一种底板突水过程相似材料模拟实验装置及方法与流程

本发明涉及煤层底板突水技术领域，尤其涉及一种底板突水过程相似材料模拟实验装置及方法。

背景技术：

在煤矿重特大灾害事故中，水害事故起数仅次于瓦斯事故，尤其是深部煤层底板突水事故增加，严重影响了深部煤炭资源的安全高效开采。

有学者把煤层底板的突水过程解释如下：煤层底板突水是采动矿压和底板承压水水压力共同作用的结果，采动矿压力使底板的隔水层出现一定深度的导水破裂缝，从而使岩体强度降低，隔水性能削弱，使底板渗流场重新分布，在承压水沿导水破裂继续渗入时，岩体就因为受到渗水软化从而致使导水破裂缝继续向上扩展，直到两者的相互作用使底板隔水层岩体的最小主应力小于承压水的水压力时，便产生了压裂扩容从而产生突水。也有学者认为，解释突水机理主要有两条基本观点：一是在底板水文地质结构中存在与水源相通的固有富水强渗通道，当它在采掘过程中被穿过时，即有可能产生突发性大量突水，构成突水灾害；二是在底板中并不存在这种强渗通道，但是在工程应力、地壳应力和地下水等共同作用下，在底板岩体结构以及固有的水文地质薄弱带发生变形、蜕变和破坏，从而形成新的贯穿性的强渗通道，进而导致突水。

深部矿井充水水文地质条件日趋复杂，突水影响因素增多，许多煤层底板突水事故不仅仅与突水系数中水压和厚度两个因素有关，突水机理和类型复杂多变。底板岩体处于高应力-高承压水及原始构造环境下，需要考虑水压力与岩体裂隙扩展的关系，还应考虑岩层中存在的裂隙、断裂、岩溶陷落柱等构造。实践表明，煤层开采过程中出现临空面，使煤层底板应力重新分布，进而引起新裂隙的萌生、扩展，裂隙逐步扩展延伸以至相互搭接贯通，进而导致裂隙扩展至采空区临空面，即底板突水通道形成是以裂纹扩展为起因，以裂隙贯通为突破口。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明公开了一种底板突水过程相似材料模拟实验装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种底板突水过程相似材料模拟实验装置，包括二维相似材料模拟实验台、上覆载荷施加部分、含水层模拟部分和水压自动控制加载部分，其中：

二维相似材料模拟实验台，试验台的四个角通过四个侧向支撑固定，试验台的两个立柱上均匀布置用于安装防护槽钢和钢化玻璃的多组螺孔，位于试验台同侧的两个侧向支撑之间还安装有第一钢板，每个侧向支撑均与混凝土地基固定；

上覆载荷施加部分，包括多个圆钢，每个圆钢上均焊接有提手，第二钢板插入提手中并置于防护槽钢上；

含水层模拟部分，包括水箱和骨料模拟含水层，水箱一侧的底部设置进水口和放水口，进水口与水压自动控制加载部分的总管线相连接；

水压自动控制加载部分，包括依次顺序设置在总管线上的阀门a、阀门b、放水阀a、止回阀、调压阀a和阀门e，位于阀门a与阀门b之间的第一分支管线上还安装有阀门c，第一分支管线连接至增压泵，增压泵上安装有压力自动控制器，增压泵还与第二分支管线连接，第二分支管线连接至阀门b和放水阀之间的总管线。

进一步地，侧向支撑均包括支撑槽钢和斜支撑，支撑槽钢的一端与试验台固定连接，另一端通过两个化学膨胀螺栓与混凝土地基固定；斜支撑的一端与立柱固定连接，另一端与支撑槽钢连接。

进一步地，第一钢板的三个侧面分别与试验台、两个斜支撑固定连接。

进一步地，所述立柱上设置的螺孔数量为8组16个，且每组中的两个螺孔之间的间距为10cm。

进一步地，上覆载荷施加部分中的提手由钢筋弯折制成。

进一步地，含水层模拟部分中的所述放水口与实验装置外部的排水系统相连。

进一步地，水压自动控制加载部分中，在阀门a前的管线还设置有压力表a，调压阀a后的管线上设置有压力表b和流量表a。

进一步地，水压自动控制加载部分中的第二分支管线上还安装阀门d。

一种底板突水过程相似材料模拟实验方法，采用上述的实验装置，模拟实验过程包括：

(1)搭建二维相似材料模拟实验台

侧向支撑固定试验台的四角，用化学膨胀螺栓将试验台固定在混凝土地基上，第一钢板通过螺丝与试验台、两个斜支撑固定连接；

(2)确定上覆载荷施加部分

根据上覆载荷和相似比，即可换算出装置上方需要放置的圆钢个数，每个圆钢上焊接提手，第二钢板插入提手中并置于防护槽钢上；

(3)制作含水层模拟部分

采用不锈钢水箱和骨料模拟含水层，水箱一侧下部留有进水口和放水口，进水口连接水压自动控制加载系统，放水口与实验装置外部的排水系统连接，先将水箱置于实验台上，水箱与实验台两侧采用胶垫填充，水箱与二维相似材料模拟实验台采用聚氨酯发泡剂密封，水箱里填充满骨料后，关闭放水口，再将水压自动控制加载部分中的进水管与水箱进水口相连接；

(4)布置水压自动控制加载部分

依次顺序在总管线上布置阀门a、阀门b、放水阀a、止回阀、调压阀a和阀门e，在第一分支管线上安装阀门c，第一分支管线连接至配有压力自动控制器的增压泵，将第二分支管线与总管线连通，总管线的一端与外部供水连接，安装有阀门e的一端与含水层模拟部分中的进水口相连接。

进一步地，步骤(4)中，水压自动控制过程为：

(1)开挖之前，关闭阀门a，观察压力表a水压力值，若大于等于实验装置中所需要的水压力值，则自动加压系统可以不用开启，即关闭阀门c和阀门d；若小于实验装置中所需要的水压力值，则关闭阀门b，打开阀门c和阀门d，启动自动加压系统。

(2)当供水压力大于等于实验装置中所需要的水压力值时，水压加载过程是：打开阀门a和阀门b，关闭放水阀a，打开阀门e，调节调压阀a，直到压力表b水压力值符合模型设计要求。

(3)当供水压力小于实验装置中所需要的水压力值时，水压加载过程是为：打开阀门c和阀门d，关闭阀门b，关闭放水阀a，打开阀门e，调节调压阀a，直到压力表b水压力值符合模型设计要求；当水压稳定时，压力自动控制器达到设计值时，增压泵关闭，止回阀防止总管线中的水倒流，当压力降低时，压力自动控制器起作用，增压泵开启，重新加压。

(4)调节好压力值时，再将阀门e连接的耐压软管与实验装置中的进水口连接。

本发明的有益效果是，根据深部开采高承压水、高原岩应力及强烈扰动和深部岩体所表现出的新力学特性，提出底板突水过程相似材料模拟实验装置及方法，操作方便，制作的实验装置能有效模拟“底板应力重分布→底板隔水层变形→裂隙扩展→岩体破裂→突水通道形成→引发底板突水”突水过程化，运用室内试验对深部采动条件下底板突水过程进行研究并且能实现突水过程中的多元信息监测，对研究深井底板突水机理及水害预测预报具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明中的二维相似材料模拟实验台立体图；

图2为本发明中的二维相似材料模拟实验台主视图；

图3为本发明中的二维相似材料模拟实验台侧视图；

图4为本发明中的二维相似材料模拟实验台俯视图；

图5为本发明中的上覆载荷施加部分示意图；

图6为本发明中的含水层模拟部分的位置示意图；

图7为本发明中的含水层模拟部分结构示意图；

图8为本发明中的水压自动控制加载部分示意图。

其中，1、试验台；2、侧向支撑；3、防护槽钢；4、化学膨胀螺栓；5、第一钢板；6、螺丝；7、螺孔；8、圆钢；9、提手；10、第二钢板；11、水箱；12、骨料模拟含水层；13、进水口；14、放水口；15、阀门a；16、阀门b；17、放水阀a；18、止回阀；19、调压阀a；20、阀门e；21、增压泵；22、压力自动控制器；23、压力表a；24、阀门c；25、阀门d；26、压力表b；27、流量表a。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种底板突水过程相似材料模拟实验装置，包括二维相似材料模拟实验台、上覆载荷施加部分、含水层模拟部分和水压自动控制加载部分，其中：

二维相似材料模拟实验台，如图1-4所示，试验台1的四个角通过四个侧向支撑2固定，试验台1的两个立柱上均匀布置用于安装防护槽钢3和钢化玻璃的多组螺孔7，位于试验台1同侧的两个侧向支撑2之间还安装有第一钢板5，每个侧向支撑2均与混凝土地基固定，侧向支撑2均包括支撑槽钢和斜支撑，支撑槽钢的一端与试验台1固定连接，另一端通过两个化学膨胀螺栓4与混凝土地基固定；斜支撑的一端与立柱固定连接，另一端与支撑槽钢连接，第一钢板5的三个侧面分别与试验台1、两个斜支撑固定连接；所述立柱上设置的螺孔7数量为8组16个，且每组中的两个螺孔7之间的间距为10cm，目的是便于两侧的防护槽钢3和高强度钢化玻璃的安装。

实验台材料为q235热镀锌钢，尺寸为长×高×宽＝2.6m×2.1m×0.2m，化学膨胀螺栓4m14×180，第一钢板5与试验台1、两个斜支撑之间采用m14螺丝6螺母连接，起到固定实验台和传递力的作用，支撑槽钢长为1.0m。

上覆载荷施加部分，图5所示，包括多个圆钢8，每个圆钢8上均焊接有提手9，提手9由钢筋弯折制成，便于安装和拆卸，圆钢8高度为125mm、直径为160mm，每块圆钢8重量为20kg，根据上覆载荷和相似比，即可换算出模型上方需要放置的圆钢8个数；第二钢板10插入提手9中并置于防护槽钢3上，第二钢板10长400mm、厚10mm、宽60mm，若模型意外坍塌，可将圆钢8有效架空在两侧防护槽钢3上，避免模型坍塌导致圆钢8掉落砸伤实验人员。

含水层模拟部分，如图6和7所示，包括水箱11和骨料模拟含水层12，不锈钢水箱11尺寸为2.4m×0.2m×0.2m，水箱11一侧的底部设置进水口13和放水口14，进水口13与水压自动控制加载部分的总管线相连接，放水口14与实验装置外部的排水系统相连；实际操作过程中在水箱11里充填不同粒径的石子和砂子，模拟煤层底板含水层岩层，骨料之间空隙模拟煤层底板含水层中的孔隙、裂隙及溶洞。

水压自动控制加载部分，如图8所示，包括依次顺序设置在总管线上的阀门a15、阀门b16、放水阀a17、止回阀18、调压阀a19和阀门e20，位于阀门a15与阀门b16之间的第一分支管线上还安装有阀门c24，第一分支管线连接至增压泵21，增压泵21开关压力控制器能实现增压泵21的自动开启和关闭，若系统中压力达到预定值，则增压泵21关闭，同时止回阀18起到稳压作用；增压泵21上安装有压力自动控制器22，增压泵21还与第二分支管线连接，第二分支管线连接至阀门b16和放水阀之间的总管线；在阀门a15前的管线还设置有压力表a23，调压阀a19后的管线上设置有压力表b26和流量表a27；第二分支管线上还安装阀门d25。

(5)多元信息数据监测系统部分，采用现有的dh3816n数据采集系统，应力传感器采用微型土压力盒，水压传感器采用微型水压力盒，在将配料充填在实验台时，根据实验方案，将传感器的微型土压力盒和微型水压力盒端埋入实验装置中，再将传感器另一端接在dh3816n数据采集系统上，实现数据监测。

一种底板突水过程相似材料模拟实验方法，采用上述的实验装置，模拟实验过程包括：

(1)搭建二维相似材料模拟实验台

侧向支撑2固定试验台1的四角，用化学膨胀螺栓4将试验台1固定在混凝土地基上，第一钢板5通过螺丝6与试验台1、两个斜支撑固定连接；

(2)确定上覆载荷施加部分

根据上覆载荷和相似比，即可换算出装置上方需要放置的圆钢8个数，每个圆钢8上焊接提手9，第二钢板10插入提手9中并置于防护槽钢3上；

(3)制作含水层模拟部分

采用不锈钢水箱11和骨料模拟含水层12，水箱11一侧下部留有进水口13和放水口14，进水口13连接水压自动控制加载系统，放水口14与实验装置外部的排水系统连接，先将水箱11置于实验台上，水箱11与实验台两侧采用胶垫填充，水箱11与二维相似材料模拟实验台采用聚氨酯发泡剂密封，水箱11里填充满骨料后，关闭放水口14，再将水压自动控制加载部分中的进水管与水箱11进水口13相连接；

(4)布置水压自动控制加载部分

依次顺序在总管线上布置阀门a15、阀门b16、放水阀a17、止回阀18、调压阀a19和阀门e20，安装接口为4分管，在第一分支管线上安装阀门c24，第一分支管线连接至配有压力自动控制器22的增压泵21，将第二分支管线与总管线连通，总管线的一端与外部供水连接，安装有阀门e20的一端与含水层模拟部分中的进水口13相连接。

水压自动控制过程为：

(1)开挖之前，关闭阀门a15，观察压力表a23水压力值，若大于等于实验装置中所需要的水压力值，则自动加压系统可以不用开启，即关闭阀门c24和阀门d25；若小于实验装置中所需要的水压力值，则关闭阀门b16，打开阀门c24和阀门d25，启动自动加压系统。

(2)当供水压力大于等于实验装置中所需要的水压力值时，水压加载过程是：打开阀门a15和阀门b16，关闭放水阀a17，打开阀门e20，调节调压阀a19，直到压力表b26水压力值符合模型设计要求。

(3)当供水压力小于实验装置中所需要的水压力值时，水压加载过程是为：打开阀门c24和阀门d25，关闭阀门b16，关闭放水阀a17，打开阀门e20，调节调压阀a19，直到压力表b26水压力值符合模型设计要求；当水压稳定时，压力自动控制器22达到设计值时，增压泵21关闭，止回阀18防止总管线中的水倒流，当压力降低时，压力自动控制器22起作用，增压泵21开启，重新加压。

(4)调节好压力值时，再将阀门e20连接的耐压软管与实验装置中的进水口13连接。

模型开挖时，每次开挖5cm，每天开挖6次，开挖过程中顶底板岩层不断变形破坏，承压水不断导升，数据采集系统自动采集突水过程中的应力和水压力值，供实验人员分析处理，为深井底板突水监测预警提供一定的理论依据。

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