专利名称：一种水下开采顶板渗流突水试验方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及到水下开采的试验模型领域，特指一种水下开采顶板渗流突水试验方法及装置。
背景技术：
随着经济的高速发展，对各种矿产资源的需求旺盛，促进了矿业行业的飞速发展。巨大而持续的需求，和已经开始了资源紧张局面，导致人们将眼光开始投注于水下矿体开采。水下开采是一种开采难度较大的矿体，水下开采技术尤其是海底开采，有待深入研究。其中一个关键问题就是水下开采顶板突水机理和控制技术的研究。水下开采顶板突水后果不堪设想，其研究对于水下开采的安全和高效开采、临界开采高度具有非常重要的意义。在当前矿床越来越趋稀少的情况下，合理确定临界开采厚度，对于提高矿床的开采率具有重要意义。
岩体裂隙中水的渗流非常复杂，岩体的受力状态，节理的分布形成对岩体各向异性灯对岩体渗流具有重要影响，反过来岩体渗流要影响着水下开采的安全，可能会导致顶板渗流突水破坏。一般模型试验只能研究构造应力和顶部压力对巷道稳定的影响，而不能研究顶板突水的产生、形成过程，进而研究顶板突水对矿场安全的影响。刘新河(水下矿床开采的相似模拟研究试验)试验研究认为了张性裂隙是突水的主要通道。该方法缺陷是没有考虑流固耦合效应影响，与突水破坏实际情况差别很大。首先因为水的存在加速了上覆盖层的渗流破坏，没有考虑水的静、动力学性质，以及水的渗流破坏的不利作用，未考虑水的影响的矿山安全评价是偏于不安全的，二是没有引入水的影响，不能够形象、直观和真实的反映顶板突水破坏过程。一般模型试验具有以上两个较大的缺陷，对水下开采中顶板突水这一关键问题模拟研究不尽理想，有待完善和改进。
采用相似模型试验研究研究顶板突水试验，应当考虑水固耦合进行研究，从宏细观角度研究裂缝的产生、发展和突水通道形成规律，开采围岩和上覆层的位移和应力分布特征，从而揭示顶板突水机理和顶板突水判据；研究构造应力和矿体顶部的水压力对渗流突水破坏的影响规律，为顶板突水预防和控制技术提供试验基础。传统的测量方法不便于测量模型裂缝和位移的分布，应当采用先进的测量技术确保试验装置和试验方法能够实现。同时多方面保证试验满足防水要求，防止发生人为突水和漏水。说明顶板突水与水压力构造应力的关系。
发明内容
本发明要解决的问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够更真实体现构造应力和顶部水压力、覆盖层自重作用共同作用，从而提高试验精确度的水下开采顶板渗流突水试验方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为一种水下开采顶板渗流突水试验方法，其步骤为 (1)建立模型箱利用相似比要求配置试验用模型材料，将配置好的试验材料按照实际相对位置放置于模型箱中，在较佳实施例中可以在模型材料的中上部与模型箱两侧用硅胶填充达到防水的目的，保证试验过程中水不会沿着模型箱两侧流出； (2)施加侧向压力对模型箱内的模型材料施加侧向压力，在试验过程中侧向压力保持恒定； (3)施加水压力将模型箱的顶部密封，在模型顶部施加设定的水压力，用来模拟水下采矿顶部的水压力影响； (4)模型开挖按照试验设计要求，进行模型开挖，模拟水下矿体开挖；在开挖过程中，利用分别安置于模型箱正前面和正后面的模型表面位移变形测量装置和模型表面裂缝观测装置，每隔一定时间采集水压力数据、构造应力数据、位移数码照片、放大一定倍数的裂缝数码照片，直至开挖到发生突水破坏； (5)重复步骤(1)、(2)、(3)改变侧向压力、水压力参数，重复步骤(4)； (6)运用相应的分析软件进行位移分析和裂缝分析，得到顶部水压力，构造应力与模型表面位移、模型表面裂缝之间的关系。
一种水下开采顶板渗流突水试验装置，其特征在于它包括固定于台座上的模型箱(1)、侧向压力施加机构、顶部水压力施加机构、控制机构、模型表面位移变形测量机构、模型表面裂缝观测机构以及计算机，所述顶部水压力施加机构位于模型箱的顶部，侧向压力施加机构装设于模型箱的两个侧面，与计算机相连的模型表面位移变形测量机构和模型表面裂缝观测机构分别装设于模型箱的正前方和正后方。
所述侧向压力施加机构包括位于模型箱两侧的两个以上的伸缩驱动装置，伸缩驱动装置一端与位于模型箱内的活动侧板相连，另一端通过反力架固定台座上，伸缩驱动装置通过控制机构控制。
所述模型表面位移变形测量机构包括第一图像采集装置，模型表面裂缝观测机构包括第二图像采集装置和显微镜，所述第一图像采集装置和第二图像采集装置分别位于模型箱的正前方和正后方，第一图像采集装置和第二图像采集装置与计算机(22)相连。
所述水压力施加机构包括带刻度的水压测压管和用来调节模型箱顶部水体范围的两块水体范围调节板，水压测压管插设于两块水体范围调节板之间形成的水域中。
与现有技术相比，本发明的优点就在于本发明提出综合考虑构造应力，顶部水压力、位移和裂缝变化情况得到突水判据，比仅仅考虑构造应力、位移得到突水判据更加合理，更加符合工程实际情况。在该试验方法的基础上，本发明提出了相应的试验装置，该装置和其他装置相比，能够实现构造应力和底部水压力的共同作用，通过分析数码照片，得到模型位移和裂缝变化情况，从而提高了测量的精度和深度。
图1是本发明方法的流程示意图； 图2是本发明装置的主视结构示意图； 图3是本发明装置的侧视结构示意图； 图4是本发明装置的俯视结构示意图； 图5是具体实施例中模型试验1/4宽度水体示意图； 图6是具体实施例中模型试验全宽度水体示意图； 图7是具体实施例中模型试验施加均匀侧压力的分布示意图； 图8是具体实施例中模型试验施加线性侧压力的分布示意图； 图9是具体实施例中沿着矿体走向的地质剖面示意图； 图10是具体实施例中沿着垂直矿体走向的地质剖面示意图。
图例说明 1、模型箱2、台座 3、模型箱骨架4、反力架 5、活动侧板 6、伸缩驱动装置 7、水体范围调节板8、水压测压管 9、水压测压管刻度10、测压管支架 11、控制机构 12、高压油压管道 13、锚固螺栓 14、固定螺栓 15、下底板 16、上底板 17、第一图像采集装置18、数码相机三角架 19、显微镜 20、第二图像采集装置 21、显微镜支架 22、计算机 23、集水器
具体实施例方式 以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种水下开采顶板渗流突水试验方法，其步骤为 (1)建立模型箱利用相似比要求配置试验用模型材料，将配置好的试验材料按照实际相对位置放置于模型箱中，在较佳实施例中可以在模型材料的中上部与模型箱两侧用硅胶填充达到防水的目的，保证试验过程中水不会沿着模型箱两侧流出； (2)施加侧向压力对模型箱内的模型材料施加侧向压力，在试验过程中侧向压力保持恒定； (3)施加水压力将模型箱的顶部密封，在模型顶部施加设定的水压力，用来模拟水下采矿顶部的水压力影响； (4)模型开挖按照试验设计要求，进行模型开挖，模拟水下矿体开挖；在开挖过程中，利用分别安置于模型箱正前面和正后面的模型表面位移变形测量装置和模型表面裂缝观测装置，每隔一定时间采集水压力数据、构造应力数据、位移数码照片、放大一定倍数的裂缝数码照片，直至开挖到发生突水破坏； (5)重复步骤(1)、(2)、(3)改变侧向压力、水压力参数，重复步骤(4)； (6)运用相应的分析软件进行位移分析和裂缝分析，得到顶部水压力，构造应力与模型表面位移、模型表面裂缝之间的关系。
如图2、图3和图4所示，本发明的一种水下开采顶板渗流突水试验装置，它包括固定于台座2上的模型箱1、侧向压力施加机构、顶部水压力施加机构、控制机构11、模型表面位移变形测量机构、模型表面裂缝观测机构以及计算机22，其中模型箱1内装设有利用相似比配置好的模型材料，可以在模型材料的中上部与模型箱1两侧用硅胶填充，达到防水的目的，保证试验过程中水不会沿着模型箱1的两侧流出，同时模型箱1底部带有集水器23，用来收集顶板渗流突水破坏产生的水流。顶部水压力施加机构位于模型箱1的顶部，侧向压力施加机构装设于模型箱1的两个侧面，与计算机22相连的模型表面位移变形测量机构和模型表面裂缝观测机构分别装设于模型箱1的正前方和正后方。
侧向压力施加机构包括位于模型箱1两侧的两个以上的伸缩驱动装置6，伸缩驱动装置6一端与位于模型箱1内的活动侧板5相连，另一端通过反力架4固定台座2上，伸缩驱动装置6通过控制机构11控制。伸缩驱动装置6可以根据需要采用电动或液压方式，本实施例中，伸缩驱动装置6采用四个液压油缸，模型箱1的两侧分别对称设有两个液压油缸，液压油缸通过高压油压管道12与作为控制机构11的伺服控制台相连，并受其控制。反力架4通过锚固螺栓13固定于台座2上的上底板16和下底板15上，液压油缸通过固定螺栓14固定于反力架4上。在较佳实施例中，对模型箱1的两侧用硅胶密封，保证试验过程中水不会沿着活动侧板5处的隙缝流出 模型表面位移变形测量机构包括第一图像采集装置17，模型表面裂缝观测机构包括第二图像采集装置20和显微镜19，第一图像采集装置17和第二图像采集装置20分别位于模型箱1的正前方和正后方，第一图像采集装置17和第二图像采集装置20与计算机22相连。本实施例中，第一图像采集装置17采用高分辨率数码相机，通过数码相机三角架18固定于模型箱1的正前方，试验过程中每隔一定时间拍摄模型表面数码照片，通过计算机22内的分析软件得到模型表面位移与顶部水压力、构造应力之间的关系。第二图像采集装置20采用CCD，显微镜19采用体视显微镜，体视显微镜通过显微镜支架21固定于模型箱1的正后方，试验过程中每隔一定时间拍摄模型表面数码照片，通过计算机22内的分析软件得到模型表面裂缝的分布、宽度和长度变化与顶部水压力、构造应力之间的关系。
水压力施加机构包括带刻度的水压测压管8和用来调节模型箱1顶部水体范围的两块水体范围调节板7，水压测压管8插设于两块水体范围调节板7之间形成的水域中。还可进一步在模型箱1的底部设置用来收集突水破坏后所产生水流的集水器。本实施例中，水体范围调节板7为两块，两块水体范围调节板7之间是水体分布区域，水体分布区域范围内模型材料顶部用硅胶防水，水体范围调节板7上部与模型箱1的顶部密封连接，下部插入模型材料中，模型箱1的顶部密封，这样保证了水体范围调节板7直接的水体只有在模型材料顶部发生裂缝时，水会沿着裂缝深入模型材料中，加速顶部突水破坏。两块水体范围调节板7之外是模型材料，水压侧量管8与模型箱1顶板密封连接，并用测压管支架10固定水压测量管8，水压测量管8带有水压测压管刻度9。
在具体实施例中，根据山东黄金集团三山岛金矿新立矿区地质调查报告，考虑模型试验操作的可行性情况，经过概化采用如下表1的力学参数为模型试验设计的不同岩石主要力学参数。
表1 三山岛金矿新立矿区岩石主要力学参数 确定几何相似比为cl＝100，模型箱尺寸为3000mm×1200mm×200mm，开挖位置在模型箱正中位置。按照实际矿房尺寸为20m×30m×50m左右，采用两种方式开挖，一是按确定的几何相似比模型中沿着矿体方向的开挖尺寸为长20cm×高30cm；二是模型中垂直矿体方向的开采高度是20cm×长50cm；如图9和图10。确定重力相似比为cg＝1，容重相似比为cρ＝1.5，则应力相似比为cσ＝cgcρcl＝150。定时间相似比为ct＝365×24/(1/3)＝26280，渗透系数相似比为cs＝cl/ct＝1/262.8。
根据原岩力学参数得到模型力学参数如表2，根据经验，采用砂、石蜡作为原料来制作模型，不同组别的配比见表2。
表2 模型设计的主要力学参数以及配比 水压力采用如图5和图6布置，水压力大小为从0pa-10Kpa，逐渐增加顶部水压，直到发生顶板渗流突水破坏。采用侧压力控制装置实现，其包括水体范围调节板7、水压测压管8、测压管支架10共同实现； 侧压力分布采用图7和图8形式布置，最大侧压力大小为800Kpa。采用侧压力控制装置实现，其包括反力架4、伸缩驱动装置6、控制机构11、高压油压管道12共同实现； 试验开始前，将作为第一图像采集装置17的数码相机和数码相机三角架18安置在模型箱1的正前面位置，将作为第二图像采集装置20的CCD、体视显微镜19、体视显微镜支架21安置在模型箱1的正后面位置，将数码相机和CCD与计算机22连接好，调试好仪器，试验过程中保持仪器不发生改变。
试验过程中采用不同的侧压力和顶部不同水压力范围和大小，研究侧压力和顶部水压力对开挖的影响。试验过程中采用位移测量装置和裂缝观测装置测量分析位移和裂缝，从而为水下开采临界高度提供必要的试验判据。
试验模拟水下开采采用如图9和图10两种方式开挖； 1)试验结果及其分析 通过山东黄金集团三山岛金矿新立矿区水下开采顶板渗流突水模型试验可以得到如下几个基本结果 一、模型开挖完成后，巷道的竖向最大位移出现巷道的中上部，应力分析表明应力集中于角部。采用均匀侧压力和三角形侧压力分布对开挖围岩的位移、应力，以及上覆层位移的影响不同； 二、采用倾斜和水平两种方式开挖，对应的围岩位移的分布不一样，倾斜开采方式的上覆层位移分布和水平方式开挖不同。
三、增加模型顶部水头至直到顶板为破坏之前，模型和模型箱两侧密封良好，没有出现人为的突水破坏，随着水压力的增大，竖向位移继续增大，开始出现裂缝，最后形成突水通道。
2)试验结论 通过试验构想，模型试验装置和试验方法的设计，相似材料的制备，模型的制作，不同顶部水压力和侧向侧压力对水下开采开挖的影响，得到了水下开采渗流突水破坏的全过程和规律，基本结论如下 一、水下开采突水判据应当综合考虑构造应力，顶部水压力，以及表明位移与裂缝的变化情况。
二、运用该试验装置和方法能够给水下开采临界开采高度提供试验基础，为工程实践提供判据依据。
三、本发明制作的模型，能够模拟完成不同侧压力和不同水体分布和大小对水下开采渗流突水破坏的影响。
四、采用体视显微镜和高分辨率数码相机以及相应软件可以测量分析足够精度的裂缝和位移的分布和大小，为相似模型试验研究提供了先进的测量技术，提高了测量的精度和深度。
权利要求
1、一种水下开采顶板渗流突水试验方法，其步骤为
(1)建立模型箱利用相似比要求配置试验用模型材料，将配置好的试验材料按照实际相对位置放置于模型箱中；
(2)施加侧向压力对模型箱内的模型材料施加侧向压力，在试验过程中侧向压力保持恒定；
(3)施加水压力将模型箱的顶部密封，在模型顶部施加设定的水压力，用来模拟水下采矿顶部的水压力影响；
(4)模型开挖按照试验设计要求，进行模型开挖，模拟水下矿体开挖；在开挖过程中，利用分别安置于模型箱正前面和正后面的模型表面位移变形测量装置和模型表面裂缝观测装置，每隔一定时间采集水压力数据、构造应力数据、位移数码照片、放大一定倍数的裂缝数码照片，直至开挖到发生突水破坏；
(5)重复步骤(1)、(2)、(3)改变侧向压力、水压力参数，重复步骤(4)；
(6)运用相应的分析软件进行位移分析和裂缝分析，得到顶部水压力，构造应力与模型表面位移、模型表面裂缝之间的关系。
2、一种水下开采顶板渗流突水试验装置，其特征在于它包括固定于台座(2)上的模型箱(1)、侧向压力施加机构、顶部水压力施加机构、控制机构(11)、模型表面位移变形测量机构、模型表面裂缝观测机构以及计算机(22)，所述顶部水压力施加机构位于模型箱(1)的顶部，侧向压力施加机构装设于模型箱(1)的两个侧面，与计算机(22)相连的模型表面位移变形测量机构和模型表面裂缝观测机构分别装设于模型箱(1)的正前方和正后方。
3、根据权利要求2所述的水下开采顶板渗流突水试验装置，其特征在于所述侧向压力施加机构包括位于模型箱(1)两侧的两个以上的伸缩驱动装置(6)，伸缩驱动装置(6)一端与位于模型箱(1)内的活动侧板(5)相连，另一端通过反力架(4)固定台座(2)上，伸缩驱动装置(6)通过控制机构(11)控制。
4、根据权利要求2或3所述的水下开采顶板渗流突水试验装置，其特征在于所述模型表面位移变形测量机构包括第一图像采集装置(17)，模型表面裂缝观测机构包括第二图像采集装置(20)和显微镜(19)，所述第一图像采集装置(17)和第二图像采集装置(20)分别位于模型箱(1)的正前方和正后方，第一图像采集装置(17)和第二图像采集装置(20)与计算机(22)相连。
5、根据权利要求2或3所述的水下开采顶板渗流突水试验装置，其特征在于所述水压力施加机构包括带刻度的水压测压管(8)和用来调节模型箱(1)顶部水体范围的两块水体范围调节板(7)，水压测压管(8)插设于两块水体范围调节板(7)之间形成的水域中。
6、根据权利要求4所述的水下开采顶板渗流突水试验装置，其特征在于所述水压力施加机构包括带刻度的水压测压管(8)和用来调节模型箱(1)顶部水体范围的两块水体范围调节板(7)，水压测压管(8)插设于两块水体范围调节板(7)之间形成的水域中。
全文摘要
本发明公开了一种水下开采顶板渗流突水试验方法及装置，其步骤为(1)将配置好的试验材料按照实际相对位置放置于模型箱中；(2)对模型箱内的模型材料施加侧向压力；(3)将模型箱的顶部密封，在模型顶部施加设定的水压力；(4)在开挖过程中，每隔一定时间采集水压力数据、构造应力数据、位移数码照片、放大一定倍数的裂缝数码照片，直至开挖到发生突水破坏；(5)重复步骤(1)、(2)、(3)改变侧向压力、水压力参数，重复步骤(4)；(6)得到顶部水压力，构造应力与模型表面位移、模型表面裂缝之间的关系。本发明能够更真实体现构造应力和顶部水压力、覆盖层自重作用共同作用，从而提高试验精确度。
文档编号G01N33/00GK101308126SQ20081003146
公开日2008年11月19日 申请日期2008年6月11日 优先权日2008年6月11日
发明者李夕兵, 彭述权, 刘爱华, 赵国彦, 陈红江 申请人:中南大学