CN112067788B - 厚表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种厚表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置及方法，模型试验装置包括模型架、模拟地层、配重块和数据监测系统，所述模拟地层自下而上依次包括底板、煤层、薄基岩层、底部含水层和厚表土层，所述配重块位于所述模拟地层的上方；所述底部含水层由若干承压水袋组成，所述数据监测系统包括竖向光纤、横向光纤和数据采集器，所述竖向光纤和所述横向光纤均布置在所述模拟地层内，所述竖向光纤和所述横向光纤均与所述数据采集器通讯连接。利用该试验装置及方法能够对煤层开采效应和底含疏水效应两者共同作用下地层沉陷规律进行试验，探究采煤诱发的薄基岩裂隙演化与分布规律，揭示厚表土底部承压含水层疏水规律及其渗流场演化机理。

Description

厚表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置及方法

技术领域

本发明涉及矿山建设领域，特别涉及一种厚表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置及方法。

背景技术

近年来，随着我国的煤炭资源逐步进入深部开采，黄淮地区煤炭资源普遍出现厚表土薄基岩的赋存条件。随着大中型矿井对地下煤炭资源的大量开采，形成采空区，地下岩体结构和应力状态发生很大变化。经研究分析表明，随着厚表土薄基岩下煤炭资源的大量开采，采空区上覆岩层导水裂隙带导通厚表土底部含水层时，底含水极易通过基岩导水裂隙带大量疏降，造成底含水资源大量流失，形成地下水运移，水位显著降低，发生二次固结沉降，这种由于采煤作用引起的底含疏水沉降，进而对地表产生的附加沉降变形已无法忽视。上世纪80年代后期至今，国内外学者针对煤矿开采对上覆基岩地下水渗流场影响开展了研究，取得了一定成果，但有关厚表土薄基岩下煤层开采对厚表土底部承压含水层疏水及厚表土与薄基岩地下水渗流场间的水力联系方面研究较少。

在开采沉陷研究方面，现有研究常局限在单独煤层开采对地表沉陷的影响，虽然部分学者也考虑了表土层变形与基岩层变形的差异性，但这些研究也仅从参数选取上将表土层与基岩进行区别处理，未考虑表土层受采煤活动影响，在其沉陷变形过程中产生的水土耦合作用，忽略了厚表土薄基岩多种介质和多场耦合作用的特征。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厚表土底部含水层疏水及其渗流场演化的影响。

考虑到厚表土底部含水层属于承压含水层，其疏水固结沉降特性与浅部潜水地层的疏水显著不同。鉴于目前针对厚表土薄基岩底部含水层疏水规律研究方面尚无模型试验装置及有效可行的试验方法，为揭示厚表土层底含疏水规律与渗流场演化机理及其在沉陷变形过程中水土耦合作用机制，并进一步完善厚表土薄基岩地层沉陷机理研究，搭建厚表土薄基岩底部含水层疏水规律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表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置及方法，利用该试验装置及方法能够对煤层开采效应和底含疏水效应两者共同作用下地层沉陷移动变形规律进行试验，探究厚表土薄基岩下煤层开采诱发的薄基岩裂隙分布特性和演化规律，进一步揭示厚表土底部承压含水层疏水规律及其渗流场演化机理。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种厚表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置，包括模型架、模拟地层、配重块和数据监测系统，其中，所述模型架用于容纳所述模拟地层和所述配重块；所述模拟地层自下而上依次包括底板、煤层、薄基岩层、底部含水层和厚表土层，所述配重块位于所述模拟地层的上方，所述配重块能够为所述模拟地层提供压力；所述底部含水层由若干承压水袋组成，所述承压水袋内填充有水，所述承压水袋的放水能够模拟实际地层中的底部含水层的疏水；所述数据监测系统包括竖向光纤、横向光纤和数据采集器，所述竖向光纤和所述横向光纤均布置在所述模拟地层内，所述竖向光纤和所述横向光纤均与所述数据采集器通讯连接。

进一步地，在上述的试验装置中，所述模型架为立方体的框架结构，所述模型架包括底挡板、顶挡板和两块侧挡板，所述底挡板的两端分别与两块所述侧挡板的底端连接，所述顶挡板的两端分别与两块所述侧挡板的顶端连接；

所述模型架的前表面自下而上铺设有若干前护板，每块所述前护板的两端均与两块所述侧挡板连接，所述模型架的后表面自下而上铺设有若干后护板，每块所述后护板的两端均与两块所述侧挡板连接；

每块所述后护板上均设置有多个孔；优选地，所述底挡板、所述顶挡板、所述侧挡板、所述前护板和所述后护板均分别由U型钢制成。

进一步地，在上述的试验装置中，所述模拟地层内的土体均为实际地层的相似材料，所述底板、所述煤层、所述薄基岩层和所述厚表土层内的所述相似材料由砂、石灰、石膏和水按照不同配置比制成；

优选地，所述底板的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏＝6∶6∶4，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10％；优选地，所述煤层的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏＝6∶7∶3，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10％；优选地，所述薄基岩层的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏＝4∶5∶5，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10％；优选地，所述厚表土层的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏＝6∶9∶1，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10％；优选地，在所述底板、所述煤层、所述薄基岩层和所述厚表土层内的所述相似材料在所述模型架内由下至上分层铺设，每层所述相似材料的厚度为20mm～30mm，相邻的两层所述相似材料之间均铺设有云母粉。

进一步地，在上述的试验装置中，所述模拟地层的长度与所述实际地层之间的几何相似比为1/(100～200)，所述实际地层的密度与所述相似材料的密度相似比为1.67、时间相似比为10～14.14、应力相似比为167～334。

进一步地，在上述的试验装置中，在所述底部含水层内，若干所述承压水袋由所述模型架的左端依次横向铺设至所述模型架的右端，每个所述承压水袋均可独立放水卸压用以模拟所述实际地层的底部含水层的疏水过程，相邻的两个所述承压水袋之间通过导管连接；优选地，所述承压水袋为立方体结构；

优选地，所述承压水袋内还填充有细砂、粗砂和砾石，所述细砂的粒径为0.25mm～0.35mm，所述粗砂的粒径为0.5mm～2mm，所述砾石的粒径为2mm～10mm；优选地，每个所述承压水袋的厚度为实际地层中底部含水层的厚度×所述几何相似比、宽度与所述模型架的宽度相同、长度为200mm～400mm，所述承压水袋的个数为所述模型架的有效模拟长度/所述承压水袋的长度；优选地，所述承压水袋上表面开有填料口，所述填料口用于向所述承压水袋内填充水、所述细砂、所述粗砂和所述砾石，所述填料口采用填料口盖密封，所述填料口与所述填料口盖之间为螺纹连接；优选地，在所述承压水袋内，所述细砂、所述粗砂和所述砾石的体积之和与水的体积比为1∶1，所述细砂、所述粗砂和所述砾石的质量比为2∶2∶1；优选地，所述承压水袋的后侧壁设置有疏水口，所述疏水口连通有疏水管的一端，所述疏水管能够将所述承压水袋内的水排出至所述模型架外；优选地，所述疏水管上设置有球阀，所述球阀可控制所述承压水袋的疏水时间、疏水速度和疏水量；优选地，所述疏水管的另一端连通有量杯桶，所述承压水袋的疏水量能够通过所述量杯桶进行测量；优选地，所述承压水袋的左右两侧壁均连通有所述导管，相邻的两个所述承压水袋的两个所述导管通过水袋连接阀连通。

进一步地，在上述的试验装置中，所述横向光纤在所述底板设置有1条、在所述薄基岩层和所述厚表土层内分别布置2～5条，每条所述横向光纤均横向布置，所述竖向光纤由左到右布置6-10条，每条所述竖向光纤均竖向布置；当所述薄基岩层和所述厚表土层内所述横向光纤的数量大于1条时，所述薄基岩层或所述厚表土层内相邻的两条所述横向光纤之间的垂直距离为200mm～500mm；相邻的两条所述竖向光纤之间的垂直距离为200mm～500mm；

优选地，在所述模拟地层内，所述横向光纤和所述竖向光纤为一整根分布式光纤，所述分布式光纤通过折线形式布置；所述分布式光纤在转角处均采用圆弧形过渡，所述圆弧的角度为90度，所述圆弧的半径为50mm～100mm；所有所述横向光纤和所述竖向光纤的轴线位于一个竖向的平面内；优选地，在所述模型架的上部设置有光纤悬挂绳，所述光纤悬挂绳用于固定所述竖向光纤的顶端，在所述模型架的底部设置有若干固定砖，所述固定砖用于固定所述竖向光纤的底端；所述固定砖的长度与相邻的两条所述竖向光纤之间的垂直距离相同，所述固定砖的两端采用软泡沫包裹。

进一步地，在上述的试验装置中，所述数据监测系统还包括若干应变片，若干所述应变片均布置在所述模拟地层内，若干所述应变片均与所述数据采集器通讯连接；

所述应变片在底板内布置有1排，应变片在所述薄基岩层和所述厚表土层内分别布置1～2排，每排应变片均是横向布置，每排内相邻的两个所述应变片之间的距离为200mm～400mm，当薄基岩层和厚表土层内布置有两排应变片时，两排所述应变片之间的垂直距离为300mm～600mm；

优选地，所述应变片为康铜丝应变片；所有所述应变片的中心位于一个竖向的平面内。

进一步地，在上述的试验装置中，所述数据监测系统还包括若干土压力盒，若干所述土压力盒均布置在所述模拟地层内，若干所述土压力盒均与所述数据采集器通讯连接；

优选地，在所述底板、所述薄基岩层、所述厚表土层内分别布置1排所述土压力盒，每排所述土压力盒均横向布置，每排内相邻的两个所述土压力盒之间的距离为200mm～400mm；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；所有所述土压力盒的中心位于一个竖向的平面内。

进一步地，在上述的试验装置中，还包括变形监测系统，所述变形监测系统包括若干条表面监测线，若干条所述表面监测线均匀布置在所述模拟地层的前表面，其中，部分所述表面监测线横向布置、其他所述表面监测线竖向布置，横向布置的所述表面监测线与竖向布置的所述表面监测线的交点处均设置有表面监测点，每个所述表面监测点设置有一个测标；

优选地，横向布置的所述表面监测线与竖向布置的所述表面监测线均正交设置；优选地，相邻的两条横向布置的所述表面监测线之间的垂直距离为50mm～100mm，相邻的两条竖向布置的所述表面监测线之间的垂直距离为50mm～100mm；

所述变形监测系统还包括数字相机，所述数字相机能够对所述表面监测点和所述表面监测线进行拍摄，通过若干所述测标的移动监测试验过程中所述模拟地层的移动变形，通过所述表面监测线的变形和断裂监测试验过程中所述模拟地层的土体垮落和裂隙扩展。

另一方面，提供了一种利用上述的模型试验装置进行厚表土薄基岩底部含水层疏水规律试验的方法，包括以下步骤：

(1)确定相似比：采用方程分析法和量纲分析法推导厚表土薄基岩底部含水层疏水规律试验的相似准则；

(2)选择模型架：选择并安装模型架，模型架的规格根据实际地层尺寸及几何相似比确定；

(3)配料：根据相似准则和实际地质条件配制模拟地层的相似材料；

(4)布置竖向光纤：借助光纤悬挂绳和固定砖在模型架内布置竖向光纤；

(5)安装前护板和后护板：清理底挡板、侧挡板、前护板和后护板，在前护板和后护板内侧涂刷润滑油防止护板与模拟地层粘结，首先在模型架前表面安装一块前护板，在模型架的后表面安装一块后护板；

(6)填料：在模型架内由下至上依次铺设底板的相似材料、煤层的相似材料和薄基岩层的相似材料，在薄基岩层的上方由左至右安装底部含水层的承压水袋，相邻的两条竖向光纤之间安装一个承压水袋，若干承压水袋覆盖在薄基岩层的相似材料之上，然后在底部含水层的上方铺设厚表土层的相似材料至模型设计高度并压实、压平；

在填料过程中，随着模拟地层相似材料的铺设，由下至上依次安装前护板和后护板；

在铺设相似材料和承压水袋的同时铺设横向光纤、应变片和微型土压力盒，竖向光纤、横向光纤、应变片和微型土压力盒均为监测元件，所有监测元件的引线经后护板上的传感器出线孔引出并与数据采集器连接，承压水袋的疏水管经后护板上的疏水管引出孔引出并在疏水管的末端接上球阀；

(7)加重：待模拟地层的相似材料铺设到模型设定高度后，在相似材料的上面覆盖胶皮，然后在胶皮上方铺设配重块，通过配重块对模拟地层施加自重应力；

(8)养护：完成步骤(7)后养护7～14天，期间应记录每天的温度、湿度；

(9)拆模：在完成步骤(8)后由上至下每天拆除一块前护板和一块后护板，与配重块和底部含水层对应的前护板和后护板不可拆除；

(10)风干：在完成步骤(9)后继续风干3～5天至模型的相似材料达到设计强度；

(11)监测点的布设：在模拟地层的前表面刷白色碳酸钙，然后在模拟地层的前表面布设表面监测线并设置监测点，在监测点上设置测标，在模型架的底挡板、顶挡板和侧挡板上分别粘贴若干参考点，在试验前利用数字相机对所有测标进行拍摄，并采集两次各监测点的位置数据；

(12)煤层开采试验：根据实际煤层工作面开采尺寸确定模拟地层中煤层的开采范围，从煤层开切眼处开始将煤层掏出，每两小时开采一次，每次开采50mm～100mm，每次的开采速度由实际开采速度与时间相似比确定，每次开采完后利用数字相机对所有测标和表面监测线进行拍摄，直至工作面全部采完，最后等煤层上方的土体移动稳定后再观测其整体移动变形情况；

(13)底含疏水试验：在进行步骤(12)过程中，当薄基岩层的竖向裂纹扩展到承压水袋位置时，将下方出现竖向裂纹的承压水袋的球阀打开进行疏水，通过对承压水袋的非均匀放水模拟承压水疏水过程，直至模拟地层移动完全；

(14)拆模：待模型煤层开采和底含疏水试验结束，继续监测3～5天直至模拟地层移动完全，然后拆卸配重块，由上至下依次按层剥离模拟地层，每次剥离100mm，每次剥离后观测剥离面内的裂隙分布，确定该层的裂隙分布范围和裂隙宽度，以研究煤层开采和底含疏水过程中的地层裂隙演化规律；

试验过程中各监测元件实时获取相应监测数据；

优选地，在所述步骤(6)中，相似材料填入模型架的时候从下往上分层依次填入，填入的时候每层填20mm～30mm，每层土体铺设后进行找平压密，相邻的两层相似材料之间加入云母粉，每一层相似材料的制作工作在15min内完成，直到模型架全部填满相似材料；

优选地，在所述步骤(11)中，相邻的两个监测点之间的距离为50mm～100mm；

优选地，在所述步骤(14)中，承压水袋按照1000ml/h～2000ml/h的流速进行疏水。

分析可知，本发明公开一种厚表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置及方法，填补了目前尚无考虑厚表土薄基岩下煤层开采对厚表土底部承压含水层疏水影响规律及其渗流场演化机理研究的模型试验装置和方法的空白，利用该试验装置通过对煤层进行开采和对承压水袋的疏水，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，并探究厚表土薄基岩下煤层开采诱发的薄基岩裂隙分布特性和演化规律，进一步对揭示厚表土底部承压含水层疏水规律及其渗流场演化机理具有重要意义，是后续开展厚表土薄基岩地层沉陷机理及其邻近建(构)筑物变形防治的基础。

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模拟地层的布置示意图。

图2为本发明一实施例的模型架的结构示意图。

图3为本发明一实施例的安装前挡板和后挡板后的模型架的结构示意图。

图4为本发明一实施例的底挡板、顶挡板、侧挡板或前护板的结构示意图。

图5为本发明一实施例的位于底部含水层处后挡板的结构示意图。

图6为本发明一实施例的除位于底部含水层处之外的后挡板的结构示意图。

图7为本发明一实施例的竖向光纤和横向光纤的布置示意图。

图8为本发明一实施例的监测点的布置示意图；

图9为本发明一实施例的模型架后表面的承压水袋引出示意图；

图10为本发明一实施例的应变片在薄基岩层的布置示意图；

图11为本发明一实施例的微型土压力盒的布置示意图；

图12为本发明一实施例的承压水袋布置示意图；

图13为本发明一实施例的承压水袋的结构示意图。

附图标记说明：1模型架；2底挡板；3顶挡板；4侧挡板；5前护板；6后护板；7底板；8煤层；9薄基岩层；10底部含水层；11厚表土层；12配重块；13承压水袋；14填料口；15填料口盖；16疏水口；17疏水管；18球阀；19量杯桶；20水袋连接阀；21竖向光纤；22横向光纤；23应变片；24土压力盒；25光纤悬挂绳；26固定砖；27数据采集器；28表面监测线；29表面监测点；30参考点；31疏水管引出孔；32传感器出线孔；33塑料垫层。

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13所示，根据本发明的实施例，提供了一种厚表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置，包括模型架1、模拟地层、配重块12和数据监测系统，其中，模型架1用于容纳模拟地层和配重块12。

如图1所示，模拟地层自下而上依次包括底板7、煤层8、薄基岩层9、底部含水层10和厚表土层11，底板7、煤层8、薄基岩层9和厚表土层11的土体均为实际地层的相似材料，配重块12位于模拟地层的上方，配重块12能够为模拟地层提供压力；底部含水层10由若干承压水袋13组成，底部含水层10的若干承压水袋13用于模拟实际地层中的底部含水层，承压水袋13内填充有水，承压水袋13内的水能够排出模型架1外，承压水袋13的放水能够模拟实际地层中的底部含水层的疏水；数据监测系统包括竖向光纤21、横向光纤22和数据采集器27，竖向光纤21和横向光纤22均布置在模拟地层内，竖向光纤21和横向光纤22均与数据采集器27通讯连接。

在实际厚表土薄基岩地层的煤层开采生产中，由于煤层开采而引起工作面上覆薄基岩地层形成导水裂隙通道，进而导致厚表土层下部的底部含水层发生疏水沉降，上覆地层在渗流-应力耦合作者下产生沉陷移动变形。该试验装置能够对煤层开采诱发的薄基岩裂隙分布特性和演化规律进行研究，也可以探究煤层开采对厚表土层底部的承压含水层(底部含水层10)疏水影响规律及其渗流场演化机理，更可以对煤层开采效应和底含疏水效应两者共同作用下地层沉陷移动变形规律进行试验，薄基岩层9模拟实际地层的薄基岩层，厚表土层11、底部含水层10模拟实际地层的厚表土层，配重块12模拟实际地层中厚表土层11上部地层的重力荷载，煤层8模拟实际地层的煤层，煤层8开采等效模拟实际生产中的煤层开采，实际地层中底部含水层的疏水由底部含水层10的若干承压水袋13的非均匀放水进行模拟。配重块12为模拟地层提供的压力用于模拟试验地层上表面至地表的自重应力，在对该试验装置的煤层8的开采以及承压水袋13的非均匀放水的过程中，模拟地层内部会发生移动变形，通过竖向光纤21和横向光纤22能够监测模拟地层内部的移动变化规律。

进一步地，如图2和3所示，模型架1为立方体的框架结构，模型架1包括底挡板2、顶挡板3和两块侧挡板4，底挡板2的两端分别与两块侧挡板4的底端连接，顶挡板3的两端分别与两块侧挡板4的顶端连接。模型架1的前表面自下而上铺设有若干前护板5，每块前护板5的两端均与两块侧挡板4连接，模型架1的后表面自下而上铺设有若干后护板6，每块后护板6的两端均与两块侧挡板4连接；底挡板2与侧挡板4之间、顶挡板3与侧挡板4之间分别采用焊接连接(也可采用螺栓固定)。前护板5的两端、后护板6的两端以及侧挡板4的侧壁上均设置有螺纹孔，前护板5的两端和后护板6的两端上的螺纹孔与侧挡板4的侧壁上的螺纹孔相对应，前护板5与侧挡板4之间通过螺纹孔并利用螺栓进行固定，后护板6与侧挡板4之间通过螺纹孔并利用螺栓进行固定。

在利用该试验装置进行试验时，首先需要在模型架1的前表面安装前护板5、后表面安装后护板6，然后向模型架1内填入模拟地层的相似材料以及承压水袋13，待模拟地层达到设计强度后拆除前护板5和后护板6并进行试验。

每块后护板6上均设置有多个孔，如图5所示，与底部含水层10相对应的后护板6上的孔为疏水管引出孔31，在设置有疏水管引出孔31的后护板6上，疏水管引出孔31的数量与承压水袋13的数量一致，疏水管引出孔31的位置与承压水袋13的疏水口16的位置相对应。如图6所示，除与底部含水层10相对应的后护板6外的其他后护板6上的孔为传感器出线孔32，在设置有传感器出线孔32的后护板6上传感器出线孔32的数量设置为2～5个，传感器出线孔32用于引出竖向光纤21、横向光纤22以及应变片23的数据线和土压力盒24的数据线。优选地，如图4至图6所示，底挡板2、顶挡板3、侧挡板4、前护板5和后护板6均分别由U型钢制成。

进一步地，模拟地层内的土体均为实际地层的相似材料，底板7、煤层8、薄基岩层9和厚表土层11内的相似材料由砂、石灰、石膏和水按照不同配置比制成。

优选地，底板7的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏＝6∶6∶4，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10％；优选地，煤层8的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏＝6∶7∶3，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10％；优选地，薄基岩层9的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏＝4∶5∶5，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10％；优选地，厚表土层11的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏＝6∶9∶1，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10％。

上述相似材料的质量配置比为模型试验时的一个取值，目的是尽量确保模型试验与原型满足相似准则，以达到使模型试验的变形结果可反映出原型的变形规律。

优选地，底板7、煤层8、薄基岩层9和厚表土层11内的相似材料在模型架1内由下至上分层铺设，每层相似材料的厚度为20mm～30mm(比如20mm、22mm、24mm、26mm、28mm、30mm)，相邻的两层相似材料之间均铺设有云母粉。云母粉在相邻的两层相似材料之间起到分界作用，使模拟地层的变形更加明显。

进一步地，模拟地层根据实际开采工作面通过几何和物理力学参数进行转化，模拟地层的长度与实际地层的长度之间的几何相似比为1/(100～200)，因为本申请涉及的是平面模型，所以不须要考虑宽度；高度方向也有部分地层采用荷载代替，所以这里几何相似比可以只考虑长度。实际地层的密度与相似材料的密度相似比为1.67，即实际地层的密度∶模型试验材料(相似材料)的密度＝1.67。时间相似比为10～14.14，即煤层8实际开采速度∶模型开采的等效疏水速度＝10～14.14。应力相似比为167～334，即实际地层的应力∶模型试验材料的应力＝167～334。

进一步地，如图1和图12所示，实际地层的底部含水层的全部厚度均由一层承压水袋13进行模拟，在底部含水层10内，若干承压水袋13由模型架1的左端依次横向(水平方向)铺设至模型架1的右端，每个承压水袋13均可独立放水卸压用以模拟实际地层的底部含水层的疏水过程，若干承压水袋13的设置能够实现非均匀放水，相邻的两个承压水袋13之间通过导管连接。

优选地，承压水袋13为立方体结构；优选地，承压水袋13内还填充有细砂、粗砂和砾石，细砂的粒径为0.25mm～0.35mm，粗砂的粒径为0.5mm～2mm，砾石的粒径为2mm～10mm(比如2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm)。按上述不同粒径进行级配填料是为了使若干个承压水袋13在疏水后仍具有稳定的承载力，同时在疏水前具有较好的储水性和渗透性。

优选地，每个承压水袋13的厚度(一般为200mm～400mm)为实际地层中底部含水层的厚度×几何相似比、宽度与模型架1的宽度相同、长度为200mm～400mm，承压水袋13的个数为模型架1的有效模拟长度/承压水袋13的长度。上述数值选取的目的是即尽量确保模型试验与原型满足相似准则，以达到使模型试验的变形结果可反映出原型的变形规律。

优选地，如图13所示，承压水袋13上表面的正中心开有填料口14，填料口14用于向承压水袋13内填充水、细砂、粗砂和砾石，填料口14采用填料口盖15密封，填料口14与填料口盖15之间为螺纹连接。

优选地，在承压水袋13内，细砂、粗砂和砾石的体积之和与水的体积比为1∶1，细砂、粗砂和砾石的质量比为2∶2∶1；

优选地，承压水袋13的后侧壁中心偏下位置设置有疏水口16，疏水口16连通有疏水管17的一端，疏水管17能够将承压水袋13内的水排出至模型架1外；优选地，如图9所示，疏水管17上设置有球阀18，球阀18可控制承压水袋13的疏水时间、疏水速度和疏水量；根据煤层8开采过程中薄基岩层9的竖向裂纹扩展到承压水袋13的位置选择对应承压水袋13进行疏水，此时打开球阀18进行疏水并控制承压水袋13的疏水速度，周围未打开球阀18的承压水袋13内部的水通过水袋连接阀20向已经打开球阀18的承压水袋13流去，各个承压水袋13距离已经打开球阀18的距离不同，周围未打开球阀18的承压水袋13的疏水速度也不同，进而在不同疏水速度下，各承压水袋13的水头下降量和固结压缩量也不同，以此实现了非均匀疏水与非均匀固结沉降。优选地，疏水管17的另一端连通有量杯桶19，承压水袋13的疏水量能够通过量杯桶19进行测量，通过量杯桶19精确测量承压水袋13的疏水量，能够对承压水袋13的疏水量进行精确控制，提高试验的准确度。优选地，承压水袋13的左右两侧壁均连通有导管，相邻的两个承压水袋13的两个导管通过水袋连接阀20连通。铺设承压水袋13时应保证各个接口处不漏水，并且保证承压水袋13都尽量填充满，使承压水袋13具有一定的膨胀性，以较好的传递厚表土层11的压力，避免因为承压水袋13的填充不充分造成模型失稳以及变形传递效果减弱。

进一步地，如图1所示，配重块12设置有多块，多块配重块12在模拟地层的上方由模型架1的一侧铺设至模型架1的另一侧，每块配重块12的长度为150mm～200mm、宽度为100mm～150mm、高度为10mm～20mm。配重块12的规格根据实际生产中上覆地层等效重力荷载的大小进行选择，利用上述规格的配重块12能够方便经济地实现对模拟地层施加压力，进而对实际生产中上覆地层的重力荷载进行模拟。优选地，配重块12与模拟地层之间设置有塑料垫层33，塑料垫层33可以为胶皮。塑料垫层33能够避免模型内部与表面的凝结、风干不一致。

进一步地，如图7所示，横向光纤22在薄基岩层9和厚表土层11内分别布置2～5条，每条横向光纤22均横向布置，竖向光纤21由左到右布置6～10条，每条竖向光纤21均竖向布置。

相邻的两条竖向光纤21之间的垂直距离为200mm～500mm，布置竖向光纤21时需确定其相邻两竖向光纤21的垂直距离是单个承压水袋13的1或2倍，且竖向光纤21恰好在两个相邻承压水袋13之间的缝隙穿过；薄基岩层9或厚表土层11内相邻的两条横向光纤22之间的垂直距离为200mm～500mm；优选地，在模拟地层内，横向光纤22和竖向光纤21为一整根分布式光纤，即分布式光纤(横向光纤22和竖向光纤21)和数据采集器27形成一个闭合回路，分布式光纤具有测量精度高、径细质软、易于用通用仪表和信号处理设备接口等优点。分布式光纤通过折线形式布置；分布式光纤在转角处均采用圆弧形过渡，圆弧的角度为90度，圆弧的半径为50mm～100mm；所有横向光纤22和竖向光纤21的轴线位于一个竖向的平面内。横向光纤22和竖向光纤21用于监测由承压水袋13的排水和煤层8开采模拟的开采工作面渗流与力场耦合作用下模拟地层内部移动变化规律。

优选地，在模型架1的上部设置有光纤悬挂绳25，光纤悬挂绳25可为水平绳或钢丝，光纤悬挂绳25用于固定竖向光纤21的顶端，在模型架1的底部设置有若干固定砖26，固定砖26用于固定竖向光纤21的底端；固定砖26的长度与相邻的两条竖向光纤21之间的垂直距离相同，竖向光纤21在模拟地层铺设之前进行布置，借助光纤悬挂绳25在模型架1上部预定高度处固定竖向光纤21，借助固定砖26在模型架1底部处固定竖向光纤21(由模型架1上部向下延伸的一条竖向光纤21由固定砖26的一端延伸至固定砖26的下方，然后由固定砖26的另一端向上延伸)。为了防止固定砖26的两端与竖向光纤21产生摩擦而破坏竖向光纤21，在固定砖26的两端采用软泡沫包裹。

进一步地，如图10所示，数据监测系统还包括若干应变片23，应变片23均为电阻应变片，应变片23用于监测模拟地层内部的应力和应变，若干应变片23均布置在模拟地层内，若干应变片23均通过数据线与数据采集器27通讯连接；

应变片23在底板7内布置有1排，应变片23在薄基岩层9和厚表土层11内分别布置1～2排，每排应变片23均是横向布置，每排内相邻的两个应变片23之间的距离为200mm～400mm，当薄基岩层9和厚表土层11内布置有两排应变片23时，两排应变片23之间的垂直距离为300mm～600mm。优选地，应变片23为康铜丝应变片23，康铜丝应变片23具有温度系数较小，比较稳定，适用于静载下长期观测等优点。所有应变片23的中心位于一个竖向的平面内。应变片23能够测量因承压水袋13的排水和煤层8的开采引起的模拟地层内应力、应变变化和不同位置处的位移。

进一步地，如图11所示，数据监测系统还包括若干土压力盒24，若干土压力盒24均为微型土压力盒，若干土压力盒24均布置在除底部含水层10外的模拟地层内，若干土压力盒24均通过数据线与数据采集器27通讯连接；

优选地，在底板7、薄基岩层9、厚表土层11内分别布置1排土压力盒24，每排土压力盒24均横向布置，每排内相邻的两个土压力盒24之间的距离为200mm～400mm；优选地，土压力盒24的直径为15mm～20mm、高度为6mm～10mm、量程为0.1MPa～1MPa；所有土压力盒24的中心位于一个竖向的平面内。在试验过程中，土压力盒24能够监测因承压水袋13的排水和煤层8的开采引起的模拟地层内相应层位的压力变化。

进一步地，如图8所示，还包括变形监测系统，变形监测系统包括若干条表面监测线28，若干条表面监测线28均匀布置在模拟地层的前表面，其中，部分表面监测线28横向布置、其他表面监测线28竖向布置，横向布置的表面监测线28与竖向布置的表面监测线28相交形成网格，横向布置的表面监测线28与竖向布置的表面监测线28的交点处均设置有表面监测点29，所有表面监测点29在模拟地层的前侧壁上以矩阵方式排列，在高度上相邻的两排表面监测点29之间的垂直距离为50mm～100mm，每排内相邻的两个表面监测点29之间的距离为50mm～100mm，每个表面监测点29设置有一个测标；

优选地，横向布置的表面监测线28与竖向布置的表面监测线28均正交设置；优选地，相邻的两条横向布置的表面监测线28之间的垂直距离为50mm～100mm，相邻的两条竖向布置的表面监测线28之间的垂直距离为50mm～100mm；

变形监测系统还包括数字相机，数字相机能够对表面监测点29和表面监测线28进行拍摄，通过若干测标的移动监测试验过程中模拟地层的移动变形，通过表面监测线28的变形和断裂监测试验过程中模拟地层的土体垮落和裂隙扩展。

本发明还公开了一种利用上述的模型试验装置进行厚表土薄基岩底部含水层疏水规律试验的方法，包括以下步骤：

(1)确定相似比：采用方程分析法和量纲分析法推导厚表土薄基岩底部含水层疏水规律试验的相似准则；

(2)选择模型架1：选择并安装模型架1，模型架1的规格根据实际地层尺寸及几何相似比确定；

(3)配料：根据相似准则和实际地质条件配制模拟地层的相似材料；

(4)布置竖向光纤21：借助光纤悬挂绳25以及固定砖26在模型架1内布置竖向光纤21；

(5)安装前护板5和后护板6：清理底挡板2、侧挡板4、前护板5和后护板6，在前护板5和后护板6内侧涂刷润滑油防止护板与模拟地层粘结，首先在模型架1前表面安装一块前护板5，在模型架1的后表面安装一块后护板6；

(6)填料：在模型架1内由下至上依次铺设底板7的相似材料、煤层8的相似材料和薄基岩层9的相似材料，在薄基岩层9的上方由左至右安装底部含水层10的承压水袋13，相邻的两条竖向光纤21之间安装一个承压水袋13，若干承压水袋13覆盖在薄基岩层9的相似材料之上，然后在底部含水层10的上方铺设厚表土层11的相似材料至模型设计高度并压实、压平；

在填料过程中，随着模拟地层相似材料的铺设，由下至上依次安装前护板5和后护板6，前护板5和后护板6随着模拟地层相似材料的铺填逐渐增加；

在铺设相似材料和承压水袋13的同时铺设横向光纤22、应变片23和微型土压力盒24，竖向光纤21、横向光纤22、应变片23和微型土压力盒24均为监测元件，所有监测元件的引线经后护板6上的传感器出线孔32引出并与数据采集器27连接，承压水袋13的疏水管17经后护板6上的疏水管引出孔31引出并在疏水管17的末端接上球阀18；

(7)加重：待模拟地层的相似材料铺设到模型设定高度后，在相似材料的上面覆盖胶皮，然后在胶皮上方铺设配重块12，通过配重块12对模拟地层施加自重应力；

(8)养护：完成步骤(7)后养护7～14天，期间应记录每天的温度、湿度；

(9)拆模：在完成步骤(8)后由上至下每天拆除一块前护板5和一块后护板6，与配重块12和底部含水层10对应的前护板5和后护板6不可拆除；

(10)风干：在完成步骤(9)后继续风干3～5天至模型的相似材料达到设计强度；

(11)监测点的布设：在模拟地层的前表面刷白色碳酸钙，然后在模拟地层的前表面布设表面监测线28并设置监测点，在监测点上设置测标，在模型架1的底挡板2、顶挡板3和侧挡板4上分别粘贴若干参考点30，在试验前利用数字相机对所有测标进行拍摄，并采集两次各监测点的位置数据；

参考点30即为基准点，在试验过程中利用数字相机拍摄的图片监测点变形数据变化量均采用同一参考点30进行数据分析，确保数据结果分析的准确性。

(12)煤层8开采试验：根据实际煤层8工作面开采尺寸确定模拟地层中煤层8的开采范围(开切眼与停采线位置)，从煤层8开切眼处开始将煤层8掏出，每两小时开采一次，每次开采50mm～100mm，每次的开采速度由实际开采速度与时间相似比确定，每次开采完后利用数字相机对所有测标和表面监测线28进行拍摄，直至工作面全部采完，最后等煤层8上方的土体移动稳定后再观测其整体移动变形情况；

(13)底含疏水试验：在进行步骤(12)过程中，当薄基岩层9的竖向裂纹扩展到承压水袋13位置时，将下方出现竖向裂纹的承压水袋13的球阀18打开，按照1000ml/h～2000ml/h进行疏水，通过对承压水袋13的非均匀放水模拟承压水疏水过程，直至模拟地层移动完全；

(14)拆模：待模型煤层8开采和底含疏水试验结束，继续监测3～5天直至模拟地层移动完全，然后拆卸配重块12，由上至下依次按层剥离模拟地层，每次剥离100mm，每次剥离后观测剥离面内的裂隙分布，确定该层的裂隙分布范围和裂隙宽度，以研究煤层8的开采和底部含水层10的疏水过程中的地层裂隙演化规律；

试验过程中各监测元件实时获取相应监测数据；

优选地，在步骤(6)中，相似材料填入模型架1的时候从下往上分层依次填入，填入的时候每层填20mm～30mm，每层土体铺设后进行找平压密，相邻的两层相似材料之间加入云母粉，每一层相似材料的制作工作在15min内完成，直到模型架1全部填满相似材料，以避免两层相似材料之间干湿度差异过大。优选地，在步骤(11)中，相邻的两个监测点之间的距离为50mm～100mm。

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：

一种厚表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置及方法，填补了目前尚无考虑厚表土薄基岩下煤层开采对厚表土底部承压含水层疏水影响规律及其渗流场演化机理研究的模型试验装置和方法的空白，利用该试验装置通过对煤层8进行开采和对承压水袋13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，并探究厚表土薄基岩下煤层开采诱发的薄基岩裂隙分布特性和演化规律，进一步对揭示厚表土底部承压含水层疏水规律及其渗流场演化机理具有重要意义，是后续开展厚表土薄基岩地层沉陷机理及其邻近建(构)筑物变形防治的基础。

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 (17)

1.一种厚表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置，其特征在于，包括模型架、模拟地层、配重块和数据监测系统，其中，所述模型架用于容纳所述模拟地层和所述配重块；

所述模拟地层自下而上依次包括底板、煤层、薄基岩层、底部含水层和厚表土层，所述配重块位于所述模拟地层的上方，所述配重块能够为所述模拟地层提供压力；

所述底部含水层由若干承压水袋组成，所述承压水袋内填充有水，所述承压水袋的放水能够模拟实际地层中的底部含水层的疏水；

所述数据监测系统包括竖向光纤、横向光纤和数据采集器，所述竖向光纤和所述横向光纤均布置在所述模拟地层内，所述竖向光纤和所述横向光纤均与所述数据采集器通讯连接；

所述模拟地层内的土体均为实际地层的相似材料，所述底板、所述煤层、所述薄基岩层和所述厚表土层内的所述相似材料由砂、石灰、石膏和水按照不同配置比制成；

每个所述承压水袋的厚度为200mm~400mm、宽度与所述模型架的宽度相同、长度为200mm~400mm，所述承压水袋的个数为所述模型架的有效模拟长度/所述承压水袋的长度；

所述承压水袋内还填充有细砂、粗砂和砾石，所述细砂的粒径为0.25mm~0.35mm，所述粗砂的粒径为0.5mm~2mm，所述砾石的粒径为2mm~10mm；

在所述承压水袋内，所述细砂、所述粗砂和所述砾石的体积之和与水的体积比为1∶1，所述细砂、所述粗砂和所述砾石的质量比为2∶2∶1；

所述承压水袋的后侧壁设置有疏水口，所述疏水口连通有疏水管的一端，所述疏水管能够将所述承压水袋内的水排出至所述模型架外；

所述疏水管上设置有球阀，所述球阀可控制所述承压水袋的疏水时间、疏水速度和疏水量；

所述疏水管的另一端连通有量杯桶，所述承压水袋的疏水量能够通过所述量杯桶进行测量；

相邻的两个所述承压水袋之间通过导管连接，所述承压水袋的左右两侧壁均连通有所述导管，相邻的两个所述承压水袋的两个所述导管通过水袋连接阀连通；

在所述底部含水层内，若干所述承压水袋由所述模型架的左端依次横向铺设至所述模型架的右端，每个所述承压水袋均可独立放水卸压用以模拟所述实际地层的底部含水层的疏水过程。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，

所述模型架为立方体的框架结构，所述模型架包括底挡板、顶挡板和两块侧挡板，所述底挡板的两端分别与两块所述侧挡板的底端连接，所述顶挡板的两端分别与两块所述侧挡板的顶端连接；

所述模型架的前表面自下而上铺设有若干前护板，每块所述前护板的两端均与两块所述侧挡板连接，所述模型架的后表面自下而上铺设有若干后护板，每块所述后护板的两端均与两块所述侧挡板连接；

每块所述后护板上均设置有多个孔。

3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，

所述底挡板、所述顶挡板、所述侧挡板、所述前护板和所述后护板均分别由U型钢制成。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，

所述底板的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏=6∶6∶4，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10%；

所述煤层的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏=6∶7∶3，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10%；

所述薄基岩层的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏=4∶5∶5，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10%；

所述厚表土层的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏=6∶9∶1，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10%。

5.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于，

在所述底板、所述煤层、所述薄基岩层和所述厚表土层内的所述相似材料在所述模型架内由下至上分层铺设，每层所述相似材料的厚度为20mm~30mm，相邻的两层所述相似材料之间均铺设有云母粉。

6.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，

所述模拟地层的长度与所述实际地层之间的几何相似比为1/（100~200），所述实际地层的密度与所述相似材料的密度相似比为1.67、时间相似比为10~14.14、应力相似比为167~334。

7.根据权利要求6所述的试验装置，其特征在于，

所述承压水袋为立方体结构。

8.根据权利要求6所述的试验装置，其特征在于，

所述承压水袋上表面开有填料口，所述填料口用于向所述承压水袋内填充水、所述细砂、所述粗砂和所述砾石，所述填料口采用填料口盖密封，所述填料口与所述填料口盖之间为螺纹连接。

9.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，

所述横向光纤在所述底板设置有1条、在所述薄基岩层和所述厚表土层内分别布置1~3条，每条所述横向光纤均横向布置，所述竖向光纤由左到右布置6-10条，每条所述竖向光纤均竖向布置；

当所述薄基岩层和所述厚表土层内所述横向光纤的数量大于1条时，所述薄基岩层或所述厚表土层内相邻的两条所述横向光纤之间的垂直距离为200mm~500mm；

相邻的两条所述竖向光纤之间的垂直距离为200mm~500mm；

在所述模拟地层内，所述横向光纤和所述竖向光纤为一整根分布式光纤，所述分布式光纤通过折线形式布置；

所述分布式光纤在转角处均采用圆弧形过渡，所述圆弧的角度为90度，所述圆弧的半径为50mm~100mm；

所有所述横向光纤和所述竖向光纤的轴线位于一个竖向的平面内。

10.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，

在所述模型架的上部设置有光纤悬挂绳，所述光纤悬挂绳用于固定所述竖向光纤的顶端；

在所述模型架的底部设置有若干固定砖，所述固定砖用于固定所述竖向光纤的底端；

所述固定砖的长度与相邻的两条所述竖向光纤之间的垂直距离相同，所述固定砖的两端采用软泡沫包裹。

11.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，

所述数据监测系统还包括若干应变片，若干所述应变片均布置在所述模拟地层内，若干所述应变片均与所述数据采集器通讯连接；

所述应变片在底板内布置有1排，应变片在所述薄基岩层和所述厚表土层内分别布置1~2排，每排应变片均是横向布置，每排内相邻的两个所述应变片之间的距离为200mm~400mm，当薄基岩层和厚表土层内布置有两排应变片时，两排所述应变片之间的垂直距离为300mm~600mm；

所述应变片为康铜丝应变片；

所有所述应变片的中心位于一个竖向的平面内。

12.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，

所述数据监测系统还包括若干土压力盒，若干所述土压力盒均布置在所述模拟地层内，若干所述土压力盒均与所述数据采集器通讯连接；

在所述底板、所述薄基岩层、所述厚表土层内分别布置1排所述土压力盒，每排所述土压力盒均横向布置，每排内相邻的两个所述土压力盒之间的距离为200mm~400mm；

所述土压力盒的直径为15mm~20mm、高度为6mm~10mm、量程为0.1MPa~1MPa；

所有所述土压力盒的中心位于一个竖向的平面内。

13.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，

还包括变形监测系统，所述变形监测系统包括若干条表面监测线，若干条所述表面监测线均匀布置在所述模拟地层的前表面，其中，部分所述表面监测线横向布置、其他所述表面监测线竖向布置，横向布置的所述表面监测线与竖向布置的所述表面监测线的交点处均设置有表面监测点，每个所述表面监测点设置有一个测标；

横向布置的所述表面监测线与竖向布置的所述表面监测线均正交设置；

相邻的两条横向布置的所述表面监测线之间的垂直距离为50mm~100mm，相邻的两条竖向布置的所述表面监测线之间的垂直距离为50mm~100mm；

所述变形监测系统还包括数字相机，所述数字相机能够对所述表面监测点和所述表面监测线进行拍摄，通过若干所述测标的移动监测试验过程中所述模拟地层的移动变形，通过所述表面监测线的变形和断裂监测试验过程中所述模拟地层的土体垮落和裂隙扩展。

14.利用权利要求1至13中的任一项所述的模型试验装置进行厚表土薄基岩底部含水层疏水规律试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）确定相似比：采用方程分析法和量纲分析法推导厚表土薄基岩底部含水层疏水规律试验的相似准则；

（2）选择模型架：选择并安装模型架，模型架的规格根据实际地层尺寸及几何相似比确定；

（3）配料：根据相似准则和实际地质条件配制模拟地层的相似材料；

（4）布置竖向光纤：借助光纤悬挂绳和固定砖在模型架内布置竖向光纤；

（5）安装前护板和后护板：清理底挡板、侧挡板、前护板和后护板，在前护板和后护板内侧涂刷润滑油防止护板与模拟地层粘结，首先在模型架前表面安装一块前护板，在模型架的后表面安装一块后护板；

（6）填料：在模型架内由下至上依次铺设底板的相似材料、煤层的相似材料和薄基岩层的相似材料，在薄基岩层的上方由左至右安装底部含水层的承压水袋，相邻的两条竖向光纤之间安装一个承压水袋，若干承压水袋覆盖在薄基岩层的相似材料之上，然后在底部含水层的上方铺设厚表土层的相似材料至模型设计高度并压实、压平；

在填料过程中，随着模拟地层相似材料的铺设，由下至上依次安装前护板和后护板；

在铺设相似材料和承压水袋的同时铺设横向光纤、应变片和土压力盒，竖向光纤、横向光纤、应变片和土压力盒均为监测元件，所有监测元件的引线经后护板上的传感器出线孔引出并与数据采集器连接，承压水袋的疏水管经后护板上的疏水管引出孔引出并在疏水管的末端接上球阀；

（7）加重：待模拟地层的相似材料铺设到模型设定高度后，在相似材料的上面覆盖胶皮，然后在胶皮上方铺设配重块，通过配重块对模拟地层施加自重应力；

（8）养护：完成步骤（7）后养护7~14天，期间应记录每天的温度、湿度；

（9）拆模：在完成步骤（8）后由上至下每天拆除一块前护板和一块后护板，与配重块和底部含水层对应的前护板和后护板不可拆除；

（10）风干：在完成步骤（9）后继续风干3~5天至模型的相似材料达到设计强度；

（11）监测点的布设：在模拟地层的前表面刷白色碳酸钙，然后在模拟地层的前表面布设表面监测线并设置监测点，在监测点上设置测标，在模型架的底挡板、顶挡板和侧挡板上分别粘贴若干参考点，在试验前利用数字相机对所有测标进行拍摄，并采集两次各监测点的位置数据；

（12）煤层开采试验：根据实际煤层工作面开采尺寸确定模拟地层中煤层的开采范围，从煤层开切眼处开始将煤层掏出，每两小时开采一次，每次开采50mm~100mm，每次的开采速度由实际开采速度与时间相似比确定，每次开采完后利用数字相机对所有测标和表面监测线进行拍摄，直至工作面全部采完，最后等煤层上方的土体移动稳定后再观测其整体移动变形情况；

（13）底含疏水试验：在进行步骤（12）过程中，当薄基岩层的竖向裂纹扩展到承压水袋位置时，将下方出现竖向裂纹的承压水袋的球阀打开进行疏水，通过对承压水袋的非均匀放水模拟承压水疏水过程，直至模拟地层移动完全；

（14）拆模：待模型煤层开采和底含疏水试验结束，继续监测3~5天直至模拟地层移动完全，然后拆卸配重块，由上至下依次按层剥离模拟地层，每次剥离100mm，每次剥离后观测剥离面内的裂隙分布，确定该层的裂隙分布范围和裂隙宽度，以研究煤层开采和底含疏水过程中的地层裂隙演化规律；

试验过程中各监测元件实时获取相应监测数据。

15.根据权利要求14所述的模型试验装置进行厚表土薄基岩底部含水层疏水规律试验的方法，其特征在于，

在所述步骤（6）中，相似材料填入模型架的时候从下往上分层依次填入，填入的时候每层填20mm~30mm，每层土体铺设后进行找平压密，相邻的两层相似材料之间加入云母粉，每一层相似材料的制作工作在15min内完成，直到模型架全部填满相似材料。

16.根据权利要求14所述的模型试验装置进行厚表土薄基岩底部含水层疏水规律试验的方法，其特征在于，

在所述步骤（11）中，相邻的两个监测点之间的距离为50mm ~100mm。

17.根据权利要求14所述的模型试验装置进行厚表土薄基岩底部含水层疏水规律试验的方法，其特征在于，

在所述步骤（13）中，承压水袋按照1000ml/h~2000ml/h的流速进行疏水。

Images