CN116381192A - 一种三维高压底板突水模型试验装置及试验方法 - Google Patents

一种三维高压底板突水模型试验装置及试验方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116381192A
CN116381192A CN202310297417.8A CN202310297417A CN116381192A CN 116381192 A CN116381192 A CN 116381192A CN 202310297417 A CN202310297417 A CN 202310297417A CN 116381192 A CN116381192 A CN 116381192A
Authority
CN
China
Prior art keywords
water
model test
pressure
box body
main box
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310297417.8A
Other languages
English (en)
Inventor
王丹丹
张亮
吉植强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yantai University
Original Assignee
Yantai University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yantai University filed Critical Yantai University
Priority to CN202310297417.8A priority Critical patent/CN116381192A/zh
Publication of CN116381192A publication Critical patent/CN116381192A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/082—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample
    • G01N15/0826—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G01N3/10—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces generated by pneumatic or hydraulic pressure
    • G01N3/12—Pressure testing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明属于煤炭开采模拟技术领域，涉及一种三维高压底板突水模型试验装置及试验方法，模型试验主箱体内左右两侧壁上设有围岩荷载加载系统，覆岩荷载加载系统设置在模型试验主箱体上方，供水加压稳压系统与模型试验主箱体管道连接，煤层开挖模拟系统置于模型试验主箱体内部，总控制系统分别与供水加压稳压系统和覆岩荷载加载系统连接，数据采集系统与模型试验主箱体上设置的传感器连接，在实验室内实现不同构造条件、不同地层条件下煤层开挖过程，并获得相关参数发，通过室内研究复杂工程地质条件下煤层开挖过程中应力、水压变化规律以及突水机理，实现半自动化煤层开挖。

Description

一种三维高压底板突水模型试验装置及试验方法
技术领域
本发明属于煤炭开采模拟技术领域，特别涉及一种三维高压底板突水模型试验装置及试验方法。
背景技术
我国能源消费结构不断变化，但煤炭作为我国能源结构主体的地位在短时间内不会动摇。因此，对于煤矿安全生产问题的持续关注也是极为重要的。目前，我国华北型煤田开采深部不断增加，煤炭开采重心向西部转移，存在的主要问题是深部煤层开采受到底板高承压灰岩水威胁较为严重，尤其是构造发育区域，一旦形成导水通道往往形成较大较急的突水事故，造成大量的人员伤亡及经济损失；而西部浅部煤层开采面对的主要问题是顶板垮落、溃砂及浅埋水的威胁。因此，煤矿突水事故预防控制仍然是煤矿安全生产的重要内容之一。
煤层开采过程中，岩石中应力重分布，破坏了岩体原有的平衡状态，导致顶底板岩层破坏进而形成导水通道引发突水事故。现有的研究煤矿底板突水模式及机理的方法主要包括理论分析、现场实测、模型试验和数值模拟，由于矿井突水事故发生迅速，抢险救灾时间紧迫，获得的监测信息较为单一，因此理论分析中条件简化严重并且概化过程复杂，计算结果也存在一定偏差，而工程实测一般实施难度较大，而模型试验和数值模拟成为研究突水事故机理的常用手段。目前，主要使用相似模型试验的方法研究煤层开挖过程中顶底板岩层的破坏情况，已有的模型试验主要分为两种，一是平面应变模型，二是三维模型，主要通过监测位移量以及应力变化进行突水机理研究。
然而，现有的相似模型试验装置及方法还存在诸多不足，比如平面应变模型中不能施加围岩应力，只能监测观测顶底板裂隙发育以及应力及位移变化，不能施加承压水压力，与实际煤层开采条件有较大出入；现有三维模型中不能实现围岩应力的施加以及复杂地质条件模拟，也不能实现煤层开挖的自动化，而且实际工程地质条件复杂，底板突水是煤层倾角、采高、长度，围岩应力，深度，水压以及构造发育等诸多因素共同导致的，因此，亟需一种能实现复杂地质条件下煤层开挖的的试验装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种三维高压底板突水模型试验装置及试验方法，在实验室内实现不同构造条件、不同地层条件下煤层开挖过程，并获得相关参数发，通过室内研究复杂工程地质条件下煤层开挖过程中应力、水压变化规律以及突水机理，实现半自动化煤层开挖。
为了实现上述目的，本发明所述三维高压底板突水模型试验装置的结构包括模型试验主箱体、供水加压稳压系统、围岩荷载加载系统、覆岩荷载加载系统、煤层开挖模拟系统、数据采集系统和总控制系统；模型试验主箱体内左右两侧壁上设有围岩荷载加载系统，覆岩荷载加载系统设置在模型试验主箱体上方，供水加压稳压系统与模型试验主箱体管道连接，煤层开挖模拟系统置于模型试验主箱体内部，总控制系统分别与供水加压稳压系统和覆岩荷载加载系统连接，数据采集系统与模型试验主箱体上设置的传感器连接。
作为本发明的进一步技术方案，所述模型试验主箱体为顶部敞口的方形箱体，模型试验主箱体的外壁上均匀分布可密封的监测孔，监测孔内设置传感器，模型试验主箱体底部设有两组平行设置并连通的注水管道，其中靠近底部的一组为主注水管道，主注水管道上均匀设置主注水口，另一组为次注水管道，次注水管道上设有次注水口，模型试验主箱体侧面设有排水孔，排水管道与主注水管道连通并通过排水孔伸出模型试验主箱体，排水管道上设有阀门，模型试验主箱体内部安置可伸缩板；与排水孔同侧的模型试验主箱体顶部侧壁上设有预留孔。
作为本发明的进一步技术方案，所述可伸缩板通过竖直滑轨与模型试验主箱体的内壁相接，竖直滑轨上设置卡槽并刻有尺寸，用以调节岩层倾角，滑轨上卡槽开合可以手动控制，以保证施压过程中岩层的压缩移动。
作为本发明的进一步技术方案，所述监测孔内设置的传感器为孔隙水压力传感器和土压力传感器，孔隙水压力传感器和土压力传感器的布设及数量根据实际试验要求确定。
作为本发明的进一步技术方案，所述供水加压稳压系统的水箱通过输水管道与水压控制设备连接，水压控制设备通过电机驱动工作，水压控制设备的出水管路上设有水压力表，出水管路与模型试验主箱体的底部连通。
作为本发明的进一步技术方案，所述围岩荷载加载系统包括高承压水囊、竖直轨道和水平轨道，高承压水囊设置在模型试验主箱体的内壁和外壁之间，竖直轨道设置在内壁上，水平轨道设置在模型试验主箱体内底部。
作为本发明的进一步技术方案，所述覆岩荷载加载系统包括盖顶、大型千斤顶、液压泵、第一液压管路、橡胶密封圈和加压螺丝；盖顶和模型试验主箱体之间设有橡胶密封圈，盖顶通过加压螺丝设置在模型试验主箱体上方，承压顶盖、厚铁板、气压管路和气缸，厚铁板与模型平面尺寸一致可自由活动，大型千斤顶设置在顶盖上，大型千斤顶通过第一液压管路与液压泵相连。
作为本发明的进一步技术方案，所述煤层开挖模拟系统设包括可控液压千斤顶、第二液压管路、分压控制器、控制阀和液压泵控制器，可控液压千斤顶通过第二液压管路与分压控制器上的控制阀连接，分压控制器与液压泵控制器连接，可控液压千斤顶的液压管路由模型试验主箱体上的预留孔引出，与外接设备连接控制模拟煤层高度。
作为本发明的进一步技术方案，所述数据采集系统包括数据采集仪和电脑，数据采集仪分别与传感器和电脑连接；总控制系统为若干电线及控制按钮的集合体，用以供电、加压控制以及数据显示。
作为本发明的进一步技术方案，所述三维高压底板突水模型试验装置与恒温房配套使用，通过恒温房配置相似材料进行三维高压底板突水模型试验，恒温房上设有控制按钮、电子显示屏、加水箱和水位计；加水箱上设有水位计，通过控制按钮调控恒温房内配置相似材料的反应条件和参数，电子显示屏显示恒温房内的环境参数。
本发明采用所述三维高压底板突水模型试验装置进行试验的具体过程包括以下步骤：
进行三维高压底板突水模型试验的具体过程包括以下步骤：
步骤1：试验的准备工作，包括试验装置准备以及明确相似材料配比，首先根据模拟的岩石类型确定相似材料及其配比，岩石类型为含水层时使用砂、水泥、石膏作为原材料，岩石类型为隔水层时选择砂、沉淀硫酸钡粉、超细滑石粉、白凡士林、硅油、石蜡为原材料，再根据确定的相似材料及其配比制作岩样，并对不同配比的岩样进行抗压、抗拉、抗剪试验，岩样制作大小及数量、岩石抗压、抗拉、抗剪试验方法严格按照国家标准GB/T 50266-2013执行；
步骤2：相似材料及传感器铺设，将相似材料按照配比混合搅拌后分层装入模型试验主箱体，并按照工程地质背景调节岩层倾角，逐层铺设含水层及隔水层，各分层之间用云母片分层，其中隔水层材料按1cm为一分层，含水层材料根据地层厚度按2～5cm为一分层，隔水层材料配置有温度要求时，将隔水层材料在恒温房中配置完成后再装入模型试验主箱体中，同时铺设孔隙水压力传感器和土压力传感器并将各传感器接到数据采集系统，打开电脑开始进行数据监测，按照设计开采步数安排煤层开挖模拟系统中可控液压千斤顶的数量及尺寸，相似材料铺设直至达到设计顶板厚度后结束；
步骤3：施加顶部荷载，相似材料和传感器铺设完成后，在上部放置厚铁板，使上部荷载可以均匀传递到下部相似材料，最后放置盖顶，通过加压螺丝将盖顶固定模型试验主箱体上，由总控制系统供电并施加上部附加荷载，附加荷载计算公式如下：
Figure SMS_1
式中，qm为补偿荷载，γ为上覆岩层平均容重，H为煤层埋深，Hm为模型试验中铺设岩层厚度，S为模型试验装置横截面积，cγ为容重相似比，cl为几何相似比；
步骤4：施加围岩应力，向高承压水囊充水，根据水压力表监测结果，由总控制系统控制压力，达到施加围岩应力的目的，围岩应力大小按照实际监测地应力数据获得；
步骤5：加压结束后将模型试验装置静置7～14天，使材料充分固结(静置天数根据模型大小而定)，通过模型试验装置底部的主注水孔和次注水孔向底部含水层均匀缓慢注水，根据孔隙水压力传感器监测值施加并控制水压；
步骤6：控制煤层开挖模拟系统中的可控液压千斤顶，逐步模拟煤层开采；
步骤7：煤层开采结束后，泄压排水，将固结岩层开挖取出，尤其注意煤层直接底板岩层裂隙发育情况，结合监测数据分析煤层开采过程中岩层破坏以及水压应力变化情况，分析底板突水机理，突水事故的发生主要依据孔隙水压力监测结果并辅以土压力变化情况判断，距煤层不同距离深度的含隔水层中同时布设有水压传感器，观察水压传感器，若隔水层中水压明显升高且煤层直接底板水压有明显变化则可判断突水。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)试验装置结构可调整大小，加工精细，整体强度较高，可实现高强度应力及水压施加，操作方便，功能较齐全，能够模拟不同构造条件(包括断层、岩溶陷落柱以及完整底板)、不同倾角煤层、不同厚度煤层以及不同深度地应力大小等复杂工程地质条件下煤层开挖模拟试验；
(2)可以实现不同围岩应力的施加、开采过程中孔隙水压力、土压力的采集，三维开采条件下可以较为真实的反应实际煤层开挖过程中底板突水机理；
(3)试验装置及方法合理可靠，测试结果也较为准确、可靠，为理论分析和工程实践中煤矿安全开采及事故预防控制提供可靠的数据及现象支持。
附图说明
图1为本发明所述三维高压底板突水模型试验装置的整体结构示意图；
图2为本发明所述恒温房示意图。
图3为本发明所述模型试验主箱体的正视图。
图4为本发明实施例2制备的岩样实物图。
图中：1-模型试验主箱体，11-外壁，12-内壁，13-监测孔，14-主进水孔，15-次注水孔，16-排水孔，17-阀门，18-可伸缩板，19-预留孔；2-供水加压稳压系统，21-高压水箱，22-水压表，23-输水管路，24-电机；3-围岩荷载加载系统，31-高承压水囊，32-竖直滑轨，33-水平滑轨；4-覆岩荷载加载系统，41-盖顶，42-大型千斤顶，43-液压泵，44-液压管路，45-橡胶密封圈，46-加压螺丝；5-煤层开挖模拟系统，51-可控液压千斤顶，52-液压管路，53-分压控制器，54-控制阀，55-液压泵控制器；6-恒温房装置，61-控制按钮，62-电子显示屏，63-加水箱，64-水位计；7-数据采集系统，71-数据采集仪，72-电脑；8-总控制系统，81-控制按钮，82-电子显示屏。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做更进一步的解释。
实施例1：
如图1和图3所示，本实施例所述三维高压底板突水模型试验装置的结构包括模型试验主箱体1、供水加压稳压系统2、围岩荷载加载系统3、覆岩荷载加载系统4、煤层开挖模拟系统5、数据采集系统7和总控制系统8；模型试验主箱体1内左右两侧壁上设有围岩荷载加载系统3，覆岩荷载加载系统设置4在模型试验主箱体上方，供水加压稳压系统2与模型试验主箱体1管道连接，煤层开挖模拟系统5置于模型试验主箱体1内部，总控制系统8分别与供水加压稳压系统2和覆岩荷载加载系统4连接，数据采集系统7与模型试验主箱体1上设置的传感器连接；
具体的，所述模型试验主箱体1为顶部敞口的方形箱体，模型试验主箱体1的外壁11上均匀分布可密封的监测孔13，监测孔13内设置传感器，模型试验主箱体1底部设有两组平行设置并连通的注水管道，其中靠近底部的一组为主注水管道，主注水管道上均匀设置主注水口14，另一组为次注水管道，次注水管道上设有次注水口15，模型试验主箱体1侧面设有排水孔16，排水管道与主注水管道连通并通过排水孔16伸出模型试验主箱体1，排水管道上设有阀门17，模型试验主箱体1内部安置可伸缩板18；与排水孔16同侧的模型试验主箱体1顶部侧壁上设有预留孔19。
具体的，所述可伸缩板18通过竖直滑轨32与模型试验主箱体1的内壁12相接，竖直滑轨32上设置卡槽并刻有尺寸，用以调节岩层倾角，滑轨上卡槽开合可以手动控制，以保证施压过程中岩层的压缩移动。
具体的，所述监测孔13内设置的传感器为水压力传感器和土压力传感器，水压力传感器和土压力传感器的布设及数量根据实际试验要求确定。
具体的，所述供水加压稳压系统2的水箱21通过输水管道23与水压控制设备25连接，水压控制设备25通过电机24驱动工作，水压控制设备25的出水管路26上设有水压力表22，出水管路26与模型试验主箱体1的底部连通。
具体的，所述围岩荷载加载系统3包括高承压水囊31、竖直轨道32和水平轨道33，高承压水囊31设置在模型试验主箱体1的内壁12和外壁11之间，竖直轨道32设置在内壁12上，水平轨道33设置在模型试验主箱体1内底部。
具体的，所述覆岩荷载加载系统4包括盖顶41、大型千斤顶42、液压泵43、第一液压管路44、橡胶密封圈45和加压螺丝46；盖顶41和模型试验主箱体1之间设有橡胶密封圈45，盖顶41通过加压螺丝46设置在模型试验主箱体1上方，承压顶盖、厚铁板、气压管路和气缸，厚铁板与模型平面尺寸一致可自由活动，大型千斤顶42设置在顶盖41上，大型千斤顶42通过第一液压管路44与液压泵43相连。
具体的，所述煤层开挖模拟系统5包括可控液压千斤顶51、第二液压管路52、分压控制器53、控制阀54和液压泵控制器55，可控液压千斤顶51通过第二液压管路52与分压控制器53上的控制阀54连接，分压控制器53与液压泵控制器55连接，可控液压千斤顶51的液压管路由模型试验主箱体1上的预留孔19引出，与外接设备连接控制模拟煤层高度。
具体的，所述数据采集系统7包括数据采集仪71和电脑72，数据采集仪71分别与传感器和电脑72连接；总控制系统8为若干电线及控制按钮的集合体，用以供电、加压控制以及数据显示。
实施例2：
本实施例采用实施例1所述的三维高压底板突水模型试验装置与恒温房6配套使用，通过恒温房6配置相似材料进行三维高压底板突水模型试验，恒温房6上设有控制按钮61、电子显示屏62、加水箱63和水位计64；加水箱63上设有水位计64，通过控制按钮61调控恒温房6内配置相似材料的反应条件和参数，电子显示屏62显示恒温房6内的环境参数，进行三维高压底板突水模型试验的具体过程包括以下步骤：
步骤1：试验的准备工作，包括试验装置准备以及明确相似材料配比，首先根据模拟的岩石类型(含水层或隔水层)确定相似材料，其中含水层使用砂、水泥、石膏作为原材料，按照“顾大钊.相似材料和相似模型,徐州:中国矿业大学出版社,1995”公开的配比号制作岩样；隔水层据“周甲富.煤层底板突水流固耦合模拟试验系统研制与应用[D].焦作:河南理工大学,2017”选择砂、沉淀硫酸钡粉、超细滑石粉、白凡士林、硅油、石蜡为原材料自行设计配比(本实施例选取1:0.12:0.08:0.04:0.02:0.2,1:0.13:0.09:0.06:0.02:0.08,1:0:0.35:0:0.11:0.2)制作得到如图4所示的岩样，并对不同配比的岩样进行抗压、抗拉、抗剪试验，岩样制作大小及数量、岩石抗压、抗拉、抗剪试验方法严格按照国家标准GB/T50266-2013执行，试验机可选择电液伺服万能试验机(型号：SHT4605)，记录所有实验结果并确定模型试验所需配比号；
步骤2：相似材料及传感器铺设，将相似材料按照配比(含水层砂、水泥、石膏配、水1:0.022:0.088:0.120,配比号928；隔水层材料配比为1:0.12:0.08:0.04:0.02:0.2)混合搅拌后分层装入模型试验主箱体1，按照工程地质背景调节岩层倾角(本实施例将设备调节至15°在进行相似材料铺设)，逐层铺设含水层及隔水层，各分层之间用云母片分层，其中隔水层材料按1cm为一分层，含水层材料根据地层厚度按2～5cm为一分层，隔水层材料配置有温度要求时(如相似材料中存在石蜡时需要将温度控制在65℃～70℃)，在恒温房6中配置完成后再装入模型试验主箱体1中，同时铺设孔隙水压力传感器(型号：DMKY)、土压力传感器(型号：DMTY)并将各传感器接到数据采集系统7，打开电脑72，开始数据监测，按照设计开采步数安排煤层开挖模拟系统5中可控液压千斤顶51的数量及尺寸，相似材料铺设直至达到设计顶板厚度后结束；
步骤3：施加顶部荷载，相似材料和传感器铺设完成后，在上部放置厚铁板，使上部荷载可以均匀传递到下部相似材料，最后放置盖顶41，通过加压螺丝46将盖顶41固定模型试验主箱体1上，由总控制系统8供电并施加上部附加荷载，附加荷载计算公式如下：
Figure SMS_2
式中，qm为补偿荷载，γ为上覆岩层平均容重，H为煤层埋深，Hm为模型试验中铺设岩层厚度，S为模型试验装置横截面积，cγ为容重相似比，cl为几何相似比；
步骤4：施加围岩应力，向高承压水囊31充水，根据水压力表22监测，由总控制系统8控制压力，达到施加围岩应力的目的，围岩应力大小按照实际监测地应力数据获得；
步骤5：加压结束后将模型试验装置静置7～14天，使材料充分固结(静置天数根据模型大小而定)，通过模型试验装置底部的主注水孔和次注水孔向底部含水层均匀缓慢注水，根据孔隙水压力传感器监测值施加并控制水压；
步骤6：控制煤层开挖模拟系统5中的可控液压千斤顶51，逐步模拟煤层开采；
步骤7：煤层开采结束后，泄压排水，将固结岩层开挖取出，尤其注意煤层直接底板岩层裂隙发育情况，结合监测数据分析煤层开采过程中岩层破坏以及水压应力变化情况，分析底板突水机理，突水事故的发生主要依据孔隙水压力监测结果并辅以土压力变化情况判断，距煤层不同距离深度的含隔水层中同时布设有水压传感器，观察水压传感器，若隔水层中水压明显升高且煤层直接底板水压有明显变化则可判断突水。

Claims (10)

1.一种三维高压底板突水模型试验装置，其特征在于，包括模型试验主箱体、供水加压稳压系统、围岩荷载加载系统、覆岩荷载加载系统、煤层开挖模拟系统、数据采集系统和总控制系统；模型试验主箱体内左右两侧壁上设有围岩荷载加载系统，覆岩荷载加载系统设置在模型试验主箱体上方，供水加压稳压系统与模型试验主箱体管道连接，煤层开挖模拟系统置于模型试验主箱体内部，总控制系统分别与供水加压稳压系统和覆岩荷载加载系统连接，数据采集系统与模型试验主箱体上设置的传感器连接。
2.根据权利要求1所述三维高压底板突水模型试验装置，其特征在于，所述模型试验主箱体为顶部敞口的方形箱体，模型试验主箱体的外壁上均匀分布可密封的监测孔，监测孔内设置传感器，模型试验主箱体底部设有两组平行设置并连通的注水管道，其中靠近底部的一组为主注水管道，主注水管道上均匀设置主注水口，另一组为次注水管道，次注水管道上设有次注水口，模型试验主箱体侧面设有排水孔，排水管道与主注水管道连通并通过排水孔伸出模型试验主箱体，排水管道上设有阀门，模型试验主箱体内部安置可伸缩板；与排水孔同侧的模型试验主箱体顶部侧壁上设有预留孔。
3.根据权利要求2所述三维高压底板突水模型试验装置，其特征在于，所述可伸缩板通过竖直滑轨与模型试验主箱体的内壁相接，竖直滑轨上设置卡槽并刻有尺寸，用以调节岩层倾角，滑轨上卡槽开合可以手动控制，以保证施压过程中岩层的压缩移动。
4.根据权利要求3所述三维高压底板突水模型试验装置，其特征在于，所述监测孔内设置的传感器为孔隙水压力传感器和土压力传感器，孔隙水压力传感器和土压力传感器的布设及数量根据实际试验要求确定。
5.根据权利要求4所述三维高压底板突水模型试验装置，其特征在于，所述供水加压稳压系统的水箱通过输水管道与水压控制设备连接，水压控制设备通过电机驱动工作，水压控制设备的出水管路上设有水压力表，出水管路与模型试验主箱体的底部连通。
6.根据权利要求5所述三维高压底板突水模型试验装置，其特征在于，所述围岩荷载加载系统包括高承压水囊、竖直轨道和水平轨道，高承压水囊设置在模型试验主箱体的内壁和外壁之间，竖直轨道设置在内壁上，水平轨道设置在模型试验主箱体内底部。
7.根据权利要求6所述三维高压底板突水模型试验装置，其特征在于，所述覆岩荷载加载系统包括盖顶、大型千斤顶、液压泵、第一液压管路、橡胶密封圈和加压螺丝；盖顶和模型试验主箱体之间设有橡胶密封圈，盖顶通过加压螺丝设置在模型试验主箱体上方，承压顶盖、厚铁板、气压管路和气缸，厚铁板与模型平面尺寸一致可自由活动，大型千斤顶设置在顶盖上，大型千斤顶通过第一液压管路与液压泵相连。
8.根据权利要求7所述三维高压底板突水模型试验装置，其特征在于，所述煤层开挖模拟系统设包括可控液压千斤顶、第二液压管路、分压控制器、控制阀和液压泵控制器，可控液压千斤顶通过第二液压管路与分压控制器上的控制阀连接，分压控制器与液压泵控制器连接，可控液压千斤顶的液压管路由模型试验主箱体上的预留孔引出，与外接设备连接控制模拟煤层高度。
9.根据权利要求8所述三维高压底板突水模型试验装置，其特征在于，所述数据采集系统包括数据采集仪和电脑，数据采集仪分别与传感器和电脑连接；总控制系统为若干电线及控制按钮的集合体，用以供电、加压控制以及数据显示。
10.一种采用如权利要求9所述装置进行三维高压底板突水模型试验的方法，其特征在于，所述三维高压底板突水模型试验装置与恒温房配套使用，通过恒温房配置相似材料进行三维高压底板突水模型试验，恒温房上设有控制按钮、电子显示屏、加水箱和水位计；加水箱上设有水位计，通过控制按钮调控恒温房内配置相似材料的反应条件和参数，电子显示屏显示恒温房内的环境参数，具体试验过程包括以下步骤：
步骤1：试验的准备工作，包括试验装置准备以及明确相似材料配比，首先根据模拟的岩石类型确定相似材料及其配比，岩石类型为含水层时使用砂、水泥、石膏作为原材料，岩石类型为隔水层时选择砂、沉淀硫酸钡粉、超细滑石粉、白凡士林、硅油、石蜡为原材料，再根据确定的相似材料及其配比制作岩样，并对不同配比的岩样进行抗压、抗拉、抗剪试验，岩样制作大小及数量、岩石抗压、抗拉、抗剪试验方法严格按照国家标准GB/T 50266-2013执行；
步骤2：相似材料及传感器铺设，将相似材料按照配比混合搅拌后分层装入模型试验主箱体，并按照工程地质背景调节岩层倾角，逐层铺设含水层及隔水层，各分层之间用云母片分层，其中隔水层材料按1cm为一分层，含水层材料根据地层厚度按2～5cm为一分层，隔水层材料配置有温度要求时，将隔水层材料在恒温房中配置完成后再装入模型试验主箱体中，同时铺设孔隙水压力传感器和土压力传感器并将各传感器接到数据采集系统，打开电脑开始进行数据监测，按照设计开采步数安排煤层开挖模拟系统中可控液压千斤顶的数量及尺寸，相似材料铺设直至达到设计顶板厚度后结束；
步骤3：施加顶部荷载，相似材料和传感器铺设完成后，在上部放置厚铁板，使上部荷载可以均匀传递到下部相似材料，最后放置盖顶，通过加压螺丝将盖顶固定模型试验主箱体上，由总控制系统供电并施加上部附加荷载，附加荷载计算公式如下：
Figure FDA0004143619900000031
式中，qm为补偿荷载，γ为上覆岩层平均容重，H为煤层埋深，Hm为模型试验中铺设岩层厚度，S为模型试验装置横截面积，cγ为容重相似比，cl为几何相似比；
步骤4：施加围岩应力，向高承压水囊充水，根据水压力表监测结果，由总控制系统控制压力，达到施加围岩应力的目的，围岩应力大小按照实际监测地应力数据获得；
步骤5：加压结束后将模型试验装置静置7～14天，使材料充分固结，通过模型试验装置底部的主注水孔和次注水孔向底部含水层均匀缓慢注水，根据孔隙水压力传感器监测值施加并控制水压；
步骤6：控制煤层开挖模拟系统中的可控液压千斤顶，逐步模拟煤层开采；
步骤7：煤层开采结束后，泄压排水，将固结岩层开挖取出，尤其注意煤层直接底板岩层裂隙发育情况，结合监测数据分析煤层开采过程中岩层破坏以及水压应力变化情况，分析底板突水机理，突水事故的发生主要依据孔隙水压力监测结果并辅以土压力变化情况判断，距煤层不同距离深度的含隔水层中同时布设有水压传感器，观察水压传感器，若隔水层中水压明显升高且煤层直接底板水压有明显变化则可判断突水。
CN202310297417.8A 2023-03-24 2023-03-24 一种三维高压底板突水模型试验装置及试验方法 Pending CN116381192A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310297417.8A CN116381192A (zh) 2023-03-24 2023-03-24 一种三维高压底板突水模型试验装置及试验方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310297417.8A CN116381192A (zh) 2023-03-24 2023-03-24 一种三维高压底板突水模型试验装置及试验方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116381192A true CN116381192A (zh) 2023-07-04

Family

ID=86976195

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310297417.8A Pending CN116381192A (zh) 2023-03-24 2023-03-24 一种三维高压底板突水模型试验装置及试验方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116381192A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117419943A (zh) * 2023-12-19 2024-01-19 武汉理工大学三亚科教创新园 一种海洋地下空间模型试验装置及方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117419943A (zh) * 2023-12-19 2024-01-19 武汉理工大学三亚科教创新园 一种海洋地下空间模型试验装置及方法
CN117419943B (zh) * 2023-12-19 2024-04-05 武汉理工大学三亚科教创新园 一种海洋地下空间模型试验装置及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104614497B (zh) 真三轴流压致裂、割缝、渗流、瓦斯驱赶一体化实验系统
CN100390357C (zh) 隧道结构、围岩及地下水相互作用的模拟试验台
CN103675237B (zh) 煤层采动诱发顶板涌水溃砂灾害模拟试验系统及监测方法
CN102400714B (zh) 一种高水压、高应力和自动开采的矿井水害综合模拟系统及试验方法
CN110108838B (zh) 一种定向钻孔注浆浆液扩散的模拟试验方法
CN103868799B (zh) 非常规油气储集层岩石力学特征分析仪
CN205808669U (zh) 模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置
CN203658352U (zh) 煤层采动诱发顶板涌水溃砂灾害模拟试验系统
CN104568595A (zh) 一种煤层开采底板注浆减渗模拟试验系统
WO2020087860A1 (zh) 一种煤层气水平井塌孔造洞穴卸压开采模拟试验系统
CN106226494A (zh) 一种矿体开采扰动围岩导致透水的相似物理模拟试验装置
CN103926383A (zh) 隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统及其试验方法
CN203881738U (zh) 隧道突水突泥与注浆处治三维模型试验系统
CN116381192A (zh) 一种三维高压底板突水模型试验装置及试验方法
CN107219128B (zh) 多期构造运动作用下煤系地层应力分布模拟装置及方法
CN106053755A (zh) 一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统
CN109470576A (zh) 用于模拟隐伏构造底板突水的试验系统及试验方法
CN104931675B (zh) 一种上保护层开采固气耦合相似模拟实验装置及实验方法
Guo et al. Physical simulation of water inrush through the mine floor from a confined aquifer
CN210180995U (zh) 一种定向钻孔注浆浆液扩散的模拟试验系统
CN108195739B (zh) 压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置
CN205538894U (zh) 用于模拟受采动影响煤层底板突水的试验系统
CN205538895U (zh) 受采动影响煤层底板突水模拟试验系统
CN112630007A (zh) 层状围岩注浆加固室内模型试验装置
CN205404524U (zh) 模拟受采动影响煤层底板突水试验系统的模拟试验装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination