一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及煤矿底板突水实验领域，具体涉及一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置及方法。所述装置包括模拟实验机构、水囊、联通导管和压力传感器，模拟实验机构包括实验箱，实验箱内由上至下设置有顶部岩石层、粉砂岩层、细砂岩层、煤层、底部岩石层和岩溶水层，水囊设置于岩溶水层内，压力传感器设置于底部岩石层内；联通导管包括水平导管和与水平导管联通的竖直导管，水平导管穿过模拟实验机构并与水囊联通，竖直导管位于模拟实验机构外部且开口向上。根据所开采煤层水文地质条件，铺设相似材料，通过竖向加载机构模拟煤层掘进过程，监测底部岩石层应力的变化和联通导管中的水头高度，进而模拟采动对封闭岩溶水压的影响，方法简单。方法简单。方法简单。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置及方法


[0001]本专利技术涉及煤矿底板突水实验领域，具体涉及一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置及方法。

技术介绍

[0002]岩溶水分布广泛，底板突水灾害严重影响煤矿安全高效开采，矿井突水事故的发生轻则使突水工作面关闭停产、造成矿井接续紧张、矿井排水费用急增，影响矿井正常生产；重则可能会造成淹井事故，危及国家财产和人民生命安全。准确预测底板岩溶水压是防治底板突水灾害的重要保证。相似模拟试验是以相似理论、因次分析作为依据的实验研究方法，具有直观、能解决理论分析、数值模拟难以解决的各种破坏问题。目前关于岩溶水压的相似模拟试验一般为静态，未考虑采动引起的上覆岩层运动对岩溶水压的影响。基于此，专利CN105675817A公开了一种用于模拟受采动影响煤层底板突水的试验系统，包括模拟试验装置、操作控制台和水压控制装置，操作控制台通过控制电缆分别与模拟试验装置和水压控制装置连接，水压控制装置通过进水管与模拟试验装置连接，模拟试验装置包括外框架和设在外框架内的试验台。本专利技术在外框架的中部设置一密封性良好的试验台，将试样放置在试验台内，施加纵向应力与横向应力，然后开挖煤层收集相关数据，模拟高水压与底板岩性变化、底板突水全过程，从而获得底板突水的相关数据。但该实验系统需要通过高强度透明板观察分析承压水的导升、扩散及渗流路径等情况，观察不便，同时水压控制系统复杂，实验系统实用性差。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置及方法，可以方便模拟采动过程中岩溶水压的变化，以便分析岩溶水压与上覆岩层运动之间的关系，结构简单。
[0004]本专利技术的技术方案为：
[0005]一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，包括模拟实验机构、水囊、联通导管和压力传感器，模拟实验机构包括实验箱，实验箱内由上至下设置有顶部岩石层、粉砂岩层、细砂岩层、煤层、底部岩石层和岩溶水层，水囊设置于岩溶水层内，压力传感器设置于底部岩石层内；联通导管包括水平导管和与水平导管联通的竖直导管，水平导管穿过模拟实验机构并与水囊联通，竖直导管位于模拟实验机构外部且开口向上。
[0006]进一步的，模拟实验机构上方设置有竖向加载机构。所述竖向加载机构为本领域常规结构，包括上部垫板、液压油缸和液压泵站，上部垫板下方固定设置有若干液压油缸，所述液压油缸与液压泵站连接。实验箱内部相似材料铺设完成后，在其上安装竖向加载机构，对相似材料施加竖向负荷。
[0007]进一步的，竖直导管外壁上设置有刻度。在煤层掘进过程中，监测联通导管中的水头高度。
[0008]进一步的，压力传感器与外部采集器相连，压力传感器的信号输出端与数据采集器的信号输入端连接。可以实时监测底部岩层应力变化。
[0009]进一步的，模拟实验机构还包括固定实验箱的外框架，外框架包括下板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板，通过L型角钢将下板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板焊接连接制作。增强模拟实验机构的稳固性。
[0010]本专利技术的另一目的在于提供一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应的实验方法，包括如下步骤：
[0011](1)根据所开采煤层地质水文条件，确定模拟实验机构尺寸及岩溶水位置尺寸；
[0012](2)按照相似材料准则，计算相似材料配比，并配置相应的相似材料；
[0013](3)将水囊装满水放置于岩溶水层内，将水平导管与水囊相连，根据竖直导管中的水头高度预测岩溶水压；
[0014](4)继续铺设底部岩石层，在底部岩石层中安装压力传感器，压力传感器与外接采集器相连，实时监测底部岩石层应力变化；继续铺设煤层、细砂岩层、粉砂岩层、顶部砂岩层，完成模拟实验机构的铺设；
[0015](5)在煤层掘进过程中，实时监测底部岩石层应力变化，随着应力变化，记录不同时刻的应力值与联通导管中的水头高度；
[0016](6)待开挖完毕根据采集到的数据，分别绘制工作面推进距离-应力曲线图、工作面推进距离-水头高度曲线图；
[0017](7)对比两曲线图，评估采动对岩溶水压的影响与该采动条件下底板突水危险性。
[0018]其中，
[0019]步骤(2)中各层相似材料的用量可用下式进行计算：
[0020]Q＝l
×
b
×
m
×
ρ
m
[0021]Q-相似材料的用量，g；
[0022]l—相似层的长度，cm；
[0023]b—相似层的宽度，cm；
[0024]m—相似层的厚度，cm；
[0025]ρ
m
—相似材料的质量密度，g/cm3。
[0026]步骤(2)制作相似材料时应满足：几何相似、运动相似、动力相似、边界条件相似以及对应的物理量成比例，具体需满足：
[0027]①
模拟线
[0028][0029]m代指模型，h代指实际；
[0030]②
时间比
[0031][0032]③
容重比
[0033][0034]本专利技术的有益效果在于，
[0035](1)根据相似煤层的构造铺设相应岩层，水囊设置于岩溶水层内，压力传感器设置于底部岩石层内，联通导管包括水平导管和与水平导管联通的竖直导管，水平导管穿过模拟实验机构并与水囊联通，竖直导管位于模拟实验机构外部且开口向上，在通过竖向加载机构模拟煤层掘进过程，监测底部岩石层应力的变化和联通导管中的水头高度，进而模拟采动对封闭岩溶水压的影响；
[0036](2)根据所开采煤层水文地质条件，铺设相似材料，模拟煤层掘进过程，根据实验方法评判采动对水压的影响以及突水危险性，简便高效。
附图说明
[0037]图1是实施例1提供的实验装置示意图；
[0038]图中：1、外框架；2、实验箱；3、压力传感器；4、水囊；5、竖直导管；6、水平导管；7、竖向加载机构；8、顶部岩石层；9、粉砂岩层；10、细砂岩层；11、煤层；12、底部岩石层；13、岩溶水层。
[0039]图2是实施例1提供的工作面推进距离与应力和水头高度曲线图。
具体实施方式
[0040]为了使本
的人员更好地理解本专利技术中的技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。
[0041]实施例1
[0042]一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，包括模拟实验机构、水囊4、联通导管和压力传感器3，所述模拟实验机构上部开口，模拟实验机构包括实验箱2和固定实验箱2的外框架1，实验箱2内由上至下设置有顶部岩石层8、粉砂岩层9、细砂岩层10、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，其特征在于，包括模拟实验机构、水囊(4)、联通导管和压力传感器(3)，模拟实验机构包括实验箱(2)，实验箱(2)内由上至下依次设置有顶部岩石层(8)、粉砂岩层(9)、细砂岩层(10)、煤层(11)、底部岩石层(12)和岩溶水层(13)，水囊(4)设置于岩溶水层(13)内，压力传感器(3)设置于底部岩石层(12)内；联通导管包括水平导管(6)和与水平导管(6)联通的竖直导管(5)，水平导管(6)穿过模拟实验机构并与水囊(4)联通，竖直导管(5)位于模拟实验机构外部且开口向上。2.根据权利要求1所述的一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，其特征在于，模拟实验机构上方设置有竖向加载机构(7)。3.根据权利要求1所述的一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，其特征在于，竖直导管(5)外壁上设置有刻度。4.根据权利要求1所述的一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，其特征在于，联通导管的容量大于水囊(4)的容量。5.根据权利要求1所述的一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，其特征在于，压力传感器(3)与外部采集器相连。6.一种根据权利要求1-5任一所述的模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据所开采煤层地质水文条件，确定模拟实验机构尺寸；(2)按照相似材料准则，计算相似材料配比，并配置相应的相似材料；(3)将水囊(4)装满水放置于岩溶水层(13)内，将水平导管(6)与水囊(4)相连，根据竖...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄又军，林玉玺，杨玉虎，石刚，薛峰，张卫，李国辉，解孝华，杨秉真，张庆建，董明晖，李存敬，孔凡勇，
申请(专利权)人：山东东山新驿煤矿有限公司，
类型：发明
国别省市：