煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置及其模拟方法
【专利摘要】本发明公开了煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置及其模拟方法，所述装置包括支架、主体结构和若干配重块。主体结构安装在支架上并包括箱体和通道。箱体通过一个隔水板隔成上下两层结构，位于隔水板的上层结构为收容配重块的第一收容层，位于隔水板的下层结构为收容待模拟土样的第二收容层，第二收容层的侧壁和底壁均开设有若干疏排孔，且侧壁还设置有相互平行的若干条土体失水沉降位移观测线。通道的一端安装在第二收容层的侧边且与第二收容层内部相通，另一端在第二收容层的侧边倾斜且开口朝上，通道构成模拟河对收容在第二收容层内的待模拟土样供水，将第二收容层模拟为松散层含水层。支架用于调节第二收容层与水平地面的角度。
【专利说明】煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置及其模拟方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种煤矿开采松散层承压水失水沉降模拟实验装置及其模拟方法，尤其涉及一种模拟厚松散层条件下研究松散层底部含水层承压水失水沉降规律的模拟实验装置及其模拟方法。
【背景技术】
[0002]在深厚松散层的煤矿开采条件下，采空区上方地表沉陷的下沉系数(充分采动条件下地表最大下沉量与采高及煤层倾角余弦值之比)常大于1，使采煤引起的地表沉降量大于正常地质条件下沉降值。分析认为，除煤层开采引起的覆岩及地表沉降外，矿井开采造成松散含水层失水产生的含水层水位疏降，从而引起松散层土体压缩，一定程度上也增加了地表沉降。
[0003]当煤炭开采后覆岩采动裂缝直接或间接地波及至松散层底部含水层，将地下水导入矿井，致使水位下降，松散层土体内的净水平衡条件被破坏，孔隙水压减小，土颗粒之间的有效应力增大，底部含水层产生固结沉降，上部土层发生整体性位移。总体上，其变形范围一般为松散含水层分布的整段区域。该类变形与城市地表变形的主要区别是:松散层底部含水层的变形是在上覆总应力不变、自身疏排水的条件下产生的。
[0004]针对深厚新生界含水松散层这一特殊地质条件，含水层的疏水沉降研究越来越受到重视，上世纪80年代末有学者对华东煤矿区厚含水松散层的地表移动规律、参数和机理进行了研究；90年代初以来，利用深厚松散层中粘土强度高、隔水性好、塑性强以及砂层含水层以静储量为主、补给弱的特点，有学者先后在山东的柴里矿、河北的邢台矿和安徽的芦岭矿等进行了深厚含水松散层下留设防塌煤柱开采。进行厚松散层底部含水层疏排水沉降规律研究，对于我国黄淮海平原矿区的矿井安全生产、地面建(构)筑物及环境的保护等工作均具有重要的理论价值和现实的工程意义。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明提供一种煤矿开采松散层承压水失水沉降模拟实验装置及其模拟方法，观测底部含水层的疏排水沉降变形，分析松散含水层失水后的沉降变形机理与演化规律，以此为基础，分析研究松散含水层失水导致的土体固结变形对煤矿开采地表下沉
量的影响。
[0006]本发明是这样实现的，煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置，其包括支架、主体结构和若干配重块，所述主体结构安装在所述支架上；
[0007]其中，所述主体结构包括箱体和通道；所述箱体通过一个隔水板隔成上下两层结构，所述隔水板模拟为松散层隔水层，位于所述隔水板的上层结构为收容所述若干配重块的第一收容层，位于所述隔水板的下层结构为收容待模拟土样的第二收容层，所述第二收容层的侧壁和底壁均开设有若干疏排孔，且所述第二收容层的侧壁还设置有相互平行的若干土体失水沉降位移观测线；所述通道的一端安装在所述第二收容层的侧边且与所述第二收容层内部相通，所述通道的另一端在所述第二收容层的侧边倾斜且开口朝上，所述通道构成模拟河对收容在所述第二收容层内的待模拟土样供水，使所述第二收容层模拟为松散层含水层；
[0008]其中，所述支架用于调节所述第二收容层与水平地面的角度。
[0009]作为上述方案的进一步改进，所述第二收容层的内壁上设置有一层凡士林层。
[0010]作为上述方案的进一步改进，所述支架的一端设置有升降台，所述箱体的一端安装在所述支架上，所述箱体的另一端安装在所述升降台上，所述升降台通过升降所述箱体的相应一端调整所述第二收容层与水平地面的角度。
[0011]作为上述方案的进一步改进，所述若干沉降位移观测线平行于铅垂线方向。
[0012]作为上述方案的进一步改进，所述若干位移观测线等间距均匀分布在箱体两侧。
[0013]作为上述方案的进一步改进，所述若干疏排孔均匀分布。
[0014]作为上述方案的进一步改进，所述箱体采用有机玻璃制成。
[0015]作为上述方案的进一步改进，每个疏排孔套设有橡皮胶管，所述橡皮胶管的一端套设在相应的疏排孔上，另一端设置有止水夹，所述止水夹用于夹持相应的橡皮胶管进行止水。
[0016]本发明还供一种上述中任意一项所述的煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置的模拟方法，所述模拟方法包括以下步骤:
[0017](I)在所述第二收容层的内壁涂一层凡士林；
[0018](2)分层加入所述待模拟土样，并振实，同时加水湿润；
[0019](3)盖上所述隔水板，通过所述模拟河的河口加水，使所述待模拟土样在水中浸泡24h，达到饱和状态；
[0020](4)通过调节所述支架提高所述模拟河的水位以模拟承压水头；
[0021](5)根据实际矿井生产时涌水量所计算好的水头降，在没有总应力的状态下，通过所述若干疏排孔进行同比例缩小放水，直到水头降为0，记录每一次放水稳定后土体压缩沉
降量；
[0022](6)将所述第二收容层内的所述待模拟土样取出，重新装入另一份同分类的所述待模拟土样，重复(I)?(3)步骤后，再在所述隔水板上加上所述若干配重块，用于模拟松散层底部含水层上部的总应力；
[0023](7)根据实际矿井生产时涌水量所计算好的水头降，在总应力不变的状态下，通过所述若干疏排孔进行同比例缩小放水，直到水头降为0，记录每一次放水稳定后土体压缩沉降量，并与上一份实验形成对比；
[0024](8)重复(I)?(7)步骤，完成剩余至少三组实验。
[0025]本发明利用松散层承压水失水沉降模拟实验装置，分析松散层含水层失水后的松散层移动变形机理与演化规律。以此为基础，分析研究松散层含水层失水导致的土体固结变形地表下沉的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明较佳实施方式提供的煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置的结构示意图。[0027]主要符号说明:通道1、配重块2、隔水板3、观测线4、疏排孔5、含水层6、支架7。【具体实施方式】
[0028]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0029]常规的压缩试验和固结试验是反映总应力变化，在每一级载荷作用下，土中孔隙水压降为0时的压缩量；而底部含水层的疏排水变形是在总应力不变的条件下，孔隙水压力逐渐变小，每一级孔隙水压下的沉降量。因此，必须针对底部含水层的变形受力特点，进行专门的实验装置的设计。
[0030]请参阅图1，本发明的煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置包括支架7、主体结构和若干配重块2，所述主体结构安装在支架7上。
[0031]所述主体结构包括箱体和通道I。所述箱体通过一个隔水板3隔成上下两层结构，隔水板3为隔水层。位于隔水板3的上层结构为收容若干配重块2的第一收容层，位于隔水板3的下层结构为收容待模拟土样的第二收容层。所述第二收容层的侧壁和底壁均开设有若干疏排孔5，疏排孔5最好均分分布，所述第二收容层的侧壁还设置有相互平行的若干观测线4。所述第二收容层的内壁上可设置有一层凡士林层，以减小侧面即内壁对所述待模拟土样的摩擦力，并防治水体沿侧面泄漏。
[0032]每个疏排孔5套设有橡皮胶管(图未示)，所述橡皮胶管的一端能套设在相应的疏排孔5上，另一端设置有止水夹(图未示)，所述止水夹用于夹持相应的橡皮胶管进行止水，这样方便疏排孔5排水。相互平行的若干观测线4最好均分分布，尽量平行于重力方向。
[0033]通道I的一端安装在所述第二收容层的侧边且与所述第二收容层内部相通，通道I的另一端与所述第二收容层的侧边倾斜且开口朝上，通道I构成模拟河对收容在所述第二收容层内的待模拟土样供水，使所述第二收容层为含水层6。
[0034]在本实施方式中，所述主体结构由IOmm厚的有机玻璃板制成,长120cm、宽46cm、高40cm，并配备模拟河部分，同时在两侧与底部设置疏排孔5。
[0035]支架7用于调节所述第二收容层与水平地面的角度，可根据所述主体结构专门设计的可以改变角度的金属支撑框架。实现支架7角度调节的方式有很多种，如可采用升降台实现(图未示)，支架7的一端设置有升降台，所述箱体的一端安装在支架7上，所述箱体的另一端安装在所述升降台上，所述升降台通过升降所述箱体的相应一端调整所述第二收容层与水平地面的角度。
[0036]下面结合模拟方法和图1对煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置作进一步详细的说明。
[0037]松散层承压水失水沉降模拟实验装置的模拟方法:
[0038](I)在装置内壁，涂一层凡士林，以减小侧面对土体的摩擦力，并防治水体沿侧面泄漏；
[0039](2)分层加入土样(即所述待模拟土样),并振实，同时加水湿润，并避免滴水过大冲击土颗粒；
[0040](3)盖上隔水板3，通过模拟河口加水，使土样在水中浸泡24h，达到饱和状态；[0041](4)提高模拟河水位，模拟承压水头；
[0042](5)根据实际矿井涌水量所计算好的水头降，在没有总应力的状态下，通过模型侧部与底部疏排孔5进行同比例缩小放水，直到水头降为O (底含疏干)，记录每一次放水稳定后土体压缩沉降量；
[0043](6)将装置内的土样取出，重新装入另一份同分类的土样，重复(I)?(3)步骤后，再在隔水板3上加上配重块2，用于模拟底部含水层上部的总应力；
[0044](7)根据实际矿井涌水量所计算好的水头降，在总应力不变的状态下，通过模型侧部与底部疏排孔5进行同比例缩小放水，直到水头降为O (底含疏干)，记录每一次放水稳定后土体压缩沉降量，并与上一份实验形成对比；
[0045](8)重复(I)?(7)步骤，完成剩余3组实验。
[0046]通过对松散层底部含水层的疏排水操作，完成了松散层失水沉降实验，实验反演分析厚松散层开采条件下地面沉降系数大于I的直接原因。为煤矿的非采动沉降分析工作提供了的理论支持。
[0047]本发明利用煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置，分析松散层含水层失水后的松散层移动变形机理与演化规律，以此为基础，分析研究煤矿开采带来的松散层含水层失水产生的土体固结变形对地表下沉的影响。
[0048]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置，其特征在于:其包括支架、主体结构和若干配重块，所述主体结构安装在所述支架上； 其中，所述主体结构包括箱体和通道；所述箱体通过一个隔水板隔成上下两层结构，所述隔水板模拟为实际的松散层内隔水层，位于所述隔水板的上层结构为收容所述若干配重块的第一收容层，位于所述隔水板的下层结构为收容待模拟土样的第二收容层，所述第二收容层的侧壁和底壁均开设有若干疏排孔，且所述第二收容层的侧壁还设置有相互平行的若干土体失水沉降位移观测线；所述通道的一端安装在所述第二收容层的侧边且与所述第二收容层内部相通，所述通道的另一端在所述第二收容层的侧边倾斜且开口朝上，所述通道构成模拟河对收容在所述第二收容层内的待模拟土样供水，使所述第二收容层模拟为松散层含水层； 其中，所述支架用于调节所述第二收容层与水平地面的角度。
2.如权利要求1所述的煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置，其特征在于:所述第二收容层的内壁上设置有一层凡士林层。
3.如权利要求1所述的煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置，其特征在于:所述支架的一端设置有升降台，所述箱体的一端安装在所述支架上，所述箱体的另一端安装在所述升降台上，所述升降台通过升降所述箱体的相应一端调整所述第二收容层与水平地面的角度。
4.如权利要求1所述的煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置，其特征在于:所述若干条土体失水沉降位移观测线平行于铅垂线方向。
5.如权利要求1所述的 煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置，其特征在于:所述若干条土体失水沉降位移观测线等间距均匀分布在箱体两侧。
6.如权利要求1所述的煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置，其特征在于:所述若干疏排孔均匀分布。
7.如权利要求1所述的煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置，其特征在于:所述箱体采用有机玻璃制成。
8.如权利要求1所述的煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置，其特征在于:每个疏排孔套设有橡皮胶管，所述橡皮胶管的一端套设在相应的疏排孔上，另一端设置有止水夹，所述止水夹用于夹持相应的橡皮胶管以停止排水。
9.一种如权利要求1至8中任意一项所述的煤矿松散层承压水失水沉降模拟实验装置的模拟方法，其特征在于:所述模拟方法包括以下步骤: (1)在所述第二收容层的内壁涂一层凡士林； (2)分层加入所述待模拟土样,并振实，同时加水湿润； (3)盖上所述隔水板，通过所述模拟河的河口加水，使所述待模拟土样在水中浸泡24h，达到饱和状态； (4)通过调节所述支架提高所述模拟河的水位以模拟承压水头； (5)根据实际矿井生产时涌水量所计算好的水头降，在没有总应力的状态下，通过所述若干疏排孔进行同比例缩小放水，直到水头降为O，记录每一次放水稳定后土体失水压缩沉降量； (6)将所述第二收容层内的所述待模拟土样取出，重新装入另一份同样分类的所述待模拟土样，重复(1)~(3)步骤后，再在所述隔水板上加上所述若干配重块，用于模拟松散层底部含水层上承载的总应力； (7)根据实际矿井生产时涌水量所计算好的水头降，在总应力不变的状态下，通过所述若干疏排孔进行同比例缩小放水，直到水头降为O，记录每一次放水稳定后土体失水压缩沉降量，并与上一份实验形成对比； (8)重复(1)~(7)步骤，完成剩余至少三组实验。
【文档编号】G01N33/24GK103792337SQ201410036104
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】徐良骥, 马荣振, 黄璨, 秦长才, 刘利君 申请人:安徽理工大学