承压水流场水压变化时浆液运移过程的模拟系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种承压水流场水压变化时浆液运移过程的模拟系统及方法，包括模型底座上，所述的模型底座上设置有实验模型箱，所述的实验模型箱的中部设置有采场渗透底板，通过控制流速和压力向三维密闭模型中岩层注水模拟煤层上覆岩层含水层，克服了防水相似材料难模拟采动覆岩裂隙发育和不防水相似材料模拟渗流不稳定的缺点，通过采场模拟装置，实现了顶板承压含水层下采动覆岩裂隙演化过程的原位模拟；通过注浆模拟装置和不同采场条件下采动覆岩裂隙发育，实现了顶板不同承压含水层条件下，采动裂隙内部浆液运移过程的可视化模拟，解决了现有的模拟方法无法模拟动态突水过程导致实验现象不清楚和实验数据误差的技术问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
承压水流场水压变化时浆液运移过程的模拟系统及方法


[0001]本专利技术属于矿井水害防治
，涉及浆液运移过程模拟方法，具体是一种承压水流场水压变化时浆液运移过程三维可视化模拟方法。

技术介绍

[0002]煤层顶板水害事故是受煤层推采影响，煤层上覆岩层原始应力平衡状态被破坏，造成煤层上方采动覆岩内部形成裂隙，使工作面与煤层顶板水源沟通，进而造成煤矿顶板涌(突)水害事故，可能直接导致工作面停产和人员伤亡，对煤矿区安全生产造成极大影响。煤层顶板水害受顶板含水层特性、顶板覆岩构造、水文地质条件、采动条件等多因素共同影响，煤层顶板水害涌水量包括顶板含水层静储量释放和充水水源动态补给两部分构成，因此，顶板水害是一个复杂的动态过程，突水水源和导水通道是导致煤层顶板突水的必要条件。基于此，注浆改造治理是防治此类水害、保障煤矿安全生产的有效方法，而依据开采条件，注浆过程主要包括采前区域注浆治理和采中采动覆岩注浆改造两种类型。
[0003]室内物理实验是研究采动覆岩变形、导水裂缝带发育规律和的常用方法之一，以往的物理模型实验一般是依据固定的模型架尺寸调整实验相似比进行实验，无法根据工作面采场范围灵活调整模型开采尺寸。煤层顶板含水层是影响采动覆岩变形和导水通道发育的主要因素，考虑煤层顶板存在承压含水层条件下，模拟工作面推采过程中，顶板水害的动态涌突水过程、监测含水层动态演化特征，一直是难以解决的物理实验问题。此外，相似材料物理实验选取河砂、石膏、水泥、粉煤灰等配比模拟实际地层，材料的不防水特性制约和干扰着顶板动态突水过程的实验模拟，造成实验模型不稳定和实验模拟的完整性；选取的石蜡、凡士林等的相似材料物理实验，材料的防水特性解决固—流耦合实验模型的稳定性问题，但是影响采动覆岩导水通道发育不明显，无法模拟动态突水过程，造成实验现象不清楚和实验数据误差。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于，提供一种承压水流场水压变化时浆液运移过程三维可视化模拟方法，以解决现有的模拟方法无法模拟动态突水过程导致实验现象不清楚和实验数据误差的技术问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案予以实现：
[0006]一种承压水流场水压变化时浆液运移过程的模拟系统，包括模型底座，所述的模型底座上设置有实验模型箱，所述的实验模型箱的中部设置有采场渗透底板，所述的采场渗透底板将所述的实验模型箱分为上部模型箱和下部模型箱；所述的上部模型箱的两侧壁上对称设置有模拟顶板安装孔，所述的模拟顶板安装孔中设置有模型顶板；所述的实验模型箱外部布设有三架数码相机；
[0007]所述的下部模型箱内部为集水池，所述的集水池中设置有汇水槽，所述的汇水槽的底部设置有多个第一流量传感器，所述的第一流量传感器均与第一数据采集仪相连；
[0008]所述的上部模型箱内由下至上依次设置有采场模拟装置和采场上覆地层，所述的采场上覆地层中设置有含水层充水系统，所述的采场上覆地层中还均匀布设有多个采动覆岩变形监测点；
[0009]所述的采场模拟装置包括采场边界板和固定装置，所述的采场边界板上位于实验模型箱外部的一侧固定在固定装置上；所述的采场边界板的位于实验模型箱内部的一侧面上开设有采场调节板安装卡槽，所述的采场调节板安装卡槽中设置有采场调节板，所述的采场调节板上设置有刻度尺；
[0010]所述的含水层充水系统包括水箱，所述的水箱上连接有电磁隔膜计量泵的充水管，所述的电磁隔膜计量泵的输水管与集水槽一侧相连；所述的含水层充水系统还包括一端沿周向均匀布设在采场上覆地层中的含水层充水管，所述的含水层充水管的另一端与集水槽的另一侧相连；所述的磁隔膜计量泵的输水管上设置有输水管阀门，所述的含水层充水管上均设置充水管阀门，每一个所述的含水层充水管上均设置有第二流量传感器，所述的第二流量传感器均连接在第二数据采集仪上；所述的第一数据采集仪和第二数据采集仪均与计算机连接；
[0011]所述的上部模型箱中还设置有加压气囊，所述的加压气囊位于所述的采场上覆地层的顶部，所述的加压气囊的顶部连接有微型充气泵的充气导管一端；所述的充气导管上设置有充气阀门；所述的加压气囊与所述的采场上覆地层之间还均匀设置有多个压力传感器，所述的压力传感器与所述的第二数据采集仪相连；
[0012]所述的采场上覆地层中还安装有注浆管的一端，所述的注浆管的另一端连接有微型注浆泵，所述的微型注浆泵的进浆管上连接有浆液罐；所述的注浆管上设置有注浆管阀门，所述的注浆管上还设置有第三流量传感器，所述的第三流量传感器与所述的第一数据采集仪相连；所述的微型注浆泵的进浆管上设置有进浆管阀门。
[0013]本专利技术还包括以下技术特征：
[0014]所述的流量传感器与数据采集仪之间和所述的数据采集仪与计算机之间均通过数据传输导线相连。
[0015]所述的实验模型箱的侧壁均采用透明亚克力板。
[0016]所述的模型顶板上预设有加压气囊充气导管孔，所述的微型充气泵的充气导管一端穿过所述的加压气囊充气导管孔与加压气囊的顶部相连。
[0017]所述的模型顶板上预设有两条导线穿孔。
[0018]所述的采场渗透底板上开设有多个底板渗流孔。
[0019]所述的采场边界板上位于实验模型箱外部的顶部开设有固定杆安装孔，所述的固定装置包括固定在地面的底座，所述的底座上固定设置有F型固定杆，所述的F型固定杆的顶部通过固定螺纽与固定装置安装孔配合固定。
[0020]一种承压水流场水压变化时浆液运移过程的模拟方法，采用所述的承压水流场水压变化时浆液运移过程的模拟系统，具体包括以下步骤：
[0021]步骤1，根据相似材料物理实验设定的几何相似比，计算出模拟工作面走向和倾向长度，调整采场模拟装置的安装位置，将承压水流场水压变化时浆液运移过程的模拟系统中的所有阀门调至关闭状态，水箱中不注水；
[0022]步骤2，在模拟工作面开采之前，通过流量传感器、压力传感器、微型充气泵、电磁
隔膜计量泵和数据采集仪分别记录实验初始数据；通过数码相机记录原始地层形态和采动覆岩变形监测点的位置；
[0023]步骤3，依据工作面回采方向将采场调节板依次向模型外侧拉出长度，模拟工作面开采过程；
[0024]步骤4，实验开始过程中，首先打开充气阀门，通过微型充气泵对加压气囊进行充气，记录压力传感器变化过程，待压力传感器的压力值通过数据采集仪传输至计算机时，关闭充气管阀门；打开输水管阀门和充水管阀门，通过电磁隔膜计量泵对模拟承压含水层充水，并模拟承压含水层动水流场或模拟承压含水层突水过程，通过第二流量传感器和第二数据采集仪记录水压和流量变化值；
[0025]所述的模拟承压含水层动水流场是指通过电磁隔膜计量泵和充水阀门控制含水层水压和水流速，通过含水层充水管连接模型不同位置疏水孔，模拟含水层不同方向水流场；
[0026]所述的模拟承压含水层突水过程是指承压含水层中水通过采动覆岩裂隙、模拟采场装置和采场渗透底板进入汇本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种承压水流场水压变化时浆液运移过程的模拟系统，包括模型底座(1)，其特征在于，所述的模型底座(1)上设置有实验模型箱(2)，所述的实验模型箱(2)的中部设置有采场渗透底板(3)，所述的采场渗透底板(3)将所述的实验模型箱(2)分为上部模型箱(201)和下部模型箱(202)；所述的上部模型箱(201)的两侧壁上对称设置有模拟顶板安装孔(4)，所述的模拟顶板安装孔(4)中设置有模型顶板(5)；所述的实验模型箱(2)外部布设有三架数码相机(6)；所述的下部模型箱(202)内部为集水池(7)，所述的集水池(7)中设置有汇水槽(8)，所述的汇水槽(8)的底部设置有多个第一流量传感器(9)，所述的第一流量传感器(9)均与第一数据采集仪(10)相连；所述的上部模型箱(201)内由下至上依次设置有采场模拟装置(11)和采场上覆地层(12)，所述的采场上覆地层(12)中设置有含水层充水系统(13)，所述的采场上覆地层(12)中还均匀布设有多个采动覆岩变形监测点(14)；所述的采场模拟装置(11)包括采场边界板(1101)和固定装置(1104)，所述的采场边界板(1101)上位于实验模型箱(2)外部的一侧固定在固定装置(1104)上；所述的采场边界板(1101)的位于实验模型箱(2)内部的一侧面上开设有采场调节板安装卡槽(1102)，所述的采场调节板安装卡槽(1102)中设置有采场调节板(1103)，所述的采场调节板(1103)上设置有刻度尺(1106)；所述的含水层充水系统(13)包括水箱(1301)，所述的水箱(1301)上连接有电磁隔膜计量泵(1302)的充水管，所述的电磁隔膜计量泵(1302)的输水管与集水槽(1303)一侧相连；所述的含水层充水系统(13)还包括一端沿周向均匀布设在采场上覆地层(12)中的含水层充水管(1304)，所述的含水层充水管(1304)的另一端与集水槽(1303)的另一侧相连；所述的磁隔膜计量泵(1302)的输水管上设置有输水管阀门(1305)，所述的含水层充水管(1304)上均设置充水管阀门(1306)，每一个所述的含水层充水管(1304)上均设置有第二流量传感器(1307)，所述的第二流量传感器(1307)均连接在第二数据采集仪(15)上；所述的第一数据采集仪(10)和第二数据采集仪(15)均与计算机(16)连接；所述的上部模型箱(201)中还设置有加压气囊(17)，所述的加压气囊(17)位于所述的采场上覆地层(12)的顶部，所述的加压气囊(17)的顶部连接有微型充气泵(18)的充气导管(19)一端；所述的充气导管(19)上设置有充气阀门(20)；所述的加压气囊(17)与所述的采场上覆地层(12)之间还均匀设置有多个压力传感器(21)，所述的压力传感器(21)与所述的第二数据采集仪(15)相连；所述的采场上覆地层(12)中还安装有注浆管(22)的一端，所述的注浆管(22)的另一端连接有微型注浆泵(23)，所述的微型注浆泵(23)的进浆管上连接有浆液罐(24)；所述的注浆管(22)上设置有注浆管阀门(25)，所述的注浆管(22)上还设置有第三流量传感器(26)，所述的第三流量传感器(26)与所述的第一数据采集仪(10)相连；所述的微型注浆泵(23)的进浆管上设置有进浆管阀门(28)。2.如权利要求1所述的承压水流场水压变化时浆液运移过程的模拟系统，其特征在于，所述的第一流量传感器(9)与第一数据采集仪(10)之间、第二流量传感器(1307)与第二数据采集仪(15)之间、第三流量传感器(26)与第一数据采集仪(10)之间，第一数据采集仪(10)和第二数据采集仪(15)与计算机(16)之间均通过数据传输导线相连。
3.如权利要求1所述的承压水流场水压变化时浆液运移过程的模拟系统，其特征在于，所述的实验模型箱(2)的侧壁均采用透明亚克力板。4.如权利要求1所述的承压水流场水压变化时浆液运移过程的模拟系统，其特征在于，所述的模型顶板(5)上预设有加压气囊充气导管孔(501)，所述的微型充气泵(18)的充气导管(19)一端穿过所述的加压气囊充气导管孔(501)与加压气囊(17)的顶部相连。...

【专利技术属性】
技术研发人员：马荷雯，朱开鹏，王世东，刘洋，周建军，董兴玲，张文忠，黄浩，
申请(专利权)人：中煤科工西安研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：