CN111794737B - 厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理模型试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理模型试验装置及方法，模型试验装置包括箱体、立井井筒、液压加载系统和数据监测系统，其中，所述箱体用于容纳土体，所述土体在所述箱体内自上而下依次包括上覆地层和底部含水层，所述底部含水层的底部铺填有煤层水袋；所述立井井筒设置在所述箱体内；所述液压加载系统包括油缸，所述油缸位于所述土体的上方，所述油缸能够为所述土体提供压力；所述数据监测系统包括第一光纤、第二光纤、土压力盒和数据采集器，所述土压力盒通过数据线与所述数据采集器通讯连接。模型试验装置及试验方法对揭示厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及矿山建设领域，特别涉及一种厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理模型试验装置及方法。
背景技术
20世纪80年代以来，在我国多个矿区已有大量矿井发生了厚松散层中井壁破裂灾害，造成重大经济损失，严重的制约了我国深立井建设的进一步发展。通过国内多年研究表明，在发生井壁破裂灾害中多数井筒破损的主因是矿井穿越的松散层底部含水层(底砾层)多直接覆盖在煤系地层之上，煤矿生产导致底含疏水，引起井筒周围土层产生二次固结沉降，并产生作用于井筒之上的竖向附加力所致。
近年来，某矿区厚松散层井筒出现了一种表土段井筒偏斜与竖向压缩变形共存的新破损形态，严重威胁矿井生产安全。煤矿立井井筒出现偏斜破损形态属国内首次发生，造成其偏斜的机理尚属空白，迫切需要开展立井井筒偏斜机理的研究。现有煤层开采沉陷模型试验主要研究煤层开采对上覆地层三带分布及其地层沉陷规律的影响，均未考虑开采效应对煤矿立井井筒的影响；而立井井筒相似模型试验研究也仅仅围绕单一井筒展开，将井筒与周围地层作为空间轴对称问题，水平方向仅承受均布荷载，不可能存在导致井筒偏斜的作用力。
初步研究表明，发生偏斜破损的矿区位于厚松散层的井筒出现的偏斜破损形态是煤矿开采诱发的底含非对称疏水所致。鉴于目前针对厚松散层底含疏水沉降作用下煤矿立井井筒偏斜机理研究方面尚无模型试验装置及方法，为揭示厚松散层底含疏水沉降作用下煤矿立井井筒偏斜机理，搭建厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理模型试验装置并确定试验方法迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于提供一种厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理模型试验装置及方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理模型试验装置，包括箱体、立井井筒、液压加载系统和数据监测系统，其中，所述箱体用于容纳土体，所述土体在所述箱体内自上而下依次包括上覆地层和底部含水层，所述底部含水层的底部铺填有煤层水袋，所述底部含水层的顶部铺填有底含水袋，所述煤层水袋和所述底含水袋内均填充有水，所述煤层水袋和所述底含水袋内的水均能够排出所述箱体外；所述立井井筒设置在所述箱体内，所述立井井筒自上而下依次穿越所述上覆地层和所述底部含水层；所述液压加载系统包括油缸，所述油缸位于所述土体的上方，所述油缸能够为所述土体提供压力；所述数据监测系统包括第一光纤、第二光纤、土压力盒和数据采集器，所述第一光纤和若干所述土压力盒均设置在土体内，所述第二光纤设置在所述立井井筒的外表面，所述第一光纤和所述第二光纤均与所述数据采集器通讯连接，所述土压力盒通过数据线与所述数据采集器通讯连接。
进一步地，在上述的模型试验装置中，所述底含水袋和所述煤层水袋均为立方体结构，所述底含水袋的长度方向和所述煤层水袋的长度方向均与所述箱体的长度方向平行，所述底含水袋的宽度方向和所述煤层水袋的宽度方向均与所述箱体的宽度方向平行；优选地，所述底含水袋中心和所述煤层水袋中心之间的连线与所述底含水袋的横截面和所述煤层水袋的横截面均垂直，所述底含水袋中心和所述煤层水袋中心之间的连线与所述箱体的高度方向平行；优选地，所述底含水袋横截面的面积是所述煤层水袋横截面的面积的2倍～3倍；优选地，所述煤层水袋的排水口位于所述煤层水袋中心下方，所述底含水袋的排水口位于所述底含水袋中心下方；优选地，与所述煤层水袋的排水口连通有第一疏水管，所述第一疏水管能够将所述煤层水袋内的水排出至所述箱体外，与所述底含水袋的排水口连通有第二疏水管，所述第二疏水管能够将所述煤层水袋内的水排出至所述箱体外；优选地，所述第一疏水管上设置有第一阀门，所述第二疏水管上设置有第二阀门；优选地，底含水袋的高度为10cm～20cm，所述煤层水袋的高度为3cm～8cm。
进一步地，在上述的模型试验装置中，所述箱体设置在地面上，所述箱体为上方开口的立方体结构；优选地，所述箱体的侧壁上设置有多个出线孔和多个排水孔，多个所述出线孔用于将所述数据线引出所述箱体、多个所述排水孔用于将所述第一疏水管和所述第二疏水管引出所述箱体；优选地，所述箱体的长为100cm～200cm、宽为100cm～200cm、高为100cm～150cm。
进一步地，在上述的模型试验装置中，所述立井井筒与所述箱体最近的侧壁之间的垂直距离大于30cm；优选地，所述底含水袋中心和所述煤层水袋中心之间的连线与所述立井井筒的轴线平行；优选地，通过所述煤层水袋的中心并与所述立井井筒轴线垂直的线与所述箱体的长度方向或者宽度方向平行；优选地，所述立井井筒的轴线与所述煤层水袋的中心之间的垂直距离为50cm～100cm；优选地，所述立井井筒的轴线与所述煤层水袋的中心之间的垂直距离大于所述煤层水袋的中心与所述箱体最近的侧壁之间的垂直距离。
进一步地，在上述的模型试验装置中，所述液压加载系统还包括液压控制器、反力架、第一钢板、多块第二钢板和多根约束螺杆；多根所述约束螺杆设置在所述箱体的四周并固定于地面，每根所述约束螺杆的顶端均设置有螺母，所述反力架设置在所述箱体的上方，多根所述约束螺杆的顶端均穿过所述反力架并通过所述螺母进行固定；所述第一钢板与所述反力架的下表面固定连接，多块所述第二钢板呈矩阵式排列并覆盖所述土体的上表面，多个所述油缸位于所述第一钢板和所述第二钢板之间；所述油缸通过数据线与所述液压控制器连接；所述油缸的压力值为5t～8t；优选地，所述第二钢板的长度为10cm～15cm、宽度为10cm～15cm、厚度为5cm～10mm，每块所述第二钢板上设置一个所述油缸。
进一步地，在上述的模型试验装置中，在所述土体内设置有多个水平的变形监测层和多个水平的压力监测层，多个所述变形监测层和多个所述压力监测层在所述土体内由下至上依次交替设置，所述第一光纤分布在多个所述变形监测层上，每个所述压力监测层上均设置有若干个所述土压力盒；优选地，所述土压力盒的直径为15mm～20mm、高度为6mm～10mm、量程为0.1MPa～1MPa；优选地，相邻的所述变形监测层和所述压力监测层之间的垂直距离为10cm～15cm。
进一步地，在上述的模型试验装置中，所述变形监测层设置有四～六个，每个所述变形监测层所在的平面为所述箱体的一个横截面，所述第一光纤在一个所述变形监测层上呈米字形分布并形成光纤米字形，所述光纤米字形的中心位于所述底含水袋中心和所述煤层水袋中心所在的直线上，所述光纤米字形包括八段线段，其中四段线段由所述光纤米字形的中心垂直延伸至所述箱体的四侧壁、另外四段线段由所述光纤米字形的中心延伸至所述变形监测层的四个角的位置处；优选地，所述第一光纤在所述土体内部不间断设置，所述第一光纤的两端均由所述箱体的侧壁引出并与所述数据采集器连接。
进一步地，在上述的模型试验装置中，所述压力监测层设置有四～六个，每个所述压力监测层所在的平面为所述箱体的一个横截面，若干个所述土压力盒在一个所述压力监测层上呈米字形分布并形成土压力盒米字形，所述土压力盒米字形的中心位于所述底含水袋中心和所述煤层水袋中心所在的直线上，所述土压力盒米字形包括八段线段，其中四段线段由所述土压力盒米字形的中心垂直延伸至所述箱体的四侧壁、另外四段线段由所述土压力盒米字形的中心延伸至所述压力监测层的四个角的位置处；优选地，所述土压力盒米字形的每段线段上均匀设置有四～六个所述土压力盒，在每个所述压力监测层共计设置有三十二个～四十八个所述土压力盒；优选地，数据线依次连接若干所述土压力盒后由所述箱体的侧壁引出并与所述数据采集器连接。
进一步地，在上述的模型试验装置中，所述第二光纤包括四段，四段所述第二光纤均竖向设置在所述立井井筒的外表面，四段所述第二光纤沿所述立井井筒的外表面均匀设置，所述第二光纤在所述立井井筒的外表面不间断，所述第二光纤的两端经所述箱体的侧壁引出并与所述数据采集器连接。
另一方面，本发明还公开一种利用上述的模型试验装置进行厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理试验的方法，包括以下步骤：
(1)采用方程分析法和量纲分析法推导厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理模型试验的相似准则；
(2)根据相似准则和实际地质条件配制土体；
(3)在立井井筒外表面布置第二光纤，并将立井井筒放置在箱体内，第二光纤的两端经箱体侧壁的孔引出并与数据采集器连接；
(4)在箱体底部放入煤层水袋；
(5)在箱体内铺设土体至底部含水层顶部；
(6)在底部含水层的顶部放入底含水袋；
(7)铺设土体至箱体顶部；
(8)在土体铺设过程中，同时铺设变形监测层和压力监测层，在变形监测层铺设第一光纤，在压力监测层铺设土压力盒以及用于连接土压力盒的数据线，数据线经箱体的侧壁的出线孔引出并与数据采集器连接；
(9)在箱体四周的地面上固定安装约束螺杆，在土体的上表面放置第二钢板，第二钢板上放置油缸，将固定连接有第一钢板的反力架放置在油缸上方，将反力架的四周通过螺母固定安装在约束螺杆的顶端，根据相似准则和实际模拟地层埋深确定油缸的压力值，通过油缸为土体提供上覆压力；
(10)将模型试验装置养护7天～14天；
(11)打开第一阀门，通过第一疏水管路将煤层水袋内部的水排出箱体外，打开第二阀门，通过第二疏水管路将底含水袋内部的水排出箱体外，在煤层水袋和底含水袋的排水过程中，利用数据采集仪采集第一光纤、第二光纤和土压力盒的数据；
优选地，在所述步骤(5)中，土体分层铺设，每层土体的厚度为2cm～3cm，每层土体铺设后进行找平压密；
优选地，在所述步骤(8)中，变形监测层和压力监测层在所述箱体内由下至上交替铺设。
分析可知，本发明提供的厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理模型试验装置及方法，填补了目前尚无考虑厚松散层底含疏水沉降作用下立井井筒偏斜机理模型试验装置和方法的空白，通过煤层水袋和底含水袋的疏水，可实现在实际煤矿生产中，同时考虑煤层开采效应和底含疏水效应两者共同作用对地层沉陷的影响，并探究两者共同作用下立井井筒的偏斜规律，对揭示厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理具有重要意义，是后续开展厚松散层立井井筒预防与偏斜治理的基础。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明一实施例的结构示意图。
图2为本发明一个实施例的竖向剖面结构示意图；
图3为本发明一个实施例的箱体的结构示意图；
图4为本发明一个实施例的箱体的一侧壁的结构示意图；
图5为本发明一个实施例的煤层水袋和底含水袋布置示意图；
图6为本发明一个实施例的第一光纤在土体内的平面布置示意图；
图7为本发明一个实施例的第一光纤在土体内的立体布置示意图；
图8为本发明一个实施例的土压力盒在土体内的平面布置示意图；
图9为本发明一个实施例的第二光纤在立井井筒表面的立体布置示意图。
附图标记说明：1箱体；2出线孔；3排水孔；4立井井筒；5油缸；6液压控制器；7反力架；8螺母；9第一钢板；10第二钢板；11约束螺杆；12第一光纤；13第二光纤；14土压力盒；15数据采集器；16土体；161上覆地层；162底部含水层；17煤层水袋；18第一疏水管；19底含水袋；20第二疏水管；21第一阀门；22第二阀门；23地面。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1至图9所示，根据本发明的实施例，提供了一种厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理模型试验装置，包括箱体1、立井井筒4、液压加载系统和数据监测系统，其中，箱体1用于容纳土体16，土体16在箱体1内自上而下依次包括上覆地层161和底部含水层162，底部含水层162的底部铺填有煤层水袋17，底部含水层162的顶部铺填有底含水袋19，煤层水袋17和底含水袋19内均填充有水，煤层水袋17和底含水袋19内的水均能够排出箱体1外；立井井筒4设置在箱体1内，立井井筒4用于模拟在实际生产中的煤矿立井，立井井筒4自上而下依次穿越上覆地层161和底部含水层162；液压加载系统包括油缸5，油缸5位于土体16的上方，油缸5能够为土体16提供压力。
数据监测系统包括第一光纤12、第二光纤13、土压力盒14和数据采集器15，土压力盒14为微型土压力盒，为减小土压力盒14埋设对该模型试验结果的影响，故采用尺寸相对较小的微型土压力盒进行试验，土压力盒14的直径为15mm～20mm、高度为6mm～10mm、量程为0.1MPa～1MPa。第一光纤12和若干土压力盒14均设置在土体16内，第二光纤13设置在立井井筒4的外表面，第一光纤12和第二光纤13均与数据采集器15通讯连接，土压力盒14通过数据线与数据采集器15通讯连接。
在本发明的技术方案中，箱体1内的土体16用于模拟煤矿立井穿越的厚松散层的土体，底含水袋19用于模拟松厚散层底部的含水层(底砾层)的疏水量，煤层水袋17用于模拟煤系地层的开采量，排放煤层水袋17内的水能够模拟煤矿生产，排放底含水袋19内的水能够模拟在煤矿生产中所导致的底含疏水。在同时排放煤层水袋17内的水和底含水袋19内的水的过程中，箱体1内的土体16发生沉降，通过第一光纤12监测土体16发生的变形和应力数据，通过第二光纤13监测立井井筒4发生的变形和应力数据，通过土压力盒14监测土体16的应力数据，通过对变形数据和应力数据进行分析，能够实现同时考虑煤层开采效应和底含疏水效应两者共同作用对地层沉陷的影响，并探究两者共同作用下立井井筒4的偏斜规律。
进一步地，箱体1内上覆地层161的厚度和底部含水层162的厚度根据实际模拟地层的厚度、立井井筒(模型)几何相似比、立井井筒(模型)实际研究地层范围等因素确定。
优选地，如图2所示，底含水袋19和煤层水袋17均为立方体结构，底含水袋19的长度方向和煤层水袋17的长度方向均与箱体1的长度方向平行，底含水袋19的宽度方向和煤层水袋17的宽度方向均与箱体1的宽度方向平行。
优选地，底含水袋19中心和煤层水袋17中心之间的连线与底含水袋19的横截面垂直，底含水袋19中心和煤层水袋17中心之间的连线与煤层水袋17的横截面垂直，底含水袋19中心和煤层水袋17中心之间的连线与箱体1的高度方向平行。
优选地，底含水袋19横截面的面积是煤层水袋17横截面的面积的2倍～3倍。由于在实际地质条件中底含疏水的范围远大于煤层开采的范围，采用此几何关系，可充分体现底含疏水与煤层开采的空间特征。
优选地，如图5所示，煤层水袋17的排水口位于煤层水袋17中心下方，底含水袋19的排水口位于底含水袋19中心下方。如此设置能够实现煤层水袋17内部水和底含水袋19内部水的均匀充分疏放，并且避免非对称疏水对试验结果的影响。
优选地，与煤层水袋17的排水口连通有第一疏水管18，第一疏水管18能够将煤层水袋17内的水排出至箱体1外，与底含水袋19的排水口连通有第二疏水管20，第二疏水管20能够将煤层水袋17内的水排出至箱体1外。
优选地，第一疏水管18上设置有第一阀门21，打开第一阀门21能够排放煤层水袋17内的水，第二疏水管20上设置有第二阀门22，打开第二阀门22能够排放底含水袋19内的水。通过第一阀门21可控制煤层水袋17疏水的开始时间、结束时间、疏水速率，实现煤层水袋17疏水的全程可控性；通过第二阀门22可控制底含水袋19疏水的开始时间、结束时间、疏水速率，实现底含水袋19疏水的全程可控性。
优选地，底含水袋19的高度为10cm～20cm，煤层水袋17的高度为3cm～8cm。底含水袋19的容积视实际地层底含疏水量而定，煤层水袋17的容积视实际煤层开采量而定。
进一步地，箱体1设置在地面23上，如图1和图3所示，箱体1为上方开口的立方体结构，箱体1四周的侧壁以及箱体1的底部采用焊接连接。
优选地，如图1和图4所示，箱体1的侧壁上设置有多个出线孔2和多个排水孔3，多个出线孔2用于将数据线引出箱体1、多个排水孔3用于将第一疏水管18和第二疏水管20引出箱体1；优选地，箱体1的长为100cm～200cm、宽为100cm～200cm、高为100cm～150cm。
进一步地，立井井筒4与箱体1最近的侧壁之间的垂直距离大于30cm。如此设置能够避免边界效应对立井井筒4变形的影响。
优选地，底含水袋19中心和煤层水袋17中心之间的连线与立井井筒4的轴线平行。
优选地，通过煤层水袋17的中心并与立井井筒4轴线垂直的线与箱体1的长度方向或者宽度方向平行。
优选地，立井井筒4的轴线与煤层水袋17的中心之间的垂直距离为50cm～100cm；立井井筒4的轴线与煤层水袋17的中心之间的垂直距离根据实际煤矿采区与煤矿立井井筒4之间的垂直距离经相似准则计算得出。
优选地，立井井筒4的轴线与煤层水袋17的中心之间的垂直距离大于煤层水袋17的中心与箱体1最近的侧壁之间的垂直距离。
进一步地，如图1所示，液压加载系统还包括液压控制器6、反力架7、第一钢板9、多块第二钢板10和多根约束螺杆11；多根约束螺杆11设置在箱体1的四周并固定于地面23，每根约束螺杆11的顶端均设置有螺母8，螺母8与约束螺杆11为螺纹连接，反力架7设置在箱体1的上方，多根约束螺杆11的顶端均穿过反力架7并通过螺母8进行固定；第一钢板9与反力架7的下表面固定连接，多块第二钢板10呈矩阵式排列并覆盖土体16的上表面，第二钢板10的长度为10cm～15cm、宽度为10cm～15cm、厚度为5cm～10mm。多个油缸5位于第一钢板9和第二钢板10之间，每块第二钢板10上设置一个油缸5，每个油缸5的轴心均位于第二钢板10的中心处。第一钢板9和第二钢板1的作用是为了模型试验装置内部的土体16所受上覆荷载和反力架7所受荷载为均匀荷载，试验加载初期实现土体16均匀受力，避免出现偏压受力，同时在试验过程中实现土体16的非均匀变形，便于揭示土体16的变形规律。每个油缸5均通过数据线与液压控制器6连接，液压控制器6能够对油缸5所产生的压力进行控制。油缸5的压力值为5t～8t。优选地，第一钢板9焊接在反力架7的下表面。如此设置能够使第一钢板9和反力架7之间的连接更加牢固。
进一步地，在土体16内设置有多个水平的变形监测层和多个水平的压力监测层，多个变形监测层和多个压力监测层在土体16内由下至上依次交替设置，第一光纤12分布在多个变形监测层上，每个压力监测层上均设置有若干个土压力盒14；优选地，相邻的变形监测层和压力监测层之间的垂直距离为10cm～15cm。
进一步地，变形监测层设置有四～六个，每个变形监测层所在的平面为箱体1的一个横截面，如图6和图7所示，第一光纤12在一个变形监测层(变形监测层所在的横截面)上呈米字形分布并形成光纤米字形，光纤米字形的中心位于底含水袋19中心和煤层水袋17中心所在的直线上，光纤米字形包括八段线段，其中四段线段由光纤米字形的中心垂直延伸至距箱体1的四侧壁5cm～10cm位置处、另外四段线段由光纤米字形的中心延伸至距变形监测层的四个角的5cm～10cm位置处；优选地，第一光纤12在土体16内部不间断设置，第一光纤12的两端均由箱体1侧壁的出线孔2引出并与数据采集器15连接。
进一步地，压力监测层设置有四～六个，每个压力监测层所在的平面为箱体1的一个横截面，如图8所示，若干个土压力盒14在一个压力监测层(压力监测层所在的横截面)上呈米字形分布并形成土压力盒米字形，土压力盒米字形的中心位于底含水袋19中心和煤层水袋17中心所在的直线上，土压力盒米字形包括八段线段，其中四段线段由土压力盒米字形的中心垂直延伸至箱体1的四侧壁、另外四段线段由土压力盒米字形的中心延伸至压力监测层的四个角的位置处。
优选地，土压力盒米字形的每段线段上均匀设置有四～六个土压力盒14，其中距离箱体1最近的土压力盒14与箱体1的侧壁或夹角之间的距离为5cm～10cm，在每个压力监测层共计设置有三十二个～四十八个土压力盒14。优选地，若干土压力盒14通过数据线依次连接，数据线由箱体1侧壁的出线孔2引出并与数据采集器15连接。
土压力盒14在一个压力监测层上共设置有三十二个～四十八个，并均匀分布在土压力盒米字形的不同方向上，即由土压力盒米字形中心引出的每个方向上都均匀分布有四～六个土压力盒14。
进一步地，如图9所示，第二光纤13包括四段，四段第二光纤13均竖向设置在立井井筒4的外表面，四段第二光纤13沿立井井筒4的外表面均匀设置，第二光纤13在立井井筒4的外表面不间断，第二光纤13在立井井筒4的上表面交叉分布(可呈十字形)，第二光纤13的两端经箱体1侧壁的出线孔2引出并与数据采集器15连接。
本发明还公开了一种利用上述的模型试验装置进行厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理试验的方法，包括以下步骤：
(1)采用方程分析法和量纲分析法推导厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理模型试验相似准则；
(2)根据相似准则和实际地质条件配制土体16；
(3)在立井井筒4外表面布置第二光纤13，并将立井井筒4(模型)放置在箱体1内，第二光纤13的两端经箱体1侧壁的出线孔2引出并与数据采集器15连接；
(4)在箱体1底部放入煤层水袋17；
(5)在箱体1内铺设土体16至底部含水层162顶部；
(6)在底部含水层162的顶部放入底含水袋19；
(7)铺设土体16至箱体1顶部；
(8)在土体16铺设过程中，同时铺设变形监测层和压力监测层，在变形监测层铺设第一光纤12，在压力监测层铺设土压力盒14以及用于连接土压力盒的数据线，数据线经箱体1的侧壁的出线孔2引出并与数据采集器15连接；
(9)在箱体1四周的地面23上固定安装约束螺杆11，在土体16的上表面放置第二钢板10，第二钢板10上放置油缸5，将固定连接有第一钢板9的反力架7放置在油缸5上方，将反力架7的四周通过螺母8固定安装在约束螺杆11的顶端，根据相似准则和实际模拟地层埋深确定油缸5的压力值，通过油缸5为土体16提供上覆压力；
(10)将模型试验装置养护7天～14天；
(11)打开第一阀门21，通过第一疏水管18路将煤层水袋17内部的水排出箱体1外，打开第二阀门22，通过第二疏水管20路将底含水袋19内部的水排出箱体1外，在煤层水袋17和底含水袋19的排水过程中，利用数据采集仪采集第一光纤12、第二光纤13和土压力盒14的数据。
优选地，在步骤(5)中，土体16分层铺设，每层土体16的厚度为2cm～3cm，每层土体16铺设后进行找平压密。
优选地，在步骤(8)中，变形监测层和压力监测层在箱体1内由下至上交替铺设。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
本发明提供的厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理模型试验装置及方法，填补了目前尚无考虑厚松散层底含疏水沉降作用下立井井筒4偏斜机理模型试验装置和试验方法的空白，通过煤层水袋17和底含水袋19的疏水，可实现在实际煤矿生产中，同时考虑煤层开采效应和底含疏水效应两者共同作用对地层沉陷的影响，并探究两者共同作用下立井井筒4的偏斜规律，对揭示厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理具有重要意义，是后续开展厚松散层立井井筒预防与偏斜治理的基础。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (30)
1.一种厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理模型试验装置，其特征在于，包括箱体、立井井筒、液压加载系统和数据监测系统，其中，
所述箱体用于容纳土体，所述土体在所述箱体内自上而下依次包括上覆地层和底部含水层，所述底部含水层的底部铺填有煤层水袋，所述底部含水层的顶部铺填有底含水袋，所述煤层水袋和所述底含水袋内均填充有水，所述煤层水袋和所述底含水袋内的水均能够排出所述箱体外；
所述立井井筒设置在所述箱体内，所述立井井筒自上而下依次穿越所述上覆地层和所述底部含水层；
所述液压加载系统包括油缸，所述油缸位于所述土体的上方，所述油缸能够为所述土体提供压力；
所述数据监测系统包括第一光纤、第二光纤、土压力盒和数据采集器，所述第一光纤和若干所述土压力盒均设置在土体内，所述第二光纤设置在所述立井井筒的外表面，所述第一光纤和所述第二光纤均与所述数据采集器通讯连接，所述土压力盒通过数据线与所述数据采集器通讯连接。
2.根据权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，
所述底含水袋和所述煤层水袋均为立方体结构，所述底含水袋的长度方向和所述煤层水袋的长度方向均与所述箱体的长度方向平行，所述底含水袋的宽度方向和所述煤层水袋的宽度方向均与所述箱体的宽度方向平行。
3.根据权利要求2所述的模型试验装置，其特征在于，
所述底含水袋中心和所述煤层水袋中心之间的连线与所述底含水袋的横截面和所述煤层水袋的横截面均垂直，所述底含水袋中心和所述煤层水袋中心之间的连线与所述箱体的高度方向平行。
4.根据权利要求3所述的模型试验装置，其特征在于，
所述底含水袋横截面的面积是所述煤层水袋横截面的面积的2倍～3倍。
5.根据权利要求2所述的模型试验装置，其特征在于，
所述煤层水袋的排水口位于所述煤层水袋中心下方，所述底含水袋的排水口位于所述底含水袋中心下方。
6.根据权利要求5所述的模型试验装置，其特征在于，
与所述煤层水袋的排水口连通有第一疏水管，所述第一疏水管能够将所述煤层水袋内的水排出至所述箱体外，与所述底含水袋的排水口连通有第二疏水管，所述第二疏水管能够将所述煤层水袋内的水排出至所述箱体外。
7.根据权利要求6所述的模型试验装置，其特征在于，
所述第一疏水管上设置有第一阀门，所述第二疏水管上设置有第二阀门。
8.根据权利要求2所述的模型试验装置，其特征在于，
所述底含水袋的高度为10cm～20cm，所述煤层水袋的高度为3cm～8cm。
9.根据权利要求6所述的模型试验装置，其特征在于，
所述箱体设置在地面上，所述箱体为上方开口的立方体结构。
10.根据权利要求9所述的模型试验装置，其特征在于，
所述箱体的侧壁上设置有多个出线孔和多个排水孔，多个所述出线孔用于将所述数据线引出所述箱体、多个所述排水孔用于将所述第一疏水管和所述第二疏水管引出所述箱体。
11.根据权利要求9所述的模型试验装置，其特征在于，
所述箱体的长为100cm～200cm、宽为100cm～200cm、高为100cm～150cm。
12.根据权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，
所述立井井筒与所述箱体最近的侧壁之间的垂直距离大于30cm。
13.根据权利要求12所述的模型试验装置，其特征在于，
所述底含水袋中心和所述煤层水袋中心之间的连线与所述立井井筒的轴线平行。
14.根据权利要求12所述的模型试验装置，其特征在于，
通过所述煤层水袋的中心并与所述立井井筒的轴线垂直的线与所述箱体的长度方向或者宽度方向平行。
15.根据权利要求12所述的模型试验装置，其特征在于，
所述立井井筒的轴线与所述煤层水袋的中心之间的垂直距离为50cm～100cm。
16.根据权利要求12所述的模型试验装置，其特征在于，
所述立井井筒的轴线与所述煤层水袋的中心之间的垂直距离大于所述煤层水袋的中心与所述箱体最近的侧壁之间的垂直距离。
17.根据权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，
所述液压加载系统还包括液压控制器、反力架、第一钢板、多块第二钢板和多根约束螺杆；
多根所述约束螺杆设置在所述箱体的四周并固定于地面，每根所述约束螺杆的顶端均设置有螺母，所述反力架设置在所述箱体的上方，多根所述约束螺杆的顶端均穿过所述反力架并通过所述螺母进行固定；
所述第一钢板与所述反力架的下表面固定连接，多块所述第二钢板呈矩阵式排列并覆盖所述土体的上表面，多个所述油缸位于所述第一钢板和所述第二钢板之间；
所述油缸通过数据线与所述液压控制器连接；
所述油缸的压力值为5t～8t。
18.根据权利要求17所述的模型试验装置，其特征在于，
所述第二钢板的长度为10cm～15cm、宽度为10cm～15cm、厚度为5cm～10mm，每块所述第二钢板上设置一个所述油缸。
19.根据权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，
在所述土体内设置有多个水平的变形监测层和多个水平的压力监测层，多个所述变形监测层和多个所述压力监测层在所述土体内由下至上依次交替设置，所述第一光纤分布在多个所述变形监测层上，每个所述压力监测层上均设置有若干个所述土压力盒。
20.根据权利要求19所述的模型试验装置，其特征在于，
所述土压力盒的直径为15mm～20mm、高度为6mm～10mm、量程为0.1MPa～1MPa。
21.根据权利要求19所述的模型试验装置，其特征在于，
相邻的所述变形监测层和所述压力监测层之间的垂直距离为10cm～15cm。
22.根据权利要求19所述的模型试验装置，其特征在于，
所述变形监测层设置有四～六个，每个所述变形监测层所在的平面为所述箱体的一个横截面，所述第一光纤在一个所述变形监测层上呈米字形分布并形成光纤米字形，所述光纤米字形的中心位于所述底含水袋中心和所述煤层水袋中心所在的直线上，所述光纤米字形包括八段线段，其中四段线段由所述光纤米字形的中心垂直延伸至所述箱体的四侧壁、另外四段线段由所述光纤米字形的中心延伸至所述变形监测层的四个角的位置处。
23.根据权利要求22所述的模型试验装置，其特征在于，
所述第一光纤在所述土体内部不间断设置，所述第一光纤的两端均由所述箱体的侧壁引出并与所述数据采集器连接。
24.根据权利要求19所述的模型试验装置，其特征在于，
所述压力监测层设置有四～六个，每个所述压力监测层所在的平面为所述箱体的一个横截面，若干个所述土压力盒在一个所述压力监测层上呈米字形分布并形成土压力盒米字形，所述土压力盒米字形的中心位于所述底含水袋中心和所述煤层水袋中心所在的直线上，所述土压力盒米字形包括八段线段，其中四段线段由所述土压力盒米字形的中心垂直延伸至所述箱体的四侧壁、另外四段线段由所述土压力盒米字形的中心延伸至所述压力监测层的四个角的位置处。
25.根据权利要求24所述的模型试验装置，其特征在于，
所述土压力盒米字形的每段线段上均匀设置有四～六个所述土压力盒，在每个所述压力监测层共计设置有三十二个～四十八个所述土压力盒。
26.根据权利要求24所述的模型试验装置，其特征在于，
数据线依次连接若干所述土压力盒后由所述箱体的侧壁引出并与所述数据采集器连接。
27.根据权利要求19所述的模型试验装置，其特征在于，
所述第二光纤包括四段，四段所述第二光纤均竖向设置在所述立井井筒的外表面，四段所述第二光纤沿所述立井井筒的外表面均匀设置，所述第二光纤在所述立井井筒的外表面不间断，所述第二光纤的两端经所述箱体的侧壁引出并与所述数据采集器连接。
28.利用权利要求1至27中的任一项所述的模型试验装置进行厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用方程分析法和量纲分析法推导厚松散层底含疏水沉降立井井筒偏斜机理模型试验的相似准则；
(2)根据相似准则和实际地质条件配制土体；
(3)在立井井筒外表面布置第二光纤，并将立井井筒放置在箱体内，第二光纤的两端经箱体侧壁的孔引出并与数据采集器连接；
(4)在箱体底部放入煤层水袋；
(5)在箱体内铺设土体至底部含水层顶部；
(6)在底部含水层的顶部放入底含水袋；
(7)铺设土体至箱体顶部；
(8)在土体铺设过程中，同时铺设变形监测层和压力监测层，在变形监测层铺设第一光纤，在压力监测层铺设土压力盒以及用于连接土压力盒的数据线，数据线经箱体的侧壁的出线孔引出并与数据采集器连接；
(9)在箱体四周的地面上固定安装约束螺杆，在土体的上表面放置第二钢板，第二钢板上放置油缸，将固定连接有第一钢板的反力架放置在油缸上方，将反力架的四周通过螺母固定安装在约束螺杆的顶端，根据相似准则和实际模拟地层埋深确定油缸的压力值，通过油缸为土体提供上覆压力；
(10)将模型试验装置养护7天～14天；
(11)打开第一阀门，通过第一疏水管路将煤层水袋内部的水排出箱体外，打开第二阀门，通过第二疏水管路将底含水袋内部的水排出箱体外，在煤层水袋和底含水袋的排水过程中，利用数据采集仪采集第一光纤、第二光纤和土压力盒的数据。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，
在所述步骤(5)中，土体分层铺设，每层土体的厚度为2cm～3cm，每层土体铺设后进行找平压密。
30.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，
在所述步骤(8)中，变形监测层和压力监测层在所述箱体内由下至上交替铺设。
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