CN214011233U - 一种模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置,属于相似模拟实验领域,一种模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置,包括模拟架与固定在模拟架后方的两个水箱,在所述两个水箱的下方与两个L型导管相连,所述两个L型导管的右端与分别于第一排水管与第二排水管相连,其中第一排水管与第二排水管设置在含水层中,本实用新型公开的一种模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置具有三维模拟的效果,可以充分模拟含水层中水流的流动以及下渗情况,具有精度高,操作简单,真实度高等优点。

Description

一种模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置
技术领域
本实用新型涉及相似模拟实验领域,具体涉及一种模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置。
背景技术
我国资源以煤矿为主,在未来许多年的发展中,煤矿依然将作为主要能源供应。而在煤矿开采时,煤层上覆含水层对煤层开采具有重要的影响作用,如果对含水层的了解不够全面,规划地不到位,就很有可能会造成开采工作面有渗水甚至突水情况发生。煤矿在建设与生产过程中,一旦发生水灾,不仅会影响矿井的正常生产,给管理带来困难,有时还会造成人员伤亡与淹井事故,导致矿井停产与严重的经济损失,危害十分严重。据统计,目前受水害威胁的矿井约占国有重点煤矿矿井总数的48%以上,矿井水灾,是煤矿常见的主要灾害之一。我国是世界上主要产煤国,是受水害危害最为严重的国家之一。所以,做好矿井防水工作,是保证矿井安全生产的重要内容之一,因此,研究一种模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置极为必要。
实用新型内容
针对现有技术的不足,本实用新型提出了一种模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现:
一种模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置,包括模拟架与固定在模拟架后方的两个水箱,两个L型导管一端分别与所述两个水箱的下方相连,所述两个L型导管的另一端分别与第一排水管、第二排水管的一端相连,其中第一排水管与第二排水管设置在含水层中,所述第一排水管与第二排水管均呈波浪状,所述第一排水管与第二排水管的截面为矩形截面,所述第一排水管与所述第二排水管的另一端封闭;在所述第一排水管与第二排水管上四个面分别开有多个喷水孔,多个所述喷水孔均匀分布。
进一步地,在所述含水层的两侧设置有声发射仪与声接收仪,在所述含水层下方铺设隔水层,在所述含水层下方分别设置有多种裂隙的第一裂隙带、第二裂隙带与第三裂隙带,在所述第一裂隙带、第二裂隙带与第三裂隙带的下方设置有煤层,在所述模拟架底部设置有阀门。
进一步地,在所述隔水层上方设置有声发射与接收仪,分别固定在模拟架两侧的侧板上,三层所述光学钻孔窥视仪分别设置在所述煤层的上方,每层包括三个所述光学钻孔窥视仪,一个光学钻孔窥视仪位于所述模拟架长度方向的中间位置,其余两个光学钻孔窥视仪分别位于第一个光学钻孔窥视仪的两侧。
进一步地,在所述模拟架最底部设置有三个阀门,分别固定在模拟架的底板上,一个位于所述模拟架长度方向的中间位置,其余两个阀门位于其两侧。
进一步地,通过一种裂隙预制装置来人工制作裂隙,所述裂隙预制装置包括裂隙片载体、裂隙片与裂隙片固定体,导轨作为基础载体,圆盘位于所述导轨中间凹陷处,且可以沿所述导轨定向移动,所述转轴穿过所述圆盘中部空心处且与所述圆盘相对静止,即空心尺寸小于所述转轴,所述转轴一端与刻盘相连,所述刻盘可自由精确调节所述转轴,另一端则承载裂隙片,以上部分构成完整的裂隙片载体,固定柱间隔一定距离左右各放置一个,并在两个所述固定柱下方各放置一块垫片,再通过一根固定杆对称嵌入两个所述固定柱上半部分,完成整体连接,所述固定杆上打造有多个通孔,把相邻两个所述通孔的中间部分挖空再结合圆筒形成滑道,其中使用角度固定扣将所述滑道与所述通孔连接,所述角度固定扣与所述滑道形成垂直的位置关系,所述滑道可以以所述角度固定扣为轴在左右方向上自由旋转,所述滑道的侧面为圆形,其尺寸设计能够使所述裂隙片穿过,且所述裂隙片能够以所述转轴为轴通过所述刻盘在左右方向上自由旋转。
进一步地,所述骨料装载压实系统包括U型骨料喷射装置,水平支撑杆与压实滚筒,所述水平支撑杆位于模拟架的正上方,所述水平支撑杆为前后两根,所述水平支撑杆与第二挡板连接,所述第二挡板与第一挡板相互拼接形成U型骨料仓,所述第二挡板与第一挡板之间通过第一侧板与第二侧板拼接形成仓体,其中仓体用来存放骨料,所述第二挡板的长度要长于第一挡板以便于补充与更改所填充的骨料,在所述第二侧板的外壁设置有电动机,所述电动机与控速系统连接,所述电动机的转动轴与所述搅拌棍的中心轴通过皮带连接,在第一侧板与第二侧板之间固定有搅拌棍,所述搅拌棍为圆筒状,所述搅拌棍的表面设置有多个且均匀的凸出材料,所述搅拌棍的表面设置的多个凸出材料分别与第二挡板与第一挡板内切,在所述第二挡板、第一挡板、第一侧板与第二侧板之间即骨料仓的底部设置有圆形漏孔。
本实用新型的有益效果:
本实用新型提供的模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置针对于排水管方面排水管做成矩形水管,相对于日常的圆形水管,矩形水管结构立体,不会因为自身自重而影响排水,矩形水管四个面开设圆孔加速排水,矩形水管设置为波浪状,符合流体的流动特征。
本实用新型提供的模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置矩形水管四个面上排水孔交错排列,各有不同的间距,能够时水管更有效地工作,提高使用寿命,可以有效避免因为水管开口导致的管壁薄弱,发生破裂。
本实用新型提供的模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置设置有声发射仪与声接收仪,声发射技术的应用使检测含水层压力变化变得更加便捷,实验效果更加明准确与科学。
本实用新型提供的模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置添加了转轴、圆盘与刻盘,圆盘在导轨上的随意滑动带动转轴移动,刻盘有明确的刻度,便于实现多种类型的裂隙精确制作。
本实用新型提供的模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置在模拟架底部设置有阀门,用来模拟下渗水流失现象,使实验更加贴近实际生产情形。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
图1为本实用新型的含水层模拟系统在模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置上工作时的结构示意图;
图2为本实用新型的模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置的正视结构示意图;
图3为本实用新型的裂隙片载体的俯视结构示意图;
图4为本实用新型的骨料装载压实系统的结构示意图;
图5为本实用新型的含水层模拟装置的侧视结构示意图;
图6为本实用新型的裂隙片载体的正视结构示意图。
图中各标号对应的部件如下:
01、模拟架,02、含水层,03、阀门,04、声发射仪与声接收仪,05、煤层,06、第一裂隙带,07、第二裂隙带,08、第三裂隙带,09、隔水层,10、水箱,11、第一排水管,12、第二排水管,13、喷水孔,14、L型导管,15、水平支撑杆,16、U型骨料喷射装置,17、压实滚筒,18、搅拌棍,19、第一挡板, 20、第二挡板,21、圆形漏孔,22、转轴,23、导轨,24、角度固定扣,25、滑道,26、裂隙片,27、刻盘,28、圆盘。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本实用新型保护的范围。
如图1-6所示,一种模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置,包括模拟架01与固定在模拟架后方的两个水箱10,两个L型导管14分别连接两个水箱10的下方,两个L型导管14的右端分别与第一排水管11、第二排水管12相连,其中第一排水管11与第二排水管12设置在含水层2中,在第一排水管11与第二排水管12上四个面分别开有一定数量的喷水孔13,其中喷水孔 13呈间隔为200mm、220mm、240mm、260mm的均匀分布。第一排水管11与第二排水管12均呈波浪状,第一排水管11与第二排水管12的截面为矩形截面,在第一排水管11与第二排水管12上四个面分别开有一定数量的喷水孔13,喷水孔13在各个面上都呈错开状,参差排列,第一排水管11与第二排水管12的一端与水箱10相连,另一端封闭;水箱可以根据需要变化不同的水压来满足实验要求。
第一排水管11与第二排水管12设置在含水层02中,在含水层02的左右两侧设置有声发射仪与声接收仪04;材料或构件在受力过程中产生变形或裂纹时,以弹性波形式释放出应变能,利用接收声发射信号,对材料或构件进行动态无损检测的技术,称为声发射技术。声发射仪连接计算机,根据声接收仪接收的数据参数形成相应的波形,根据接收到的波形可以观测到含水层2的压力变化。在含水层02下方铺设隔水层09,在含水层02下方分别设置有多种裂隙的第一裂隙带0、第二裂隙带07与第三裂隙带08,在第一裂隙带06、第二裂隙带07与第三裂隙带08的下方设置有煤层05,在模拟架01底部设置有阀门03。
在隔水层09上方400mm处设置有声发射与接收仪04,分别固定在模拟架 01两侧的侧板上,三层光学钻孔窥视仪分别设置在煤层05上方300mm,600mm 与900mm处,每层包括三个光学钻孔窥视仪,一个光学钻孔窥视仪位于模拟架 01长度方向的中间位置,其余两个光学钻孔窥视仪分别位于第一个光学钻孔窥视仪的两侧,从下至上每层中相邻两个光学钻孔窥视仪之间的距离分别为 1000mm、600mm与200mm。
在模拟架1最底部设置有三个阀门03,分别固定在模拟架01的底板上,一个位于模拟架01长度方向的中间位置,其余两个阀门03位于其两侧,每两个阀门03之间的间距为0.375L,其中L为模拟架01的长度;阀门开口的大小可以根据模拟架内水压的变化来调节。
通过一种裂隙预制装置来人工制作裂隙,裂隙预制装置由裂隙片载体、裂隙片、裂隙片固定体三部分组成,导轨23作为基础载体,圆盘28位于导轨23 中间凹陷处,且可以沿导轨23定向移动,转轴22穿过圆盘28中部空心处且与圆盘28相对静止,即空心尺寸稍小于转轴22,转轴22一端与刻盘27相连,刻盘27可自由精确调节转轴22,另一端则承载裂隙片26,以上部分构成完整的裂隙片载体,固定柱间隔一定距离左右各放置一个,并在两个固定柱下方各放置一块垫片,再通过一根固定杆对称嵌入两个固定柱上半部分,完成整体连接,固定杆30上打造有多个通孔,把相邻两个通孔的中间部分挖空再结合圆筒形成滑道25,其中使用角度固定扣24将滑道25与通孔连接,角度固定扣24与滑道 25形成垂直的位置关系,滑道25可以以角度固定扣24为轴在左右方向上自由旋转,滑道25的侧面为圆形,其尺寸设计能够使裂隙片26穿过,且裂隙片26 能够以转轴22为轴通过刻盘27在左右方向上自由旋转。裂隙片方面使用比强度较高的锰钢片作为裂隙片,既减小了对于截面的要求,又保证了裂隙片的强度,有利于反复使用。
骨料装载压实系统包括U型骨料喷射装置,水平支撑杆15与压实滚筒,水平支撑杆15位于模拟架01的正上方,水平支撑杆15为前后两根,水平支撑杆 15与第二挡板20连接,第二挡板20与第一挡板19相互拼接形成U型骨料仓,第二挡板20与第一挡板19之间通过第一侧板与第二侧板拼接形成仓体,其中仓体用来存放骨料,第二挡板20的长度要长于第一挡板19以便于补充与更改所填充的骨料,在第二侧板的外壁设置有电动机,电动机与控速系统连接,电动机的转动轴与搅拌棍18的中心轴通过皮带连接,电动机的转动轴的半径为15mm,在第一侧板与第二侧板之间固定有搅拌棍18,搅拌棍18为圆筒状,搅拌棍18的表面设置有多个且均匀布置的凸出材料,搅拌棍18的表面设置的多个凸出材料分别与第二挡板20与第一挡板19内切,在第二挡板20、第一挡板19、第一侧板与第二侧板之间即骨料仓的底部设置有圆形漏孔21,搅拌棍18的转动轴的半径为75mm,压实滚筒的外径为300mm,内径为290mm,厚度为10mm,长度2595mm,材料选用铝制。这样的系统设计原因有两个:一是三维模型面积大,人工铺设骨料不均匀,压实也不均匀,特别是面积大,造成了认为很难判断到底哪里高哪里低,哪里松哪里密实,而U型骨料喷射装置以一定的出料速度,根据岩层厚度即可确定需要的速度,因此当U型骨料喷射装置从右到左,控制住骨料刚好喷洒完全,保证喷洒骨料的均匀性,而通过缓慢近乎匀速的人工推动压实滚筒也保证了压实的均匀性;二是缓慢近乎匀速的人工推动压实滚筒,对于水箱模拟含水层,非常重要,因为水的流动性,当以传统方式砸实铺设的骨料时,水的流动性会造成前面砸好的骨料反弹松散,效果适得其反,因此整个设计非常适合含水层演示的相似模拟实验。
在本实用新型的描述中,需要理解的是,术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系,仅是为了便于描述本实用新型与简化描述,而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位,以特定的方位构造与操作,因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示与描述了本实用新型的基本原理、主要特征与本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解,本实用新型不受上述实施例的限制,上述实施例与说明书中描述的只是说明本实用新型的原理,在不脱离本实用新型精神与范围的前提下,本实用新型还会有各种变化与改进,这些变化与改进都落入要求保护的本实用新型范围内。

Claims (6)

1.一种模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置,其特征在于,包括:模拟架(01)与固定在模拟架后方的两个水箱(10),两个L型导管(14)一端分别与所述两个水箱(10)的下方相连,所述两个L型导管(14)的另一端分别与第一排水管(11)、第二排水管(12)的一端相连,其中第一排水管(11)与第二排水管(12)设置在含水层(02)中,所述第一排水管(11)与第二排水管(12)均呈波浪状,所述第一排水管(11)与第二排水管(12)的截面为矩形截面,所述第一排水管与所述第二排水管的另一端封闭;在所述第一排水管(11)与第二排水管(12)上四个面分别开有多个喷水孔(13),多个所述喷水孔(13)在四个面上均匀分布。
2.根据权利要求1所述的一种模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置,其特征在于,在所述含水层(02)的两侧设置有声发射仪与声接收仪(04),在所述含水层(02)下方铺设隔水层(09),在所述含水层(02)下方分别设置有多种裂隙的第一裂隙带(06)、第二裂隙带(07)与第三裂隙带(08),在所述第一裂隙带(06)、第二裂隙带(07)与第三裂隙带(08)的下方设置有煤层(05),在所述模拟架(01)底部设置有阀门(03)。
3.根据权利要求2所述的一种模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置,其特征在于,在所述隔水层(09)上方设置有声发射与接收仪(04),分别固定在模拟架(01)两侧的侧板上,三层光学钻孔窥视仪分别设置在所述煤层(05)的上方,每层包括三个所述光学钻孔窥视仪,一个光学钻孔窥视仪位于所述模拟架(01)长度方向的中间位置,其余两个光学钻孔窥视仪分别位于第一个光学钻孔窥视仪的两侧。
4.根据权利要求1所述的一种模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置,其特征在于,在所述模拟架(01)最底部设置有三个阀门(03),分别固定在模拟架(01)的底板上,一个位于所述模拟架(01)长度方向的中间位置,其余两个阀门(03)位于其两侧。
5.根据权利要求1所述的一种模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置,其特征在于,通过一种裂隙预制装置来人工制作裂隙,所述裂隙预制装置包括裂隙片载体、裂隙片与裂隙片固定体,导轨(23)作为基础载体,圆盘(28)位于所述导轨(23)中间凹陷处,且可以沿所述导轨(23)定向移动,转轴(22)穿过所述圆盘(28)中部空心处且与所述圆盘(28)相对静止,即空心尺寸小于所述转轴(22),所述转轴(22)一端与刻盘(27)相连,所述刻盘(27)可自由精确调节所述转轴(22),另一端则承载裂隙片(26),以上部分构成完整的裂隙片载体,固定柱间隔一定距离左右各放置一个,并在两个所述固定柱下方各放置一块垫片,再通过一根固定杆对称嵌入两个所述固定柱上半部分,所述固定杆上打造有多个通孔,把相邻两个所述通孔(29)的中间部分挖空再结合圆筒形成滑道(25),其中使用角度固定扣(24)将所述滑道(25)与所述通孔连接,所述角度固定扣(24)与所述滑道(25)形成垂直的位置关系,所述滑道(25)以所述角度固定扣(24)为轴在左右方向上自由旋转,所述滑道(25)的侧面为圆形,其尺寸能够使所述裂隙片(26)穿过,且所述裂隙片(26)能够以所述转轴(22)为轴通过所述刻盘(27)在左右方向上自由旋转。
6.根据权利要求1所述的一种模拟煤层开采顶板含水层运移的相似模拟实验装置,其特征在于:骨料装载压实系统包括U型骨料喷射装置,水平支撑杆(15)与压实滚筒,所述水平支撑杆(15)位于模拟架(01)的正上方,所述水平支撑杆(15)为前后两根,所述水平支撑杆(15)与第二挡板(20)连接,所述第二挡板(20)与第一挡板(19)相互拼接形成U型骨料仓,所述第二挡板(20)与第一挡板(19)之间通过第一侧板与第二侧板拼接形成仓体,其中仓体用来存放骨料,所述第二挡板(20)的长度要长于第一挡板(19)在所述第二侧板的外壁设置有电动机,所述电动机与控速系统连接,所述电动机的转动轴与搅拌棍(18)的中心轴通过皮带连接,在第一侧板与第二侧板之间固定有搅拌棍(18),所述搅拌棍(18)为圆筒状,所述搅拌棍(18)的表面设置有多个且均匀的凸出材料,所述搅拌棍(18)的表面设置的多个凸出材料分别与第二挡板(20)与第一挡板(19)内切,在所述第二挡板(20)、第一挡板(19)、第一侧板与第二侧板之间即骨料仓的底部设置有圆形漏孔(21)。
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