[發(fā)明專利]頂板高承壓水采動疏放覆巖運動模式與流場分布相似試驗裝置及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011629305.0
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112729890A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫建;劉鑫;陳運生
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽理工大學(xué)
• 主分類號: G01M99/00
• 分類號: G01M99/00;G01M10/00;G01D21/02
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1.頂板高承壓水采動疏放覆巖運動模式與流場分布相似試驗裝置，包括試驗?zāi)Ｐ停鲈囼災(zāi)Ｐ蛷南碌缴弦来伟簩拥装濉㈤_采煤層、煤層頂板，其特征在于：相似試驗裝置還包括設(shè)置在所述煤層頂板內(nèi)的含水層模擬系統(tǒng)、通過所述含水層模擬系統(tǒng)給所述煤層頂板施加水壓的水壓加載系統(tǒng)，所述含水層模擬系統(tǒng)包括承壓貯水層、進(jìn)水管、設(shè)置在所述進(jìn)水管上的進(jìn)水閥、出水管、設(shè)置在所述出水管上的出水閥、補(bǔ)給管、設(shè)置在所述補(bǔ)給管上的補(bǔ)給閥、導(dǎo)流管、設(shè)置在所述導(dǎo)流管上的導(dǎo)流孔和控流閥，所述承壓貯水層包括位于上層的補(bǔ)給層和位于下層的含水層，所述水壓加載系統(tǒng)與所述補(bǔ)給層之間通過所述進(jìn)水管聯(lián)通，所述補(bǔ)給層還與所述出水管聯(lián)通，所述補(bǔ)給層與所述含水層之間通過所述補(bǔ)給管聯(lián)通，所述導(dǎo)流管連接在所述含水層上，通過導(dǎo)流管將含水層中的水注入到煤層頂板。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂板高承壓水采動疏放覆巖運動模式與流場分布相似試驗裝置，其特征在于：所述承壓貯水層為長方體水袋。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂板高承壓水采動疏放覆巖運動模式與流場分布相似試驗裝置，其特征在于：所述導(dǎo)流管等間距的設(shè)置在所述含水層的底面。

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的頂板高承壓水采動疏放覆巖運動模式與流場分布相似試驗裝置，其特征在于：所述水壓加載系統(tǒng)包括高壓水管、水箱、水壓控制裝置、水壓穩(wěn)壓裝置，所述高壓水管一端與所述水箱連通，另一端與所述承壓貯水層上進(jìn)水管連通，所述水壓控制裝置、水壓穩(wěn)壓裝置依次設(shè)置在所述水箱至所述進(jìn)水管方向上。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的頂板高承壓水采動疏放覆巖運動模式與流場分布相似試驗裝置，其特征在于：相似試驗裝置還包括信號采集與處理系統(tǒng)，所述信號采集與處理系統(tǒng)包括多場前兆信息采集與處理系統(tǒng)，所述多場前兆信息采集與處理系統(tǒng)包括埋設(shè)在所述含水層模擬系統(tǒng)下方的至少四個光纖應(yīng)力傳感器、光纖位移傳感器、光纖聲發(fā)射傳感器、光纖滲壓傳感器、光纖溫度傳感器、和網(wǎng)絡(luò)并行電路銅片電極。

6.利用上述1-5任一項所述的相似試驗裝置進(jìn)行頂板高承壓水采動疏放覆巖運動模式與流場分布相似試驗的方法，其特征在于：包括如下步驟：

1)材料配置：依據(jù)待模擬的高承壓含水層下開采煤層的水文地質(zhì)條件和煤層及其頂?shù)装鍘r層性質(zhì)，確定煤層底板、開采煤層和煤層頂板各巖層相似模擬材料的配比，以此確定各巖層所需原料的用量，制備出流固耦合相似模擬材料，等待模型鋪設(shè)；

2)模型制備：將攪拌均勻的煤層底板相似模擬材料鋪設(shè)在模型存放腔底部，其上依次鋪設(shè)開采煤層、煤層頂板相似模擬材料，且層與層之間鋪撒定量的云母粉；煤層頂板相似模擬材料鋪設(shè)過程中，依據(jù)開采煤層上覆承壓含水層的層位，將含水層模擬系統(tǒng)埋設(shè)在煤層頂板相應(yīng)巖層內(nèi)，與此同時，在煤層頂板內(nèi)含水層模擬系統(tǒng)下方預(yù)定監(jiān)測位置埋設(shè)光纖應(yīng)力傳感器、光纖位移傳感器、光纖聲發(fā)射傳感器、光纖滲壓傳感器、光纖溫度傳感器、和網(wǎng)絡(luò)并行電路銅片電極；夯實固定煤層底板，開采煤層，煤層頂板和含水層模擬系統(tǒng)，制備出頂板高承壓水采動疏放覆巖運動模式與流場分布相似模擬試驗?zāi)Ｐ停淮佋O(shè)的試驗?zāi)Ｐ透稍锖螅镁垡蚁┘t外增透膜，將試驗?zāi)Ｐ颓昂蟆⒆笥宜膫€面密封；

3)模型加載：首先，利用垂直加載系統(tǒng)，通過水平加載板對試驗?zāi)Ｐ晚敳渴┘右欢ǖ拇怪本驾d荷；其次，利用側(cè)壓加載系統(tǒng)，通過豎向加載板對試驗?zāi)Ｐ蛢蓚€側(cè)面施加隨埋深線性增大的水平載荷；最后，利用水壓加載系統(tǒng)，通過承壓貯水層對煤層頂板巖層施加一定的高壓水壓力；

4)數(shù)據(jù)采集：依據(jù)試驗?zāi)Ｐ拖嗨票龋嬎愠瞿Ｐ兔坎介_挖尺寸，待煤層一側(cè)開挖的開切眼穩(wěn)定后，自開切眼向煤層另一側(cè)進(jìn)行分步開挖，直至開挖到距離模型邊界一定距離；分步開挖期間，利用多場前兆信息采集與處理系統(tǒng)、視電阻率信號采集與處理系統(tǒng)、FLIR T250紅外熱像儀和Nikon Z7高速照相機(jī)同步采集工作面推進(jìn)過程采場覆巖應(yīng)力、位移、裂隙、滲流、溫度等信息；同時，通過前透明玻璃板觀察煤層頂板巖層變形、破壞，覆巖導(dǎo)水裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展、貫通以及滲流突變形成突水通道的演化過程；通過采集的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)、聲發(fā)射信號、視電阻率信號、紅外輻射能量信息以及可見光圖像信息演化過程的分析，研究頂板高承壓水采動疏放過程采場覆巖應(yīng)力分布與演化規(guī)律、采場覆巖運動破壞規(guī)律與空間結(jié)構(gòu)特征、采場覆巖導(dǎo)水通道形成過程與疏放流場分布特征；

5)影響因素：改變試驗?zāi)Ｐ偷乃牡刭|(zhì)與邊界條件，如煤層埋深和厚度、覆巖性質(zhì)和厚度、含水層水壓和層位、垂直載荷和水平載荷，重復(fù)上述試驗步驟，研究開采深度和開采高度、上覆巖層性質(zhì)和厚度、含水層水壓和層位、水平應(yīng)力對高承壓含水層下煤層開采過程采場覆巖應(yīng)力、位移、裂隙、滲流、溫度等信息演化規(guī)律與耦合特性的影響。