基于矿井地表沟道流水溃水量实验平台的实验方法与流程

本发明属于矿井水害防治技术领域，具体涉及一种基于矿井地表沟道流水溃水量实验平台的实验方法。

背景技术：

煤层在开采过程中，煤层顶板基岩发生垮落破坏，并伴随裂隙向地表发展。一些煤层由于其自身埋藏深度浅，煤层开采形成的冒落带、裂隙带容易发育至地表，在一些沟谷地区，裂隙更易发育至地表形成贯通裂缝。同时，由于沟道利于流水汇集，容易在雨季形成规模较大的地表洪流，因此在开采工作面通过沟谷地区时，地表贯通裂缝易引起地表流水下灌，引起沟道流水溃入井下，造成突水事故的发生。

但是沟道流水溃入井下的溃水量受沟道的水力坡度、裂缝宽度、水流流量、流速等多种因素控制。而目前尚未有此类关于贯通裂缝引起的地表流水溃水量的实验方法。因此急需一种利用相关的实验装置对地表沟道流水溃水量进行准确预计的实验方法，模拟研究岩质沟道裂缝在不同影响因素下的溃水问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于矿井地表沟道流水溃水量实验平台的实验方法，其步骤简单，可通过调节漏水水槽的裂缝张度和漏水水槽的水流流量，改变单一变量，进行多次实验，观测不同坡降程度下的漏水水槽的溃水量，比较不同条件下实际溃水量之间的差异，获取影响矿井地表沟道流水溃水量变化的因素，功能完备。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于矿井地表沟道流水溃水量实验平台的实验方法，所述实验平台包括蓄水装置、与所述蓄水装置连通且具有坡降的漏水水槽和与所述漏水水槽配合的主排水渠，所述蓄水装置和所述主排水渠之间且位于所述漏水水槽的下侧设置有多个辅助排水渠，所述漏水水槽的底部设置有多条张度可调且与多个辅助排水渠配合的裂缝，所述漏水水槽的两端均设置有活动挡板，所述漏水水槽上设置有用于测量所述漏水水槽水位的活动测针和用于测量所述漏水水槽水流速度的毕托管，辅助排水渠末端位置安装有三角量水堰，主排水渠末端位置安装有矩形量水堰，辅助排水渠和主排水渠上均安装有固定测针；所述蓄水装置包括蓄水池、为蓄水池供水的供水管和设置在蓄水池内且用于稳定供水管出水的稳水格栅，所述供水管的进水端安装有水泵，供水管上安装有控制水量大小的阀门；其特征在于，该实验方法包括以下步骤：

步骤一、确定矿井地表沟道对象并搭建实验平台：首先，确定实际矿井地表沟道与漏水水槽的模型比例；然后，根据实际矿井地表沟道的断面尺寸、水力坡度、历史水流流量以及实际裂缝位置，确定漏水水槽的断面尺寸、水力坡度、水流流量以及裂缝位置，其中，所述漏水水槽的断面尺寸包括漏水水槽渠底宽度和漏水水槽的槽壁高度；

步骤二、控制漏水水槽的裂缝张度和水流流量并观测漏水水槽的溃水量：通过开启水泵、调节阀门开度控制所述漏水水槽的水流流量，当固定所述漏水水槽的裂缝张度，固定所述漏水水槽的水流流量时，执行步骤201；当固定所述漏水水槽的裂缝张度，调节所述漏水水槽的水流流量时，执行步骤202；当固定所述漏水水槽的水流流量，调节所述漏水水槽的裂缝张度时，执行步骤203；

步骤201、调节所述漏水水槽上的活动挡板高度改变所述漏水水槽中水流流速，测量各水流流速对应的所述漏水水槽中的各裂缝前的水深，分别获取各水流流速下主排水渠上的水流流量和多个辅助排水渠上的水流流量之和，所述漏水水槽中水流流速通过毕托管测得，所述漏水水槽中的首个裂缝前的水深通过活动测针测得，多个辅助排水渠上的水流流量之和为漏水水槽的溃水量；

步骤202、调节所述漏水水槽上的活动挡板高度，开启水泵并控制阀门的开度调节所述漏水水槽的水流流量，测量所述漏水水槽中水流流速，并测量所述漏水水槽中的首个裂缝前的水深，获取主排水渠上的水流流量和多个辅助排水渠上的水流流量之和；

步骤203、调节所述漏水水槽的裂缝张度，针对各裂缝张度调节所述漏水水槽上的活动挡板高度改变所述漏水水槽中水流流速，并测量各水流流速对应的所述漏水水槽中的首个裂缝前的水深，分别获取各水流流速下主排水渠上的水流流量和多个辅助排水渠上的水流流量之和；

步骤三、计算实际溃水量比重确定各因素对实际溃水量的影响程度：通过漏水水槽的溃水量与所述漏水水槽中的首个裂缝前的水流流量之比计算步骤二中各条件下的实际溃水量比重，得出各因素对实际溃水量的影响程度。

上述的基于矿井地表沟道流水溃水量实验平台的实验方法，其特征在于：步骤201至步骤203中通过矩形量水堰获取主排水渠上的水流流量，步骤201至步骤203中通过三角量水堰获取辅助排水渠上的水流流量。

上述的基于矿井地表沟道流水溃水量实验平台的实验方法，其特征在于：所述辅助排水渠和主排水渠的末端设置有回流池，水泵设置在回流池内。

上述的基于矿井地表沟道流水溃水量实验平台的实验方法，其特征在于：所述漏水水槽的数量为多个，多个所述漏水水槽的坡降各不相同。

上述的基于矿井地表沟道流水溃水量实验平台的实验方法，其特征在于：所述漏水水槽的数量为两个，两个所述漏水水槽分别为第一漏水水槽和第二漏水水槽，所述第一漏水水槽的坡降为5‰～8‰，第二漏水水槽的坡降为5％～8％。

上述的基于矿井地表沟道流水溃水量实验平台的实验方法，其特征在于：所述第一漏水水槽和第二漏水水槽的内壁均通过附着粗颗粒砂石的方式进行人工加糙。

上述的基于矿井地表沟道流水溃水量实验平台的实验方法，其特征在于：所述阀门通过法兰盘与供水管相连。

上述的基于矿井地表沟道流水溃水量实验平台的实验方法，其特征在于：所述蓄水池上开有梯形开口，蓄水池通过所述梯形开口与所述漏水水槽配合连接。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用的实验方法进行实际溃水量获取时，首先确定对实际溃水量产生影响的变量，对实际溃水量产生影响的变量包括漏水水槽坡降、漏水水槽的裂缝张度和漏水水槽的水流流量；通过固定水水槽的水流流量改变漏水水槽的裂缝张度测量实际溃水量；当漏水水槽的水流流量固定时，漏水水槽的水流流速影响漏水水槽中水深，且漏水水槽的水流流速与漏水水槽中水深成反比，测量实际溃水量；当漏水水槽的水流流量不固定时，通过上下移动漏水水槽上的活动挡板改变漏水水槽的水流流速同时测量漏水水槽中水深变化，测量实际溃水量，功能完备，使用效果好。

2、本发明采用的实验方法可适用于岩质沟道裂缝的溃水量的实验工作，亦可进行多种变量关系组合实验，操作简单，能够科学的对岩质沟道裂缝溃水量大小进行研究。

3、本发明采用的实验方法可通过活动测针和毕托管获取漏水水槽的水位和流速；可通过固定测针和矩形量水堰获取主排水渠的水位和流量；可通过固定测针和三角量水堰直接获取辅助排水渠的水位和流量；观测漏水水槽的溃水量快捷可靠。

4、本发明设计新颖合理，步骤简单，可比较不同条件下实际溃水量之间的差异，获取影响矿井地表沟道流水溃水量变化的因素，功能完备，便于推广使用。

综上所述，本发明步骤简单，通过确定实际矿井地表沟道与实验平台的模型比例搭建实验平台，可通过调节漏水水槽的裂缝张度和漏水水槽的水流流量，改变单一变量，进行多次实验，观测不同坡降程度下的漏水水槽的溃水量，比较不同条件下实际溃水量之间的差异，获取影响矿井地表沟道流水溃水量变化的因素，功能完备。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明所采用的实验平台的结构示意图。

图2为本发明所采用的实验平台中漏水水槽与辅助排水渠的安装关系示意图。

图3为本发明所采用的实验平台中蓄水装置的结构示意图。

图4为本发明基于实验平台的实验方法的流程图。

附图标记说明:

1—蓄水池； 2—供水管； 3—法兰盘；

4—阀门； 5—水泵； 6—回流池；

7—第一漏水水槽； 8—第二漏水水槽； 9—活动挡板；

10—毕托管； 11—活动测针； 12—裂缝；

13—固定测针； 14—辅助排水渠； 15—三角量水堰；

16—矩形量水堰； 17—主排水渠； 18—稳水格栅。

具体实施方式

如图1、图2和图4所示，本发明基于矿井地表沟道流水溃水量实验平台的实验方法，所述实验平台包括蓄水装置、与所述蓄水装置连通且具有坡降的漏水水槽和与所述漏水水槽配合的主排水渠17，所述蓄水装置和所述主排水渠17之间且位于所述漏水水槽的下侧设置有多个辅助排水渠14，所述漏水水槽的底部设置有多条张度可调且与多个辅助排水渠14配合的裂缝12，所述漏水水槽的两端均设置有活动挡板9，所述漏水水槽上设置有用于测量所述漏水水槽水位的活动测针11和用于测量所述漏水水槽水流速度的毕托管10，辅助排水渠14末端位置安装有三角量水堰15，主排水渠17末端位置安装有矩形量水堰16，辅助排水渠14和主排水渠17上均安装有固定测针13；所述蓄水装置包括蓄水池1、为蓄水池1供水的供水管2和设置在蓄水池1内且用于稳定供水管2出水的稳水格栅18，所述供水管2的进水端安装有水泵5，供水管2上安装有控制水量大小的阀门4；

本实施例中，供水管2采用水泵5将水引致至蓄水池1中，供水管2的出水通过稳水格栅18使水流趋于稳定；

该实验方法包括以下步骤：

步骤一、确定矿井地表沟道对象并搭建实验平台：首先，确定实际矿井地表沟道与漏水水槽的模型比例；然后，根据实际矿井地表沟道的断面尺寸、水力坡度、历史水流流量以及实际裂缝位置，确定漏水水槽的断面尺寸、水力坡度、水流流量以及裂缝12位置，其中，所述漏水水槽的断面尺寸包括漏水水槽渠底宽度和漏水水槽的槽壁高度；

步骤二、控制漏水水槽的裂缝张度和水流流量并观测漏水水槽的溃水量：通过开启水泵5、调节阀门4开度控制所述漏水水槽的水流流量，当固定所述漏水水槽的裂缝张度，固定所述漏水水槽的水流流量时，执行步骤201；当固定所述漏水水槽的裂缝张度，调节所述漏水水槽的水流流量时，执行步骤202；当固定所述漏水水槽的水流流量，调节所述漏水水槽的裂缝张度时，执行步骤203；

需要说明的是，根据公式Q＝bhv可知，漏水水槽的水流流量Q固定时，漏水水槽的水流流速v影响漏水水槽中水深h且漏水水槽的水流流速v与漏水水槽中水深h成反比，不同的漏水水槽的水流流速v影响观测漏水水槽的溃水量，其中，b为漏水水槽渠底宽度；

步骤201、调节所述漏水水槽上的活动挡板9高度改变所述漏水水槽中水流流速，测量各水流流速对应的所述漏水水槽中的各裂缝12前的水深，分别获取各水流流速下主排水渠17上的水流流量和多个辅助排水渠14上的水流流量之和，所述漏水水槽中水流流速通过毕托管10测得，所述漏水水槽中的首个裂缝12前的水深通过活动测针11测得，多个辅助排水渠14上的水流流量之和为漏水水槽的溃水量；

步骤202、调节所述漏水水槽上的活动挡板9高度，开启水泵并控制阀门的开度调节所述漏水水槽的水流流量，测量所述漏水水槽中水流流速，并测量所述漏水水槽中的首个裂缝12前的水深，获取主排水渠17上的水流流量和多个辅助排水渠14上的水流流量之和；

步骤203、调节所述漏水水槽的裂缝张度，针对各裂缝张度调节所述漏水水槽上的活动挡板9高度改变所述漏水水槽中水流流速，并测量各水流流速对应的所述漏水水槽中的首个裂缝12前的水深，分别获取各水流流速下主排水渠17上的水流流量和多个辅助排水渠14上的水流流量之和；

步骤三、计算实际溃水量比重确定各因素对实际溃水量的影响程度：通过漏水水槽的溃水量与所述漏水水槽中的首个裂缝12前的水流流量之比计算步骤二中各条件下的实际溃水量比重，得出各因素对实际溃水量的影响程度。

需要说明的是，根据不同的实验条件，分别计算各自的实际溃水量。

本实施例中，步骤201至步骤203中通过矩形量水堰16获取主排水渠17上的水流流量，步骤201至步骤203中通过三角量水堰15获取辅助排水渠14上的水流流量。

本实施例中，矩形量水堰16获取主排水渠17上的水流流量q采用公式其中，B为主排水渠17的水渠宽度，H为固定测针13获取的矩形量水堰16的堰上水深，g为重力加速度。

本实施例中，三角量水堰15获取辅助排水渠14上的水流流量q'采用公式其中，α为三角量水堰15的堰顶夹角，H'为固定测针13获取的三角量水堰15的堰上水深。

如图1所示，本实施例中，所述辅助排水渠14和主排水渠17的末端设置有回流池6，水泵5设置在回流池6内，本实施例中，采用回流池6将蓄水池1、主排水渠17和多个辅助排水渠14连通，通过回流池6为蓄水池1供水，蓄水池1经漏水水槽流向主排水渠17和多个辅助排水渠14的水流流回至回流池6，实现水资源的循环利用，节约能源。

本实施例中，所述漏水水槽的数量为多个，多个所述漏水水槽的坡降各不相同。

需要说明的是，所述漏水水槽的底部设置的裂缝12的数量与辅助排水渠14的数量相等，根据实际需求在蓄水池1上设置多个所述漏水水槽，多个所述漏水水槽的坡降各不相同，满足不同的水力坡度对沟道裂缝溃水量的影响，每个所述漏水水槽的末端设置在主排水渠17上，每个所述漏水水槽的两端均设置有活动挡板9，两个活动挡板9中的一个活动挡板9安装在所述漏水水槽与蓄水池1连接位置处，两个活动挡板9中的另一个活动挡板9安装在所述漏水水槽的末端，两个活动挡板9均可上下调节，用于调节水流流速，满足不同的流速要求。

如图1所示，本实施例中，所述漏水水槽的数量为两个，两个所述漏水水槽分别为第一漏水水槽7和第二漏水水槽8，所述第一漏水水槽7的坡降为5‰～8‰，第二漏水水槽8的坡降为5％～8％。

实际实验中，首先根据不同水力坡度选择使用第一漏水水槽7或第二漏水水槽8，当选择第一漏水水槽7时，将第二漏水水槽8用安装在第二漏水水槽8与蓄水池1连接位置处的活动挡板9及玻璃胶密封；打开水泵5，调节阀门4大小，通过主排水渠17上的固定测针13读取主排水渠17中的水位高差，确定水流流量，同时，为了测量第一漏水水槽7中的水深，可采用活动测针11测量水位高度，为了测量第一漏水水槽7中的水流速度，可用毕托管10进行测量；同理，当选择第二漏水水槽8时，将第一漏水水槽7用安装在第一漏水水槽7与蓄水池1连接位置处的活动挡板9及玻璃胶密封；实际使用中，也可采用可拆卸式的毕托管10和活动测针11，当选择第一漏水水槽7时，将毕托管10和活动测针11安装在第一漏水水槽7上，当选择第二漏水水槽8时，将毕托管10和活动测针11安装在第二漏水水槽8上，减少成本。

本实施例中，所述漏水水槽的底部设置有三条裂缝12，每条裂缝12的正下方均设置有一个辅助排水渠14，每个所述漏水水槽上均安装有用于测量该漏水水槽水位的活动测针11和用于测量该漏水水槽水流流量的毕托管10，每个辅助排水渠14上均安装有用于测量该辅助排水渠14水位的固定测针13和用于测量该辅助排水渠14水流流量的三角量水堰15，主排水渠17末端位置安装有用于测量主排水渠17水位的固定测针13和用于测量主排水渠17水流流量的矩形量水堰16，实现水流水位与水流流量的实时测量。

通过改变每个裂缝12的张度测量其辅助排水渠14上水深，并计算该裂缝12溃水量，满足不同的裂缝张度条件下对沟道基岩裂缝溃水量的测量。

本实施例中，所述第一漏水水槽7和第二漏水水槽8的内壁均通过附着粗颗粒砂石的方式进行人工加糙。

需要说明的是，明渠水流运动的流量取决于过水断面面积、沟道的粗糙系数、水力半径和水力坡度，根据实际情况采用人工加糙的方式决定沟道的粗糙系数，实际加工中，采用砂石与水泥混合，在水泥凝固之前用清水冲洗砂石与水泥混合面，使粗颗粒砂石突出增加漏水水槽的粗糙度。

如图1和图3所示，本实施例中，所述阀门4通过法兰盘3与供水管2相连，本实施例中，采用水泵5与阀门4配合的方式，通过调节阀门4的开度确定供水的水流流量。

如图3所示，本实施例中，所述蓄水池1上开有梯形开口，蓄水池1通过所述梯形开口与所述漏水水槽配合连接，本实施例中，所述漏水水槽采用矩形断面的漏水水槽，在矩形断面的漏水水槽与蓄水池1连接位置处采用梯形开口，是为了减少水流的冲击振荡，有利于水流的稳定。

实施例1

本发明实际操作中，首先根据模型比例搭建实验平台，根据不同水力坡度选择坡降接近的漏水水槽，本实施例中，选择坡降为5‰～8‰的第一漏水水槽7进行溃水量实验，根据第一漏水水槽7的坡降值计算第一漏水水槽7的水力坡度J'，确定历史水流流量、裂缝12位置和第一漏水水槽7的断面尺寸，第一漏水水槽7的渠底宽度为b'，人工加工第一漏水水槽7的粗糙系数n'；

控制第一漏水水槽7的裂缝张度和水流流量并观测第一漏水水槽7的溃水量，第一漏水水槽7的坡降一定时，第一漏水水槽7的溃水量取决于包括第一漏水水槽7的裂缝张度和水流流量，其中，第一漏水水槽7的水流流量分为固定水流流量和不固定水流流量，当固定第一漏水水槽7的裂缝张度，固定第一漏水水槽7的水流流量Q'时，由于第一漏水水槽7的水流流量一定时，根据公式Q'＝A'v'＝b'h'v'，可知第一漏水水槽7上的活动测针11测量第一漏水水槽7中的首个裂缝12前水深h'与毕托管10测量第一漏水水槽7中水流流速v'成反比，A'为第一漏水水槽7中水流的断面面积，调节第一漏水水槽7上的活动挡板9高度改变第一漏水水槽7中水流流速v'，并采用活动测针11测量各水流流速v'对应的第一漏水水槽7中的首个裂缝12前的水深h'，采用矩形量水堰16分别获取各水流流速v'下主排水渠17上的水流流量Q′₁，针对各水流流速v'分别采用三个三角量水堰15获取对应三个辅助排水渠14上的水流流量Q'₂、水流流量Q′₃和水流流量Q'₄，计算各水流流速v'下三个辅助排水渠14上的水流流量之和Q'₂+Q'₃+Q'₄，各水流流速v'下三个辅助排水渠14上的水流流量之和Q'₂+Q'₃+Q'₄为对应条件下第一漏水水槽7的溃水量，计算各水流流速v'下实际溃水量比重

当固定第一漏水水槽7的裂缝张度，调节第一漏水水槽7的水流流量Q”时，开启水泵5并控制阀门4的开度调节第一漏水水槽7的水流流量Q”，由于第一漏水水槽7的水流流量不固定，根据实际需求调节第一漏水水槽7上的活动挡板9高度改变第一漏水水槽7中水流流速v”，并采用毕托管10测量第一漏水水槽7中水流流速v”，采用活动测针11测量各水流流速v”对应的第一漏水水槽7中的首个裂缝12前的水深h”，采用矩形量水堰16分别获取各水流流速v”下主排水渠17上的水流流量Q″₁，针对各水流流速v”分别采用三个三角量水堰15获取对应三个辅助排水渠14上的水流流量Q″₂、水流流量Q″₃和水流流量Q″₄，计算各水流流速v”下三个辅助排水渠14上的水流流量之和Q″₂+Q″₃+Q″₄，各水流流速v”下三个辅助排水渠14上的水流流量之和Q″₂+Q″₃+Q″₄为对应条件下第一漏水水槽7的溃水量，计算各水流流速v”下实际溃水量比重

当固定第一漏水水槽7的水流流量Q”'，调节第一漏水水槽7的裂缝张度时，多次调节第一漏水水槽7的裂缝张度，在不同裂缝张度条件下，针对各裂缝张度调节第一漏水水槽7上的活动挡板9高度改变第一漏水水槽7中水流流速v”'，并采用毕托管10测量第一漏水水槽7中水流流速v”，采用活动测针11测量各水流流速v”'对应的第一漏水水槽7中的首个裂缝12前的水深h”'，采用矩形量水堰16分别获取各水流流速v”'下主排水渠17上的水流流量Q₁”'，针对各水流流速v”'分别采用三个三角量水堰15获取对应三个辅助排水渠14上的水流流量Q″′₂、水流流量Q″′₃和水流流量Q″′₄，计算各水流流速v”'下三个辅助排水渠14上的水流流量之和Q″′₂+Q″′₃+Q″′₄，各水流流速v”'下三个辅助排水渠14上的水流流量之和Q″′₂+Q″′₃+Q″′₄为对应条件下第一漏水水槽7的溃水量，计算各水流流速v”'下实际溃水量比重

根据实际测量数据，比较分析不同实验数据，总结分析流量、流速、沟道裂缝宽度对于沟道溃水量大小的影响。

实施例2

本实施例与实施例1不同的是：根据模型比例搭建实验平台，根据不同水力坡度选择坡降接近的漏水水槽，本实施例中，增加漏水水槽的坡降，选择坡降为5％～8％的第二漏水水槽8进行溃水量实验，控制第二漏水水槽8的裂缝张度和水流流量并观测第二漏水水槽8的溃水量，计算第二漏水水槽8实验的实际溃水量，比较分析不同坡降实验数据，总结分析坡降数据对于沟道溃水量大小的影响，实验过程与实验方法均与实施例1相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。