一种相似材料模拟试验突水模拟装置的制作方法

本实用新型涉及相似材料模拟领域，特别涉及一种相似材料模拟试验突水模拟装置。

背景技术：

相似材料模拟试验是以相似理论为基础的模型试验技术，是利用事物或现象之间存在的相似和类似等特征来研究自然规律的一种方法。它特别适用于那些难以用理论分析方法获取结果的研究领域，同时也是一种对理论研究结果进行分析比较的有效手段。

相似材料模拟试验具有以下特点：相似材料模拟试验可以严格控制模拟对象的主要参数，不受外界条件的限制；相似材料模拟试验可突出所研究问题的主要矛盾，以便于发现并把握研究对象的本质特征和内在联系；相似材料模型容易制作，与原型试验相比，具有节省人力、物力、财力和时间的优势；相似材料模拟可预测对原型不可能直接测试和不可能分析的性能、相似材料模拟试验可以和数值模拟结合起来检验原型所得结论的正确性。

相似模拟试验是以相似理论、因次分析作为依据的试验研究方法，相比于传统结构模型试验更适用于矿山领域岩体突水的模型试验研究。目前，文献报道中相似材料模拟试验大多集中模拟煤层开采过程中煤壁前方应力分布，煤层开采后工作面来压规律以及顶板垮落形态和范围，有少数文献中可看到模拟底板突水的报道。传统的相似材料模拟试验系统所能模拟的情况单一，是制约相似材料模拟试验广泛应用的于研究矿井灾害的主要原因。

为了解决上述问题，提出了一种相似材料模拟试验突水模拟装置，该相似材料模拟试验突水模拟装置可以模拟煤矿顶板突水、底板突水、断层突水、煤与瓦斯突出等矿井灾害，使相似材料模拟的范围更加的广泛和全面，使模拟条件跟接近现实煤层赋存条件，试验结果更可信准确，提高了模拟试验的真实性。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为克服传统相似材料模拟试验系统只能模拟煤层开采过程中顶板垮落的范围及形态，不能模拟突水及煤与瓦斯突出等矿井灾害的不足，提供一种可以模拟煤矿顶板突水、底板突水、断层突水、煤与瓦斯突出等矿井灾害的相似材料模拟试验突水模拟装置。

为了解决上述问题，本实用新型的技术方法为：

一种相似材料模拟试验突水模拟装置，其由囊体、隔层、密封环、弹簧、突水管组成，隔层将囊体分为上下两部分，突水管下端依次穿过弹簧和密封环并且垂直于隔层安装到压力囊中，密封环密封隔层使水或气仅存在于囊体的下部。

所述的一种相似材料模拟试验突水模拟装置，其特征在于：模拟顶板突水、底板突水、断层突水时囊体下部充有高压有色水，模拟煤与瓦斯突出时囊体下部高压有色气。

有益效果：

根据上述技术方案，对比已有技术本实用新型具有以下优点：可以模拟煤矿顶板突水、底板突水、断层突水、煤与瓦斯突出等矿井灾害，使相似材料模拟的工况更加的广泛和全面，试验结果更可信准确，提高了模拟试验的真实性。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步说明：

图1模拟试验系统结构示意图；

图2一种相似材料模拟试验突水模拟装置结构示意图；

图3模拟顶板突水结构示意图；

图4模拟底板突水结构示意图；

图5模拟煤与瓦斯突出结构示意图；

图6模拟断层突水结构示意图；

图例说明，1-液压泵、2-截止阀、3-减压阀、4-减压阀、5-纵向加载千斤顶、6-水平加载板、7-框架底板、8-框架底部支撑、9-框架底部空间、10-框架、11-侧向加载板、12-侧向加载千斤顶、13-压力囊、13a-囊体、13b-隔层、13c-密封圈、13d-密封环、13e-弹簧、13f-突水管、14-高压泵。

具体实施方式

本实用新型提供了一种相似材料模拟试验突水模拟装置，为了使本实用新型的目的、技术方案以及优点更清楚、明确，以下将结合附图与实施例，对本实用新型进一步详细说明：

A、根据地质钻孔资料，查阅模型配比用料表，铺设模型，如图1所示；

B、根据现场物理探测得到的数据和所要模拟的实际工程情况，反演顶板水、底板水或瓦斯积聚存在的位置，依据比例在模型中确定压力囊位置并埋设压力囊，如图3-图6所示，其中，图3模拟顶板突水结构示意图；图4模拟底板突水结构示意图；图5模拟煤与瓦斯突出结构示意图；图6模拟断层突水结构示意图；

C、在煤层顶板和煤层底板安设传感器，监测煤层顶板和煤层底板应力及位移变化，在一种相似材料模拟试验突水模拟装置突水管出口处布置传感器，监测突水管出口处的应力变化及出水量；

D、模型铺设完成后，根据实际情况确定相应位置侧板对模型施加侧向载荷，纵向加载机构施加纵向应力，同时向压力囊内填充水或气，当模拟突水时压力囊内填充水，当模拟瓦斯突出时压力囊中填充气；

E、开挖煤层同时收集数据，直至突水或煤与瓦斯突出。

实例一：模拟顶板突水

1）根据地质钻孔资料，得到具体岩层和煤层数量及位置关系，查阅模型配比用料表，得到煤层和各岩层相似材料配比，将所需物料放入搅拌锅中调制，并铺设模型，如图1所示；

2）根据现场地质雷达、瞬变电磁等物探手段得到的的数据，反演顶板水存在的位置，根据尺寸比例在模型中确定压力囊大小尺寸及位置，并埋设压力囊，如图3所示；

3）在煤层顶板和煤层底板安设传感器，监测煤层顶板和煤层底板应力及位移变化，在压力囊突水管出口处布置传感器，监测突水管出口处的应力变化及出水量；

4）模型铺设完成后，根据实际情况确定相应位置侧板对模型施加侧向载荷，纵向加载机构施加纵向载荷，同时向压力囊内填充水；

5）模拟工作面回采过程开挖煤层，同时收集数据，直至发生顶板突水突水；

6）根据需要，调整材料、水压等参数，重复上述步骤。

实例二：模拟煤与瓦斯突出

1）根据地质钻孔资料，得到具体岩层和煤层数量及位置关系，查阅模型配比用料表，得到煤层和各岩层相似材料配比，将所需物料放入搅拌锅中调制，并铺设模型，如图1所示；

2）根据现场地质雷达、瞬变电磁等物探手段得到的的数据，反演瓦斯集聚存在的位置，根据尺寸比例在模型中确定压力囊大小尺寸及位置，并埋设压力囊，如图4所示；

3）在煤层顶板和煤层底板安设传感器，监测煤层顶板和煤层底板应力及位移变化，在压力囊突水管出口处布置传感器，监测突水管出口处的应力变化及出气量；

4）模型铺设完成后，根据实际情况确定相应位置侧板对模型施加侧向载荷，纵向加载机构施加纵向载荷，同时向压力囊内填充高压有色气体；

5）模拟工作面回采过程开挖煤层，同时收集数据，直至发生煤与瓦斯突出；

6）根据需要，调整材料、气压等参数，重复上述步骤。

实例三：模拟底板突水

1）根据地质钻孔资料，得到具体岩层和煤层数量及位置关系，查阅模型配比用料表，得到煤层和各岩层相似材料配比，将所需物料放入搅拌锅中调制，并铺设模型，如图1所示；

2）根据现场地质雷达、瞬变电磁等物探手段得到的的数据，反演底板水存在的位置，根据尺寸比例在模型中确定压力囊大小尺寸及位置，并埋设压力囊，如图5所示；

3）在煤层顶板和煤层底板安设传感器，监测煤层顶板和煤层底板应力及位移变化，在压力囊突水管出口处布置传感器，监测突水管出口处的应力变化及出水量；

4）模型铺设完成后，根据实际情况确定相应位置侧板对模型施加侧向载荷，纵向加载机构施加纵向载荷，同时向压力囊内填充高压水；

5）模拟工作面回采过程开挖煤层，同时收集数据，直至发生底板突水；

6）根据需要，调整材料、水压等参数，重复上述步骤。

实例四：模拟断层突水

1）根据地质钻孔资料，得到具体岩层和煤层数量及位置关系，查阅模型配比用料表，得到煤层和各岩层相似材料配比，将所需物料放入搅拌锅中调制，并铺设模型，如图1所示；

2）根据现场地质雷达、瞬变电磁等物探手段得到的的数据，反演断层存在的位置，确定断层倾角、落差、断距等地质特征参数，根据尺寸比例在模型中确定断层位置和压力囊大小尺寸及位置，并埋设压力囊，如图6所示；

3）在煤层顶板和煤层底板安设传感器，监测煤层顶板和煤层底板应力及位移变化，在压力囊突水管出口处布置传感器，监测突水管出口处的应力变化及出水量；

4）模型铺设完成后，根据实际情况确定相应位置侧板对模型施加侧向载荷，纵向加载机构施加纵向载荷，同时向压力囊内填充高压水；

5）模拟工作面回采过程开挖煤层，同时收集数据，直至发生断层突水；

6）根据需要，调整材料、水压等参数，重复上述步骤。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。