CN112362449A - 一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿底板突水实验领域，具体涉及一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置及方法。所述装置包括模拟实验机构、水囊、联通导管和压力传感器，模拟实验机构包括实验箱，实验箱内由上至下设置有顶部岩石层、粉砂岩层、细砂岩层、煤层、底部岩石层和岩溶水层，水囊设置于岩溶水层内，压力传感器设置于底部岩石层内；联通导管包括水平导管和与水平导管联通的竖直导管，水平导管穿过模拟实验机构并与水囊联通，竖直导管位于模拟实验机构外部且开口向上。根据所开采煤层水文地质条件，铺设相似材料，通过竖向加载机构模拟煤层掘进过程，监测底部岩石层应力的变化和联通导管中的水头高度，进而模拟采动对封闭岩溶水压的影响，方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿底板突水实验领域，具体涉及一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置及方法。
背景技术
岩溶水分布广泛，底板突水灾害严重影响煤矿安全高效开采，矿井突水事故的发生轻则使突水工作面关闭停产、造成矿井接续紧张、矿井排水费用急增，影响矿井正常生产；重则可能会造成淹井事故，危及国家财产和人民生命安全。准确预测底板岩溶水压是防治底板突水灾害的重要保证。相似模拟试验是以相似理论、因次分析作为依据的实验研究方法，具有直观、能解决理论分析、数值模拟难以解决的各种破坏问题。目前关于岩溶水压的相似模拟试验一般为静态，未考虑采动引起的上覆岩层运动对岩溶水压的影响。基于此，专利CN105675817A公开了一种用于模拟受采动影响煤层底板突水的试验系统，包括模拟试验装置、操作控制台和水压控制装置，操作控制台通过控制电缆分别与模拟试验装置和水压控制装置连接，水压控制装置通过进水管与模拟试验装置连接，模拟试验装置包括外框架和设在外框架内的试验台。本发明在外框架的中部设置一密封性良好的试验台，将试样放置在试验台内，施加纵向应力与横向应力，然后开挖煤层收集相关数据，模拟高水压与底板岩性变化、底板突水全过程，从而获得底板突水的相关数据。但该实验系统需要通过高强度透明板观察分析承压水的导升、扩散及渗流路径等情况，观察不便，同时水压控制系统复杂，实验系统实用性差。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置及方法，可以方便模拟采动过程中岩溶水压的变化，以便分析岩溶水压与上覆岩层运动之间的关系，结构简单。
本发明的技术方案为：
一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，包括模拟实验机构、水囊、联通导管和压力传感器，模拟实验机构包括实验箱，实验箱内由上至下设置有顶部岩石层、粉砂岩层、细砂岩层、煤层、底部岩石层和岩溶水层，水囊设置于岩溶水层内，压力传感器设置于底部岩石层内；联通导管包括水平导管和与水平导管联通的竖直导管，水平导管穿过模拟实验机构并与水囊联通，竖直导管位于模拟实验机构外部且开口向上。
进一步的，模拟实验机构上方设置有竖向加载机构。所述竖向加载机构为本领域常规结构，包括上部垫板、液压油缸和液压泵站，上部垫板下方固定设置有若干液压油缸，所述液压油缸与液压泵站连接。实验箱内部相似材料铺设完成后，在其上安装竖向加载机构，对相似材料施加竖向负荷。
进一步的，竖直导管外壁上设置有刻度。在煤层掘进过程中，监测联通导管中的水头高度。
进一步的，压力传感器与外部采集器相连，压力传感器的信号输出端与数据采集器的信号输入端连接。可以实时监测底部岩层应力变化。
进一步的，模拟实验机构还包括固定实验箱的外框架，外框架包括下板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板，通过L型角钢将下板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板焊接连接制作。增强模拟实验机构的稳固性。
本发明的另一目的在于提供一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应的实验方法，包括如下步骤：
(1)根据所开采煤层地质水文条件，确定模拟实验机构尺寸及岩溶水位置尺寸；
(2)按照相似材料准则，计算相似材料配比，并配置相应的相似材料；
(3)将水囊装满水放置于岩溶水层内，将水平导管与水囊相连，根据竖直导管中的水头高度预测岩溶水压；
(4)继续铺设底部岩石层，在底部岩石层中安装压力传感器，压力传感器与外接采集器相连，实时监测底部岩石层应力变化；继续铺设煤层、细砂岩层、粉砂岩层、顶部砂岩层，完成模拟实验机构的铺设；
(5)在煤层掘进过程中，实时监测底部岩石层应力变化，随着应力变化，记录不同时刻的应力值与联通导管中的水头高度；
(6)待开挖完毕根据采集到的数据，分别绘制工作面推进距离-应力曲线图、工作面推进距离-水头高度曲线图；
(7)对比两曲线图，评估采动对岩溶水压的影响与该采动条件下底板突水危险性。
其中，
步骤(2)中各层相似材料的用量可用下式进行计算：
Q＝l×b×m×ρm
Q-相似材料的用量，g；
l—相似层的长度，cm；
b—相似层的宽度，cm；
m—相似层的厚度，cm；
ρm—相似材料的质量密度，g/cm3。
步骤(2)制作相似材料时应满足：几何相似、运动相似、动力相似、边界条件相似以及对应的物理量成比例，具体需满足：
①模拟线
m代指模型，h代指实际；
②时间比
③容重比
本发明的有益效果在于，
(1)根据相似煤层的构造铺设相应岩层，水囊设置于岩溶水层内，压力传感器设置于底部岩石层内，联通导管包括水平导管和与水平导管联通的竖直导管，水平导管穿过模拟实验机构并与水囊联通，竖直导管位于模拟实验机构外部且开口向上，在通过竖向加载机构模拟煤层掘进过程，监测底部岩石层应力的变化和联通导管中的水头高度，进而模拟采动对封闭岩溶水压的影响；
(2)根据所开采煤层水文地质条件，铺设相似材料，模拟煤层掘进过程，根据实验方法评判采动对水压的影响以及突水危险性，简便高效。
附图说明
图1是实施例1提供的实验装置示意图；
图中：1、外框架；2、实验箱；3、压力传感器；4、水囊；5、竖直导管；6、水平导管；7、竖向加载机构；8、顶部岩石层；9、粉砂岩层；10、细砂岩层；11、煤层；12、底部岩石层；13、岩溶水层。
图2是实施例1提供的工作面推进距离与应力和水头高度曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，包括模拟实验机构、水囊4、联通导管和压力传感器3，所述模拟实验机构上部开口，模拟实验机构包括实验箱2和固定实验箱2的外框架1，实验箱2内由上至下设置有顶部岩石层8、粉砂岩层9、细砂岩层10、煤层11、底部岩石层12和岩溶水层13，外框架1包括下板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板，通过L型角钢将下板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板焊接连接制作，焊接处采用密封胶密封。模拟实验机构上方设置有竖向加载机构7。所述竖向加载机构7为本领域常规结构，包括上部垫板、液压油缸和液压泵站，上部垫板下方固定设置有若干液压油缸，所述液压油缸与液压泵站连接。实验箱内部相似材料铺设完成后，在其上安装竖向加载机构，对相似材料施加竖向负荷。水囊4设置于岩溶水层13内，联通导管包括水平导管6和与水平导管6联通的竖直导管5，水平导管6穿过模拟实验机构并与水囊4联通，联通导管的容量大于水囊4的容量，竖直导管5位于模拟实验机构外部且开口向上，并且竖直导管5外壁上设置有刻度。压力传感器3设置于底部岩石层12内，并且压力传感器3与外部采集器相连，压力传感器的信号输出端与数据采集器的信号输入端连接，可以实时监测底部岩层应力变化，同时在煤层掘进过程中，监测底部岩石层应力的变化和联通导管中的水头高度，进而模拟采动对封闭岩溶水压的影响。
实施例2
模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验方法，包括如下步骤：
(1)根据所开采煤层新驿煤矿地质水文条件，确定模拟实验机构的形状为长方体，规格为：
L*B*H＝1200mm*400mm*700mm；
(2)按照相似材料准则，计算相似材料配比，并配置相应的相似材料；
a.模拟相似材料选用石膏混凝土，采用平面应力模型；
b.根据不同的岩层配比参数，按照相似材料比例制作岩石层结构；
各层相似材料的用量可用下式进行计算：
Q＝l×b×m×ρm
Q-相似材料的用量，g；
l—相似层的长度，cm；
b—相似层的宽度，cm；
m—相似层的厚度，cm；
ρm—相似材料的质量密度，g/cm3；
模拟相似煤层的构造，采用平面应力模型，由下至上依次为岩溶水层、底部岩石层、煤层、细砂岩层、粉砂岩层和顶部岩石层，相关岩性见表1。
表1相似煤层岩性
c.制作相似材料时应满足：几何相似、运动相似、动力相似、边界条件相似、对应的物理量成比例
①模拟线比
m代指模型，h代指实际。
②时间比
即模型每三小时为现场的一昼夜。
③容重比
(3)将水囊装满水放置于岩溶水层内，将水平导管与水囊相连，根据竖直导管中的水头高度预测岩溶水压；
(4)继续铺设底部岩石层，在底部岩石层中安装压力传感器，压力传感器与外接采集器相连，实时监测底部岩石层应力变化；继续铺设煤层、细砂岩层、粉砂岩层、顶部砂岩层，完成相似材料实验箱的铺设；
(5)在煤层掘进过程中，工作面从实验箱左边界20cm位置开切，向右掘进至距边界20cm位置停采。其中，分段进行，模拟工作面掘进速度10cm/d实时监测底板应力的变化，随着底板应力的变化，记录不同时刻测得的应力值与联通导管中的水头高度；
(6)待开挖完毕根据采集到的数据，分别绘制工作面推进距离-应力曲线图、工作面推进距离-水头高度曲线图；
(7)对比曲线图(见图2)，评估采动对岩溶水压的影响与该采动条件下底板突水危险性。
通过图2可知，随采动应力的升高，底板岩溶水压显著升高，说明采动对底板岩溶水压有重要影响，增加了底板突水危害的风险。
尽管通过优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，其特征在于，包括模拟实验机构、水囊(4)、联通导管和压力传感器(3)，模拟实验机构包括实验箱(2)，实验箱(2)内由上至下依次设置有顶部岩石层(8)、粉砂岩层(9)、细砂岩层(10)、煤层(11)、底部岩石层(12)和岩溶水层(13)，水囊(4)设置于岩溶水层(13)内，压力传感器(3)设置于底部岩石层(12)内；联通导管包括水平导管(6)和与水平导管(6)联通的竖直导管(5)，水平导管(6)穿过模拟实验机构并与水囊(4)联通，竖直导管(5)位于模拟实验机构外部且开口向上。
2.根据权利要求1所述的一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，其特征在于，模拟实验机构上方设置有竖向加载机构(7)。
3.根据权利要求1所述的一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，其特征在于，竖直导管(5)外壁上设置有刻度。
4.根据权利要求1所述的一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，其特征在于，联通导管的容量大于水囊(4)的容量。
5.根据权利要求1所述的一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，其特征在于，压力传感器(3)与外部采集器相连。
6.一种根据权利要求1-5任一所述的模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据所开采煤层地质水文条件，确定模拟实验机构尺寸；
(2)按照相似材料准则，计算相似材料配比，并配置相应的相似材料；
(3)将水囊(4)装满水放置于岩溶水层(13)内，将水平导管(6)与水囊(4)相连，根据竖直导管(5)中的水头高度预测岩溶水压；
(4)继续铺设底部岩石层(12)，在底部岩石层(12)中安装压力传感器(3)，压力传感器(3)与外接采集器相连，实时监测底部岩石层应力变化；继续铺设煤层(11)、细砂岩层(10)、粉砂岩层(9)、顶部砂岩层(8)，完成模拟实验机构的铺设；
(5)在煤层掘进过程中，实时监测底部岩石层应力变化，随着应力变化，记录不同时刻的应力值与联通导管中的水头高度；
(6)待开挖完毕根据采集到的数据，分别绘制工作面推进距离-应力曲线图、工作面推进距离-水头高度曲线图；
(7)对比两曲线图，评估采动对岩溶水压的影响与该采动条件下底板突水危险性。
7.根据权利要求6所述的模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验方法，其特征在于，步骤(2)中各层相似材料的用量可用下式进行计算：
Q＝l×b×m×ρm
Q-相似材料的用量，g；
l—相似层的长度，cm；
b—相似层的宽度，cm；
m—相似层的厚度，cm；
ρm—相似材料的质量密度，g/cm3。
8.根据权利要求6所述的模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验方法，其特征在于，步骤(2)制作相似材料时应满足：几何相似、运动相似、动力相似、边界条件相似以及对应的物理量成比例，具体满足：
①模拟线
m代指模型，h代指实际；
②时间比
③容重比
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| CN116183465B (zh) * | 2023-04-23 | 2023-10-27 | 太原理工大学 | 矿井透水相似模拟实验装置及方法 |
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