[發明專利]地面鉆孔錯動變形反演覆巖破斷規律的實驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201610372651.2
• 申請日: 2016-05-30
• 公開（公告）號: CN106093341B
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發明（設計）人: 鞠金峰;朱衛兵;張廣磊;李竹;溫嘉輝
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明涉及一種實驗裝置及方法，尤其適用于一種實驗室中模擬采煤時使用的基于地面鉆孔錯動變形的覆巖破斷運移規律反演實驗裝置及方法。

背景技術

眾所周知，煤層開采后會導致上覆巖層的變形、破壞與移動，由下向上逐步發展直至地表，造成了頂板垮落、裂隙發育、瓦斯積聚、突水事故、地表水系破壞等一系列問題，直接影響礦井安全生產及地表生態環境。可以說，開采后的覆巖運動不僅對礦山壓力產生重大影響，也是研究地表沉陷、礦井地下水、瓦斯治理和地表生態保護等問題的基礎。因此，準確判斷覆巖破斷運移規律對于礦井安全生產和礦區生態保護具有重要的意義。

目前，利用鉆孔電視全景攝像系統，對地面鉆孔進行現場觀測，可以直接有效地掌握地面鉆孔錯動破壞動態變化。但受采動影響，現場鉆孔容易發生堵孔，導致鉆孔電視設備無法下放，堵孔高度以下鉆孔錯動破壞情況無法觀測。而全面掌握鉆孔錯動破壞情況可以反演覆巖破斷運移規律，因此有必要設置一種實驗方法模擬研究地面鉆孔錯動變形與覆巖破斷運移之間的關系，為覆巖破斷運移規律反演提供另外一種實現方式，從而為煤礦瓦斯治理及地下水保護等研究提供理論依據。

發明內容

技術問題：本發明針對已有技術的不足之處，提供一種使用方便，成本低，模擬效果好的基于地面鉆孔錯動變形的覆巖破斷運移規律反演實驗方法。

技術方案：為實現上述技術目的，本發明的地面鉆孔錯動變形反演覆巖破斷規律的實驗裝置，包括兩側面板可以開合的模擬箱和視頻監控裝置，模擬箱內鋪有多層模擬煤巖層，所述煤巖層包括鋪在模擬箱底部的模擬煤層，模擬煤層上方設有模擬巖層，模擬煤層試驗需要鋪設，最上方設有模擬松散層；

所述煤巖層上方垂直向下設有多個深度直至模擬箱最下層的模擬煤層處用于模擬構建地面鉆孔的導管；

所述視頻監控裝置包括微型鉆孔窺視儀和通過線路與其連接的上位機。

所述模擬煤層和模擬巖層由沙子、碳酸鈣、石膏混合均勻后加水攪拌制成，其中模擬巖層包括模擬軟巖層和模擬硬巖層。

所述模擬煤層和模擬巖層使用的沙子、碳酸鈣、石膏與水質量比為7:1～9:1；模擬煤層的沙子、碳酸鈣、石膏質量按相似模擬配比號773配比，并添加煤粉著色；模擬巖層由沙子、碳酸鈣、石膏質量按相似模擬配比號573配比模擬軟巖層，由沙子、碳酸鈣、石膏質量按配比號337配比模擬硬巖層；模擬松散層的沙子、碳酸鈣、石膏質量按相似模擬配比號773配比；

當進行單一煤層開采條件下的基于地面鉆孔錯動變形的覆巖破斷運移規律反演實驗時，模擬箱內的煤巖層中模擬煤層為單一煤層條件下模擬煤層，并被設置在最底部，單一煤層條件下模擬煤層上設有多層模擬巖層；

此時導管采用直徑為3cm的PVC管，PVC管埋設深度直至單一煤層條件下模擬煤層處，PVC管的長度以出露模擬松散層頂界面5cm為宜，孔心位置位于模型寬度中央；

當進行煤層群開采條件下的基于地面鉆孔錯動變形的覆巖破斷運移規律反演實驗時，模擬箱內的煤巖層中模擬煤層分別為設在底部的模擬下煤層，模擬下煤層上設有模擬巖層，模擬巖層上設有模擬上煤層；此時導管采用直徑為3cm的小孔徑PVC管，小孔徑PVC管外側埋設直徑為5cm的大孔徑PVC管，小孔徑PVC管與大孔徑PVC管為同心圓布置狀態，大孔徑PVC管的長度應比上煤層埋深大5cm，小孔徑PVC管長度比下煤層埋深大5cm。

一種基于地面鉆孔錯動變形的覆巖破斷運移規律反演實驗方法，其步驟如下：

a.利用沙子、碳酸鈣、石膏與水按配比在模擬箱中從下向上鋪設模擬煤層、模擬巖層和模擬松散層構成模擬煤巖層，在鋪設模擬巖層和模擬松散層過程中，埋設插入模擬箱底部模擬煤層的導管，導管的頂端出露模擬松散層；

b.等待煤巖層模型成型干燥之后，拆卸模擬箱兩側面板，將導管從成型的煤巖層模型中抽出后構成模擬地面鉆孔，按照與現場時間相似比例為1:10、尺寸相似比例為1:100的相似比例，從左至右留設一定邊界煤柱開采模擬煤層，開采速度為每15分鐘5cm；

c.在模擬工作面開采煤層的過程中，每開采一次，就使用帶有標尺的微型鉆孔窺視儀深入模擬地面鉆孔，并對模擬地面鉆孔的孔壁錯動破壞動態情況進行觀測采集，采集模擬地面鉆孔孔壁發生錯動的高度范圍、錯動量大小；同時，對覆巖的破斷運動情況進行記錄，包括覆巖破壞高度、裂隙發育范圍；