CN111366707B - 一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验系统及方法，涉及采矿工程模拟试验技术领域。试验系统包括控制装置、数据采集装置和试验腔，底座上设置有箱体结构，箱体结构内部空间为第一试验腔，箱体结构上部的滑轨上设置有滑块，滑块调整第二试验腔和第一试验腔之间的连通面积，第二试验腔的左右挡板通过液压油缸调整倾角，第三试验腔的上下挡板通过液压油缸调整高度。试验腔的第一试验腔、第二试验腔和第三试验腔连通，并且均布置有预留注浆孔。试验腔内铺设相似材料，利用该试验系统可以模拟接触面积、断层倾角、地应力、断层滑移对承压水流动的影响，以及不同注浆方法对突水的影响，为矿井突水预测预报及治理提供依据。

Description

一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验系统及方法

技术领域

本发明涉及采矿工程模拟试验技术领域，尤其是一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验系统及方法。

背景技术

矿井涌水量是矿井建设和生产过程中流入巷道内的地表水、裂隙水、老窑水、岩溶水的总量，也是进行矿井开采设计和矿井水治理的重要指标。目前，勘探阶段预测的涌水量和开采后矿井的实际涌水量相比误差超过50％，有的甚至达到数十倍。矿井涌水量的准确预测一直是煤矿地质工作者的难题，合理准确预测矿井生产建设过程中涌水量的变化仍然十分困难。

现有的预防突水理论大多是从安全系数的角度对预防突水进行定性分析，如有效隔水层理论，突水系数法等。还有的理论是从底板空间结构的完整性上进行论述，如下三带理论、下四带理论均是在已有隔水层作用的基础上减去已经破坏的岩层，最终得到一个相对的安全系数，仍是进行定性的预测；另外薄板理论以及关键层理论均与此相类似。上述理论对判定突水发生的统计概率意义，但难以准确判别突水发生的位置，更无法预测突水水量。

矿井涌水特征主要是矿井水在导水结构中的水流流动机理，只有搞清楚矿井水在不同导水结构体在煤层开采过程中的流动规律才能对导水量、淹水面积及突水烈度进行定量化的描述，做好应急管理预案。为揭示矿井水突出过程中，在流固耦合作用影响下突水不同时刻，不同结构体上承压水的运移耦合规律，进行较准确的矿井涌水量预测。考虑到岩体应力峰值前后的渗透率差异性特征以及裂隙粗糙度特性，配合断层精细探查数据，对矿井突水发生时的突水水量进行预测，实现突水量的模拟预测预报，为制定合理的突水应急管理预案提供依据，需要一种可以模拟多类型导水通道耦合流动的试验系统及方法。

发明内容

为了更好的模拟接触面积、断层倾角、地应力、断层滑移对承压水流动的影响，以及不同注浆方法对突水的影响，为矿井突水预测预报及治理提供依据，本发明提供了一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验系统及方法，具体技术方案如下。

一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验系统，包括控制装置、数据采集装置和试验腔，控制装置包括水压水量伺服控制装置和液压伺服控制装置，用于控制进水管路加载；数据采集装置包括计算机、水压传感器和流量传感器，用于采集试验数据，底座和顶板之间固定设置有多个立柱，所述试验腔包括第一试验腔、第二试验腔和第三试验腔；所述底座上设置有箱体结构，箱体结构内部的空间为第一试验腔；所述箱体结构上部的滑轨上设置有第一滑块和第二滑块，第一滑块和左挡板铰接，第二滑块和右挡板铰接，左挡板和右挡板之间的空间为第二试验腔，所述第一滑块和第二滑块控制第二试验腔和第一试验腔之间的连通面积；所述左挡板还与上挡板铰接，右挡板还与下挡板铰接，上挡板和下挡板之间的空间为第三试验腔；所述滑轨上方还平行配置有前挡板和后挡板；所述第一滑块和左挡板之间设置有液压油缸，第二滑块和右挡板之间设置有液压油缸，第二滑块和下挡板之间设置有液压油缸，顶板和上挡板之间也设置有液压油缸；所述底座上设置有进水孔，第一试验腔、第二试验腔和第三试验腔均设置有预留注浆孔。

优选的是，计算机还连接并控制水压水量伺服控制装置和液压伺服控制装置工作，所述液压伺服控制装置控制液压油缸的伸缩。

优选的是，第一试验腔和第二试验腔内铺设相似材料，相似材料中埋设多个水压传感器、流量传感器和应力传感器；所述第三试验腔内铺设预制裂隙结构体。

优选的是，底座上均匀排列有多个圆形进水孔，底座上设置有进水阀，水压水量伺服控制装置和进水阀相连。

优选的是，液压油缸的两端均设置有安装座，液压油缸的两端和安装座铰接；所述左挡板、右挡板、上挡板和下挡板同前挡板、后挡板接触的侧边上均设置有密封条。

一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验方法，利用上述的一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验系统，具体步骤包括：

步骤A.密封第一试验腔和底座的接触位置，在第一试验腔铺设相似材料模拟含水层；

步骤B.在前挡板和后挡板上涂抹润滑油，第二试验腔内铺设相似材料模拟断层破碎带，步骤C.第三试验腔内铺设预制裂隙结构体模拟裂隙带；

步骤D.通过左挡板、右挡板、上挡板和下挡板施加载荷模拟覆岩应力；

步骤E.通过底座加载水压，分别调整滑块、液压油缸并观测承压水的流动；

步骤F.通过预留注浆孔分别钻孔注浆，并观测承压水流动。

还优选的是，改变第一滑块和第二滑块之间的距离，调整第一试验腔和第二试验腔连通截面的截面积，模拟接触面积对突水的影响。

还优选的是，改变左挡板和右挡板的倾斜角度，模拟断层倾角对承压水流动的影响；同时倾斜角度和液压油缸的加载应力，模拟断层滑移对承压水流动的影响。

还优选的是，分别通过第一试验腔、第二试验腔和第三试验腔的预留注浆孔注浆，模拟不同注浆位置对治理突水的影响。

本发明的有益效果包括：

(1)模拟多类型导水通道耦合流动的试验系统的试验腔能够模拟含水层、断层和裂隙岩体的渗流耦合流动过程，并且试验系统可以任意的调节第二试验腔和第三试验腔的体积及位置，进行不同的模拟。

(2)试验系统的控制装置通过控制液压油缸，调整左挡板、右挡板、上挡板、下挡板的位置，并提供合适的加载力，通过水压水量伺服控制装置调整承压水的水压；数据采集装置在试验过程中采集水量和流速的变化；还可以通过滑块可以调整第一试验腔和第二试验腔的接触面积。

(3)该试验方法，能够用于分析水流从外界补给到含水层、水流在含水层中的达西渗流过程，以及断层、裂隙等破碎岩体中的应力—渗流耦合流动过程。通过分析水量和流速可以获得整个突水路径上的不同阶段和不同时刻的水压分布特征及流速时变规律，为预计涌水量及突水前后的预防治理提供依据。通过对不同注浆位置的模拟，探究注浆位置对突水治理的影响。

附图说明

图1是模拟多类型导水通道耦合流动的试验腔部分结构示意图；

图2是模拟多类型导水通道耦合流动的试验系统部分剖视结构示意图；

图3是底座进水孔布置示意图；

图4是滑轨和滑块的结构示意图；

图5是左挡板的结构示意图；

图6是预制裂隙结构体示意图；

图中：1-第一试验腔，2-第二试验腔，3-第三试验腔，4-水压水量伺服控制装置，5-液压伺服控制装置，6-数据采集装置，7-立柱，8-顶板，9-预留注浆孔；

11-箱体结构，12-底座,13-滑轨，14-滑块；21-左挡板，22-右挡板；23-前挡板，24-后挡板；31-上挡板，32-下挡板；41-水压传感器，42-流量传感器，43-进水孔；51-液压油缸，52-安装座。

具体实施方式

结合图1至图6所示，对本发明提供的一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验系统及方法的具体实施方式进行说明。

实施例1

一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验系统具体包括控制装置、数据采集装置和试验腔。控制装置包括水压水量伺服控制装置和液压伺服控制装置，用于控制进水管路加载。数据采集装置包括计算机、水压传感器和流量传感器，用于采集试验数据。试验腔内放置相似材料，分别模拟含水层、断层和裂隙层，用于研究含水层-断层-裂隙带中的耦合流动过程。

底座和顶板之间固定设置有多个立柱，如图所示，底座和顶板之间设置了4根立柱，固定了底座和顶板之间的距离。底座上均匀排列有多个圆形进水孔，从而可以向试验腔内注水，水压水量伺服控制装置和进水阀相连，水压水量伺服控制装置用于控制进水孔的水压和流量，底座上设置有进水阀，从而方便调节控制。

试验腔包括第一试验腔、第二试验腔和第三试验腔，第一试验腔在底座上方，第二试验腔和第一试验腔连通，第三试验腔在第二试验腔的上方，第一试验腔和第二试验腔之间的接触面积可以调整。底座上设置有箱体结构，箱体结构呈长方体的形状，箱体结构内部的空间为第一试验腔。箱体结构上部的滑轨上设置有第一滑块和第二滑块，第一滑块和第二滑块可以沿滑轨移动。第一滑块和左挡板铰接，第二滑块和右挡板铰接，左挡板和右挡板之间的空间为第二试验腔，第一滑块和第二滑块控制第二试验腔和第一试验腔之间的连通面积，最大连通面积为第一试验腔的上表面积。左挡板还与上挡板铰接，右挡板还与下挡板铰接，上挡板和下挡板之间的空间为第三试验腔。其中滑轨上方还平行配置有前挡板和后挡板，前挡挡板和后挡板呈矩形，直立在顶板和滑轨上表面之间，从而保证第一试验腔和第二试验腔的空间封闭。前挡板和后挡板可以选用透明的亚克力板或钢化玻璃板，保证结构的强度，还方便直观观察。

第一滑块和左挡板之间设置有液压油缸，第二滑块和右挡板之间设置有液压油缸，第二滑块和下挡板之间设置有液压油缸，顶板和上挡板之间也设置有液压油缸。计算机还连接并控制水压水量伺服控制装置和液压伺服控制装置工作，液压伺服控制装置控制液压油缸的伸缩；通过控制液压缸的伸缩可以调整左挡板、右挡板、上挡板和下挡板的位置，或者通过左挡板、右挡板、上挡板和下挡板改变加载应力。液压油缸的两端均设置有安装座，安装座通过螺母或焊接固定在左挡板、右挡板、上挡板或下挡板表面，液压油缸的两端和安装座铰接，从而方便挡板位置的调整。左挡板、右挡板、上挡板和下挡板同前挡板、后挡板接触的侧边上均设置有密封条，密封条可以使用环氧树脂材料制作而成，从而保证第一试验腔、第二试验腔和第三试验腔的密封性能。

第一试验腔、第二试验腔和第三试验腔均设置有预留注浆孔，预留注浆孔在不适用时可以用塞子封堵。需要注浆时，打开塞子，并沿预留注浆孔钻孔合适的深度，向钻孔内注浆，封堵裂隙。

第一试验腔和第二试验腔内可以铺设相似材料，在相似材料中可以埋设多个水压传感器、流量传感器和应力传感器，各个传感器与计算机练连接，通过计算机采集数据。第三试验腔内可以铺设预制裂隙结构体，预制裂隙结构体由多个模拟裂隙带条形板组合而成。

一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验方法，用于模拟含水层-断层-裂隙带中的耦合流动过程，利用上述的一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验系统，具体步骤包括：

步骤A.密封第一试验腔和底座的接触位置，可以使用密封胶对其进行密封，在第一试验腔铺设相似材料模拟含水层。相似材料在铺设的过程中模拟岩层之间使用云母粉模拟节理，并在不同的层位埋设应力传感器和水压传感器。

步骤B.在前挡板和后挡板上涂抹润滑油，从而减小左挡板和右挡板移动的摩擦，完成第二试验腔内铺设相似材料模拟断层破碎带，铺设方式同步骤A。

步骤C.第三试验腔内铺设预制裂隙结构体模拟裂隙带，预制裂隙结构体是具有模拟裂隙的预制件，尺寸和第三腔的尺寸相同。将相似材料的模型进行室温养护，待模型干燥、定型后，后续的试验步骤。

其中预制裂隙结构体可以通过地质扫描方法获得导水裂隙带的空间结构，进行实验室还原成条形板，然后将不同类型的条形板进行组合，还原真实的导水裂隙带的空间结构，并放置在第三试验腔中。

步骤D.通过左挡板、右挡板、上挡板和下挡板施加载荷模拟覆岩应力，试验腔内的模拟结构体进行加载，调整加载力从而可以模拟不同埋深的影响。

步骤E.通过底座加载水压，调整加载水压为0-1.5MPa，并观测承压水的流动。

步骤F.通过预留注浆孔分别钻孔注浆，并观测承压水流动。

在预留注浆孔处，沿预留注浆孔打设钻孔，通过注浆管进行注浆。可以通过注浆管对第一试验腔内的模拟结构体进行注浆，观测承压水流动的水压和流量；或者通过注浆管对第二试验腔的模拟结构体进行注浆，观测承压水流动的水压和流量；或者通过注浆管对第三试验腔的模拟结构体进行注浆，观测承压水流动的水压和流量。另外还可以先对第一试验腔进行注浆，再对第二试验腔进行注浆；或者先对第一试验腔进行注浆，再对第三试验腔进行注浆；或者先对第二试验腔进行注浆，再对第一试验腔进行注浆；或者其他的注浆次序，以及同时对第一试验腔、第二试验腔和第三试验腔进行注浆等多种注浆方式，用于研究注浆方式对承压水流动的影响。

实施例2

在实施例1的基础上，对模拟多类型导水通道耦合流动的试验方法进行说明。

一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验方法，用于模拟断层断层滑移对承压水流动的影响。利用上述的一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验系统，具体步骤包括：

步骤A.密封第一试验腔和底座的接触位置，可以使用密封胶对其进行密封，在第一试验腔铺设相似材料模拟含水层。相似材料在铺设的过程中模拟岩层之间使用云母粉模拟节理，并在不同的层位埋设应力传感器和水压传感器。

步骤B.在前挡板和后挡板上涂抹润滑油，从而减小左挡板和右挡板移动的摩擦，完成第二试验腔内铺设相似材料模拟断层破碎带，铺设方式同步骤A。

步骤C.第三试验腔内铺设预制裂隙结构体模拟裂隙带，预制裂隙结构体是具有模拟裂隙的预制件，尺寸和第三腔的尺寸相同。将相似材料的模型进行室温养护，待模型干燥、定型后，后续的试验步骤。

步骤D.通过底座加载水压，调整加载水压为0-1.5MPa，并观测承压水的流动。

步骤E.改变左挡板和右挡板的加载力和倾斜角度，模拟断层滑移对承压水流动的影响。改变左挡板和右挡板的倾斜角度，能够模拟断层倾角对承压水流动的影响；同时改变倾斜角度和液压油缸的加载应力，能够模拟断层滑移对承压水流动的影响。

还可以通过改变第一滑块和第二滑块之间的距离，调整第一试验腔和第二试验腔连通截面的截面积，模拟接触面积对突水的影响。

步骤F.通过预留注浆孔分别钻孔注浆，并观测承压水流动。

结合实施例1，可以对不同的注浆方式进行试验，研究不同注浆位置对突水的堵水作用和效果。

该试验系统及方法可以用于分析水流从外界补给到含水层、在含水层中的达西渗流，断层、裂隙等破碎岩体中的应力—渗流耦合流动过程，直至水流突破隔水煤柱的阻隔进入开采工作面中的流动全过程，进而获得整个突水路径上的不同阶段和不同时刻的水压分布特征及流速时变规律，为进行相应的涌水量预计及突水前后的预防和治理提供参考依据。该试验方法以定量化研究方法研究多导水结构体中的流体运移规律，探究受采动、断层运动影响条件下的局部渗流和应力特性的改变对整个流动过程的影响，并探究不同注浆位置对突水的堵水作用和效果，为突水过程时空灾变过程研究奠定基础。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验方法，其特征在于，利用一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验系统，包括控制装置、数据采集装置和试验腔，控制装置包括水压水量伺服控制装置和液压伺服控制装置，用于控制进水管路加载；数据采集装置包括计算机、水压传感器和流量传感器，用于采集试验数据，其特征在于，底座和顶板之间固定设置有多个立柱，所述试验腔包括第一试验腔、第二试验腔和第三试验腔；所述底座上设置有箱体结构，箱体结构内部的空间为第一试验腔；所述箱体结构上部的滑轨上设置有第一滑块和第二滑块，第一滑块和左挡板铰接，第二滑块和右挡板铰接，左挡板和右挡板之间的空间为第二试验腔，所述第一滑块和第二滑块控制第二试验腔和第一试验腔之间的连通面积；所述左挡板还与上挡板铰接，右挡板还与下挡板铰接，上挡板和下挡板之间的空间为第三试验腔；所述滑轨上方还平行配置有前挡板和后挡板；所述第一滑块和左挡板之间设置有液压油缸，第二滑块和右挡板之间设置有液压油缸，第二滑块和下挡板之间设置有液压油缸，顶板和上挡板之间也设置有液压油缸；所述底座上设置有进水孔，第一试验腔、第二试验腔和第三试验腔均设置有预留注浆孔；所述第一试验腔和第二试验腔内铺设相似材料，相似材料中埋设多个水压传感器、流量传感器和应力传感器；所述第三试验腔内铺设预制裂隙结构体；所述底座上均匀排列有多个圆形进水孔，底座上设置有进水阀，水压水量伺服控制装置和进水阀相连；具体步骤包括：

步骤A.密封第一试验腔和底座的接触位置，在第一试验腔铺设相似材料模拟含水层；

步骤B.在前挡板和后挡板上涂抹润滑油，第二试验腔内铺设相似材料模拟断层破碎带，

步骤C.第三试验腔内铺设预制裂隙结构体模拟裂隙带；

步骤D.通过左挡板、右挡板、上挡板和下挡板施加载荷模拟覆岩应力；

步骤E.通过底座加载水压，分别调整滑块、液压油缸并观测承压水的流动；

步骤F.通过预留注浆孔分别钻孔注浆，并观测承压水流动；

改变第一滑块和第二滑块之间的距离，调整第一试验腔和第二试验腔连通截面的截面积，模拟接触面积对突水的影响。

2.根据权利要求1所述的一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验方法，其特征在于，所述计算机还连接并控制水压水量伺服控制装置和液压伺服控制装置工作，所述液压伺服控制装置控制液压油缸的伸缩。

3.根据权利要求1所述的一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验方法，其特征在于，所述液压油缸的两端均设置有安装座，液压油缸的两端和安装座铰接；所述左挡板、右挡板、上挡板和下挡板同前挡板、后挡板接触的侧边上均设置有密封条。

4.根据权利要求1所述的一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验方法，其特征在于，改变左挡板和右挡板的倾斜角度，模拟断层倾角对承压水流动的影响；同时倾斜角度和液压油缸的加载应力，模拟断层滑移对承压水流动的影响。

5.根据权利要求1所述的一种模拟多类型导水通道耦合流动的试验方法，其特征在于，分别通过第一试验腔、第二试验腔和第三试验腔的预留注浆孔注浆，模拟不同注浆位置对治理突水的影响。

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