CN204791743U - 一种近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种适用于研究近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统。该系统包括三维试验模型架、底板、上覆岩层、加压装置、监测装置以及由煤层模拟装置构成的上煤层和下煤层。三维试验模型架整体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。煤层模拟装置由若干个按矩阵紧密排列的方形体油囊组成。上覆岩层中有与数据采集仪和计算机连接的传感器。该系统拆装简单，铺设模型方便，开挖煤层快捷省力，能准确模拟近距煤层重复采动采场沿煤层走向和倾向的覆岩移动和导水裂隙演化情况，进而可以模拟不同近距煤层条件下保水采煤方法的合理可行性。

Description

一种近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统

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的三维相似模拟试验系统。

背景技术

煤炭开采后会形成采空区，进而引起顶板岩层的变形和破裂，甚至造成岩体冒落、塌陷，煤层上覆岩层中会形成导水裂隙带，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。随着我国矿井年产量逐渐增加及开采强度不断加大，现在已逐步开始回采下煤层。由于两层主采煤层的层间距较小（平均不超过30m，属于近距煤层），在下煤层近距离重复开采后，采动影响空间将相互迭加，采动影响范围扩大。不但会形成新的采动覆岩导水通道，且原已压实稳定的覆岩导水通道在一定地质条件下有可能“活化”、“复活”并“二次发育”，将使原本没有受到破坏或采后已得到重新恢复的地表水和地下水涌入矿井，不仅造成生产损失和人员伤亡，导致多种环境负效应，而且还威胁着下部煤层（群）的大量煤炭资源的安全开采，给保水采煤带来了新的挑战。

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，利用模拟试验架进行相似模拟实验，是研究近距煤层保水采煤覆岩破坏移动和导水裂隙发育演变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仍然集中于二维的物理相似模拟，二维相似模拟试验仅能对采煤工作面沿走向开采覆岩导水裂隙发育规律进行模拟，而不能准确提供采煤工作面上覆岩层沿倾向的导水裂隙发育变化规律。为了解决这一问题，CN201007871Y提供了一种保水采煤三维物理模拟试验架，用插板插槽组合成试验箱体，试验箱体的前挡板为一透视板，试验箱体下部平铺有由多根槽钢组成的承载多层沙岩样的底板，每根槽钢的下部两端均对成设有一个控制其升降的液压油缸，试验箱体内设有埋在多层沙岩样中的对个传感器，多个传感器通过新号输出线连接程控静态电阻应变仪，通过程控静态电阻应变仪转换采集所需数据。该三维物理模拟试验架拆装简便，铺设模型方便，对地质条件的适用范围大，可以不同覆岩条件下保水采煤的可行性。但是该三维物理模拟试验架存在以下缺点：（1）使用该三维物理相似模拟试验架在模拟煤层开挖时，只能调节模型架下部槽钢的高度，进行底板采煤，实际反映的是模拟在没有底板的情况下的工作面采煤情况，这种采煤方法与实际差别很大，并不能完全反映实际情况；（2）由于该模型架只能底板采煤，因此只能模拟单一煤层上覆岩层导水裂隙发育情况，而无法模拟近距离煤层重复开采后采动覆岩导水通道演变情况；（3）该模型架进行模拟实验时，煤层只能沿走向进行开挖，没有考虑工作面沿煤层倾向开采的情况。针对上述问题，需要重新设计一种能模拟近距煤层重复开采覆岩导水裂隙发育情况的近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统。

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单、铺设物理模型方便、开挖煤层快捷省力、能准确真实反映煤层开挖情况的近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统。该试验系统能模拟研究有近距煤层重复采动后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，进而可以模拟不同水文地质条件下不同保水采煤方法的合理可行性。

本实用新型的近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统通过下述技术方案来实现：

一种近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统，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。上煤层和下煤层均由煤层模拟装置组成。

该煤层模拟装置由油囊、支路输油管、流量计、控制阀、双向泵、油箱和干路输油管组成。油囊与多根相并联的支路输油管相连通，每根支路输油管上依次串联有流量计和控制阀；多根并联的支路输油管汇合成干路输油管后再依次与双向泵和油箱相串联。油囊顶部有压力传感器。

上述上覆岩层包括含水层和隔水层，隔水层位于含水层和上煤层之间。

上述上覆岩层中有应力传感器、位移传感器和湿度传感器，应力传感器、位移传感器和湿度传感器通过数据线与数据采集仪和计算机连接。

上述油囊沿煤层层面按矩阵依次紧密排列。

上述油囊呈方形体，为可伸缩油囊，其材质为高强度橡胶。

上述油囊长宽高之比为：2:2:1。

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可拆卸活动挡板。

上述三维试验模型架的前挡板为透明挡板，其材质是耐压玻璃板，方便试验人员在试验模型架的正前方清楚观察岩层的移动变形情况。

上述支路输油管和干路输油管均为直径5mm的橡胶软管。

上述的底板和上覆岩层为河砂、石灰、石膏和水按一定比例混合而成的相似模拟材料。上述的双向泵流量控制在20~200ml/min，压力控制在0.01~0.2MPa。

本实用新型与现有技术相比有以下优点：(a)该试验系统拆装简便，铺设物理模型方便，开挖煤层快捷省力；(b)由于该试验系统采用若干个油囊模拟煤层，可真实有效模拟近距煤层重复采动采场上覆沿走向和倾向的矿压显现规律、覆岩移动规律、覆岩结构运动与裂隙演化规律分析以及覆岩导水通道动态演化与分布特征；(c)由于模拟煤层的油囊为可伸缩高强度橡胶油囊，在模拟煤层开挖时，可根据实际需要，调节油囊中油量，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；(d)模拟煤层的油囊顶部设有压力传感器，其可以清楚反映出油囊中压力情况，进而可以清楚准确的推断采场周围的矿山压力数值，弥补了现有技术中由于顶板破坏垮落造成埋在顶板压力传感器无法得出准确压力数值的问题，为近距煤层保水采煤工作面的支架合理选型提供条件。

附图说明

附图1是本实用新型三维试验模型架在铺设岩层和煤层模拟装置后的结构示意图。

附图2是本实用新型三维试验模型架中煤层模拟装置结构示意图。

附图3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。

附图4是本实用新型的煤层模拟装置中一组方形体油囊结构示意图。

附图5是本实用新型的方形体油囊的主视图。

图中：1-三维试验模型架；2-底板；3-上煤层；4-上覆岩层；5-加压装置；6-含水层；7-隔水层；8-下煤层；9-间隔岩层；10-立柱；30-油囊；31-支路输油管；32-流量计；33-控制阀；34-双向泵；35-油箱；36-压力传感器；37-干路输油管。

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。

一种近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统，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包括含水层6和隔水层7，隔水层7位于含水层6和上煤层3之间。上覆岩层4中有应力传感器、位移传感器和湿度传感器，应力传感器、位移传感器和湿度传感器通过数据线与数据采集仪和计算机连接。

上煤层3和下煤层8均由煤层模拟装置组成。该煤层模拟装置由油囊30、支路输油管31、流量计32、控制阀33、双向泵34、油箱35、压力传感器36和干路输油管37组成。油囊30与多根相并联的支路输油管31相连通，每根支路输油管31上依次串联有流量计32和控制阀33，多根并联的支路输油管31汇合成干路输油管31后再依次与双向泵34和油箱35相串联。油囊30呈方形体，为可伸缩油囊，其材质为高强度橡胶。油囊30沿煤层层面按矩阵依次紧密排列。每个油囊30顶部有压力传感器36。油囊30长宽高之比为：2:2:1。支路输油管31和干路输油管37均为直径5mm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和由槽钢组成的可拆卸活动挡板。三维试验模型架1的前挡板为透明挡板，其材质是耐压玻璃板。底板2和上覆岩层4为河砂、石灰、石膏和水按一定比例混合而成的相似模拟材料。双向泵34的流量控制在20~200ml/min，压力控制在0.01~0.2MPa。

在使用该近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统进行试验时，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内部。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中。在进行煤层开挖时，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，同时利用油囊30顶部的压力传感器36和埋置在上覆岩层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 (8)

1.一种近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统，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，所述的上煤层（3）和下煤层（8）均由煤层模拟装置组成；

所述煤层模拟装置由油囊（30）、支路输油管（31）、流量计（32）、控制阀（33）、双向泵（34）、油箱（35）、压力传感器（36）和干路输油管（37）组成；所述的油囊（30）与多根相并联的支路输油管（31）相连通，每根支路输油管（31）上依次串联有流量计（32）和控制阀（33）；多根并联的支路输油管（31）汇合成干路输油管（31）后再依次与双向泵（34）和油箱（35）相串联；所述油囊（30）顶部有压力传感器（36）；

所述上覆岩层（4）包括含水层（6）和隔水层（7），隔水层（7）位于含水层（6）和上煤层（3）之间；

所述上覆岩层（4）中有应力传感器、位移传感器和湿度传感器，所述的应力传感器、位移传感器和湿度传感器通过数据线与数据采集仪和计算机连接。

2.如权利要求1所述的一种近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统，其特征在于，所述油囊（30）沿煤层层面按矩阵依次紧密排列。

3.如权利要求2所述的一种近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统，其特征在于，所述油囊（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所述的一种近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统，其特征在于，所述油囊（30）长宽高之比为：2:2:1。

5.如权利要求4所述的一种近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统，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所述的一种近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统，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所述的一种近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统，其特征在于，所述的三维试验模型架（1）的前挡板为透明挡板，其材质是耐压玻璃板。

8.如权利要求7所述的一种近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统，其特征在于，所述的支路输油管（31）和干路输油管（37）均为直径5mm的橡胶软管。