一种采动破碎岩体水砂运移试验系统及监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种采动破碎岩体水砂运移试验系统及监测方法，其包括支架，所述支架上设置有试验仓，所述试验仓包括上仓体与下仓体，所述上仓体内均匀布置有多个压力传感器，所述下仓体内均匀布置有多个孔隙水压力传感器，所述上仓体内铺设有砂层，所述下仓体内铺设有不同岩性和块度的岩块层；随所述顶板向下移动，松散砂层和岩块层逐渐被压实，所述脆性环氧树脂隔水板也向下移动，所述破碎杆的尖端部击碎所述脆性环氧树脂隔水板，使所述上仓体与所述下仓体相连通。能进行破碎岩体中水砂混合物运移及涌出模拟试验，获取不同地层组合的水砂运移参数，提高了煤层开采诱发工作面涌水溃砂灾害特征识别的可靠性。
【专利说明】一种采动破碎岩体水砂运移试验系统及监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种采动破碎岩体水砂运移试验系统及监测方法。
【背景技术】
[0002]近年来随着煤矿开采强度的不断加大和开采上限的持续提高，上覆松散含水层受采动影响，含砂量较高的水砂混合物溃入井下工作面，导致造成财产损失甚至人员伤亡的地质灾害时有发生，给矿井的安全生产带来很大威胁，严重制约着煤炭工业的发展。1990年
4月20日，瓷窑湾煤矿发生冒顶突水溃砂灾害，涌水量达200m3/h，总溃砂量4000m3以上，造成一采区304m长皮带巷被砂充填厚度达2m(巷道高4.5m)，地面形成圆锥形塌坑(直径28m，深14m)，水位迅速下降，水库干涸。1990年12月28日，瓷窑湾煤矿又发生一次冒顶突水溃砂，涌水量50m3/h，溃砂量达6000m3。1996年6月I日，扎赉诺尔铁北矿多次放生突水溃砂，由于II 2a煤层顶板工作面冒顶，形成的破裂带与第一含水层沟通，突出水砂1700m3。1989年6月22日，安徽淮北矿区百善矿666工作面因多次挑顶破坏了顶板上的强风化岩层而沟通了松散层底部的砂土，突出水砂1000m3。2002年10月31日，邹城市横河煤矿193IE工作面发生溃砂事故，2名人员被堵在巷道中。2002年11月10日淮北矿业集团公司桃园煤矿二采区1022 ±工作面(准备面)，切眼上口发生突水、溃砂事故，死亡4人，受伤I人，直接经济损失130多万元，直接原因:1022±工作面风巷布置在软弱、松散、破碎的基岩风化带内，切眼上口重复垮棚冒顶，高冒区形成冒落漏斗，难以形成冒落拱，致使冒落带不断向上发育直至第四含水层导通第四含水层，致使四含水、泥、砂、砾石溃入井下。井下工作面涌水溃砂事故的发生，不仅影响了矿井的正常生产，还威胁了工人的生命安全。
[0003]要保证煤炭资源的稳步开发，摆脱突水溃砂灾害的严重困扰，在水体下(包括地表水体和含水层)采煤时，防止水砂突涌，科学合理的设计开采上限，进行顶板水作用下采动覆岩空间裂隙演化规律、渗流、突涌水砂模拟，获得工作面涌水溃砂动力机制，是亟待解决的关键问题之一。由于地下采掘工程隐蔽性的特点，使得采煤引起的水砂突涌的机理研究和影响因素难以借助现场观测进行研究，室内试验成为解决这一问题的有效手段。通过设置不同水砂混合物成分、不同水压力、不同破碎岩体组合等试验参数，定量化地研究水砂混合物运移及涌出的多种地质信息，获得不同模型试验水砂混合流运移过程中不同位置监测的水压力变化曲线，同时分析水砂流速度与破碎岩体组合的关系，观测水砂溢出口出砂量与时间的变化关系，对预防井下涌水溃砂灾害和保证安全生产具有重大指导意义。
【发明内容】
[0004]鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于采动破碎岩体水砂运移的试验系统及监测方法，定量化地研究水砂混合物运移及涌出的多种地质信息，分析水砂流速度与破碎岩体组合的关系，获取不同地层组合的水砂运移参数。
[0005]为解决上述技术问题，本发明方案包括:
[0006]一种采动破碎岩体水砂运移试验系统，其包括支架，其中，所述支架上设置有试验仓，所述试验仓包括上仓体与下仓体，所述上仓体与所述下仓体通过一连接件相连接；所述上仓体设置能沿所述上仓体移动的顶板，所述顶板上均匀布置有若干个透水孔，所述顶板上设置有用于施加竖直压力的加载液压缸，所述顶板上设置有排水阀与进水阀；所述试验仓内设置有隔水板承载环体，所述隔水板承载环体能沿所述试验仓内壁移动，所述所述隔水板承载环体与所述试验仓内壁为动密封，所述脆性环氧树脂隔水板下方的所述下仓体内设置有竖直布置的破碎杆，所述破碎杆的尖端部与所述脆性环氧树脂隔水板之间存在一间隙；所述下仓体底部设置有出口，所述出口下方的所述支架上设置有水砂收集装置；所述上仓体内均匀布置有多个压力传感器，所述下仓体的内壁上均匀布置有多个孔隙水压力传感器，孔隙水压力传感器的端头与所述下仓体的内壁相平；所述上仓体内铺设有砂层，所述下仓体内铺设有岩块层，所述隔水板承载环体位于砂层与岩块层之间，砂层与岩块层形成模拟材料；随所述顶板向下移动，使砂层带动所述脆性环氧树脂隔水板也向下移动，所述破碎杆的尖端部击碎所述脆性环氧树脂隔水板，使所述上仓体与所述下仓体相连通。
[0007]所述的采动破碎岩体水砂运移试验系统，其中，所述进水阀与一水压水量双控伺服装置相连通，所述加载液压缸与一位移压力双控伺服装置相连接，所述水压水量双控伺服装置与所述位移压力双控伺服装置均与一控制中心通信连接。
[0008]所述的采动破碎岩体水砂运移试验系统，其中，所述多个孔隙水压力传感器、所述多个压力传感器的通信电缆均穿过对应的连接端口与所述控制中心通信连接，所述连接端口包括监测接口，所述监测接口内设置有电缆锁定管，所述电缆锁定管末端设置有密封段，所述多个孔隙水压力传感器、所述多个压力传感器的通信电缆穿过对应密封段。
[0009]所述的采动破碎岩体水砂运移试验系统，其中，所述顶板为圆形顶板,圆形顶板上布置有至少四层透水孔，每层的多个透水孔布置在同一圆周上，四层透水孔的圆周为同心圆。
[0010]一种使用所述采动破碎岩体水砂运移试验系统的监测方法，其包括以下步骤:
[0011]根据地质和采矿条件的抽象地层组合和相似准则，将松散砂层与不同岩性和块度的岩块层分层铺设在试验仓内，并铺设相应的压力传感器和孔隙水压力传感器；关闭进水阀，打开排气阀，启动位移压力双控伺服装置，逐级向所述顶板施加竖向荷载，实时监测所述试验仓中模拟材料的变形情况，待模拟材料变形稳定之后施加下一级荷载，直至到达预定需要的载荷，获得模拟材料加载过程的应力-应变曲线；
[0012]然后打开所述排气阀和所述进水阀，启动水压水量双控伺服装置，设置所需的水压力和水流量，对所述试验仓进行充水直至所述排气阀溢水，而后关闭所述排气阀，直至达到设置的水压力；
[0013]随所述顶板向下移动，松散砂层和岩块层逐渐被压实，所述脆性环氧树脂隔水板也随之向下移动，所述破碎杆的尖端部击碎所述脆性环氧树脂隔水板，使所述上仓体与所述下仓体相连通，所述上仓体内的水砂自所述下仓体内岩块之间的孔隙从所述下仓体的出口流出，同时观察水砂涌出情况，同步采集记录应力、孔隙水压力、流量与位移信息。
[0014]本发明提供的一种用于采动破碎岩体水砂运移的试验系统及监测方法，采用上仓体与下仓体的技术形式，使材料铺设更方便，能进行破碎岩体中水砂混合物运移及涌出模拟试验，获取不同地层组合的水砂运移参数，提高了煤层开采诱发工作面涌水溃砂灾害特征识别的可靠性，能够实现大尺寸、密闭模拟试验；模拟试验系统具有水压、载荷各自独立的稳压系统，更精确、稳定性更优；还可以配合相应的监测软件，实现了对应力、孔隙水压力，流量，位移信息的实时监测；并且设置能瞬间开启的脆性环氧树脂隔水板，实现了给定含压水砂层瞬间导通过程的模拟。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明中试验系统的结构示意图；
[0016]图2为本发明中连接端口的剖面结构示意图；
[0017]图3为本发明中顶板的剖面结构示意图；
[0018]图4为本发明中顶板的俯视结构示意图；
[0019]图5为本发明中隔水板承载环体与脆性环氧树脂隔水板的结构示意图；
[0020]图6为本发明中隔水板承载环体、脆性环氧树脂隔水板与破碎杆的结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]本发明提供了一种采动破碎岩体水砂运移试验系统及监测方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0022]本发明提供了一种采动破碎岩体水砂运移试验系统，如图1、图3、图4、图6所示的，其包括支架1，其中，所述支架I上设置有试验仓，所述试验仓包括上仓体2与下仓体3，所述上仓体2与所述下仓体3通过一连接件4相连接，所述连接件4可以采用连接法兰的技术形式；所述上仓体2设置能沿所述上仓体2移动的顶板5，所述顶板5上均匀布置有若干个透水孔6，所述顶板5上设置有用于施加竖直压力的加载液压缸7，所述顶板5上设置有排水阀8与进水阀9。所述试验仓内设置有隔水板承载环体10，所述隔水板承载环体10能沿所述试验仓内壁移动，所述隔水板承载环体10与所述试验仓内壁为动密封，所述隔水板承载环体10上设置有脆性环氧树脂隔水板11，所述脆性环氧树脂隔水板11下方的所述下仓体3内设置有竖直布置的破碎杆12，所述破碎杆12的尖端部与所述脆性环氧树脂隔水板11之间存在一间隙，当然还可以在所述破碎杆12外周设置有移动通道，在移动通道内设置弹簧，使所述破碎杆12的底端设置在所述弹簧上，利用弹簧的弹性将所述脆性环氧树脂隔水板11击碎，也可以采用其他的技术手段，在此不再赘述。所述下仓体3底部设置有出口 13，所述出口 13下方的所述支架I上设置有水砂收集装置14，所述出口 13上可以设置流量计15与快开阀门16，可以使所述试验仓与所述水砂收集装置14快速连通；所述上仓体2内均匀布置有多个压力传感器17，所述下仓体3的内壁上均匀布置有多个孔隙水压力传感器18，孔隙水压力传感器18的端头与所述下仓体3的内壁相平，比如可以采用在所述下仓体3的内部上开设槽孔的技术手段，将每个孔隙水压力传感器18布置在对应槽孔内，避免了由于压力过大，使岩块层将孔隙水压力传感器18损坏。所述上仓体2内铺设有砂层，所述下仓体3内铺设有岩块层，所述隔水板承载环体10位于砂层与岩块层之间，砂层与岩块层形成模拟材料；随所述顶板5向下移动，砂层和岩块层逐渐被压实，所述脆性环氧树脂隔水板11也随之向下移动，所述破碎杆12的尖端部击碎所述脆性环氧树脂隔水板11，使所述上仓体2与所述下仓体3相连通，可以使所述上仓体2内的水砂从所述下仓体3内岩块层的孔隙间流出。[0023]更进一步的，所述进水阀9与一水压水量双控伺服装置相连通19，所述加载液压缸7与一位移压力双控伺服装置20相连接，所述水压水量双控伺服装置19与所述位移压力双控伺服装置20均与一控制中心21通信连接。
[0024]在本发明的另一较佳实施例中，所述多个孔隙水压力传感器18、所述多个压力传感器17的通信电缆25均穿过对应的连接端口与所述控制中心21通信连接，所述连接端口包括监测接口 22，所述监测接口 22内设置有电缆锁定管23，所述电缆锁定管23末端设置有密封段24，所述多个孔隙水压力传感器18、所述多个压力传感器17的通信电缆25穿过对应密封段24。
[0025]更进一步的，如图4与图5所示的，所述顶板5为圆形顶板，圆形顶板上布置有至少四层透水孔6，每层的多个透水孔6布置在同一圆周上，四层透水孔6的圆周为同心圆，并且若干个透水孔6在所述顶板5上呈辐射状，使水流能够快速的渗入所述上仓体2内，完全与实际渗水情况相同。
[0026]本发明还提供了一种使用所述采动破碎岩体水砂运移试验系统的监测方法，其包括以下步骤:
[0027]根据地质和采矿条件的抽象地层组合和相似准则，将模拟材料铺设在试验仓内，具体的是，先将岩块层铺设在下仓体3内，然后在将隔水板承载环体10覆盖在岩块层上，使破碎杆12的尖端部与脆性环氧树脂隔水板11之间存在一间隙，然后在脆性环氧树脂隔水板11上方的上仓体2内铺设砂层，然后铺设相应的压力传感器17和孔隙水压力传感器18 ；关闭进水阀9，打开排气阀8，启动位移压力双控伺服装置20，逐级向所述顶板5施加竖向荷载，实时监测所述试验仓中模拟材料的变形情况，待模拟材料变形稳定之后施加下一级荷载，直至到达预定需要的载荷，获得模拟材料加载过程的应力-应变曲线；
[0028]然后打开所述排气阀8和所述进水阀9，启动水压水量双控伺服装置19，设置所需的水压力和水流量，对所述试验仓进行充水直至所述排气阀溢水，而后关闭所述排气阀8，直至达到设置的水压力；
[0029]随所述顶板5向下移动，所述脆性环氧树脂隔水板11也向下移动，所述破碎杆12的尖端部击碎所述脆性环氧树脂隔水板11，使所述上仓体2与所述下仓体3相连通，所述上仓体2内的水砂自所述下仓体3内岩块之间的孔隙从所述下仓体3的出口 13流出，同时观察水砂涌出情况，同步采集记录应力、孔隙水压力、流量与位移信息。
[0030]然后更换不同的模拟材料，修改水压水量双控伺服装置19与位移压力双控伺服装置20的对应运行状态，重复上述步骤。
[0031]对试验过程中监测得到的数据进行分析，研究在不同水压力，不同地层组合条件下水砂的突涌特征，通过设置不同水砂混合物成分、不同水压力、不同破碎岩体组合等试验参数，定量化地研究水砂混合物运移及涌出的多种地质信息，获得不同模型试验水砂混合流运移过程中不同位置监测的水压力变化曲线，同时分析水砂流速度与破碎岩体组合的关系，观测水砂出口的出砂量与时间的变化关系，获取不同地层组合的水砂运移参数，提高了煤层开采诱发工作面涌水溃砂灾害特征识别的可靠性。
[0032]当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
【权利要求】
1.一种采动破碎岩体水砂运移试验系统，其包括支架，其特征在于，所述支架上设置有试验仓，所述试验仓包括上仓体与下仓体，所述上仓体与所述下仓体通过一连接件相连接；所述上仓体设置能沿所述上仓体移动的顶板，所述顶板上均匀布置有若干个透水孔，所述顶板上设置有用于施加竖直压力的加载液压缸，所述顶板上设置有排水阀与进水阀；所述试验仓内设置有隔水板承载环体，所述隔水板承载环体能沿所述试验仓内壁移动，所述所述隔水板承载环体与所述试验仓内壁为动密封，所述隔水板承载环体上设置有脆性环氧树脂隔水板，所述脆性环氧树脂隔水板下方的所述下仓体内设置有竖直布置的破碎杆，所述破碎杆的尖端部与所述脆性环氧树脂隔水板之间存在一间隙；所述下仓体底部设置有出口，所述出口下方的所述支架上设置有水砂收集装置；所述上仓体内均匀布置有多个压力传感器，所述下仓体的内壁上均匀布置有多个孔隙水压力传感器，孔隙水压力传感器的端头与所述下仓体的内壁相平；所述上仓体内铺设有砂层，所述下仓体内铺设有岩块层，所述隔水板承载环体位于砂层与岩块层之间，砂层与岩块层形成模拟材料；随所述顶板向下移动，使砂层带动所述脆性环氧树脂隔水板也向下移动，所述破碎杆的尖端部击碎所述脆性环氧树脂隔水板，使所述上仓体与所述下仓体相连通。
2.根据权利要求1所述的采动破碎岩体水砂运移试验系统，其特征在于，所述进水阀与一水压水量双控伺服装置相连通，所述加载液压缸与一位移压力双控伺服装置相连接，所述水压水量双控伺服装置与所述位移压力双控伺服装置均与一控制中心通信连接。
3.根据权利要求2所述的采动破碎岩体水砂运移试验系统，其特征在于，所述多个孔隙水压力传感器、所述多个压力传感器的通信电缆均穿过对应的连接端口与所述控制中心通信连接，所述连接端口包括监测接口，所述监测接口内设置有电缆锁定管，所述电缆锁定管末端设置有密封段，所述多个孔隙水压力传感器、所述多个压力传感器的通信电缆穿过对应密封段。
4.根据权利要求1所述的采动破碎岩体水砂运移试验系统，其特征在于，所述顶板为圆形顶板，圆形顶板上布置有至少四层透水孔，每层的多个透水孔布置在同一圆周上，四层透水孔的圆周为同心圆。
5.一种使用如权利要求1所述采动破碎岩体水砂运移试验系统的监测方法，其包括以下步骤: 根据地质和采矿条件的抽象地层组合和相似准则，将松散砂层与不同岩性和块度的岩块层分层铺设在试验仓内，并铺设相应的压力传感器和孔隙水压力传感器；关闭进水阀，打开排气阀，启动位移压力双控伺服装置，逐级向所述顶板施加竖向荷载，实时监测所述试验仓中模拟材料的变形情况，待模拟材料变形稳定之后施加下一级荷载，直至到达预定需要的载荷，获得模拟材料加载过程的应力-应变曲线； 然后打开所述排气阀和所述进水阀，启动水压水量双控伺服装置，设置所需的水压力和水流量，对所述试验仓进行充水直至所述排气阀溢水，而后关闭所述排气阀，直至达到设置的水压力； 随所述顶板向下移动，松散砂层和岩块层逐渐被压实，所述脆性环氧树脂隔水板也随之向下移动，所述破碎杆的尖端部击碎所述脆性环氧树脂隔水板，使所述上仓体与所述下仓体相连通，所述上仓体内的水砂自所述下仓体内岩块之间的孔隙从所述下仓体的出口流出，同时观察水砂涌出情况，同步采集记录应力、孔隙水压力、流量与位移信息。
【文档编号】G01N15/08GK103808633SQ201310728748
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年12月26日 优先权日:2013年12月26日
【发明者】郭惟嘉, 王海龙, 陈绍杰, 李杨杨, 孙熙震, 张新国, 尹立明, 孙文斌, 刘音, 陈军涛, 江宁, 张保良 申请人:山东科技大学