用骨料制作岩层，使用碎煤渣在指定高度制作煤层，直到总高度达到相似材料摊铺到设计高度，对相似材料模型进行风干养护一周以上；

步骤G：通过水泵站向水箱内供水，待水压表数值稳定在实验设计数值后，停止供水；通过加载控制柜给油缸供压，在煤层进行模拟开采，根据实验设计要求记录过程数据进行相似模拟试验。

优选的，所述骨料的制作原料包括河沙、石灰、石膏、松香、发泡水泥。

优选的，步骤E中布设的传感器包括与控制台通信连接的压力传感器，电场传感器。

优选的，步骤F中施工100mm岩层后晾晒5天再继续作业。

优选的，顶板上两侧的油缸压力大于其他油缸的压力。

本发明提供的二维承压水上采煤相似模拟实验装置及使用方法的优点在于：通过在水箱内设置隔水膜，能够防止在实验开始之前水箱内的承压水与相似岩层发生接触，防止隔水层被提前破坏，保证了实验结果的准确性，能够研究接近真实的承压水裂隙发育情况，为相关研究提供辅助指导。在所有部件连接处均设置防水垫，提高实验装置的防水效果；相似模拟支架的侧护板固定设置，前后为可拆卸的活动护板，既能保持对模拟岩层的固定效果，又方便制作岩层。本发明提供的实验方法在模拟岩层表面粉刷隔水材料，确保模拟岩层表面的防水效果，防止承压水从侧面流出，通过选用适合的传感器，能够采集承压水压力变化情况、突水发育情况等信息，方便研究采动扰动对应力分布的影响。

附图说明

图1为本发明的实施例提供的二维承压水上采煤相似模拟试验装置的示意图；

图2为本发明的实施例提供的二维承压水上采煤相似模拟试验装置的水箱和盖板结构的示意图；

图3为本发明的实施例提供的二维承压水上采煤相似模拟试验装置的盖板示意图；

图4为图1中A部分的放大图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例提供了一种二维承压水上采煤相似模拟实验装置，包括相似模拟支架1、水箱2和与水箱2上表面可拆卸配合的盖板3，结合图2和图3，所述盖板3表面设置有多个透水孔31，盖板3与水箱2之间设置有隔水膜21，透水孔31内设置有朝向隔水膜21的锥刺（图未示），隔水膜21变形时能够与锥刺接触，水箱2内的水能够从透水孔31离开水箱2，相似模拟支架1内形成模拟岩层（图未示），水箱2内设置有盖板3的一面与相似模拟支架1固定配合。

本实施例通过在水箱2内设置隔水膜21，能够防止在实验开始之前水箱2内的承压水与相似岩层发生接触，防止隔水层被提前破坏，保证了实验结果的准确性，在实验中，当承压水压力增大，隔水膜21向透水孔31一侧变形张开时，锥刺能够刺破隔水膜21，从而使水箱2内的水穿过透水孔31进入模拟岩层内，能够研究接近真实的承压水裂隙发育情况，为相关研究提供辅助指导。

所述水箱2为无盖的长方体结构，参考图2，水箱2上表面和盖板3之间还设置有两层密封垫22，所述隔水膜21处于两层密封垫22之间，所述密封垫22为中空的矩形橡胶垫，密封垫22的边缘与水箱2上表面的边框密封配合，从而提高隔水膜21固定状态下的摩擦力，防止隔水膜21滑动，同时又能通过上下两侧密封垫22实现水箱2和盖板3的密封连接，防止漏水。

本实施例提供的水箱2为拼装结构，包括底板23和四个侧板24，四个侧板24围合密封并与底板23密封连接，底板23与侧板24以及侧板24与侧板24之间的连接处均设置有防水垫（图未示），从而防止水箱2漏水；盖板3的表面具有与四个侧板24固定连接的螺纹孔32，由此实现水箱2的整体密封，以装满水的水箱2模拟承压水的水源，进行相似模拟实验。

所述相似模拟支架1可采用现有技术中常见的二维平面相似支架，参考图1，本实施例提供的相似模拟支架1包括顶板11、垂直设置于顶板11两侧的侧护板12，所述顶板11外侧设置有多个油缸13，油缸13的输出端穿过顶板11延伸到相似模拟支架1的内部，并覆盖顶板11的投影区域，即油缸13能够沿竖直方向对相似模拟支架1的所有区域提供压力；相似模拟支架1的前后侧面设置有与两侧的侧护板12可拆卸配合的活动护板（图未示），为了方便分开操作，相似模拟支架1的前后侧面上分别沿竖直方向设置多个活动护板，整体上通过多个活动护板一起覆盖密封相似模拟支架1的前后侧面。

再参考图1，所述相似模拟实验装置还包括与油缸13连接的加载控制柜4，与水箱2连接的水泵站5、以及与加载控制柜4和水泵站5通信连接的控制台6，结合图3，所述盖板3表面设置有多个压力传感器33，所述压力传感器33与控制台6通信连接，结合图1和图4，所述水箱2设置有进水管25和排水管26，所述进水管25与水泵站5连通；进水管25和排水管26上分别从水箱2内向外依次设置有控制阀门28、水压表27、流量表29和另一个控制阀门28；排水管26设置在侧板24的上方。

本实施例还提供了上述二维承压水上采煤相似模拟试验装置的使用方法，即二维承压水上采煤相似模拟试验方法，具体包括以下步骤：

步骤A：将水箱2夹持固定于相似模拟支架1的侧护板12之间，通过螺栓将活动护板与侧护板12固定连接从而封闭水箱2所在区域的前后表面，进水管25和排水管26穿过侧护板12或活动护板与外部连通，由于侧护板为可拆卸结构，因此一般将进水管25和排水管26设置在侧护板12一侧；活动护板与其他部件连接的位置均增加防水垫进行密封处理；

步骤B：在水箱2上表面依次放置一层密封垫22、隔水膜21、密封垫22，最后放置盖板3并用螺栓连接盖板3和水箱2上表面，打开控制阀门28向水箱2内供水，当排水管26出水时，关闭水泵站5和进水管25及排水管26上的控制阀门28，若无漏水则继续，否则返回步骤A；

步骤C：在水箱2的盖板3上放置一层金属防漏筛网34，并通过螺栓固定一层活动护板；

步骤D：根据模拟对象的实际地质情况制作骨料，将骨料摊铺在金属防漏筛网34上，金属防漏筛网34能够防止骨料落入盖板3上，造成盖板3上的透水孔31封堵；所述骨料根据岩层实际情况确定物料和配比，本实施例提供的骨料包括河沙、石灰、石膏、松香、发泡水泥；具体的，以某种砂岩为例，在制作骨料时河沙质量比为0.8，石灰质量比为0.12，石膏质量比为0.08；在此基础上还需要额外增加0.04质量份数的松香和0.06质量份数的发泡水泥，以增加骨料的粘合强度；根据实际情况确定岩层数量和每一层的厚度，并确保每一层均匀压实，层间使用云母片进行隔离；根据需要在层间布设传感器，并将传感器与控制台通信连接；

所述传感器包括用于检测岩层压力的压力传感器，还可以根据实验需求配置记录水流发育情况的电场传感器、磁场传感器等；本领域技术人员可以根据实验需求做出相应选择。

步骤E：铺设一定高度后停止施工，晾晒一定时间后拆除前后活动护板，本实施例中在铺设100mm后晾晒5天，然后拆除活动护板，在摊铺相似材料岩层和水箱的前后表面分别粉刷隔水材料；隔水材料干燥后重新固定前后活动护板，已经刷过防水材料的位置不需要重新粉刷，对应的活动护板也不需要取下；

步骤F：根据步骤E的方法，使用骨料制作岩层，使用碎煤渣在指定高度制作煤层14，直到总高度达到相似材料摊铺到设计高度，对相似材料模型进行风干养护一周以上；

步骤G：通过水泵站5向水箱2内供水，待进水管25和排水管26的水压表27的数值稳定在实验设计数值后，停止供水，关闭所有控制阀门28；通过加载控制柜4给油缸13供压，从而模拟岩层压力，由于两侧的油缸13会与侧护板12接触，在摩擦力作用下压力值会偏下，回了降低偏压的影响，可以适当增加两侧的油缸13的压力值。

在煤层14进行模拟开采，根据实验设计要求记录过程数据进行相似模拟试验；可根据盖板3上的压力传感器33确定承压水的水压变化情况，根据岩层间的压力传感器确定应力传递情况，根据电场传感器或磁场传感器或其他现有技术中进行带隙水检测的传感器获得突水发育情况。

Claims (9)

1.一种二维承压水上采煤相似模拟试验装置，其特征在于：包括相似模拟支架、水箱和与水箱上表面可拆卸配合的盖板，所述盖板表面设置有多个透水孔，盖板与水箱之间设置有隔水膜，透水孔内设置有朝向隔水膜的锥刺，隔水膜变形时能够与锥刺接触，水箱内的水能够从透水孔离开水箱；相似模拟支架内形成模拟岩层，水箱设置有盖板的一面与相似模拟支架固定配合，盖板阻隔在相似模拟支架和水箱之间，所述相似模拟支架包括顶板、垂直设置于顶板两侧的侧护板，所述顶板外侧设置有多个油缸，油缸的输出端穿过顶板延伸到相似模拟支架内部，并覆盖顶板的投影区域，相似模拟支架的前后侧面设置有与两侧的侧护板可拆卸配合的活动护板。

2.根据权利要求1所述的一种二维承压水上采煤相似模拟试验装置，其特征在于：所述水箱为无盖的长方体结构，水箱上表面与盖板之间还设置有两层密封垫，所述隔水膜处于两层密封垫之间，密封垫与水箱上表面的边框密封配合。

3.根据权利要求2所述的一种二维承压水上采煤相似模拟试验装置，其特征在于：所述水箱包括底板和四个侧板，底板和四个侧板相互拼合，连接处设置防水垫，水箱盖板表面具有与四个侧板固定连接的螺纹孔。

4.根据权利要求3所述的一种二维承压水上采煤相似模拟实验装置，其特征在于：还包括与油缸连接的加载控制柜、与水箱连接的水泵站、以及与加载控制柜和水泵站通信连接的控制台；所述盖板表面还设置有多个压力传感器，压力传感器与控制台通信连接；水箱上设置进水管和排水管，进水管和排水管上分别从水箱内向外依次设置有控制阀门、水压表、流量表和另一个控制阀门；所述进水管与水泵站连通，排水管设置在侧板的上方。

5.权利要求4所述的二维承压水上采煤相似模拟实验装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤A：将水箱夹持固定于相似模拟支架的侧护板之间，通过螺栓将活动护板与侧护板固定连接从而封闭水箱所在区域，进水管和排水管穿过侧护板或活动护板与外部连通；

步骤B：在水箱上表面依次放置一层密封垫、隔水膜、密封垫，最后放置盖板并用螺栓连接盖板和水箱上表面，打开控制阀门向水箱内供水，若无漏水则继续，否则返回步骤A；

步骤C：在水箱的盖板上防止一层金属防漏筛网，固定一层活动护板；

步骤D：根据模拟对象的实际地质情况制作骨料，将骨料摊铺在金属防漏筛网上，根据实际情况确定岩层数量和每一层的厚度，并确保每一层均匀压实，层间使用云母片进行隔离；根据需要在层间布设传感器，并将传感器与控制台通信连接；

步骤E：铺设一定高度后停止施工，晾晒一定时间后拆除前后活动护板，在摊铺相似材料岩层和水箱的前后表面分别粉刷隔水材料；隔水材料干燥后重新固定前后活动护板；

步骤F：根据步骤E的方法，使用骨料制作岩层，使用碎煤渣在指定高度制作煤层，直到总高度达到相似材料摊铺到设计高度，对相似材料模型进行风干养护一周以上；

步骤G：通过水泵站向水箱内供水，待水压表数值稳定在实验设计数值后，停止供水；通过加载控制柜给油缸供压，在煤层进行模拟开采，根据实验设计要求记录过程数据进行相似模拟试验。

6.根据权利要求5所述的一种二维承压水上采煤相似模拟实验装置的使用方法，其特征在于：所述骨料的制作原料包括河沙、石灰、石膏、松香、发泡水泥。

7.根据权利要求5所述的一种二维承压水上采煤相似模拟实验装置的使用方法，其特征在于：步骤E中布设的传感器包括与控制台通信连接的压力传感器，电场传感器。

8.根据权利要求5所述的一种二维承压水上采煤相似模拟实验装置的使用方法，其特征在于：步骤F中施工100mm岩层后晾晒5天再继续作业。

9.根据权利要求5所述的一种二维承压水上采煤相似模拟实验装置的使用方法，其特征在于：顶板上两侧的油缸压力大于其他油缸的压力。

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