CN204731234U - 近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种适用于研究近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置。该装置包括三维模型试验架、底板、上覆岩层、加载装置、监测装置以及由若干油囊组成的上煤层和下煤层。上覆岩层设含水层模拟装置和位于含水层模拟装置下部的隔水层。含水层模拟装置由含水层、位于含水层四周的隔水板、若干含水层水管、压力和流量计、压力泵和水位计等组成。本实用新型拆装简便、铺设方便、开挖煤层省力，能模拟近距煤层保水采煤前含水层中水与岩层共存的状态，开采后含水层中的水在裂隙场中渗流过程，以及含水层水位变化情况,进而确定不同水文地质条件下不同的近距煤层保水采煤方法的合理可行性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种相似模拟试验装置，具体涉及一种适用于研究近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟装置。
背景技术
煤炭的大规模开采会造成地下含水层的极大破坏，带来地表和地下水资源的极大浪费。同时，水害给煤炭资源的开发利用造成了严重的经济损失和人员伤亡。保水采煤就是在煤层采动影响下，不破坏含水层的结构；或虽有一定的损坏，但一定时间后仍可恢复，并可保证最低生态水位，从而选择合理采煤方法和工艺的开采技术，实现在煤炭资源安全高效开采的同时，最大限度的保护水资源。目前，许多矿区的首采煤层已经开采完毕，亟需开采首采煤层下煤层满足产量需求。近距煤层的开采不可避免的对煤层上覆岩层造成多次重复扰动，导致地表隔水层的稳定性严重破坏，进而导致水土流失，为保水开采带来挑战。
由于实际地下现场采场上覆岩层变形破坏移动的复杂性和不可预见性，利用模拟实验台进行相似模拟实验，是研究近距煤层保水采煤覆岩破坏移动规律的有效重要途径。就目前而言，大多数研究保水采煤的物理相似模拟试验中，仍然集中于二维、单相或固液方面的物理相似模拟，并且仅采用水管喷淋或用水袋来模拟含水层，这样的方式难以模拟含水层中水与岩体所形成的结构在受采动影响下的整体变化，也无法准确模拟由于煤层开挖覆岩导水裂隙发育引起的含水层水位变化情况。因此，有必要设计一种新型的模拟装置，以解决现有技术无法为近距煤层保水采煤提供较准确信息的缺陷。
发明内容
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种拆装简便、铺设物理模型方便、开挖煤层省力快捷，能准确真实反映近距煤层开挖情况的近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟装置。该装置既能准确模拟近距煤层采场沿煤层走向和倾向的矿压显现规律、采动覆岩移动规律、采动覆岩结构运动与裂隙演化规律分析以及采动覆岩导水通道动态演化与分布特征，还能模拟含水层中水与岩体所形成的结构在受采动影响下的整体变化，准确反映由于煤层开挖覆岩导水裂隙发育引起的含水层水位变化情况，进而可以模拟不同水文地质条件下不通保水采煤方法的合理可行性。
本实用新型通过下述技术方案来实现：
近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟装置，包括三维试验模型架、底板、上覆岩层、加压装置、监测装置、位于底板上方的下煤层和位于上覆岩层下方的上煤层，上煤层和下煤层之间有间隔岩层。上覆岩层中有含水层模拟装置和位于含水层模拟装置下部的隔水层。
上述含水层模拟装置由含水层、位于含水层四周的隔水板、若干含水层水管、进水阀门、压力和流量计、进水管、压力泵、水箱、水位计连通管和水位计组成。上述含水层中有若干并联的含水层水管。含水层水管两端分别有进水端和封闭端。每个含水层水管的进水端穿过试验模型架右侧挡板上的小孔与进水管相连通。含水层水管管壁上有多个出水方向向下的出水孔，进水管依次与进水阀门、压力和流量计、压力泵和水箱串联。水位计通过水位计连通管穿过试验模型架左侧挡板和隔水板上的小孔与含水层底部连通。含水层水管和进水管均为直径10mm的橡胶软管。含水层水管上的出水孔的直径为2mm，相邻出水孔之间的距离为100mm。
上述上煤层和下煤层均由若干个沿煤层层面按矩阵依次紧密排列的油囊组成，油囊呈方形体，为可伸缩油囊，其材质为高强度橡胶。
上述三维试验模型架呈无上盖的箱体结构，包括底座、分别竖直固定连接在底座四个顶角位置处的四根立柱和由槽钢组成的可拆卸活动挡板。
上述上覆岩层中有应力传感器、湿度传感器和位移传感器，应力传感器、湿度传感器、位移传感器通过导线与数据采集仪和计算机连接。
上述隔水层和隔水板均由石蜡、凡士林、河砂、石灰和石膏按一定比例混合而成的不亲水材料。含水层模拟材料由砂粒和碎石构成。
本实用新型与现有技术相比有以下优点：(a) 该模拟装置拆装简便，铺设物理模型方便；(b) 相对于现有技术，本实用新型能够模拟近距煤层开采前含水层中水与岩层共存的状态，开采后下部岩层形成裂隙场后，含水层中水的流动过程、水在裂隙场中渗流过程及含水层所形成的整体结构受采动影响的变化，能够准确模拟由于煤层开挖覆岩导水裂隙发育引起的含水层水位变化情况，从而能够为保水开采提供较准确的信息；(c) 由于该试验系统采用若干个可伸缩高强度橡胶油囊模拟煤层，在模拟煤层开挖时，可根据实际需要，调节油囊中油量，快捷省力的模拟不同的采高，进而可以确定不同水文地质条件下不同的近距煤层保水采煤方法的合理可行性。
附图说明
附图1是本实用新型的三维相似模拟试验架在铺设煤、岩层后的结构示意图；
附图2是本实用新型三维相似模拟试验架中含水模拟装置的结构示意图；
附图3是本实用新型中含水层模拟装置的俯视图；
附图4是本实用新型的煤层模拟装置中方形体油囊排列分布示意图；
图中：1-三维试验模型架；2-底板；3-上煤层；4-上覆岩层；5-加载装置；6-含水层模拟装置；7-隔水层；8-下煤层；9-间隔岩层；10-立柱；30-油囊；60-含水层水管；61-进水阀门；62-压力和流量计；63-进水管；64-压力泵；65-水箱；66-隔水板；67-水位计连通管；68-水位计；69-含水层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作更进一步的说明，以便本领域内的技术人员了解本实用新型。
近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟装置，包括三维试验模型架1、底板2、上覆岩层4、加压装置5、监测装置、位于底板2上方的下煤层8和位于上覆岩层4下方的上煤层3，上煤层3和下煤层8之间有间隔岩层9，上覆岩层4中有含水层模拟装置6和位于含水层模拟装置6下部的隔水层7。
含水层模拟装置6由含水层69、位于含水层69四周的隔水板66、若干含水层水管60、进水阀门61、压力和流量计62、进水管63、压力泵64、水箱65、水位计连通管67和水位计68组成。含水层69中有若干并联的含水层水管60，其两端分别有进水端和封闭端，每个含水层进水端穿过试验模型架1右侧挡板上的小孔与进水管63相连通。含水层水管60管壁上有多个出水方向向下的出水孔，出水孔的直径为2mm，相邻出水孔之间的距离为100mm。进水管63依次与进水阀门61、压力和流量计62、压力泵64和水箱65串联。水位计68通过水位计连通管67穿过试验模型架1左侧挡板和隔水板66上的小孔与含水层69底部连通。含水层水管60和进水管63均为直径10mm的橡胶软管。
三维试验模型架1呈无上盖的箱体结构，包括底座、分别竖直固定连接在底座四个顶角位置处的四根立柱10和由槽钢组成可拆卸活动挡板。
上煤层3和下煤层8均由若干个沿煤层层面按矩阵依次紧密排列的油囊30组成。油囊30呈方形体，为可伸缩油囊，其材质为高强度橡胶。
上覆岩层4中有应力传感器、湿度传感器和位移传感器，应力传感器、湿度传感器、位移传感器通过导线与数据采集仪和计算机连接。
在使用该近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟装置进行试验时，根据实际采矿水文地质条件将底板2、上煤层3、下煤层8、上覆岩层4以及加压装置5从下往上依次叠设于三维试验模型架1内。同时将监测应力传感器、位移传感器和湿度传感器埋置在上覆岩层相似材料中。在进行煤层开挖时，首先根据实际地下含水层水压，利用压力泵64对含水层进行模拟加压供水，供完水后关闭进水阀门61；再根据采煤工作面实际采高，调节油囊30中油量模拟不同煤层开采情况，依次开采上煤层3和下煤层8。在开采煤层的各个阶段，记录水位计68中含水层水位读数，同时利用埋置在上覆岩层4中的应力传感器、位移传感器和湿度传感器随时监测采场覆岩矿压、位移和湿度变化情况。
以上实施方式仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案；因此尽管本说明书参照上述的各个实施方式对本实用新型已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或者等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (9)
1. 近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟装置，包括三维试验模型架（1）、底板（2）、上覆岩层（4）、加压装置（5）、监测装置、位于底板（2）上方的下煤层（8）和位于上覆岩层（4）下方的上煤层（3），上煤层（3）和下煤层（8）之间有间隔岩层（9），其特征在于，所述上覆岩层（4）中有含水层模拟装置（6）和位于含水层模拟装置（6）下部的隔水层（7）；
所述的含水层模拟装置（6）由含水层（69）、位于含水层（69）四周的隔水板（66）、若干含水层水管（60）、进水阀门（61）、压力和流量计（62）、进水管（63）、压力泵（64）、水箱（65）、水位计连通管（67）和水位计（68）组成；
所述含水层（69）中有若干并联的含水层水管（60）；含水层水管（60）两端分别有进水端和封闭端；每个含水层进水端穿过试验模型架（1）右侧挡板上的小孔与进水管（63）相连通；所述含水层水管（60）管壁上有多个出水方向向下的出水孔，进水管（63）依次与进水阀门（61）、压力和流量计（62）、压力泵（64）和水箱（65）串联；
所述水位计（68）通过水位计连通管（67）穿过试验模型架（1）左侧挡板和隔水板（66）上的小孔与含水层（69）底部连通。
2.如权利要求1所述的近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟装置，其特征在于，所述的上煤层（3）和下煤层（8）均由若干个油囊（30）组成。
3.如权利要求2所述的近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟装置，其特征在于，所述的油囊（30）呈方形体，为可伸缩油囊，其材质为高强度橡胶。
4.如权利要求3所述的近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟装置，其特征在于，所述油囊（30）沿煤层层面按矩阵依次紧密排列。
5.如权利要求4所述的近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟装置，其特征在于，所述的三维试验模型架（1）呈无上盖的箱体结构，包括底座、分别竖直固定连接在底座四个顶角位置处的四根立柱（10）和可拆卸活动挡板。
6.如权利要求5所述的近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟装置，其特征在于，所述的可拆卸活动挡板由槽钢组成。
7.如权利要求6所述的近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟装置，其特征在于，所述的上覆岩层（4）中有应力传感器、湿度传感器和位移传感器，应力传感器、湿度传感器、位移传感器通过导线与数据采集仪和计算机连接。
8.如权利要求7所述的近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟装置，其特征在于，所述的含水层水管（60）和进水管（63）均为直径10mm的橡胶软管。
9.如权利要求8所述的近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟装置，其特征在于，所述的含水层水管（60）上的出水孔的直径为2mm，相邻出水孔之间的距离为100mm。
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