专利名称：松散承压含水层采动水位变化规律的实验装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种实验装置及方法，尤其是一种松散承压含水层采动水位变化规律的实验装置及方法。
背景技术：
松散承压含水层下采煤，由于疏降排水成本高、周期长，对水体环境影响大，因此大多数煤矿采用带压开采，但是由于压力大、基岩薄，由此带来的顶板压架突水危险性也随之加大。以皖北祁东煤矿为例，其422421^14412^30等多个工作面相继发生了多达 16起类似的压架突水事故，其中6J0工作面从2009年9月13日到2010年3月1日，在短短的四个月间就发生了四起压架突水事故。频繁的压架突水事故已经严重影响到煤矿的正常生产，带来了巨大的经济损失。由于的流动性和补给作用，松散承压含水层有载荷传递作用，导致松散承压含水层下开采关键层易产生复合破断(即相邻两层或多层关键层同步破断)，引起工作面矿山压力的急剧增大与含水层水位的骤然下降。由于工作面岩层存在着周期性的下沉、回转、垮落，含水层水位也存在周期性的上升与下降。但是含水层水位的下降与工作面矿压显现存在着怎样的定量对应关系呢？其影响因素有哪些呢？能否通过含水层水位下降量来预警工作面矿压显现强度呢？该方法的时效性如何？这些都是尚未研究清楚的问题，因此，继续深入研究松散承压含水层下采煤压架突水灾害预警机理是十分必要的，但是目前，在我国矿业领域还没有研究该方面的实验装置，基于此，设计了该套实验装置来研究含水层水位下降量与关键层运动对应的时空关系及其影响因素。
发明内容
技术问题本发明的目的是克服已有技术存在的问题，提供一种结构简单、操作方便、用途多元化、水位补给源高度可调、可实现不同的承压水头的松散承压含水层采动水位变化规律的实验装置及方法。技术方案本发明的松散承压含水层采动水位变化规律的实验装置，包括数据采集器，该装置内装有模拟煤岩层的模拟箱，在模拟箱上部的模拟岩层中设有松散承压含水层袋，松散承压含水层袋的一侧上部设有伸出模拟箱外部的水位管，另一侧设有伸出模拟箱外部与水箱相连接的进水管；水位管上设有与数据采集器相连的水位计。所述进水管上设有水表和控制水流量的水阀；所述的模拟箱下部的模拟煤层处设有活动窗口 ；所述松散承压含水层袋由密封水袋和装入密封水袋内约为Icm的砂粒和加入密封水袋内与砂粒质量百分比为30%的水构成。本发明的松散承压含水层采动水位变化规律的实验方法，包括如下步骤
a.采用水泥、石灰、石膏在模拟箱内由下往上铺设模拟煤岩层，在铺设模拟煤岩层的过程中，在模拟煤岩层的中上部放置松散承压含水层袋，并在松散承压含水层袋的一侧上部设置水位管，另一侧的侧面连接进水管，进水管与高度高于模拟箱的水箱连接；b.在水位管的顶部安装水位计，并将水位计与数据采集器相连接；
c.开启水阀向松散承压含水层袋内注水，直至水表显示数据稳定，记下此时水表的读
数；
d.打开模拟煤层处的活动窗口，模拟开采模拟箱内的模拟煤层，同时通过数据采集器采集水位管内的水位变化值，每隔0. 5s记录水位计的读数，每隔60s记录水表的读数，同时观察模拟煤层上方的模拟岩层的变化情况，得出模拟岩层破坏程度与水位下降速度之间的关系。有益效果本发明选用与现场“松散承压含水层”相类似的介质，使得模拟结果较为真实可靠，反映了现场的实际情况；通过水位仪来记录四含水位随工作面开采的变化情况，可以考察水位变化与关键层运动的时空关系，可以模拟导水裂隙带变化与含水层水位之间的关系。模拟含水层水位变化与关键层运动时空关系的影响因素包括主关键层位置、 主关键层厚度、工作面开采速度、四含水水压、骨架颗粒大小等，还可模拟承压含水层下导水裂隙带发展过程及与水位变化的时空关系。用途可多元化。水位补给源高度可调，能实现不同的承压水头，满足不同采矿条件下的模拟需要。其结构简单、操作方便、能有效模拟工作面岩层周期性下沉、回转、垮落的情况，为实际运用提供参考数据。
图1是本发明的结构示意图。图中1 一模拟箱；2 —松散承压含水层袋；3 —水位计；4 一水阀；5 —数据采集器；6 —进水管；7 —水箱；8 —水位管；9 一水表10 —模拟煤层；11 一模拟岩层。
具体实施例方式如图1所示，本发明的松散承压含水层采动水位变化规律的实验装置，主要由数据采集器5，数据采集器5选用FYC-3型浮子式液位传感器，该装置内装有模拟煤岩层11的模拟箱1，模拟箱1下部的模拟煤层10处设有方便开合的活动窗口，在模拟箱1上部的模拟岩层11中设有松散承压含水层袋2，松散承压含水层袋2由密封水袋和装入密封水袋内约为Icm的砂粒和加入密封水袋内与砂粒质量百分比为30%的水构成。松散承压含水层袋 2的一侧上部设有伸出模拟箱1外部的水位管8，另一侧设有伸出模拟箱1外部与水箱7相连接的进水管6，进水管6上设有水表9和控制水流量的水阀4。水箱7大小大于等于松散承压含水层袋2的体积，以保证可以提供充足的水源。水位管8上设有与数据采集器5相连的水位计3，水位计3由浮子驱动，是用于连续性水位变化的水位测量计，通过浮子一浮子电缆——配重系统将水位的变动传输到感应器的浮子滑轮上，通过此系统旋转运动将水位转换为电子信号，将数据传输到外部数据采集器5中。本发明的松散承压含水层采动水位变化规律的实验方法先采用水泥、石灰、石膏在模拟箱1内由下往上铺设模拟煤岩层11，在铺设模拟煤岩层11的过程中，在模拟煤岩层 11的中上部放置松散承压含水层袋2，并在松散承压含水层袋2的一侧上部设置水位管8， 另一侧的侧面连接进水管6，进水管6与高度高于模拟箱1的水箱7连接；在水位管8的顶部安装水位计3，并将水位计3与数据采集器12相连接；开启水阀4向松散承压含水层袋2 内注水，直至水表9显示数据稳定，不再变化，记下此时水表的读数；之后打开模拟煤层10处的活动窗口，按照与现场时间相似比例为1:10、尺寸相似比例为1:100的相似比例，模拟开采模拟箱1内的模拟煤层10，在模拟煤层两侧各预留20cm的煤柱，从模拟煤层的右侧预留煤柱开始开采，每20分钟开采IOcm模拟煤层，直至开采至模拟煤层的左侧预留煤柱。在此过程中，模拟煤层开采后会导致上覆模拟岩层的垮落，从而使得松散承压含水袋中的水向该垮落区域流动，引起水位下降，通过数据采集器5采集水位管8内的水位变化值，每隔 0. &记录一次水位计3的读数，每隔60s记录一次水表9的读数，同时观察模拟煤层上方的模拟岩层的变化情况，得出模拟岩层破坏程度与水位下降速度之间的关系。
权利要求
1.一种松散承压含水层采动水位变化规律的实验装置，包括数据采集器(5)，其特征在于该装置内装有模拟煤岩层的模拟箱(1)，在模拟箱(1)上部的模拟岩层中设有松散承压含水层袋(2)，松散承压含水层袋(2)的一侧上部设有伸出模拟箱(1)外部的水位管(8)， 另一侧设有伸出模拟箱(1)外部与水箱(7)相连接的进水管(6);水位管(8)上设有与数据采集器(5)相连的水位计(3)。
2.根据权利要求1所述的松散承压含水层采动水位变化规律的实验装置，其特征在于，所述进水管(6 )上设有水表(9 )和控制水流量的水阀(4 )。
3.根据权利要求1所述的松散承压含水层采动水位变化规律的实验装置，其特征在于，所述的模拟箱(1)下部的模拟煤层(10)处设有活动窗口。
4.根据权利要求1所述的松散承压含水层采动水位变化规律的实验方法，其特征在于所述的松散承压含水层袋(2)由密封水袋和装入密封水袋内直径约为Icm的砂粒和加入密封水袋内与砂粒质量百分比为30%的水构成。
5.一种松散承压含水层采动水位变化规律的实验方法，其特征在于包括如下步骤a.采用水泥、石灰、石膏在模拟箱(1)内由下往上铺设模拟煤岩层，在铺设模拟煤岩层的过程中，在模拟岩层(11)的中上部放置松散承压含水层袋(2)，并在松散承压含水层袋 (2)的一侧上部设置水位管(8)，另一侧的侧面连接进水管(6)，进水管(6)与高度高于模拟箱(1)的水箱(7)连接；b.在水位管(8)的顶部安装水位计(3)，使水位计(3)的浮子与水位管(8)中的水接触，并将水位计(3 )与数据采集器(5 )相连接；c.开启水阀(4)向松散承压含水层袋(2)内注水，直至水表(9)显示数据稳定，记下此时水表的读数；d.打开模拟煤层(10)处的活动窗口，模拟开采模拟箱(1)内的模拟煤层(10)，同时通过数据采集器(5)采集水位管(8)内的水位变化值，每隔0. 5s记录水位计(3)的读数，每隔 60s记录水表(9)的读数，同时观察模拟煤层上方的模拟岩层的变化情况，得出模拟岩层破坏程度与水位下降速度之间的关系。
全文摘要
一种松散承压含水层采动水位变化规律的实验装置及方法，装置包括数据采集器、内装有模拟煤岩层的模拟箱，在模拟箱上部的模拟岩层中设有松散承压含水层袋，松散承压含水层袋的一侧上部设有伸出模拟箱外部的水位管，另一侧设有伸出模拟箱外部与水箱相连接的进水管；水位管上设有与数据采集器相连水位计。通过水位仪来记录含水位随工作面开采的变化情况，可模拟水位变化与关键层运动对应的时空关系及其影响因素，还可模拟承压含水层下导水裂隙带与水位变化的时空关系。结构简单、操作方便、用途多元化、水位补给源高度可调、可实现不同的承压水头，满足不同采矿条件下的模拟需要。
文档编号G01N33/24GK102261942SQ20111010072
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月21日 优先权日2011年4月21日
发明者单珍君, 朱卫兵, 王晓振, 许家林, 郝宪杰 申请人:中国矿业大学