CN114152507B - 一种煤矿地下水库监测模拟试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种煤矿地下水库监测模拟试验装置，属于煤矿模拟试验装置领域。包括：试验台架以及位于试验台架内由下至上依次铺装的底板岩层、煤层、间隔岩层、隔水层、含水层、表土层，其中，所述煤层包括切眼区与煤矿区；注水管，沿所述表土层向下延伸至所述含水层内，用于向含水层进行注水，所述注水管内设置第一水质监测装置；第一监测水管，安装于所述煤层的煤矿区内，用于采集流经含水层、隔水层、间隔岩层以及煤层的煤矿区的水，所述第一监测水管内设置第二水质监测装置；第二监测水管，与所述煤层的切眼区连通，用于采集流经含水层、隔水层、间隔岩层、煤层的煤矿区以及切眼区的水，所述第二监测水管内设置第三水质监测装置。本发明解决了现有煤矿地下水库监测模拟试验不能对矿井水的水质进行智能监测的问题。

Description

一种煤矿地下水库监测模拟试验装置
技术领域
本发明涉及煤矿模拟试验装置领域，特别涉及一种煤矿地下水库监测模拟试验装置。
背景技术
煤矿地下水库是一种重要的煤矿开采水资源，煤矿地下水库运行过程中，矿井水在地下水库内部的岩石裂缝和孔隙中运移，其所含悬浮物在自由沉降和岩体阻力的作用下得到去除，离子和有机物可通过与采空区岩体的水-岩耦合作用得到降低，因此，煤矿地下水库能够去除矿井水中的悬浮物、离子和有机物，进而净化矿井水。
由于煤矿地下水库属于地下工程，加上其采空区上部的上覆岩层垮落的复杂性和不可预见性，使得通常利用相似模拟试验来开展煤矿地下水库的研究。相似模拟试验是针对煤矿地下水库的主要试验研究方法之一，可通过相似模拟试验装置来模拟再现工程现场煤层开采工作面开挖实况，并观测该条件下的围岩应力应变，岩层位移和含水层的破坏，裂隙发育与导水路径等。但目前大多数相似模拟试验装置只针对煤矿地下水库的“三场”变化开展研究，并不能模拟煤矿地下水库对矿井水的净化过程。因此，有必要针对现有的相似模拟试验装置和煤矿地下水库净化试验装置的缺陷，开发一种能够兼顾两者功能，并针对煤矿地下水库“三场”和水质进行智能监测的相似模拟试验装置，实现对煤矿地下水库实时的、连续的、高效的监测，从而有利于“三场”理论和净化机理的研究，保障煤矿地下水库的正常运行和水质安全。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有煤矿地下水库监测模拟试验不能对矿井水的水质进行智能监测的问题。
针对上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种煤矿地下水库监测模拟试验装置，包括：试验台架以及位于试验台架内由下至上依次铺装的底板岩层、煤层、间隔岩层、隔水层、含水层、表土层，其中，所述煤层包括切眼区与煤矿区；注水管，沿所述表土层向下延伸至所述含水层内，用于向含水层进行注水，所述注水管内设置第一水质监测装置；第一监测水管，安装于所述煤层的煤矿区内，用于采集流经含水层、隔水层、间隔岩层以及煤层的煤矿区的水，所述第一监测水管内设置第二水质监测装置；第二监测水管，与所述煤层的切眼区连通，用于采集流经含水层、隔水层、间隔岩层、煤层的煤矿区以及切眼区的水，所述第二监测水管内设置第三水质监测装置。其中，所述第一水质监测装置用于监测含水层内的水质情况，所述第二水质监测装置用于监测经过含水层、隔水层、间隔岩层以及煤矿区的矿井水水质情况，所述第三水质监测装置则用于监测经过含水层、隔水层、间隔岩层、煤层的煤矿区以及切眼区的水质情况后的水质情况；可以得到经过该装置的煤矿区岩体净化以及经过采空区后水质的整体变化规律。
本发明的部分实施方式中，所述第二监测水管与所述煤层的切眼区通过出水管连通，所述第二监测水管与排水沟连通，所述煤层的水经过所述第二监测水管输送至所述排水沟内，以便将切眼区内积存的水快速引至第二监测水管内，避免煤层切眼区的水量过多影响试验效果。
本发明的部分实施方式中，所述第一监测水管沿所述试验台架的侧板穿入至所述煤层的煤矿区的底部，所述第一监测水管的部分区域位于所述试验台架外侧，所述第二水质监测装置位于所述第一监测水管位于所述试验台架外侧的部分区域内。
本发明的部分实施方式中，所述试验台架为长方体结构，第一监测水管沿所述试验台架的长度方向间隔设定距离布置若干个，所述第一监测水管位于所述试验台架内的长度L与所述试验台架的宽度W的关系为L≥1/2W。
本发明的部分实施方式中，所述第一监测水管位于煤层一侧的端部设有端板，所述第一监测水管的管壁上设有若干孔径低于5mm的透水孔。
本发明的部分实施方式中，所述煤矿区与所述切眼区沿所述试验台架的长度方向上布置，所述煤层与所述底板岩层的配合面沿所述试验台架的长度方向上具有坡度，所述切眼区位于所述坡面的下侧区域。
本发明的部分实施方式中，所述间隔岩层的底部布置若干组传感器单元，所述传感器单元以矩阵方式布置，所述传感器单元包括应力传感器、湿度传感器及位移传感器的一种或多种。
本发明的部分实施方式中，所述含水层包括位于中部区域的透水混凝土层以及位于透水混凝土层与所述试验台架侧板之间的密封层。
本发明的部分实施方式中，还包括加载装置，所述加载装置位于所述试验台架的顶板与所述表土层之间。
本发明的部分实施方式中，所述加载装置为覆盖于所述表土层上的气囊。
本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：
本发明提供的煤矿地下水库监测模拟试验装置中，将试验台架内按实际煤矿地下土层及水层情况进行了铺装，使各个区域对煤层的作用力以及水渗透性与实际情况基本一致，通过对比该试验台架的第一水质监测装置、第二水质监测装置以及第三水质监测装置的水质情况，可以得到经过该装置的煤矿区岩体净化以及经过采空区后水质的整体变化规律，这些分析结果对于研究煤矿地下水库对矿井水的净化作用具有科学的指导意义。
本发明提供的煤矿地下水库监测模拟试验装置中，兼顾了相似模拟试验装置和煤矿地下水库净化试验装置两者的功能，既能够更加科学的模拟由于采动影响造成上覆岩层垮落的情况，又可实现在该环境下对煤矿地下水库“三场”和水质同时进行智能监测，结论更加可靠。
附图说明
下面将通过附图详细描述本发明中优选实施例，将有助于理解本发明的目的和优点，其中:
图1为本发明提供的煤矿地下水库监测模拟试验装置的一种具体实施方式的结构示意图；
图2为本发明提供的煤矿地下水库监测模拟试验装置中含水层的俯视图；
图3为本发明提供的煤矿地下水库监测模拟试验装置中煤层的俯视图；
图4为本发明提供的煤矿地下水库监测模拟试验装置中间隔岩层内的传感器单元的布置图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1所示为本发明提供的煤矿地下水库监测模拟试验装置的一种具体实施方式，包括试验台架1以及位于试验台架1内由下至上依次铺装的底板岩层2、煤层3、间隔岩层4、隔水层5、含水层6、表土层7，通过在不同区域铺设不同材料模拟煤矿地下土层及水层分布情况，其中，所述含水层6用于模拟地下水库部分，隔水层5、间隔岩层4用于模拟地下水库与煤层3之间的土层，所述煤层3包括切眼区20与煤矿区25；还包括沿所述表土层7向下延伸至所述含水层6内的注水管19，用于向含水层6进行注水，所述注水管19内设置第一水质监测装置22a，用于监测含水层6内的水质情况；安装于所述煤层3的煤矿区25内的第一监测水管21，用于采集流经含水层6、隔水层5、间隔岩层4以及煤层3的煤矿区25的水，所述第一监测水管21内设置第二水质监测装置22b，用于监测经过含水层6、隔水层5、间隔岩层4以及煤矿区25后的水质情况；与所述煤层3的切眼区20连通的第二监测水管16，用于采集流经含水层6、隔水层5、间隔岩层4、煤层3的煤矿区25以及切眼区20的水，所述第二监测水管16内设置第三水质监测装置22c，用于监测经过含水层6、隔水层5、间隔岩层4、煤层3的煤矿区25以及切眼区20的水质情况。
具体地，所述第一水质监测装置22a、第二水质监测装置22b以及第三水质监测装置22c包括悬浮物浓度探头、离子浓度探头和有机物浓度探头。所述第一水质监测装置22a、第二水质监测装置22b以及第三水质监测装置22c分别电连接至水质监测平台24上，这样，可以通过对试验装置不同区域的水质进行实时智能监测，并将数据储存在水质监测平台24上。
上述煤矿地下水库监测模拟试验装置对应实际煤矿的各个区域的相对尺寸进行铺装，使各个区域对煤层3的作用力以及水渗透性与实际情况基本一致，通过对比该试验台架1的第一水质监测装置22a、第二水质监测装置22b以及第三水质监测装置22c的水质情况，可以得到经过该装置的煤矿区25岩体净化以及经过采空区后，水质的整体变化规律，这些分析结果对于研究煤矿地下水库对矿井水的净化作用具有科学的指导意义。
具体地，所述试验台架1为长方体结构，其长度为L，宽度为W，高度为H，采用模块化螺栓连接，其包括底板13、侧板14以及顶板15。底板岩层2、煤层3、间隔岩层4、隔水层5、含水层6、表土层7依次铺设在底板13与侧板14围成的空间内。
具体地，所述第二监测水管16与所述煤层3的切眼区20通过出水管17连通，所述第二监测水管16与排水沟18连通，所述煤层3的水经过所述第二监测水管16输送至所述排水沟18内。通过出水管17将煤层3切眼区20内的水引导至试验台架1外侧的排水沟18内，避免煤层3切眼区20的水量过多影响试验效果。更具体地，所述试验台架1的侧板14上设置若干所述出水管17，若干所述出水管17沿切眼区20的长度方向排列并位于所述切眼区20的下侧区域，以便将切眼区20内积存的水快速引至第二监测水管16内。
具体地，所述第一监测水管21的设置方式不唯一；一种具体实施方式中，所述第一监测水管21整体位于试验台架1内侧，这种方式中，第二水质监测装置22b的控制线不易引出，且出现故障时不容易维修。
为此，另一种具体实施方式中，所述第一监测水管21沿所述试验台架1的侧板14穿入至所述煤层3的煤矿区25的底部，所述第一监测水管21的部分区域位于所述试验台架1外侧，所述第二水质监测装置22b位于所述第一监测水管21位于所述试验台架1外侧的区域内。
更具体地，第一监测水管21沿所述试验台架1的长度方向间隔设定距离布置若干个，例如，第一监测水管21沿所述试验台架1的长度方向均匀地布置5个，相邻第一监测水管21的间隔距离为n，所述第一监测水管21位于所述试验台架1内的长度L与所述试验台架1的宽度W的关系为L≥1/2W，即第一监测水管21至少延伸至试验台架1宽度方向的中间位置，以保证第一监测水管21内进入水量充足同时，保证采集了大部分区域的水，通过设置多个第一监测水管21以及多个第二水质监测装置22b进行水质采集监测，可以覆盖该煤层3的煤矿区25的大部分区域，使水质监测更加准确。
为了便于第一监测水管21采集水，所述第一监测水管21位于煤层3一侧的端部设有端板，所述第一监测水管21的管壁上设有若干孔径低于5mm的透水孔，其可以使煤矿区25内的水能够沿透水孔进入到管体内部，同时较小的透水孔可以阻止大颗粒岩体进入第一监测水管21内，避免发生水管堵塞。
具体地，所述煤矿区25与所述切眼区20沿所述试验台架1的长度方向上布置，所述煤层3与所述底板岩层2的配合面沿所述试验台架1的长度方向上具有大约5°的坡度，所述切眼区20位于所述坡面的下侧区域，通过设置成坡面结构，便于煤矿区25的水体沿坡面流向切眼区20。更具体地，所述煤层3与所述底板岩层2之间的坡面可以通过倾斜的方式铺设底板岩层2实现，还可以将底板13设置为相对水平方向倾斜的斜板形式获得。
按照相似模拟试验原理，依次铺设间隔岩层4和隔水层5。其中，隔水层5是由石子、砂、灰渣、石膏和石蜡按一定比例混合而成的不亲水材料。在煤层3上方的间隔岩层4的底部布置若干组传感器单元，所述传感器单元包括应力传感器10、湿度传感器11及位移传感器12的一种或多种。所述传感器单元以矩阵方式布置，例如，沿试验台架1的长度方向上，若干组传感器单元等距平行分布且间距为b，沿试验台架1的宽度方向上，设置三组传感器单元，且间距为1/2W。三种传感器分别将试验装置应力场数据、渗流场数据和裂隙场数据通过导线与数据采集仪和计算机连接，可以实现在该环境下对试验装置“三场”变化的智能监测，从而研究煤矿地下水库“三场”变化规律。
所述含水层6包括位于中部区域的透水混凝土层6a以及位于透水混凝土层6a与所述试验台架1侧板14之间的密封层6b。具体地，所述含水层6的制作方法为：在隔水层5上部用水泥砂浆抹面，然后支护含水层模板，进而浇筑透水混凝土台体，在浇筑过程中预埋水位计9和注水管19，在注水管19的下部设置水质监测探头，其数据通过数据信号线23传输给水质监测平台24，待透水混凝土台体凝固后，在其表层继续用水泥砂浆抹面，为防止水位计9和注水管19的接口位置漏水，采用沥青进行密封处理，待水泥砂浆凝固后往含水层6注入需要的水量。透水混凝土是由粗骨料、水泥和水按照一定配比拌制而成的多孔轻质混凝土结构。所述密封层6b的四周外表面通过3mm厚水泥砂浆抹面，通过在含水层6内设置密封层6b，可以避免透水混凝土层6a沿试验台架1的侧板14边缘泄露至下侧，导致与实际工况下渗水状态不符的问题。
上述模拟装置还包括加载装置8，所述加载装置8位于所述试验台架1的顶板15与所述表土层7之间。更具体地，所述加载装置8为覆盖于所述表土层7上的气囊，利用气囊作用于表土层7上加载，可以满足试验均布加载的要求。另外，将侧板14和顶盖作为限制面，更加符合力学要求，能最大程度的发挥气囊加载的优势。其工作原理为：先将气囊与表土层7贴合，然后向气囊内充入气体以产生一定的压力，通过两者的贴合面将气囊的内部压力传递到试验结构上，以达到对结构实施均布加载的目的，其加载力的大小可以通过控制气囊内外压差来实现，从而模拟实际生产中不同上覆岩层厚度的试验。
采用上述煤矿地下水库监测模拟试验装置进行试验时，通过分析煤矿地下水库详细勘察资料，可以得知实际煤层3埋深，从而计算得到上覆岩层荷载大小，利用加载装置8根据荷载需求对模拟试验装置进行加压，通过应力传感器10能实时监测荷载大小。对试验装置中煤层3开挖过程中，上覆岩层在加载装置8的加压作用下会逐步垮落，从而产生裂隙，通过位移传感器12能实时监测岩层位移变化。上覆岩层垮落后，含水层6的水会沿裂隙往下渗流，逐渐渗透到煤层3的煤矿区25内，通过湿度传感器11能实时监测含水层6中的水运移变化。进入采空区的水沿装置坡度方向汇聚到切眼位置，经出水管17排出试验装置后进入第二监测水管16内，最后流入排水沟18内。通过水位计9可以实时观测含水层6的水位，水位过低时可以从注水管19对试验装置进行补水。
试验过程中，水质监测平台24收集到了该试验装置位于含水层(第一水质监测装置22a)、煤矿区25(第二水质监测装置22b)、切眼区20(第三水质监测装置22c)内的水的水质指标。对比试验装置进水和出水水质指标，可以得到经过该装置采空区岩体后，水质的整体变化规律。对比试验装置采空区内的水的水质指标，可以得到经过该装置一定长度采空区岩体后水质的变化规律。
因此，本发明的上述模拟试验装置能准确的反映现场真实情况，不仅针对煤矿地下水库的“三场”变化进行监测，还能对矿井水水质进行智能监测并形成数据库，从而模拟煤矿地下水库对矿井水的净化过程并开展机理研究；兼顾了相似模拟试验装置和煤矿地下水库净化试验装置两者的功能，既能够更加科学的模拟由于采动影响造成上覆岩层垮落的情况，又可实现在该环境下对煤矿地下水库“三场”和水质同时进行智能监测，结论更加可靠；本发明利用透水混凝土结构来模拟试验含水层，与真实含水层更加接近，可以准确反映其在采动影响下的塌陷、移动、破坏和裂隙发育规律；含水层的水渗透到采煤工作面后按照坡度流经切眼区最终沿出水管排出，水循环系统设计更加合理；另外，本发明可以根据实际上覆岩层的厚度变化来随意调整上部加载压力的大小，能够更好的模拟现场真实情况。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种煤矿地下水库监测模拟试验装置，其特征在于，包括：
试验台架以及位于试验台架内由下至上依次铺装的底板岩层、煤层、间隔岩层、隔水层、含水层、表土层，其中，所述煤层包括切眼区与煤矿区；
注水管，沿所述表土层向下延伸至所述含水层内，用于向含水层进行注水，所述注水管内设置第一水质监测装置；
第一监测水管，安装于所述煤层的煤矿区内，用于采集流经含水层、隔水层、间隔岩层以及煤层的煤矿区的水，所述第一监测水管内设置第二水质监测装置；所述第一监测水管沿所述试验台架的侧板穿入至所述煤层的煤矿区的底部，所述第一监测水管的部分区域位于所述试验台架外侧，所述第二水质监测装置位于所述第一监测水管位于所述试验台架外侧的部分区域内；所述第一监测水管位于煤层一侧的端部设有端板，所述第一监测水管的管壁上设有若干孔径低于5mm的透水孔；
第二监测水管，与所述煤层的切眼区通过出水管连通，用于采集流经含水层、隔水层、间隔岩层、煤层的煤矿区以及切眼区的水，所述第二监测水管内设置第三水质监测装置；其中，所述试验台架的侧板上设置若干所述出水管，若干所述出水管沿切眼区的长度方向排列并位于所述切眼区的下侧区域，以便将切眼区内积存的水快速引至第二监测水管内。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿地下水库监测模拟试验装置，其特征在于，所述第二监测水管与排水沟连通，所述煤层的水经过所述第二监测水管输送至所述排水沟内。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿地下水库监测模拟试验装置，其特征在于，所述试验台架为长方体结构，第一监测水管沿所述试验台架的长度方向间隔设定距离布置若干个，所述第一监测水管位于所述试验台架内的长度L与所述试验台架的宽度W的关系为L≥1/2W。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿地下水库监测模拟试验装置，其特征在于，所述煤矿区与所述切眼区沿所述试验台架的长度方向上布置，所述煤层与所述底板岩层的配合面沿所述试验台架的长度方向上具有坡度，所述切眼区位于坡面的下侧区域。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿地下水库监测模拟试验装置，其特征在于，所述间隔岩层的底部布置若干组传感器单元，所述传感器单元以矩阵方式布置，所述传感器单元包括应力传感器、湿度传感器及位移传感器的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种煤矿地下水库监测模拟试验装置，其特征在于，所述含水层包括位于中部区域的透水混凝土层以及位于透水混凝土层与所述试验台架侧板之间的密封层。
7.根据权利要求1所述的一种煤矿地下水库监测模拟试验装置，其特征在于，还包括加载装置，所述加载装置位于所述试验台架的顶板与所述表土层之间。
8.根据权利要求7所述的一种煤矿地下水库监测模拟试验装置，其特征在于，所述加载装置为覆盖于所述表土层上的气囊。
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