一种具有含水层模拟装置的大型相似模拟装置的制作方法

本发明涉及矿山机械领域，特别是涉及一种具有含水层模拟装置的大型相似模拟装置。
背景技术：
在传统三维相似模拟实验中，往往考虑的都是在一个相对封闭的环境下模拟开挖内部的煤层；目前为止并没有关于地下水库的具体模拟，而且，三维相似模拟还有一个作用是二维相似模拟做不到的，就是观察含水裂隙带的发育情况；因为传统二维相似模拟前后宽度只有200mm，因此含水层的效果根本体现不出来；同时制作含水层就必须要制作隔水层，因此对骨料配比和不同配比的混合材料的渗透性等参数都需要研究；目前并没有与此相同的研究，针对三维相似模拟实验含水层模拟和隔水层模拟的研究很少，而与地下水库结合的研究尚未发现。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是设计出了一套具有含水层模拟装置的大型相似模拟装置，针对带水开采的三维模拟效果很好，具有科学性。一种具有含水层模拟装置的大型相似模拟装置，包括模拟实验平台、水库模拟系统、含水层模拟系统，实时智能监测与水害触发系统；所述模拟实验平台中设置有若干岩层、在若干所述岩层中设置有所述水库模拟系统和所述含水层模拟系统，所述水库模拟系统包括坝体模拟系统和设置在所述坝体模拟系统内部的煤层模拟系统，所述煤层模拟系统为煤层模拟水袋，所述煤层模拟水袋为长方体，由可收缩的塑料制成，所述煤层模拟水袋的水袋顶板的外侧和水袋底板的外侧固定有不锈钢板，在所述煤层模拟水袋的前侧壁和后侧壁的内侧设置有铁板，所述铁板的上端与所述水袋顶板之间以及所述铁板的下端与所述水袋底板之间具有间隔，所述铁板的下半部分与所述前侧壁或者所述后侧壁粘结固定，在所述煤层模拟水袋上设置有出水入水口，与水管相连。本发明所述的具有含水层模拟装置的大型相似模拟装置，其中，所述含水层模拟系统包括壳体和设置在其内部的含水层模拟水袋，所述壳体和所述含水层模拟水袋均为长方体，所述壳体由有机板制成，设置在所述水库模拟系统的上部；在所述含水层模拟水袋的内部设置有多个支撑块，所述含水层模拟水袋的底板与所述壳体的底板粘结固定，在所述含水层模拟系统的下端设置有多个智能控制阀。本发明所述的具有含水层模拟装置的大型相似模拟装置，其中，在所述含水层模拟系统的下部铺设有隔水层，所述隔水层由如下重量份数的原料制备而成：细砂0.750份，重晶石粉0.750份，滑石粉0.150份，凡士林0.075份，硅油0.075份，水泥0.065份，水0.130份。本发明所述的具有含水层模拟装置的大型相似模拟装置，其中，所述细砂的粒径在0.2-0.3mm之间，所述滑石粉为1250目，所述重晶石粉的粒径<2mm，所述凡士林为医用白色的凡士林，所述水泥为超细水泥dmfc-800，比表面积在800㎡以上，平均粒径10μm以下。本发明所述的具有含水层模拟装置的大型相似模拟装置，其中，所述隔水层的制备方法包括如下步骤：按比例准备原料，先将水泥和凡士林搅拌，搅拌充分之后加入滑石粉，搅拌充分之后加入重晶石粉，搅拌充分之后加入细砂，搅拌充分之后同时加入硅油和水。本发明所述的具有含水层模拟装置的大型相似模拟装置，其中，所述智能控制阀为5个，包括设置在所述含水层模拟系统的底板的中心以及以此为中心的正四边形四个角上，正四边形四条边与所述含水层模拟系统的底板的四个边平行，四个角与中心的距离为0.8m。本发明所述的具有含水层模拟装置的大型相似模拟装置，其中，实时智能监测与水害触发系统包括光学钻孔窥视仪、岩体声发射仪和岩体声接收仪；其中，所述光学钻孔窥视仪设置在所述智能控制阀上，所述岩体声发射仪和所述岩体声接收仪设置在距离所述含水层模拟系统的底板的下部1m处，分别固定在所述模拟实验平台的内部的左右两侧。本发明所述的具有含水层模拟装置的大型相似模拟装置，其中，在工作过程中，所述岩体声发射仪和所述岩体声接收仪按岩体与岩石声波纵波速度之比的平方k划分成四个程度，针对不同的程度类别，电脑会给所述智能控制阀一个特定的指标，去排水，模拟含水层水害触发，具体如下；k大于0.75时，为完整的顶板覆岩，每个智能控制阀排水量为1l/h；k在0.75-0.35时，为较破碎的顶板覆岩，每个智能控制阀排水量为2l/h；k在0.35-0.15时，为破碎的顶板覆岩，每个智能控制阀排水量为4l/h；k小于0.15时，为极破碎的顶板覆岩，每个智能控制阀排水量为5l/h。本发明所述的具有含水层模拟装置的大型相似模拟装置，其中，所述含水层模拟水袋的长宽高分别为6000mm、2000mm和60mm，所述支撑块的长宽高分别为100mm、100mm和60mm，左右前后的间距均为300mm；所述坝体模拟系统包括坝体底板和四个坝体侧护板，所述坝体底板厚为2mm，所述坝体侧护板厚为4mm，在所述坝体模拟系统上设置有供所述水管穿过的通孔；所述煤层模拟水袋的长度为6000mm，宽度为2000mm，所述不锈钢板的厚度为5mm，所述铁板的厚度为4mm，长为4000mm，所述铁板的上端与所述水袋顶板之间以及所述铁板的下端与所述水袋底板之间的距离均为5mm。本发明所述的具有含水层模拟装置的大型相似模拟装置，其中，所述模拟实验平台为长方体装置，长为8000mm，宽为2600mm，高为3800mm；所述模拟实验平台的底板和左右两侧的侧板均为钢板，前侧的侧板为透明材料制成，后侧的侧板由多个侧护板上下堆叠固定而成，所述侧护板包括板体和固定在所述板体上端和下端的支撑板，在所述板体的左右两侧采用螺丝固定。本发明具有含水层模拟装置的大型相似模拟装置与现有技术不同之处在于：1、本发明设计的针对地下水库的三维相似模拟，针对带水开采的三维模拟效果很好；2、本发明中含水层模拟系统和隔水层模拟参数的设计保证了模拟的科学性；3、本发明中实时智能监测与水害触发系统的应用可使矿区实际灾害在实验室里相似模拟，对灾害的具体研究和避免具有重要作用。下面结合附图对本发明的具有含水层模拟装置的大型相似模拟装置作进一步说明。附图说明图1为本发明中水库模拟系统和含水层模拟系统在模拟实验平台中的位置示意图；图2为本发明中水库模拟系统的结构示意图；图3为本发明中煤层模拟系统的侧视图；图4为本发明中含水层模拟水袋的结构示意图；图5为本发明在一种状态下的实时智能监测与水害触发系统的结构示意图；图6为本发明在另一种状态下的实时智能监测与水害触发系统的结构示意图。具体实施方式如图1～图6所示，一种具有含水层模拟装置的大型相似模拟装置，包括模拟实验平台1、水库模拟系统2、含水层模拟系统3，实时智能监测与水害触发系统；所述模拟实验平台1中设置有若干岩层、在若干所述岩层中设置有所述水库模拟系统2和所述含水层模拟系统3，所述水库模拟系统2包括坝体模拟系统4和设置在所述坝体模拟系统4内部的煤层模拟系统5，所述煤层模拟系统4为煤层模拟水袋，所述煤层模拟水袋为长方体，由可收缩的塑料制成，所述煤层模拟水袋的水袋顶板的外侧和水袋底板的外侧固定有不锈钢板，在所述煤层模拟水袋的前侧壁和后侧壁的内侧设置有铁板6，所述铁板6的上端与所述水袋顶板之间以及所述铁板6的下端与所述水袋底板之间具有间隔，所述铁板6的下半部分与所述前侧壁或者所述后侧壁粘结固定，在所述煤层模拟水袋上设置有出水入水口7，与水管相连。当煤层模拟水袋充满油时，铁板6竖立起来，作为煤层模拟水袋支撑，当水开始抽出时，煤层模拟水袋开始收缩，两块铁板6开始倾斜，逐步下降。以下为优选技术方案：所述含水层模拟系统3包括壳体和设置在其内部的含水层模拟水袋9，所述壳体和所述含水层模拟水袋9均为长方体，所述壳体由有机板制成，设置在所述水库模拟系统2的上部；在所述含水层模拟水袋9的内部设置有多个支撑块10，所述含水层模拟水袋9的底板与所述壳体的底板粘结固定，在所述含水层模拟系统3的下端设置有多个智能控制阀11。在所述含水层模拟系统3的下部铺设有隔水层15，可以达到很高的隔水效果；所述隔水层15由如下重量份数的原料制备而成：细砂0.750份，重晶石粉0.750份，滑石粉0.150份，凡士林0.075份，硅油0.075份，水泥0.065份，水0.130份。对比试验如下：表1渗透性随凡硅比变化一览表编号吸水率渗水高度cm恒压时间h水压力cm凡硅比渗透系数cm/h渗透系数cm/s配比10.012150.050306030.0092.47e-6配比20.010150.050306020.0071.98e-6配比30.014150.178306010.0037.80e-7表2渗透性随时间变化一览表编号吸水率渗水高度cm恒压时间h水压力cm渗透系数cm/h渗透系数cm/s配比214天0.010150.05030600.0071.98e-6配比228天0.1060.0039.40e-7配比314天0.014150.17830600.0037.80e-7配比328天0.2830.0024.9e-7表3配比一览表(重量份数)编号细砂重晶石粉滑石粉凡士林硅油水泥水强度(mpa)配比10.7500.7500.1500.1140.0380.0650.1300.696配比20.7500.7500.1500.1000.0500.0650.1300.547配比30.7500.7500.1500.0750.0750.0650.1300.435从表1可以看出来，配比3渗透系数最小，配比1的渗透系数最大，从表2可以看出，配比3的达到0.003cm/h时只需要14天，所以可以确定配比3最适合做隔水层材料。其中，细砂指的是粒径在0.2-0.3mm范围之内的；滑石粉规格为1250目；重晶石粉粒径<2mm；凡士林为医用白色即可；水泥为超细水泥，可采用德美公司的dmfc-800，表示比表面积在800㎡以上，平均粒径10μm以下，其具有材料无毒、无味、对地下水及环境无污染的特点，属环保型材料，可放心在实验室实验操作。同时其无收缩现象，不会对实验造成影响，抗渗性能佳，是做隔水层15的优选；其他原材料无具体要求。所述隔水层15的制备方法包括如下步骤：按比例准备原料，先将水泥和凡士林搅拌，搅拌充分之后加入滑石粉，搅拌充分之后加入重晶石粉，搅拌充分之后加入细砂，搅拌充分之后同时加入硅油和水，思路为先将固体由少到多充分搅拌，然后加入液体，保证隔水层材料的均匀，防止部分区域因不均匀导致有漏水点；所述智能控制阀11为5个，包括设置在所述含水层模拟系统3的底板的中心以及以此为中心的正四边形四个角上，正四边形四条边与所述含水层模拟系统3的底板的四个边平行，四个角与中心的距离为0.8m。智能控制阀11根据指令排水，并且可以按照一定的时间，一定的速度和一定的流量排水。实时智能监测与水害触发系统包括光学钻孔窥视仪12、岩体声发射仪13和岩体声接收仪14；其中，所述光学钻孔窥视仪12设置在所述智能控制阀11上，用以窥视岩层内部的岩层变化情况，该设备采用高清晰度镜头及彩色显示设备，可分辨1.5mm的裂隙，能够直观地反应钻孔内裂隙发育的情况。所述岩体声发射仪13和所述岩体声接收仪14设置在距离所述含水层模拟系统3的底板的下部1m处，分别固定在所述模拟实验平台1的内部的左右两侧。在工作过程中，所述岩体声发射仪13和所述岩体声接收仪14按岩体与岩石声波纵波速度之比的平方k划分成四个程度，针对不同的程度类别，电脑会给所述智能控制阀11一个特定的指标，去排水，模拟含水层水害触发，具体如下；k大于0.75时，为完整的顶板覆岩，每个智能控制阀11排水量为1l/h；k在0.75-0.35时，为较破碎的顶板覆岩，每个智能控制阀11排水量为2l/h；k在0.35-0.15时，为破碎的顶板覆岩，每个智能控制阀11排水量为4l/h；k小于0.15时，为极破碎的顶板覆岩，每个智能控制阀11排水量为5l/h。所述含水层模拟水袋9的长宽高分别为6000mm、2000mm和60mm，一整个含水层模拟水袋9在内部模拟含水层，所述支撑块10的长宽高分别为100mm、100mm和60mm，左右前后的间距均为300mm；这样可以保证设计的含水层在发生突水时，含水层模拟水袋9收缩一点，但是并不会发生岩层沉降，这样最大程度的模拟现实中含水层在突水时含水层岩层并不会快速沉降的事实，传统的用加水来维持，对系统要求太高，含水层也会发生波动，精度不高。坝体模拟系统4主要是由质地坚硬的有机板模拟坝体，同时用稍薄一些的有机板模拟水库底部，以阻止水的流失。所述坝体模拟系统4包括坝体底板和四个坝体侧护板，所述坝体底板厚为2mm，所述坝体侧护板厚为4mm，在所述坝体模拟系统4上设置有供所述水管穿过的通孔8；所述煤层模拟水袋的长度为6000mm，宽度为2000mm，根据实际模拟需求，煤层实际高度/a，a为模拟缩放比，一般为100:1或者200:1；假设煤层5m，则高为50mm，所述不锈钢板的厚度为5mm，所述铁板6的厚度为4mm，长为4000mm，所述铁板6的上端与所述水袋顶板之间以及所述铁板6的下端与所述水袋底板之间的距离均为5mm。所述模拟实验平台1为长方体装置，长为8000mm，宽为2600mm，高为3800mm；这么设计的原因是，模拟按照100:1的缩放比设计的，因此以宽为设计核心，以200m工作面倾斜长为标准，两侧各30m煤柱，则宽定位2600mm，考虑到裂隙带的发育高度以煤层厚度10m计算，则至少要求1000mm以上的高度，又考虑到含水层距离煤层的关系不定，因此一般高度定的较大则模型运用范围越大，因此结合作业难度和造价成本考虑，设计在3800mm；而长度则是因为至少要保证煤层开挖模拟至少要超过大见方位置，以至少完成一次初次来压和两次周期来压为宜，再结合作业难度和造价成本考虑因此设计为8000mm合适。所述模拟实验平台1的底板和左右两侧的侧板均为钢板，前侧的侧板为透明材料制成，用于观察岩层变化情况，后侧的侧板由多个侧护板上下堆叠固定而成，所述侧护板包括板体和固定在所述板体上端和下端的支撑板，在所述板体的左右两侧采用螺丝固定。以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。当前第1页12