CN211904101U - 一种基于数值模拟确定导水裂隙带高度的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于数值模拟确定导水裂隙带高度的实验装置，包括模拟试验架和设置在模拟试验架内部的煤层，模拟试验架的底部安装有应力传感器，应力传感器上方设置有底板，煤层位于底板上方，煤层上方设置有上覆岩层；模拟试验架的顶端安装有加载装置，模拟试验架的内部设置有多个应变传感器；应力传感器通过导线连接应力采集器，应变传感器通过导线连接应变采集器，应力采集器和应变采集器连接计算机。本实用新型铺设物理模型方便、高效，基于数值模拟结果，通过物理相似模拟实验能准确模拟水体下开采上覆岩层隔水层损伤程度和导水裂隙分布规律，为确定导水裂隙带高度提供较准确的信息，进而为保护煤柱的留设提供依据。
Description
技术领域
本实用新型属于矿井防治突水技术领域，涉及一种基于数值模拟确定导水裂隙带高度的实验装置。
背景技术
煤层开采后，必然引起岩层运动和地层内应力场与裂隙场的改变，上覆岩层破断形成导水裂隙带。导水裂隙带一旦沟通含水层或者地表水体将会导致水体涌入井下，威胁矿井安全。因此，水体下煤层安全开采的关键在于精准确定煤层开采后覆岩导水裂隙带高度，进而确定合理保护煤柱尺寸。
确定煤层开采后覆岩导水裂隙带高度的方法主要有数值模拟和物理相似模拟等。数值模拟可以快速模拟不同地质采矿条件下的导水裂隙带动态发育过程，但由于很难精准设定各岩层力学参数，导致结果的准确性和可靠性降低；物理相似模拟由于实验周期长，需要消耗大量的人力和物力，每次实验模型在成型和操作上存在差异，实验结果可重复性差；且现有相似模型实验大多通过全站仪测量模型表面的测点来确定岩层位移，通过隔水岩层表面裂隙张开度来确定导水裂隙带高度，而事实上隔水岩层表面有微裂隙不一定导水，且通过全站仪测量测点位移来确定岩层裂隙张开度误差相对较大。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于数值模拟确定导水裂隙带高度的实验装置，从而测定隔水层的损伤程度，分区域精准预计导水裂隙带的发育高度。
本实用新型所采用的技术方案是一种基于数值模拟确定导水裂隙带高度的实验装置，包括模拟试验架和设置在模拟试验架内部的煤层，模拟试验架的底部安装有应力传感器，应力传感器上方设置有底板，煤层位于底板上方，煤层上方设置有上覆岩层；模拟试验架的顶端安装有加载装置，模拟试验架的内部设置有多个应变传感器；应力传感器通过导线连接应力采集器，应变传感器通过导线连接应变采集器，应力采集器和应变采集器连接计算机。
本实用新型的特点还在于：
模拟试验架为通过左立柱、中间立柱、右立柱、横撑固定而成的立体结构，其底部固定有支架底板，其四周通过挡板包裹；应力传感器安装于支架底板上。
挡板为透明材质。
上覆岩层包括从底部至顶部依次设置的煤层、冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。
弯曲下沉带包括隔水层和含水层，隔水层和数值模拟预计的裂隙带上边界岩层内均设置有多个应变传感器。
应力传感器和应变传感器均匀排布。
本实用新型的有益效果是克服以往相似模拟实验仅根据隔水层表面是否产生裂隙判断隔水层是否遭到破坏来确定导水裂隙带高度的缺点，通过隔水层内部布设的应变传感器采集到的应变数据结合变形分析可准确判断隔水层损伤程度进而判定导水裂隙带高度，从而在确保安全的前提下减少工作面保护煤柱尺寸，提高资源回收率，创造出更多的经济效益。
附图说明
图1是本实用新型一种基于数值模拟确定导水裂隙带高度的实验装置的结构示意图。
图中，1.模拟试验架，2.应力传感器，3.底板，4.煤层，5.顶板，6.上覆岩层，7.冒落带，8.裂隙带，9.弯曲下沉带，10.隔水层，11.含水层，12.应变传感器，13.节理，14.加载装置，15.左立柱，16.右立柱，17.中间立柱，18.支架底板，19.挡板，20.横撑，21.计算机，22.应力采集器，23.应变采集器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
本实用新型一种基于数值模拟确定导水裂隙带高度的实验装置，如图1所示，包括模拟试验架1、应力传感器2、底板3、煤层4、顶板5、上覆岩层6、应变传感器12和加载装置14。模拟试验架1包括支架底板18、左立柱15、中间立柱17、右立柱16、横撑20、挡板19。左立柱15、右立柱16分别竖直固定连接在底座两端，中间根据模型长度加设中间立柱17，中间立柱17与支架底板18直接相连接，各立柱之间为相互平行。挡板19包括前挡板和后挡板，均为透明材质，实验时可以很好的观察模型内岩层的变化。横撑20为工字钢，与左右两立柱之间均通过螺栓连接，实验时可以根据模型实际情况自由拆卸。
模拟试验架1的下部设有支架底板18，在支架底板1上放并排铺设应力传感器2，上覆岩层6中设有位于煤层4上部的冒落带7、裂隙带8和弯曲下沉带9。弯曲下沉带9中设有位于裂隙带顶部的隔水层10和位于隔水层10顶部的含水层11，其特征在于隔水层10内部以及数值模拟预计的裂隙带上边界所在岩层每间隔一定距离布设应变传感器12。各岩层按照岩体力学参数计算出来的配合比由砂子、石膏、碳酸钙粉末和水配制而成，各岩层中间铺设云母粉来模拟节理13，铺设煤层4时额外加入墨水上色。通过加载装置14上荷载的大小实现模拟不同埋深开采条件。
应力传感器2通过导线与应力采集器22连接，应变传感器12通过导线与应变采集器23连接，应力采集器22、应变采集器23均与计算机23连接，通过对应变传感器23采集的应变数据分析，最后基于水平应变临界值采用变形分析法进行计算可以实现顶板导水裂隙带高度的分区域精准判断。
在使用本装置进行相似模拟试验时，首先需要进行数值模拟，初步判定顶板各区域导水裂隙带上边界位置；然后根据实验室测得的各岩层力学参数，进行相似模拟配合比设计。根据设计好的配合比搭建实验模型，依据数值模拟预计的导水裂隙带上边界所在岩层内部间隔一定距离预埋应变传感器；最后根据采集的应变数据通过变形分析法来确定导水裂隙带高度。使用本装置进行实验时，具体按照以下步骤实施：
S1.根据煤层地质采矿条件、钻孔柱状图和岩体物理力学参数构建数值模拟模型及设计物理相似模拟配合比；
S2.进行数值模拟初步分区域判定上覆岩层导水裂隙带的上边界；
S3.在模型支架底板上面并排铺设应力传感器；
S4.按照S1计算出来的配合比配制各岩层，各岩层由砂子、石膏、碳酸钙粉末和水组成，煤层额外加墨水上色，各岩层中间铺设一层云母粉来模拟节理；
S5.将横撑20从下往上依次安装在左右立柱上,将S4配制的各岩层混合料放入模型并铺平，各岩层随配制随铺设；
S6.在S2预计的导水裂隙带的上边界岩层和隔水层10内部预埋应变传感器12；
S7.待模型风干成型后拆除S5所安装的横撑20，安装挡板19，根据需要安装横撑20固定挡板19；
S8.通过加装装置加载14模拟弯曲下沉带9范围未铺设的岩层；
S9.模拟工作面开挖，通过计算机21实时采集应力数据和应变数据；
S10.将实验得到的水平应变临界变形值代入变形分析公式计算得到岩层的极限跨距、最大挠度和自由空间；
S11.比较S10得到最大挠度和最大允许自由空间分区域判定导水裂隙带高度。
通过数值模拟初步确定工作面上覆岩层各区域导水裂隙带的高度和分布规律，然后在数值模拟预计的导水裂隙带上边界岩层内部以及弯曲下沉带范围内的隔水层内部设置应变传感器来研究隔水层破断导水条件以及导水裂隙带分布规律，最后对物理相似模拟采集到的应变数据采用变形分析法进行分析得到工作面顶板不同区域导水裂隙带的高度。从而在确保安全的前提下减少工作面保护煤柱尺寸，提高资源回收率，创造出更多的经济效益。
Claims (7)
1.一种基于数值模拟确定导水裂隙带高度的实验装置，其特征在于，包括模拟试验架(1)和设置在模拟试验架(1)内部的煤层(4)，所述模拟试验架(1)的底部安装有应力传感器(2)，所述应力传感器(2)上方设置有底板(3)；所述煤层(4)位于底板(3)上方，所述煤层(4)上方设置有上覆岩层(6)；所述模拟试验架(1)的顶端安装有加载装置(14)，所述模拟试验架(1)的内部设置有多个应变传感器(12)；所述应力传感器(2)通过导线连接应力采集器(22)，所述应变传感器(12)通过导线连接应变采集器(23)，所述应力采集器(22)和应变采集器(23)连接计算机(21)。
2.根据权利要求1的所述的一种基于数值模拟确定导水裂隙带高度的实验装置，其特征在于，所述模拟试验架(1)为通过左立柱(15)、中间立柱(17)、右立柱(16)、横撑(20)固定而成的立体结构，其底部固定有支架底板(18)，其四周通过挡板(19)包裹；所述应力传感器(2)安装于支架底板(18)上。
3.根据权利要求2的所述的一种基于数值模拟确定导水裂隙带高度的实验装置，其特征在于，所述横撑(20)为工字钢，其与左立柱(15)、右立柱(16)均通过螺栓连接。
4.根据权利要求2的所述的一种基于数值模拟确定导水裂隙带高度的实验装置，其特征在于，所述挡板(19)为透明材质。
5.根据权利要求1的所述的一种基于数值模拟确定导水裂隙带高度的实验装置，其特征在于，所述上覆岩层(6)包括从底部至顶部依次设置冒落带(7)、裂隙带(8)和弯曲下沉带(9)。
6.根据权利要求5的所述的一种基于数值模拟确定导水裂隙带高度的实验装置，其特征在于，所述弯曲下沉带(9)包括隔水层(10)和含水层(11)，所述隔水层(10)和数值模拟预计的裂隙带(8)上边界岩层内均设置有多个应变传感器(12)。
7.根据权利要求6的所述的一种基于数值模拟确定导水裂隙带高度的实验装置，其特征在于，所述应力传感器(2)和应变传感器(12)均匀排布。
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| CN202020952327.XU CN211904101U (zh) | 2020-05-29 | 2020-05-29 | 一种基于数值模拟确定导水裂隙带高度的实验装置 |
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| CN202020952327.XU Active CN211904101U (zh) | 2020-05-29 | 2020-05-29 | 一种基于数值模拟确定导水裂隙带高度的实验装置 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114184153A (zh) * | 2021-12-06 | 2022-03-15 | 中国矿业大学 | 基于光纤及渗压计的采场覆岩及土层复合导高监测方法 |
| CN114217050A (zh) * | 2021-12-10 | 2022-03-22 | 国家能源投资集团有限责任公司 | 一种煤层相似开采模拟装置及煤层相似开采模拟实验方法 |
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2020
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| CN114184153A (zh) * | 2021-12-06 | 2022-03-15 | 中国矿业大学 | 基于光纤及渗压计的采场覆岩及土层复合导高监测方法 |
| CN114217050A (zh) * | 2021-12-10 | 2022-03-22 | 国家能源投资集团有限责任公司 | 一种煤层相似开采模拟装置及煤层相似开采模拟实验方法 |
| CN114217050B (zh) * | 2021-12-10 | 2024-02-09 | 国家能源投资集团有限责任公司 | 一种煤层相似开采模拟装置及煤层相似开采模拟实验方法 |
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