CN208188101U - 承压含水层下采煤固液耦合相似模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种承压含水层下采煤固液耦合相似模拟实验系统，包括支撑架、补偿力加载装置、模型框架、含水层模拟装置、水箱、空气压缩机、压力控制器及紫外线灯，所述的补偿力加载装置焊接在支撑架上，通过压板向模型提供补偿压力；所述的含水层模拟装置通过注水软管与水箱相连，水箱内的水加入LUYOR‑6200型检漏剂，水箱的另一端连接空气压缩机；所述的压力控制器通过导线分别与空气压缩机、水箱的水压传感器及含水层模拟装置中的孔隙水压传感器相连，压力控制器可以预设压力控制阀值，实现对空气压缩机、水箱及含水层内部的压力自动调节；所述的紫外线灯为LED紫光灯，波长365nm，紫外强度3400MJ/cm²，短时间实验照射，对人体基本无危害；采用本实用新型的技术方案，能有效解决传统模拟装置的含水层密封不严、水压控制不合理及导水裂隙观测难的问题。

Description

承压含水层下采煤固液耦合相似模拟实验系统

技术领域

本实用新型涉及一种相似模拟实验装置，更具体地说是一种承压含水层下采煤固液耦合相似模拟实验系统。

背景技术

煤炭资源的大规模开采会导致上覆岩层沉降、破断，覆岩破断形成的导水裂隙贯通含水层后，不但会造成地下水资源白白流失，而且极易诱发采煤工作面透水事故，威胁采煤作业人员生命安全，因此，在含水层下煤层开采前，通过实验掌握采煤过程中覆岩裂隙发育规律，准确预测导水裂隙扩展高度，然后根据预测结果合理调整开采参数或制定相应安全技术措施，对煤矿预防水灾事故及减少水资源浪费有极其重要的指导意义。

目前，固液耦合相似模拟实验作为一种低成本、易操作的试验手段，在预测承压含水层下采煤导水裂隙高度逐渐得到较多应用；但目前的承压含水层下采煤固液耦合相似模拟实验装置主要存在3个缺陷：①含水层密封性差，承压含水层一般受其上覆岩层的重力及补给水源水压双重作用力，含水层密封材料要求具有较大的承压性能而且须具有一定的变形能力，但目前的含水层密封装置极易产生侧漏，影响实验效果；②含水层注水装置设计不合理，在导水裂隙没有贯通含水层前，含水层水量会缓慢渗入下伏岩层中导致承压含水层水压降低到设定值以下，此时需要注水装置自动向含水层注水使水压达到设定值，但目前的装置无法实现这一动态过程；③导水裂隙观测困难，目前的固液耦合实验中导水裂隙通道的判断一般采用肉眼观测，较大的导水裂隙可以看到，但一些细微的导水通道辨识困难，这直接会对导水裂隙高度的预测结果产生影响。为了克服以上缺点，有必要设计一种新型承压含水层下采煤固液耦合相似模拟实验装置。

发明内容

本实用新型的目的是设计一种新型承压含水层下采煤固液耦合相似模拟实验系统，该系统能够实现含水层密封性好、自动调节含水层水压及导水裂隙易于观测的功能。

为实现本实用新型目的，本实用新型采用这样的设计方案：本实用新型由支撑架、补偿力加载装置、模型框架、含水层模拟装置、水箱、空气压缩机、压力控制器及紫外线灯组成。

所述的补偿力加载装置焊接在支撑架上，通过压板向模型提供补偿压力。

所述的含水层模拟装置包括透明橡胶密封骨架、注水软管、孔隙水压传感器、不规则橡胶块及钢化玻璃，其中透明橡胶密封骨架厚度为15mm（长、宽依据模型框架而定，高度依据与实际含水层高度的相似比而定），透明橡胶密封骨架下部开口，骨架填满不规则橡胶块（橡胶块体的大小依据实际含水层的渗透系数、岩体强度的相似比而定），不规则橡胶块内部埋设孔隙水压传感器及注水软管（注水软管每隔10cm开设一个出水圆孔）。

所述的模型框架的一侧开有注水孔，注水孔分别连接铺设于含水层模拟装置中的注水软管及水箱的注水软管。

所述的水箱上安装有水压传感器及水深传感器，水箱内的水加入LUYOR-6200型检漏剂（水与检漏剂按500:1稀释），水箱的另一端通过导气管与空气压缩机相连。

所述的压力控制器通过导线分别与空气压缩机、水箱的水压传感器及含水层模拟装置中的孔隙水压传感器相连，压力控制器可以预设压力控制阀值，实现对空气压缩机、水箱及含水层内部的压力自动调节。

所述的紫外线灯为LED紫光灯，波长365nm，紫外强度3400MJ/cm²，短时间实验照射，对人体基本无危害。

采用本实用新型的技术方案，能有效解决含水层密封不严、含水层水压控制不合理及导水裂隙观测困难的问题；本实用新型结构简单实用，操作方便，实验数据准确度高，值得推广应用。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是本实用新型含水层模拟装置图。

图3 是含水层模拟装置A-A剖面图。

附图标记说明：1-支撑架、2-补偿力加载装置、3-压板、4-模型框架、5-上覆岩层、6-钢化玻璃、7-含水层模拟装置、8-隔水岩层、9-煤层、10-底板岩层、11-注水口、12-注水软管、13-水箱、14-水深传感器、15-水压传感器、16-导气管、17-导线、18-空气压缩机、19-紫外线灯、20-空气压缩机、21-透明橡胶密封骨架、22-孔隙水压传感器、23-不规则橡胶块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1、图2、图3所示，本实用新型由1支撑架、2补偿力加载装置、3压板、4模型框架、7含水层模拟装置、13水箱、18空气压缩机、19紫外线灯及20压力控制器组成；所述的2补偿力加载装置焊接在1支撑架上，通过3压板向模型提供补偿压力；7含水层模拟装置包括21透明橡胶密封骨架、12注水软管、22孔隙水压传感器、23不规则橡胶块及6钢化玻璃，21透明橡胶密封骨架厚度为15mm（长、宽依据模型框架而定，高度依据与实际含水层高度的相似比而定），21透明橡胶密封骨架下部开口，21透明密封橡胶骨架内填满23不规则橡胶块（不规则橡胶块体的大小依据实际含水层的渗透系数、岩体强度的相似比而定），23不规则橡胶块内部埋设22孔隙水压传感器及12注水软管（注水软管每隔10cm开设一个出水圆孔）；模型框架的一侧开有11注水口，11注水口分别连接铺设于含水层模拟装置中的12注水软管及13水箱的12注水软管；13水箱上安装有15水压传感器及14水深传感器，13水箱内的水加入LUYOR-6200型检漏剂（水与检漏剂按500:1稀释），13水箱的另一端通过16导气管与18空气压缩机相连；20压力控制器通过17导线分别与18空气压缩机、13水箱的15水压传感器及7含水层模拟装置中的22孔隙水压传感器相连，20压力控制器可以预设压力控制阀值，实现对空气18压缩机、13水箱及7含水层模拟装置内部压力自动调节；紫外线灯为LED紫光灯，波长365nm，紫外强度3400MJ/cm²，短时间实验照射，对人体基本无危害。

本实用新型是这样实施的：在进行承压含水层下采煤固液耦合相似模拟试验前，首先根据所模拟的实际矿井岩层力学性质及渗透系数，按照一定的相似比配制固液耦合相似模拟材料（一般由石灰、河沙、石膏粉、石蜡及凡士林等按照一定的比例配制而成），进行试验时在4模型框架前后两侧装好模板，将配制好的固液耦合相似模拟材料倒入4模型框架及模板中依次铺设实验模型的10底板岩层、9煤层、8隔水岩层；在7含水层模拟装置的21透明橡胶密封骨架中填满23不规则橡胶块（不规则橡胶块体的大小依据实际含水层的渗透系数、岩体强度的相似比而定），在23不规则橡胶块中埋设12注水软管及22孔隙水压传感器，然后将7含水层模拟装置有开口的一面朝下铺设在8隔水岩层上部并埋入8隔水岩层中3cm，最后将6钢化玻璃紧贴7含水层模拟装置通过螺栓紧紧固定在4模型框架的前后两侧，在7含水层模拟装置上方继续铺设5上覆岩层；模型铺设完成后晾干，拆除模板，在模型的顶部放置3压板，2补偿力加载装置通过3压板向模型顶部施加压力，用来补偿上覆未模拟到的岩层自重力；13水箱内的水加入LUYOR-6200型检漏剂（水与检漏剂按500:1稀释），在20压力控制器中预设符合试验要求的7含水层模拟装置水压及水箱水压的控制阀值，当7含水层模拟装置水压达到试验要求值或13水箱中的压力超过警戒压力值时，20压力控制器则自动调节18空气压缩机的输出压力大小，从而增大或减小7含水层模拟装置及13水箱中的压力；用刀具将9煤层每隔一定距离（一般5cm）开挖一次，随着开挖的进行则9煤层顶部的8隔水岩层会跨断形成裂隙，当裂隙贯通含水层时，会有水流入裂隙形成导水通道，没开挖2～５次，打开19紫外线灯观测，若模型上形成导水裂隙，则7含水层模拟装置加入检漏剂的水会流入导水裂隙，则导水裂隙会发出明亮黄绿色的荧光，这样就能清晰地观测导水裂隙的发育情况。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.承压含水层下采煤固液耦合相似模拟实验系统由支撑架、补偿力加载装置、模型框架、含水层模拟装置、水箱、空气压缩机、压力控制器及紫外线灯组成；其特征在于：补偿力加载装置焊接在支撑架上，通过压板向模型提供补偿压力；含水层模拟装置包括透明橡胶密封骨架、注水软管、孔隙水压传感器、不规则橡胶块及钢化玻璃，透明橡胶密封骨架厚度为15mm，长、宽依据模型框架而定，高度依据与实际含水层高度的相似比而定；透明橡胶密封骨架下部开口，骨架填满不规则橡胶块，橡胶块体的大小应依据实际含水层的渗透系数、岩体强度的相似比而定，不规则橡胶块内部埋设孔隙水压传感器及注水软管，注水软管每隔10cm开设一个出水圆孔；透明橡胶密封骨架通过钢化玻璃固定在模型框架上。

2.根据权利要求1所述的承压含水层下采煤固液耦合相似模拟实验系统，其特征在于模型框架的一侧开有注水口，注水口分别连接铺设于含水层模拟装置中的注水软管及水箱的注水软管。

3.根据权利要求1所述的承压含水层下采煤固液耦合相似模拟实验系统，其特征在于水箱上安装有水压传感器及水深传感器，水箱内的水加入LUYOR-6200型检漏剂，水与检漏剂按500:1稀释，水箱的另一端通过导气管与空气压缩机相连。

4.根据权利要求1所述的承压含水层下采煤固液耦合相似模拟实验系统，其特征在于压力控制器通过导线分别与空气压缩机、水箱的水压传感器及含水层模拟装置中的孔隙水压传感器相连，压力控制器可以预定压力控制阀值，实现对空气压缩机、水箱及含水层内部的压力自动调节。

5.根据权利要求1所述的承压含水层下采煤固液耦合相似模拟实验系统，其特征在于紫外线灯为LED紫光灯，波长365nm，紫外强度3400MJ/cm2，短时间实验照射，对人体基本无危害。