用于模拟承压水上煤层开采底板突水的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于模拟承压水上煤层开采底板突水的系统及方法，系统是由二维相似模拟实验装置、加载装置、导升装置和数据采集装置组成的，二维相似模拟实验装置包括试验台，导升装置包括囊体、护板槽、U形槽和位于囊体上表面的导升管，U形槽位于试验台的底板上，囊体固定在U形槽内，护板槽位于底板的两侧，在护板槽的内壁开设有若干个小孔，在导升管的垂直方向上间隔均匀的设置有若干个分支管，在模型铺设时，分支管位于模型的外侧。本发明专利技术通过囊体和导升管的配合实现了稳压状态下承压水上煤层开采底板突水通道形成过程和承压水导升位置的监测，对模拟承压水上煤层开采底板突水具有一定的指导意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及煤矿监测设备领域，具体涉及一种。
技术介绍
由于煤层底板隔水层处于高压力、强渗流、多构造等极其复杂的地质环境，诱导底板突水因素多样，近几年煤矿岩溶水的突水频率日趋上升，突水量日趋增大，因此研究煤层在采动影响下底板水压的变化情况，及时对底板情况进行监测、预防，防止底板突水对采空区的破坏十分重要。现有技术中主要利用深部采动高水压底板突水相似模拟试验系统和底板突水危险性物理模拟试验系统获得煤层开采时承压水对底板各岩层的影响及承压水水压变化，但是这些方法还存在部分缺陷，如在深部采动高水压底板突水相似模拟试验系统中隔水层材料的强度及自身密封性要求严格，底板突水危险性物理模拟试验系统不能实时监测裂隙和突水通道的发育高度、水流的动压模拟等。因此，研究一种用于模拟承压水上煤层开采底板突水的装置及方法可为承压水上煤矿安全回采提供正确的理论指导。目前承压水上煤层开采底板突水模拟存在以下特殊性:一、岩层内部裂隙发育不能直观体现在模型外部;二、承压水整体的横向不变性。因此对承压水上煤层开采底板突水的方法提出以下几点要求:(I)能直观观测承压水的导升位置和突水通道的形成过程；(2)由于上部岩层的重力作用，保证承压水囊的横向体积不变性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，该方法可以直观的在模型外部体现出岩层内部裂隙发育，随着地表下沉，可以实现通过导升管内水位变化实现对承压水的导升位置和突水通道形成过程的直观观测。本专利技术的任务之一是提供一种模拟承压水上煤层开采底板突水的系统。—种模拟承压水上煤层开采底板突水的系统，其包括二维相似模拟实验装置、加载装置、导升装置和数据采集装置，所述二维相似模拟实验装置分别与加载装置、数据采集装置连接，所述二维相似模拟实验装置包括试验台，所述试验台是由底板、左右侧板及顶板构成的长方体框架；所述导升装置包括囊体、护板槽、U形槽和位于囊体上表面的导升管，所述U形槽位于所述底板上，所述囊体固定在所述U形槽内，所述护板槽位于底板的两侧，在所述护板槽的内壁开设有若干个小孔，在导升管的垂直方向上间隔均匀的设置有若干个分支管，在模型铺设时，所述分支管位于模型的外侧，所述囊体上设置有进水口和出水口，通过所述加载装置向注水口内部注水以起胀囊体，经注水后起胀的囊体上表面排布有条形板，所述条形板的两端固定在所述护板槽的内壁。优选的，所述加载装置包括水箱、栗和压力表，所述水箱通过管道与所述进水口连接，所述栗和压力表均布设在所述管道上。优选的，所述数据采集装置通过线路连接所述压力表。优选的，所述条形板完全覆盖住所述囊体的上表面。本专利技术的另一任务是提供一种模拟承压水上煤层开采底板突水的方法，包括以下步骤:a准备实验系统，所采用的系统包括二维加载模拟实验装置、加载装置、导升装置和数据采集装置，在二维加载模拟试验装置的底板的两侧铺设护板槽，在所述护板槽内壁的长度方向上依次打若干个小孔，所述小孔处配合有承载螺栓，在底板上平放可容纳囊体的U形槽，在囊体的上表面间隔均匀的连接导升管，并依次铺设条形板以覆盖住囊体上表面，条形板的两端固定在护板槽上，所述护板槽、U型槽、承载螺栓和条形板共同作用承载模型铺设期间上部岩层的重力和冲击力，在导升管的垂直方向上间隔均匀的设置有若干个分支管；b将囊体上的进水口通过管道与加载装置连接，数据采集装置通过线路与管道上的压力表连接；c进行实验模型的铺设，在铺设过程中将导升管埋设在各岩层中，依靠岩层之间的挤压作用使管路闭合，在后期煤层开采过程中承压水导升管通过稳压状态下承压水上煤层开采对底板及其上部裂隙的发育将闭合的管路导通；d实验模型铺设完成后，在岩层稳定的情况下，将承载螺栓旋出，以消除承载螺栓与条形板对上部岩层的共同作用，使上部岩层重力完全均匀作用至条形板上部，使囊体受力保持均匀；e开启加载装置向囊体内注入稳压水，逐渐加压，观测承压水导升位置和突水通道的形成过程。本专利技术所带来的有益技术效果:与现有技术相比，本专利技术选用的导升装置，U型槽为一种刚性凹槽，一方面能够容纳柔性水囊，限制水囊的横向体积变形，解决了水囊横向体积增大导致两侧护板槽中部变形造成上部岩层漏砂现象;护板槽为上部打设有小孔、前后端部开有进出水口的护板，其作用是为承载螺栓提供安设载体，与条形板共同作用来承载起模型铺设初期上部岩层的冲击力，解决了模型铺设初期上覆岩层压实作用和自重柔性水囊的破坏，有效保护了柔性水囊。导升装置中的柔性水囊为一种PVC材料制成的整体性水袋，具有耐高压、密闭性好的特点；导升管为一种通明状细软管，通过模型铺设初期上覆岩层重力将导升管闭合，后期随着模型采动导致上覆岩层压力变化将导升管导通，从而实现对承压水导升位置和突水通道形成过程直观实时观测。数据采集装置与分支管上的传感器连接，待分支管固定位置有水流动过时检测到导升管导通，从而将分支管关闭，从而此导升通道发育完成;压力传感器是为了检测稳压栗的稳定水压，只为观测稳压栗的稳压而安设，该装置的原理为煤层开采导致上部岩层离层发育，导致闭合导升管附近的岩层对导升管挤压力降低，由于导升管内水压未改变，因此可以将导升管逐渐导通。本专利技术装置整体上，通过安设在模型外的不同分支管内水位上升高度的变化实现了对承压水上煤层开采底板突水的实时观测，另外由于所用柔性水囊使用PVC材料制成，耐压性能好，导升管直径小，柔性水囊与导升管接口处使用强力胶粘合保证了水囊良好的密闭性；另外在所安设的栗的条件下能实现对水流的动压模拟，解决了底板突水危险性物理模拟试验系统不能实时监测裂隙和突水通道的发育高度、水流的动压模拟的问题。【附图说明】下面结合附图对本专利技术做进一步说明:图1为本专利技术用于模拟承压水上煤层开采底板突水的方法流程图；图2为本专利技术系统结构不意图；图3主要示出了二维相似模拟试验装置和导升装置部分的结构示意图；图4为护板槽结构示意图；图5为条形板结构示意图；图6为U形槽结构示意图；图7为囊体和导升管结构示意图；图中，1、二维相似模拟试验装置，2、底板，3、接口，4、承载螺栓，5、条形板，6、小孔，7、护板槽，8、导升管，9、分支管，10、囊体，11、阀门，12、压力表，13、栗，14、水箱，15、数据采集装置，16、U形槽，17、进水口，18、出水口，19、流量传感器。【具体实施方式】下面结合具体实施例对本专利技术做详细说明。如图2所示，本专利技术用于模拟承压水上煤层开采底板突水的系统，包括二维相似模拟实验装置1、加载装置、导升装置和数据采集装置，其中，加载装置与数据采集装置配合二维相似模拟实验装置I使用，如加载装置中的水箱14通过管道向导升装置的囊体10内注水，以起胀囊体，数据采集装置15可将流量传感器19获取的数当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟承压水上煤层开采底板突水的系统，其包括二维相似模拟实验装置、加载装置、导升装置和数据采集装置，所述二维相似模拟实验装置分别与加载装置、数据采集装置连接，其特征在于：所述二维相似模拟实验装置包括试验台，所述试验台是由底板、左右侧板及顶板构成的长方体框架；所述导升装置包括囊体、护板槽、U形槽和位于囊体上表面的导升管，所述U形槽位于所述底板上，所述囊体固定在所述U形槽内，所述护板槽位于底板的两侧，在所述护板槽的内壁开设有若干个小孔，在导升管的垂直方向上间隔均匀的设置有若干个分支管，在模型铺设时，所述分支管位于模型的外侧，所述囊体上设置有进水口和出水口，通过所述加载装置向注水口内部注水以起胀囊体，经注水后起胀的囊体上表面排布有条形板，所述条形板的两端固定在所述护板槽的内壁上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张新国，孔贺，郭惟嘉，张保良，王昌祥，孔德志，江宁，李杨杨，王海龙，李飞，庞振忠，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37