CN112683680A - 一种矿井水害动水封堵的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种矿井水害动水封堵的试验装置及方法。包括：实验舱，其内设置有投料腔以及与所述投料腔相连的投料口；其进水口连接两组蓄能器，分别为第一蓄能器组和第二蓄能器组，所述第一蓄能器组和第二蓄能器组并联；所述实验舱的进水侧和出水侧分别连接有压力传感器，所述实验舱至少在进水侧设置有流量传感器；回流节流阀组，与所述实验舱进水口连接，用于调节进入所述实验舱的流量；因此，本发明相对于现有技术具有以下优点：1.各种工艺的效果如何，封堵建造过程的作用及机理可通过试验后现场剖开检查验证；2、可以进行大量的试验来对工艺进行改进；3、试验可在实验室进行，极大的减少了所耗费人力和物力。
Description
技术领域
本发明涉及一种试验装置及方法，属于煤矿技术领域，具体是涉及一种矿井水害动水封堵的试验装置及方法。
背景技术
矿井水害是我国井工矿山生产的主要灾害之一。我国原煤总产量的90％以上属井工开采。受断层、陷落柱等地质构造的影响，井工矿山在采掘生产过程中常常发生大小不等的各种水害，对人员、设备的安全生产起着极大的威胁。
矿井水害在灾害发生期间及在灾害发生后，常规的抢险救援方法一般分为两大类：一类是是等待淹没过程结束后，再进行“静水”状态下的过水通道封堵体建造及检验，成功后再排水复矿；另一类在矿井尚有人员及其生存空间、邻矿连通、本矿多工作面生产的条件下，矿井必须进行大流量排水抢险以最大可能的救援涉险人员并减少财产损失。
而在第二种情况下，如果突水水源水量巨大(如地表水库、河流，地下岩溶系统等)，则需在动水条件下快速有效封堵水流通道，给抢险救灾提供有力保障，对生产恢复提供有利条件。
长期以来，一线抢险人员及科研人员采用了通过钻孔至水流通道，采用投放骨料及其他辅料(黄豆、海带、铁链等)、注浆(化学注浆、水泥-水玻璃双液注浆、水泥单液注浆等)固结、投袋控制注浆等方法对此类灾害进行处理。
在动水条件下的封堵体建造是非常困难的，目前因无室内试验装置，各种工艺方法只能通过现场施工来进行试验。这包含着许多不合理因素：
1、各种工艺的效果如何，封堵建造过程的作用及机理无法通过后期现场剖开检查验证；
2、无法进行室内试验来对工艺进行改进；
3、试验只能结合堵水工程进行且耗资巨大。
为了科学的对上述救援方法进行研究，需要一种研究平台，可对动水条件下的过水通道封堵体建造工艺、材料及质量检验方法进行物理试验模拟。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的上述的技术问题，提供了一种矿井水害动水封堵的试验装置及方法。
为解决上述问题，本发明的方案是：
一种矿井水害动水封堵的试验装置，包括：
实验舱，其内设置有投料腔以及与所述投料腔相连的投料口；其进水口连接两组蓄能器，分别为第一蓄能器组和第二蓄能器组，所述第一蓄能器组和第二蓄能器组并联；所述实验舱的进水侧和出水侧分别连接有压力传感器，所述实验舱至少在进水侧设置有流量传感器；
回流节流阀组，与所述实验舱进水口连接，用于调节进入所述实验舱的流量。
优选的，上述的一种矿井水害动水封堵的试验装置，所述实验舱为多节结构，各单节实验舱串联，每节实验舱内设置有由砌块堆成的流体通道，每节实验舱设置有投料口。
优选的，上述的一种矿井水害动水封堵的试验装置，所述实验舱内设置有测试槽，所述测试槽呈V形与实验舱内的模拟巷道正交布设，上下横槽与两侧立槽相错布设，可模拟巷道磨阻条件及布设有关测试传感器。
一种矿井水害动水封堵的试验方法，基于一试验装置，所述试验装置包括：
实验舱，其内设置有投料腔以及与所述投料腔相连的投料口；其进水口连接两组蓄能器，分别为第一蓄能器组和第二蓄能器组，所述第一蓄能器组和第二蓄能器组并联；
包括：
参数设定步骤，设定试验启动压力为试验的排水控制高程水位压力P2，试验停止压力为突水水源水位压力P1，等分启动压力与停止压力的差以用于判定回流开关泄流的压力条件，自动均分压力，按序依次执行分流；
蓄能启动步骤，按档位开启供水泵并监测流量与压力，调节控制回流阀直至实验舱内压力达到试验启动压力P2，发出信号可以进行封堵体建造试验；
投料封堵步骤，打开投料舱口并进行封堵体建造试验，记录水源压力值、控制压力值和流量值；
分流减压步骤，当实验舱两端压力差达到预设值时，按P1与P2的压力差均分三步执行分流至水源端压力达到实验停止压力，记录各分流阀动作信息以推算封堵体流量减少值。
优选的，上述的一种矿井水害动水封堵的试验方法，所述试验启动压力为模拟矿井动水条件封堵体建造的封堵点与排水控制高程水位的高程差等效的压力。
优选的，上述的一种矿井水害动水封堵的试验装置，所述试验停止压力为模拟矿井动水条件封堵体建造的封堵点与补给水源恢复水位的水位高程差等效的压力。
因此，本发明相对于现有技术具有以下优点：1.各种工艺的效果如何，封堵建造过程的作用及机理可通过试验后现场剖开检查验证；2、可以进行大量的试验来对工艺进行改进；3、试验可在实验室进行，极大的减少了所耗费人力和物力。
附图说明
并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。
图1例示了本发明实施例中的是矿井在动水条件下进行过水通道封堵体建造的示意图；
图2例示了本发明实施例中的试验装置物理模拟系统组成及原理示意图；
图3例示了本发明实施例中的实验舱单节示意图，其中(2)是沿(1)中的A-A线剖视图；
图4例示了本发明实施例中的实验舱组装图，其中(2)是沿(1)中的A-A线剖视图；
图5例示了本发明实施例中的物理模拟试验的压力-时间图示意图。
将参照附图描述本发明的实施例。
具体实施方式
实施例
图1是矿井在动水条件下进行过水通道封堵体建造的示意图。图中模拟了一个煤层底板灰岩岩溶水突水灾害抢险救援的案例。案例中岩溶水水源水位较高，如果等待矿井水流静止再进行水源封堵则可能造成上部矿井涉险人员的伤害及本矿井或邻矿生产区域的淹没破坏。因此矿井需要进行控制水位排水并进行封堵体建造。
在动水条件下的矿井过水通道封堵体快速建造是矿井水害事故发生时，采用在一定高程点控制排水(避免造成更大的伤害)而进行的抢险工程。其过程主要特征有以下两点：1、封堵体在建造开始时，以封堵体建造点(以下简称封堵点)的高程为0计算，封堵点需承受的水压条件为封堵点与控制排水点的水位高程差，过水流量为控制排水点排水量；2、封堵体在建造完成时，以封堵体建造点的高程为0计算，封堵体需承受的水压条件为封堵点与补给水源恢复水位(可从矿山水文地质资料中获取)的水位高程差，过水流量基本为零。其工程过程就是基于上述两个条件之间的变化过程，即封堵点两侧水位在不断拉开(水源端不断上升)，封堵点过水流量不断减少的过程。
要模拟上述封堵体建造及检验过程，需满足以下几个条件：
1、有满足相似条件的过水通道(巷道)；
2、有满足相似条件的过水通道内的水流流速；
3、有满足相似条件的水源水压条件；
4、有满足相似条件的封堵通道。
根据力学分析，巷道封堵体建造的前期主要是缩小过水断面，后期为封堵小断面水流及延长与加固封堵体。井工矿山主要大型巷道一般约为5m宽，4m高的矩形断面。为满足实验室条件需求，试验装置采用线型比例1:10进行物理模拟，即高0.4m，宽0.5m。巷道过水水流流速按相似于大巷道流量2000m3/h设计，因面积比为1:100，试验巷道设计流量为20m3/h。
设定突水水源水位为P1，排水控制高程水位为P2，通道过水通道水流量为Q。全部封堵体建造过程可描述如下：
1、封堵体建造前期：矿井突发突水，因排水不及矿井撤出人员造成部分被淹。过水通道两侧水压一致为排水控制高程水位P2，流量一致为Q。
2、封堵体建造中期：封堵体建造过程中，过水通道逐渐缩小，在封堵体的阻尼作用下，两侧水位逐渐拉开。矿井端水位保持不变(控制水位排水)或下降(矿井追排水)；水源端水位逐步升高趋于突水水源水位P1。过水通道水流量逐渐减少。
3、封堵体建造后期：封堵体建造即将完成，过水通道时关时开，在封堵体的作用下，两侧水位快速拉开。矿井端水位保持不变(控制水位排水)或下降(矿井追排水)；水源端水位快速靠近突水水源水位P1。过水通道水流量快速减少趋于零。
依上述过程描述，试验装置物理模拟系统组成及原理如图2所示，采用计算机控制系统进行有关数据采集及电控阀门的逻辑控制。
本实施例的一种矿井水害动水封堵的试验装置，包括：实验舱，其内设置有投料腔以及与所述投料腔相连的投料口；其进水口连接两组蓄能器，分别为第一蓄能器组和第二蓄能器组，所述第一蓄能器组和第二蓄能器组并联；所述实验舱的进水侧和出水侧分别连接有压力传感器，所述实验舱至少在进水侧设置有流量传感器。
由于水是不可压缩介质，封堵时会造成压力快速上升，具有安全隐患必须进行缓冲升压。另外各矿井在堵水时出水量不同，本实验装置按等巷道流量2000m3/h(m3/小时)的流速设计，是比较困难的条件进行缓冲。而大多数的情况下，封堵体建造时，巷道流量约为200-1000m3/h之间。两套蓄能器组是根据试验流量的要求使用的。如试验流量在10m3/h时，采用一组蓄能器即可；流量大于10m3/h时，需采用两组蓄能器。这样可以较真实模拟现场各种条件。
本实施例的实验舱内设置有测试槽(测试槽呈“V”形与模拟巷道正交布设，上下横槽与两侧立槽相错布设，可模拟巷道磨阻条件及布设有关测试传感器)。
试验控制过程如下：
1)参数设定：设定蓄能器1组的启用流量值，设定蓄能器2组的启用流量值，设定实验启动压力值，设定实验停止压力值，设定实验注水量。试验启动压力为试验的排水控制高程水位P2，试验停止压力为突水水源水位P1。系统自动根据启动压力-停止压力，等分三等份用于判定回流开关泄流的压力条件，自动均分压力，按序依次执行泄流。
2)启动实验：按档位开启供水泵并监测流量与压力，调节控制回流阀至实验舱内压力达到试验启动压力P2，发出信号可以进行封堵体建造试验。在此过程中，蓄能器组根据流量波动情况进行启动缓冲。
3)启动波形图绘制，开始记录并绘制实验期间的流量值、水源压力值、控制压力值。输出如图所示的实验启动的提示信息到输出窗口，以标记提示实验过程进度。
4)在实验舱上端打开投料舱口，进行封堵体建造试验。系统实时记录水源压力值、控制压力值和流量值，并自动绘制变化曲线。
5)当实验舱两端压力拉开，水源端水压快速上升时，按设定压力值分三步执行泄流(通过实验舱水量减少)。自动记录关键泄流动作信息并输出到信息窗口，以标记提示实验过程进度。
6)当水源端压力达到实验停止压力时，最后一个溢流阀执行泄流动作并停止实验。自动记录实验停止信息并输出到信息窗口，以标记提示实验过程进度。
7)实验过程种遇到报警或者人工主动停止实验操作则直接跳到停止实验步骤。
8)停始绘制流量值、水源压力值和控制压力值曲线。
9)人工先打开回流区排水阀排泄回流区，再关闭注浆泵。
实验舱的设计如图3所示，实验舱采用筒状钢结构制作耐压装置，内径1000mm，钢板厚度16mm，每节2m长，共3节，等距加箍。设计水压最大为5MPa，内部采用混凝土预制砌块进行过水通道模拟。
图5是一次物理模拟试验的压力-时间图。在该试验中，实验条件设定为：矿井过水巷道封堵体建造位置高程低于突水水源水位高程500m，封堵体建成后承压P1为5MPa(水源压力)；矿井控制排水点高程低于突水水源水位高程300m，回水端控制压力P2为2MPa(控制水位)；实验舱过水巷道动水流量为20m3/h。试验采用钻具投袋的控制为注浆方式建造封堵体。全部实验过程如下：
1)参数设定：设定蓄能器1组的启用流量值为实验舱过水巷道流量大于10m3/h，设定蓄能器2组的启用流量值为实验舱过水巷道流量大于15m3/h，设定实验启动压力值P2为回水端控制压力2MPa，设定实验停止压力值P1为突水水源压力5MPa，设定实验为20m3/h。封堵体起作用时，其两侧压力快速拉开(水源端压力恢复上升)，过水流量会快速减少(封堵体阻水作用)，而试验系统供水流量恒定，需进行控制(不能让水源端水压下降)分流，方法为数个(在此为三个)小通径分流阀均分阶段稳定分流。
2)启动实验：按档位开启供水泵并监测流量与压力，调节控制回流阀至实验舱内压力达到试验启动压力P2，发出信号可以进行封堵体建造试验。在此过程中，蓄能器组根据流量波动情况进行启动缓冲。
3)在实验舱上端打开投料舱口进行投袋注浆封堵体建造试验。系统实时记录水源压力值、控制压力值和流量值，并自动绘制变化曲线。
4)实验舱两端压力拉开，水源端水压快速上升时，每上升1MPa则打开一个通道执行泄流(通过实验舱水量减少)。
5)当水源端压力达到实验停止压力时，最后一个溢流阀执行泄流动作并停止实验。自动记录实验停止信息并输出到信息窗口，以标记提示实验过程进度。
实验过程总耗时3小时。
注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。
1.提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
Claims (6)
1.一种矿井水害动水封堵的试验装置，其特征在于，包括：
实验舱，其内设置有投料腔以及与所述投料腔相连的投料口；其进水口连接两组蓄能器，分别为第一蓄能器组和第二蓄能器组，所述第一蓄能器组和第二蓄能器组并联；所述实验舱的进水侧和出水侧分别连接有压力传感器，所述实验舱至少在进水侧设置有流量传感器；
回流节流阀组，与所述实验舱进水口连接，用于调节进入所述实验舱的流量。
2.根据权利要求1所述的一种矿井水害动水封堵的试验装置，其特征在于，所述实验舱为多节结构，各单节实验舱串联，每节实验舱内设置有由砌块堆成的流体通道，每节实验舱设置有投料口。
3.根据权利要求1所述的一种矿井水害动水封堵的试验装置，其特征在于，所述实验舱内设置有测试槽，所述测试槽呈V形与实验舱内的模拟巷道正交布设，上下横槽与两侧立槽相错布设，可模拟巷道磨阻条件及布设有关测试传感器。
4.一种矿井水害动水封堵的试验方法，基于一试验装置，所述试验装置包括：
实验舱，其内设置有投料腔以及与所述投料腔相连的投料口；其进水口连接两组蓄能器，分别为第一蓄能器组和第二蓄能器组，所述第一蓄能器组和第二蓄能器组并联；
其特征在于，包括：
参数设定步骤，设定试验启动压力为试验的排水控制高程水位压力P2，试验停止压力为突水水源水位压力P1，等分启动压力与停止压力的差以用于判定回流开关泄流的压力条件，自动均分压力，按序依次执行分流；
蓄能启动步骤，按档位开启供水泵并监测流量与压力，调节控制回流阀直至实验舱内压力达到试验启动压力P2，发出信号可以进行封堵体建造试验；
投料封堵步骤，打开投料舱口并进行封堵体建造试验，记录水源压力值、控制压力值和流量值；
分流减压步骤，当实验舱两端压力差达到预设值时，按P1与P2的压力差均分三步执行分流至水源端压力达到实验停止压力，记录各分流阀动作信息以推算封堵体流量减少值。
5.根据权利要求4所述的一种矿井水害动水封堵的试验方法，其特征在于，所述试验启动压力为模拟矿井动水条件封堵体建造的封堵点与排水控制高程水位的高程差等效的压力。
6.根据权利要求4所述的一种矿井水害动水封堵的试验方法，其特征在于，所述试验停止压力为模拟矿井动水条件封堵体建造的封堵点与补给水源恢复水位的水位高程差等效的压力。
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