CN114112694B - 一种分布式地下水库安全距离试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种分布式地下水库安全距离试验装置及方法，该试验装置包括试验平台，所述试验平台上通过模型架围成有试验空间；煤岩层相似模拟结构，其设置在所述试验空间中，其包括由上至下重叠设置的上覆岩层模拟结构、上煤层模拟结构、中间岩层模拟结构、下煤层模拟结构以及底板模拟结构；地下水库模拟结构，所述地下水库模拟结构设置在所述上煤层模拟结构内部的一侧；应力应变监测系统，所述应力应变监测系统用于监测所述中间岩层模拟结构中的应力应变；其中，所述下煤层模拟结构为能够模拟煤层开挖的活动式结构。基于本发明的技术方案，能够实现对地下水库水平方向的安全距离进行合理测算，指导地下水库的规划、设计与建设。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采水资源保护技术领域，特别地涉及一种分布式地下水库安全距离试验装置及方法。
背景技术
基于我国水资源与煤炭资源呈逆向分布、中西部富煤地区多处于干旱和半干旱的生态脆弱区，水资源短缺且地表生态脆弱、主要煤炭基地水资源严重短缺的情况，我国煤炭主产矿区必须以煤炭绿色开采理念为指导，采用适合于西部矿区的煤炭开采与水资源协调技术发展煤炭产业。
其中，建设煤矿地下水库成是解决这些地区生产生活中缺水问题的一种有效技术途径。煤矿地下水库坝体由工作面开采留设的煤柱与人工坝体组合而成，坝体的主体部分为煤柱坝体，利用煤炭开采形成的安全煤柱或防水煤柱改造建设。与传统地面水库坝体仅受水压和坝体自重作用相比，煤矿地下水库坝体由于受地应力、矿压、垮落岩体侧向压力、水压、地震或矿震等作用而处于十分复杂的应力环境。
煤矿中通常含有多个煤层。在上层煤已经建设地下水库的情况下，下层煤的开采会使得上下煤层间岩体的应力场和裂隙场产生巨大变化。为保证上层地下水库的安全性，下层煤的开采或下层地下水库的建设必须与上层地下水库保持一定的水平距离，该距离即为上下层地下水库间的安全距离，所以需要一种有效的模拟试验装置与方法来进行分布式地下水库安全距离的模拟分析。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种分布式地下水库安全距离试验装置及方法，能够实现对地下水库水平安全距离进行合理测算，指导地下水库的规划、设计与建设。
本发明的一种分布式地下水库安全距离试验装置，包括：
试验平台，所述试验平台上通过模型架围成有试验空间；
煤岩层相似模拟结构，所述煤岩层相似模拟结构设置在所述试验空间中，其包括由上至下重叠设置的上覆岩层模拟结构、上煤层模拟结构、中间岩层模拟结构、下煤层模拟结构以及底板模拟结构；
地下水库模拟结构，所述地下水库模拟结构设置在所述上煤层模拟结构内部的一侧；
应力应变监测系统，所述应力应变监测系统用于监测所述中间岩层模拟结构中的应力应变；
其中，所述下煤层模拟结构为能够模拟煤层开挖的活动式结构。
在一个实施方式中，所述下煤层模拟结构由多个平铺的PVC管构成，所述PVC管用于在被抽出时模拟煤层开挖。
在一个实施方式中，除所述下煤层模拟结构以外的其他岩层模拟结构均由相同种类的模拟材料按各自对应的重量配比混合浇筑而成；
其中，模拟材料包括中砂、重晶石粉、滑石粉、凡士林、硅油、水泥和水。
在一个实施方式中，所述地下水库模拟结构包括：
模拟坝体，所述模拟坝体设置在所述上煤层模拟结构内部的一侧，所述模拟坝体的两侧为第一模拟采空区与靠近所述模型架的第二模拟采空区；
梯度水平应力加载系统，所述梯度水平应力加载系统设置在第二模拟采空区中，用于模拟地下水库的水压。
在一个实施方式中，所述梯度水平应力加载系统包括上下重叠设置的多个柔性气囊，所述柔性气囊上设置有注气口与压力监测表；
其中，所述注气口通过通气管路连接有外部的氮气瓶，所述压力监测表穿过所述模型架至外部。
在一个实施方式中，所述应力应变监测系统包括：
应变花，所述应变花为多个，所述多个应变花均匀分布在所述中间岩层模拟结构中心处的垂直断面上；
数据采集装置，所述数据采集装置通过线缆与所述应变花连接。
在一个实施方式中，所述模型架包括模型框架，所述模型框架上沿周向依次设置的第一挡板、第二挡板、第三挡板与第四挡板；
其中，所述第一挡板与所述第三挡板为与所述模型框架固定连接的透明有机玻璃板，所述第二挡板与所述第四挡板为能够从所述模型框架上抽出的铁板，所述第二挡板或所述第四挡板靠近所述地下水库模拟结构。
本发明的一种分布式地下水库安全距离试验方法，其应用于上述的试验装置，包括：
步骤S1：确定所要模拟的分布式地下水库，获取地层条件及岩层力学参数，结合钻孔柱状图，确定对应岩层模拟结构的模拟材料重量配比并配置出相应的相似材料；
步骤S2：利用所述相似材料以及PVC管，在试验平台的试验空间中由下至上构筑出各岩层模拟结构，并对应设置地下水库模拟结构与应力应变监测系统，其中在构筑中间岩层模拟结构时，在其内部布置粘贴应变花；
步骤S3：打开氮气瓶向所述地下水库模拟结构通气，通过逐次抽取下煤层模拟结构中的所述PVC管来模拟下煤层开挖；
步骤S4：通过所述应力应变监测系统记录观测模拟开挖过程中所述中间岩层模拟结构的应力应变数据并计算分析其变化情况，在所述中间岩层模拟结构的应力应变的值发生突变时，此时所述PVC管抽取位置与模拟坝体之间的距离即为最小安全距离。
在一个实施方式中，步骤S1中，配置所述相似材料时，所述模拟材料的混合顺序为中砂、重晶石—滑石粉—水泥—水—凡士林—硅油。
在一个实施方式中，步骤S2中，在布置粘贴所述应变花时，在所述应变花上覆盖防潮保护层。
在一个实施方式中，步骤S3中，抽取所述下煤层模拟结构中的所述PVC管时，从所述下煤层模拟结构中远离地下水库模拟结构的位置开始并在水平方向上逐渐靠近所述地下水库模拟结构。
在一个实施方式中，通过调节所述地下水库模拟结构中的柔性气囊内的气压来模拟分布式地下水库不同的储水高度。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明提供的一种分布式地下水库安全距离试验装置及方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：
本发明的一种分布式地下水库安全距离试验装置及方法，根据实际的地层条件、岩层力学参数来对应制作各个岩层模拟结构，各个岩层模拟结构重叠形成对实际地层的相似模拟。同时，将对应下煤层的岩层模拟结构设置为能够模拟煤层开挖的活动式结构，并在对应的岩层模拟结构设置地下水库模拟结构与应力应变监测系统，实现对地下水库水平方向的安全距离进行合理测算，指导地下水库的规划、设计与建设。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1显示了本发明的试验装置的结构剖视图；
图2显示了本发明的试验装置中的应变花布设示意图；
图3显示了本发明的试验装置中的柔性气囊的结构示意图；
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
附图标记：
1-试验平台，2-模型架，21-模型框架，22-第一挡板，23-第二挡板，24-第四挡板，3-煤岩层相似模拟结构，31-上覆岩层模拟结构，32-上煤层模拟结构，33-中间岩层模拟结构，34-下煤层模拟结构，35-底板模拟结，4-地下水库模拟结构，41-模拟坝体，42-第一模拟采空区，43-第二模拟采空区，44-柔性气囊，441-注气口，442-压力监测表，5应力应变监测系统，51-应变花，52-数据采集装置，6-通气管路，7-氮气瓶。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如附图图1所示，本发明的一种分布式地下水库安全距离试验装置，包括：
试验平台1，试验平台1上通过模型架2围成有试验空间；
煤岩层相似模拟结构3，煤岩层相似模拟结构3设置在试验空间中，其包括由上至下重叠设置的上覆岩层模拟结构31、上煤层模拟结构32、中间岩层模拟结构33、下煤层模拟结构34以及底板模拟结35构；
地下水库模拟结构4，地下水库模拟结构4设置在上煤层模拟结构32内部的一侧；
应力应变监测系统5，应力应变监测系统5用于监测中间岩层模拟结构33中的应力应变；
其中，下煤层模拟结构34为能够模拟煤层开挖的活动式结构。
具体地，本发明中，煤岩层相似模拟结构3中的各岩层模拟结构对应模拟实际的地层结构。其中，地下水库模拟结构4模拟上煤层中已建设的地下水库，下煤层模拟结构34模拟下煤层。通过下煤层模拟结构34的活动式结构模拟煤层开挖，模拟煤层开挖从远离地下水库模拟结构4的一侧开始。
在煤层开挖时，应力应变监测系统5监测上下煤层之间的岩层(中间岩层模拟结构33)中的应力应变。随着下煤层模拟结构34的模拟煤层开挖逐步推进，当应力应变监测系统5监测到中间岩层模拟结构33中的应力应变发生突变时，此时煤层开挖的位置距离地下水库模拟结构4之间的水平距离即为最小安全距离。一旦超过该最小安全距离，那么中间岩层模拟结构33将可能出现坍塌。以此最小安全距离指导实际煤炭开采中，不同地层中的分布式煤矿地下水库之间水平方向上安全的建设距离。
在一个实施例中，下煤层模拟结构34由多个平铺的PVC管构成，PVC管用于在被抽出时模拟煤层开挖。
具体地，下煤层模拟结构34中的多个PVC管依次平铺，PVC管的平铺方向是沿靠近或远离地下水库模拟结构4的方向。在模拟煤层开挖时，通过依次抽出PVC管来模拟煤炭开采后形成的采空区(附图图1中下煤层模拟结构34的左侧空白处)，每次抽出一根PVC管，从下煤层模拟结构34中水平方向上最远离地下水库模拟结构4的PVC管开始抽取。
需要说明的是，模型架2上对应下煤层模拟结构34处开设有用于抽取PVC管的开口。同时，本发明也不局限于PVC管，PVC管可以用任何其他管材或者能够实现抽取的构件代替。
在一个实施例中，除下煤层模拟结构34以外的其他岩层模拟结构均由相同种类的模拟材料按各自对应的重量配比混合浇筑而成；
其中，模拟材料包括中砂、重晶石粉、滑石粉、凡士林、硅油、水泥和水。
具体地，根据所模拟的地层的具体岩层力学参数、地层条件，确定各个岩层模拟结构的模拟材料重量配比，以此形成对应所模拟岩层的相似材料。
在一个实施例中，地下水库模拟结构4包括：
模拟坝体41，模拟坝体41设置在上煤层模拟结构32内部的一侧，模拟坝体41的两侧为第一模拟采空区42与靠近模型架2的第二模拟采空区43；
梯度水平应力加载系统，梯度水平应力加载系统设置在第二模拟采空区43中，用于模拟地下水库的水压。
具体地，如附图图1所示，模拟坝体41的两侧分别为第一模拟采空区42与第二模拟采空区43。其中，第一模拟采空区42模拟实际地下水库对应的巷道，第二模拟采空区43模拟实际地下水库的蓄水区，将梯度水平应力加载系统设置在第二模拟采空区43中对模拟坝体41施加侧压以模拟实际的水压。
地下水库模拟结构4在浇筑上煤层模拟结构32时就需要进行设置，具体来说，将梯度水平应力加载系统放置在第二模拟采空区43对应的位置；而第一模拟采空区42对应的位置通过放置支撑结构来形成，待其四周的岩层模拟结构固化后取出支撑结构，所以模型架2上需要开设用于取出支撑结构的开口。
在一个实施例中，梯度水平应力加载系统包括上下重叠设置的多个柔性气囊44，柔性气囊44上设置有注气口441与压力监测表442；
其中，注气口441通过通气管路6连接有外部的氮气瓶7，压力监测表442穿过模型架2至外部。
具体地，通过氮气瓶7、通气管路6、注气口441向柔性气囊44通气，以增加柔性气囊44的内部压力，从而使柔性气囊44膨胀并挤压模拟坝体41，实现对现实地下水库的蓄水对坝体的水压以及垮落岩体产生的侧向压力等；压力监测表442用于实时监测柔性气囊44内部的气压大小。模型架2上对应开设供通气管路6、压力监测表442穿过的通孔。
在一个实施例中，应力应变监测系统5包括：
应变花51，应变花51为多个，多个应变花51均匀分布在中间岩层模拟结构33中心处的垂直断面上；
数据采集装置52，数据采集装置52通过线缆与应变花51连接。
具体地，应变花51的分布情况如附图图2所示，其用于采集中间岩层模拟结构33因为下煤层模拟结构34的模拟煤层开挖而产生的应力应变数据，并传递至数据采集装置52，数据采集装置52连接于外部的计算机，进而可以对应力应变数据进行计算分析得出其变化情况。
进一步地，应变花51外部覆盖防潮保护层，防潮保护层采用硅胶。模型架2上对应开设供线缆穿过的通孔。
在一个实施例中，模型架2包括模型框架21，模型框架21上沿周向依次设置的第一挡板22、第二挡板23、第三挡板与第四挡板24；
其中，第一挡板22与第三挡板为与模型框架21固定连接的透明有机玻璃板，第二挡板23与第四挡板24为能够从模型框架21上抽出的铁板，第二挡板23或第四挡板24靠近地下水库模拟结构4。
具体地，第一挡板22与第三挡板(因附图为剖面图，故未示出)为透明有机玻璃板，方便试验人员直观的观察试验装置的内部情况；第二挡板23与第四挡板24能够相对模型框架21抽出，便于在试验后对试验装置的清理。
本发明的一种分布式地下水库安全距离试验方法，其应用于上述的试验装置，包括：
步骤S1：确定所要模拟的分布式地下水库，获取地层条件及岩层力学参数，结合钻孔柱状图，确定对应岩层模拟结构的模拟材料重量配比并配置出相应的相似材料，配置相似材料时，模拟材料的混合顺序为中砂、重晶石—滑石粉—水泥—水—凡士林—硅油。
步骤S2：利用相似材料以及PVC管，在试验平台的试验空间中由下至上构筑出各岩层模拟结构，并对应设置地下水库模拟结构与应力应变监测系统，其中在构筑中间岩层模拟结构时，在其内部布置粘贴应变花，并在应变花上覆盖防潮保护层；
步骤S3：打开氮气瓶向地下水库模拟结构通气，通过逐次抽取下煤层模拟结构中的PVC管来模拟下煤层开挖，抽取PVC管时，从下煤层模拟结构中远离地下水库模拟结构的位置开始并在水平方向上逐渐靠近地下水库模拟结构；
步骤S4：通过应力应变监测系统记录观测模拟开挖过程中中间岩层模拟结构的应力应变数据并计算分析其变化情况，在中间岩层模拟结构的应力应变的值发生突变时，此时PVC管抽取位置与模拟坝体之间的距离即为最小安全距离。
进一步地，试验过程中，通过调节地下水库模拟结构中的柔性气囊内的气压来模拟分布式地下水库不同的储水高度。
具体地，实际的分布式地下水库中，储水高度越高，则水压越大，进而通过调节柔性气囊内的气压来模拟不同大小的水压，依次模拟分布式地下水库不同的储水高度。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.一种分布式地下水库安全距离试验方法，应用于分布式地下水库安全距离试验装置，其特征在于，所述试验装置包括：
试验平台，所述试验平台上通过模型架围成有试验空间；
煤岩层相似模拟结构，所述煤岩层相似模拟结构设置在所述试验空间中，其包括由上至下重叠设置的上覆岩层模拟结构、上煤层模拟结构、中间岩层模拟结构、下煤层模拟结构以及底板模拟结构，所述下煤层模拟结构为能够模拟煤层开挖的活动式结构；
地下水库模拟结构，所述地下水库模拟结构设置在所述上煤层模拟结构内部的一侧；
应力应变监测系统，所述应力应变监测系统用于监测所述中间岩层模拟结构中的应力应变；
其中，所述下煤层模拟结构由多个平铺的PVC管构成，所述PVC管用于在被抽出时模拟煤层开挖；
所述地下水库模拟结构包括模拟坝体，所述模拟坝体设置在所述上煤层模拟结构内部的一侧，所述模拟坝体的两侧为第一模拟采空区与靠近所述模型架的第二模拟采空区；
所述试验方法包括：
步骤S1：确定所要模拟的分布式地下水库，获取地层条件及岩层力学参数，结合钻孔柱状图，确定对应岩层模拟结构的模拟材料重量配比并配置出相应的相似材料；
步骤S2：利用所述相似材料以及PVC管，在试验平台的试验空间中由下至上构筑出各岩层模拟结构，并对应设置地下水库模拟结构与应力应变监测系统，其中在构筑中间岩层模拟结构时，在其内部布置粘贴应变花；
步骤S3：打开氮气瓶向所述地下水库模拟结构通气，通过逐次抽取下煤层模拟结构中的所述PVC管来模拟下煤层开挖；
步骤S4：通过所述应力应变监测系统记录观测模拟开挖过程中所述中间岩层模拟结构的应力应变数据并计算分析其变化情况，在所述中间岩层模拟结构的应力应变的值发生突变时，此时所述PVC管抽取位置与模拟坝体之间的距离即为最小安全距离。
2.根据权利要求1所述的分布式地下水库安全距离试验方法，其特征在于，除所述下煤层模拟结构以外的其他岩层模拟结构均由相同种类的模拟材料按各自对应的重量配比混合浇筑而成；
其中，模拟材料包括中砂、重晶石粉、滑石粉、凡士林、硅油、水泥和水。
3.根据权利要求1所述的分布式地下水库安全距离试验方法，其特征在于，所述地下水库模拟结构还包括：
梯度水平应力加载系统，所述梯度水平应力加载系统设置在第二模拟采空区中，用于模拟地下水库的水压。
4.根据权利要求3所述的分布式地下水库安全距离试验方法，其特征在于，所述梯度水平应力加载系统包括上下重叠设置的多个柔性气囊，所述柔性气囊上设置有注气口与压力监测表；
其中，所述注气口通过通气管路连接有外部的氮气瓶，所述压力监测表穿过所述模型架至外部。
5.根据权利要求1所述的分布式地下水库安全距离试验方法，其特征在于，所述应力应变监测系统包括：
应变花，所述应变花为多个，多个所述应变花均匀分布在所述中间岩层模拟结构中心处的垂直断面上；
数据采集装置，所述数据采集装置通过线缆与所述应变花连接。
6.根据权利要求1所述的分布式地下水库安全距离试验方法，其特征在于，所述模型架包括模型框架，所述模型框架上沿周向依次设置有第一挡板、第二挡板、第三挡板与第四挡板；
其中，所述第一挡板与所述第三挡板为与所述模型框架固定连接的透明有机玻璃板，所述第二挡板与所述第四挡板为能够从所述模型框架上抽出的铁板，所述第二挡板或所述第四挡板靠近所述地下水库模拟结构。
7.根据权利要求1所述的分布式地下水库安全距离试验方法，其特征在于，步骤S1中，配置所述相似材料时，所述模拟材料的混合顺序为中砂、重晶石—滑石粉—水泥—水—凡士林—硅油。
8.根据权利要求1所述的分布式地下水库安全距离试验方法，其特征在于，步骤S2中，在布置粘贴所述应变花时，在所述应变花上覆盖防潮保护层。
9.根据权利要求1所述的分布式地下水库安全距离试验方法，其特征在于，步骤S3中，抽取所述下煤层模拟结构中的所述PVC管时，从所述下煤层模拟结构中远离地下水库模拟结构的位置开始并在水平方向上逐渐靠近所述地下水库模拟结构。
10.根据权利要求1或7至9任一项所述的分布式地下水库安全距离试验方法，其特征在于，通过调节所述地下水库模拟结构中的柔性气囊内的气压来模拟分布式地下水库不同的储水高度。
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