一种底板突水过程相似材料模拟实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种底板突水过程相似材料模拟实验装置,涉及煤层底板突水技术领域，包括：二维相似材料模拟实验台通过四个侧向支撑固定，每个侧向支撑均与混凝土地基固定；上覆载荷施加部分包括多个圆钢，每个圆钢上均焊接有提手；含水层模拟部分包括水箱和骨料模拟含水层，水箱一侧的底部设置进水口和放水口；水压自动控制加载部分，包括依次顺序设置在总管线上的阀门A、阀门B、放水阀A、止回阀、调压阀A和阀门E。本发明专利技术有益效果是，能够有效模拟底板突水过程及导水通道发育过程，并能够做到突水过程中的多元信息数据监测。

【技术实现步骤摘要】
一种底板突水过程相似材料模拟实验装置及方法
本专利技术涉及煤层底板突水
，尤其涉及一种底板突水过程相似材料模拟实验装置及方法。
技术介绍
在煤矿重特大灾害事故中，水害事故起数仅次于瓦斯事故，尤其是深部煤层底板突水事故增加，严重影响了深部煤炭资源的安全高效开采。有学者把煤层底板的突水过程解释如下：煤层底板突水是采动矿压和底板承压水水压力共同作用的结果，采动矿压力使底板的隔水层出现一定深度的导水破裂缝，从而使岩体强度降低，隔水性能削弱，使底板渗流场重新分布，在承压水沿导水破裂继续渗入时，岩体就因为受到渗水软化从而致使导水破裂缝继续向上扩展，直到两者的相互作用使底板隔水层岩体的最小主应力小于承压水的水压力时，便产生了压裂扩容从而产生突水。也有学者认为，解释突水机理主要有两条基本观点：一是在底板水文地质结构中存在与水源相通的固有富水强渗通道，当它在采掘过程中被穿过时，即有可能产生突发性大量突水，构成突水灾害；二是在底板中并不存在这种强渗通道，但是在工程应力、地壳应力和地下水等共同作用下，在底板岩体结构以及固有的水文地质薄弱带发生变形、蜕变和破坏，从而形成新的贯穿性的强渗通道，进而导致突水。深部矿井充水水文地质条件日趋复杂，突水影响因素增多，许多煤层底板突水事故不仅仅与突水系数中水压和厚度两个因素有关，突水机理和类型复杂多变。底板岩体处于高应力-高承压水及原始构造环境下，需要考虑水压力与岩体裂隙扩展的关系，还应考虑岩层中存在的裂隙、断裂、岩溶陷落柱等构造。实践表明，煤层开采过程中出现临空面，使煤层底板应力重新分布，进而引起新裂隙的萌生、扩展，裂隙逐步扩展延伸以至相互搭接贯通，进而导致裂隙扩展至采空区临空面，即底板突水通道形成是以裂纹扩展为起因，以裂隙贯通为突破口。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术公开了一种底板突水过程相似材料模拟实验装置及方法。为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种底板突水过程相似材料模拟实验装置，包括二维相似材料模拟实验台、上覆载荷施加部分、含水层模拟部分和水压自动控制加载部分，其中：二维相似材料模拟实验台，试验台的四个角通过四个侧向支撑固定，试验台的两个立柱上均匀布置用于安装防护槽钢和钢化玻璃的多组螺孔，位于试验台同侧的两个侧向支撑之间还安装有第一钢板，每个侧向支撑均与混凝土地基固定；上覆载荷施加部分，包括多个圆钢，每个圆钢上均焊接有提手，第二钢板插入提手中并置于防护槽钢上；含水层模拟部分，包括水箱和骨料模拟含水层，水箱一侧的底部设置进水口和放水口，进水口与水压自动控制加载部分的总管线相连接；水压自动控制加载部分，包括依次顺序设置在总管线上的阀门A、阀门B、放水阀A、止回阀、调压阀A和阀门E，位于阀门A与阀门B之间的第一分支管线上还安装有阀门C，第一分支管线连接至增压泵，增压泵上安装有压力自动控制器，增压泵还与第二分支管线连接，第二分支管线连接至阀门B和放水阀之间的总管线。进一步地，侧向支撑均包括支撑槽钢和斜支撑，支撑槽钢的一端与试验台固定连接，另一端通过两个化学膨胀螺栓与混凝土地基固定；斜支撑的一端与立柱固定连接，另一端与支撑槽钢连接。进一步地，第一钢板的三个侧面分别与试验台、两个斜支撑固定连接。进一步地，所述立柱上设置的螺孔数量为8组16个，且每组中的两个螺孔之间的间距为10cm。进一步地，上覆载荷施加部分中的提手由钢筋弯折制成。进一步地，含水层模拟部分中的所述放水口与实验装置外部的排水系统相连。进一步地，水压自动控制加载部分中，在阀门A前的管线还设置有压力表A，调压阀A后的管线上设置有压力表B和流量表A。进一步地，水压自动控制加载部分中的第二分支管线上还安装阀门D。一种底板突水过程相似材料模拟实验方法，采用上述的实验装置，模拟实验过程包括：(1)搭建二维相似材料模拟实验台侧向支撑固定试验台的四角，用化学膨胀螺栓将试验台固定在混凝土地基上，第一钢板通过螺丝与试验台、两个斜支撑固定连接；(2)确定上覆载荷施加部分根据上覆载荷和相似比，即可换算出装置上方需要放置的圆钢个数，每个圆钢上焊接提手，第二钢板插入提手中并置于防护槽钢上；(3)制作含水层模拟部分采用不锈钢水箱和骨料模拟含水层，水箱一侧下部留有进水口和放水口，进水口连接水压自动控制加载系统，放水口与实验装置外部的排水系统连接，先将水箱置于实验台上，水箱与实验台两侧采用胶垫填充，水箱与二维相似材料模拟实验台采用聚氨酯发泡剂密封，水箱里填充满骨料后，关闭放水口，再将水压自动控制加载部分中的进水管与水箱进水口相连接；(4)布置水压自动控制加载部分依次顺序在总管线上布置阀门A、阀门B、放水阀A、止回阀、调压阀A和阀门E，在第一分支管线上安装阀门C，第一分支管线连接至配有压力自动控制器的增压泵，将第二分支管线与总管线连通，总管线的一端与外部供水连接，安装有阀门E的一端与含水层模拟部分中的进水口相连接。进一步地，步骤(4)中，水压自动控制过程为：(1)开挖之前，关闭阀门A，观察压力表A水压力值，若大于等于实验装置中所需要的水压力值，则自动加压系统可以不用开启，即关闭阀门C和阀门D；若小于实验装置中所需要的水压力值，则关闭阀门B，打开阀门C和阀门D，启动自动加压系统。(2)当供水压力大于等于实验装置中所需要的水压力值时，水压加载过程是：打开阀门A和阀门B，关闭放水阀A，打开阀门E，调节调压阀A，直到压力表B水压力值符合模型设计要求。(3)当供水压力小于实验装置中所需要的水压力值时，水压加载过程是为：打开阀门C和阀门D，关闭阀门B，关闭放水阀A，打开阀门E，调节调压阀A，直到压力表B水压力值符合模型设计要求；当水压稳定时，压力自动控制器达到设计值时，增压泵关闭，止回阀防止总管线中的水倒流，当压力降低时，压力自动控制器起作用，增压泵开启，重新加压。(4)调节好压力值时，再将阀门E连接的耐压软管与实验装置中的进水口连接。本专利技术的有益效果是，根据深部开采高承压水、高原岩应力及强烈扰动和深部岩体所表现出的新力学特性，提出底板突水过程相似材料模拟实验装置及方法，操作方便，制作的实验装置能有效模拟“底板应力重分布→底板隔水层变形→裂隙扩展→岩体破裂→突水通道形成→引发底板突水”突水过程化，运用室内试验对深部采动条件下底板突水过程进行研究并且能实现突水过程中的多元信息监测，对研究深井底板突水机理及水害预测预报具有重要的意义。附图说明图1为本专利技术中的二维相似材料模拟实验台立体图；图2为本专利技术中的二维相似材料模拟实验台主视图；图3为本专利技术中的二维相似材料模拟实验台侧视图；图4为本专利技术中的二维相似材料模拟实验台俯视图；图5为本专利技术中的上覆载荷施加部分示意图；图6为本专利技术中的含水层模拟部分的位置示意图；图7为本专利技术中的含水层模拟部分结构示意图；图8为本专利技术中的水压自动控制加载部分示意图。其中，1、试验台；2、侧向支撑；3、防护槽钢；4、化学膨胀螺栓；5、第一钢板；6、螺丝；7、螺孔；8、圆钢；9、提手；10、第二钢板；11、水箱；12、骨料模拟含水层；13、进水口；14、放水口；15、阀门A；16、阀门B；17、放水阀A；18、止回阀；19、调压阀A；20、阀门E；21、增压泵；22、压力自动控制器；23、压力表A；24、阀门C；25、阀门D；2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种底板突水过程相似材料模拟实验装置，其特征在于，包括二维相似材料模拟实验台、上覆载荷施加部分、含水层模拟部分和水压自动控制加载部分，其中：二维相似材料模拟实验台，试验台的四个角通过四个侧向支撑固定，试验台的两个立柱上均匀布置用于安装防护槽钢和钢化玻璃的多组螺孔，位于试验台同侧的两个侧向支撑之间还安装有第一钢板，每个侧向支撑均与混凝土地基固定；上覆载荷施加部分，包括多个圆钢，每个圆钢上均焊接有提手，第二钢板插入提手中并置于防护槽钢上；含水层模拟部分，包括水箱和骨料模拟含水层，水箱一侧的底部设置进水口和放水口，进水口与水压自动控制加载部分的总管线相连接；水压自动控制加载部分，包括依次顺序设置在总管线上的阀门A、阀门B、放水阀A、止回阀、调压阀A和阀门E，位于阀门A与阀门B之间的第一分支管线上还安装有阀门C，第一分支管线连接至增压泵，增压泵上安装有压力自动控制器，增压泵还与第二分支管线连接，第二分支管线连接至阀门B和放水阀之间的总管线。

【技术特征摘要】
1.一种底板突水过程相似材料模拟实验装置，其特征在于，包括二维相似材料模拟实验台、上覆载荷施加部分、含水层模拟部分和水压自动控制加载部分，其中：二维相似材料模拟实验台，试验台的四个角通过四个侧向支撑固定，试验台的两个立柱上均匀布置用于安装防护槽钢和钢化玻璃的多组螺孔，位于试验台同侧的两个侧向支撑之间还安装有第一钢板，每个侧向支撑均与混凝土地基固定；上覆载荷施加部分，包括多个圆钢，每个圆钢上均焊接有提手，第二钢板插入提手中并置于防护槽钢上；含水层模拟部分，包括水箱和骨料模拟含水层，水箱一侧的底部设置进水口和放水口，进水口与水压自动控制加载部分的总管线相连接；水压自动控制加载部分，包括依次顺序设置在总管线上的阀门A、阀门B、放水阀A、止回阀、调压阀A和阀门E，位于阀门A与阀门B之间的第一分支管线上还安装有阀门C，第一分支管线连接至增压泵，增压泵上安装有压力自动控制器，增压泵还与第二分支管线连接，第二分支管线连接至阀门B和放水阀之间的总管线。2.如权利要求1所述的一种底板突水过程相似材料模拟实验装置，其特征在于，侧向支撑均包括支撑槽钢和斜支撑，支撑槽钢的一端与试验台固定连接，另一端通过两个化学膨胀螺栓与混凝土地基固定；斜支撑的一端与立柱固定连接，另一端与支撑槽钢连接。3.如权利要求2所述的一种底板突水过程相似材料模拟实验装置，其特征在于，第一钢板的三个侧面分别与试验台、两个斜支撑固定连接。4.如权利要求1所述的一种底板突水过程相似材料模拟实验装置，其特征在于，所述立柱上设置的螺孔数量为8组16个，且每组中的两个螺孔之间的间距为10cm。5.如权利要求1所述的一种底板突水过程相似材料模拟实验装置，其特征在于，上覆载荷施加部分中的提手由钢筋弯折制成。6.如权利要求1所述的一种底板突水过程相似材料模拟实验装置，其特征在于，含水层模拟部分中的所述放水口与实验装置外部的排水系统相连。7.如权利要求1所述的一种底板突水过程相似材料模拟实验装置，其特征在于，水压自动控制加载部分中，在阀门A前的管线还设置有压力表A，调压阀A后的管线上设置有压力表B和流量表A。8.如权利要求7所述的一种底板突水过程相似材料模拟实验装置，其特征在于，水压自动控制加载部分中的第二分支管线上还安装阀门D。9.一种底板突...

【专利技术属性】
技术研发人员：申建军，李超，马有营，付明明，郭文杰，曹青，许兰娟，胡莹莹，
申请(专利权)人：滨州学院，
类型：发明
国别省市：山东,37