煤层开采模拟实验装置及其制作方法和操作方法与流程

本发明涉及煤炭开采模拟实验技术领域，尤其涉及一种煤层开采模拟实验装置及其制作方法和操作方法。

背景技术：

煤炭的大规模开采会造成地下含水层的极大破坏，带来地表和地下水资源的极大浪费。同时，水害给煤炭资源的开发利用造成了严重的经济损失和人员伤亡。因此，应该选择合理的采煤方法和工艺，在实现煤炭资源安全高效开采的同时，最大限度的保护水资源。然而，由于实际地下现场工作面上覆岩层变化的复杂性和不可预见性，利用模拟试验台对含水层的破坏进行模拟试验，通过开挖模拟煤层，获取在采动影响下上覆岩层中含水层的塌陷、移动、破坏、裂隙等规律，从而为煤矿开采过程中水资源的保护提供技术指导。

相似材料模拟试验是采矿工程和岩土工程的主要试验研究方法，可用于模拟再现工程现场煤层开采开挖实况，并观测该条件下的围岩应力、应变与位移和含水层的破坏、裂隙发育与导水路径。相似材料模拟试验简单易行、形象直观，可以根据不同的开采方案进行反复试验，对研究采动过程中含水层断裂、水运移规律具有显著的优势。

虽然相似模拟试验是研究煤层开采过程中含水层破坏规律的重要手段，但其也具有一些现阶段没有解决的缺陷，主要表现在以下几点：

(1)大多数含水层模拟试验，仍然集中于二维、单相或固液方面的物理模拟；

(2)仅采用预埋水管或水袋来模拟含水层，其与岩层材料比差别大，会影响模拟含水层在受采动影响下的塌陷、移动、破坏和裂隙发育规律；

(3)在试验过程中，含水层的水渗透到采煤工作面后会出现底板四周渗漏情况，不能按照既定方向排出，水循环系统设计不完善；

(4)难以根据实际上覆岩层的厚度变化利用模拟来随意调整上部加载大小，故模拟现场实际情况较差。

有鉴于此，提供一种结果准确、实验效果好的煤层开采模拟实验装置及其制作方法和操作方法成为必要。

技术实现要素：

本发明技术方案提供一种煤层开采模拟实验装置，包括试验箱，所述试验箱由底板、侧板和顶盖组成；

在所述底板上铺设有底板岩层；

在所述底板岩层上铺设有煤层，在所述煤层中设置有应力传感器和位移传感器；在所述煤层的一端设置有切眼，所述切眼通过排水通道与排水沟连通；

在所述煤层上铺设有间隔岩层；

在所述间隔岩层的上方铺设有隔水层；

在所述隔水层上铺设有能够透水的含水层，在所述含水层上设置有注水管，在所述含水层的一侧还设置有用于监测所述含水层中的水位的水位计；

在所述含水层的上方铺设有表土层；

在所述表土层的上方设置有用于向所述表土层施加压力的加压装置。

进一步地，所述含水层为透水混凝土层。

进一步地，所述透水混凝土层中具有多个透水孔。

进一步地，透水混凝土层由粗骨料、水泥和水按照预设比例制作而成。

进一步地，在所述含水层的表面上涂覆有至少一层水泥砂浆层。

进一步地，在所述隔水层的上表面上涂覆有至少一层水泥砂浆层。

进一步地，所述底板倾斜延伸；

在从所述底板上远离所述切眼的后端至靠近所述切眼的前端的方向上，所述底板的高度逐渐降低。

进一步地，所述排水沟平行地布置在所述底板的一侧，且所述排水沟的倾斜方式与所述底板的倾斜方式一致；

所述切眼与所述排水沟垂直；

所述排水通道包括与所述切眼连通的多条排水管和布置在所述切眼一侧的导水槽，每条所述排水管分别与所述导水槽连通，所述导水槽与所述排水沟连通。

进一步地，所述注水管位于所述含水层上远离所述切眼的一端，且所述注水管穿过所述表土层。

进一步地，所述加压装置包括加压气囊和用于向所述加压气囊充气的充气泵。

进一步地，在所述加压气囊处于展开状态时，所述加压气囊的下部完全覆盖住所述表土层的上表面，所述加压气囊的上部与所述顶盖接触，所述加压气囊的侧部与所述侧板接触。

进一步地，处于初始状态的所述含水层中含有第一预设阈值的水；

当所述含水层中的水位低于第二预设阈值时，通过所述注水管持续向所述含水层中注入水，其中，所述第二预设阈值小于所述第一预设阈值。

进一步地，在所述煤层中还设置有湿度传感器。

进一步地，在所述煤层中均布多个所述应力传感器、多个所述位移传感器和多个所述湿度传感器。

本发明技术方案还提供一种对前述任一项技术方案所述的煤层开采模拟实验装置进行制作的制作方法，包括如下步骤：

S101：制作试验箱；

S102：在所述试验箱的底板的上方铺设底板岩层；

S103：在所述底板岩层的上方铺设煤层，在所述煤层中预埋应力传感器和位移传感器；在所述煤层的一端开设有切眼，并使所述切眼通过排水通道与排水沟连通；

S104：在所述煤层的上方铺设间隔岩层；

S105：在所述间隔岩层的上方铺设隔水层；

S106：在所述隔水层的上方铺设含水层，在所述含水层中预埋注水管和水位计；

S107：在所述含水层的上方铺设表土层；

S108：在所述表土层的上方设置加压装置。

进一步地，所述含水层为透水混凝土层，其采用如下方式制作而成：

在所述隔水层的上表面涂覆至少一层水泥砂浆层；

在所述隔水层上支设模板；

向所述模板中浇筑透水混凝土材料，并同时在透水混凝土材料的预设位置预先埋设所述水位计和所述注水管；

在所述透水混凝土材料凝固后，形成透水混凝土层；

向所述透水混凝土层的表面上涂覆至少一层水泥砂浆层；

向所述透水混凝土层中注入预设量的水。

本发明技术方案还提供一种采用前述任一项技术方案所述的煤层开采模拟实验装置进行实验的操作方法，包括如下步骤：

S201：通过所述加压装置向所述表土层施加预设压力，并记录当前压力值；

S202：通过所述水位计监测含水层中的水位，并记录当前水位值；

S203：通过所述应力传感器监测施加于所述煤层上的载荷，并记录当前载荷值；

S204：通过所述位移传感器监测位于所述煤层上方的岩层的位移变化量，并记录当前位移值；

S205：采用不同值的预设压力，重复执行步骤S201-S204；

S206：综合获得的所有所述当前压力值、所述当前水位值、所述当前载荷值和所述当前位移值进行分析，得出岩层裂隙发育程度和水渗透规律。

进一步地，在所述步骤S202中，还包括：

处于初始状态的所述含水层中含有第一预设阈值的水；

在加压过程中，水会经产生的裂隙向下渗透，直至汇集至所述切眼中，所述切眼中的水经所述排水通道和排水沟排出；

当所述含水层中的水位低于第二预设阈值时，通过所述注水管持续向所述含水层中注入水，其中，所述第二预设阈值小于所述第一预设阈值。

进一步地，在所述步骤S201中，还包括：

通过充气泵向加压气囊中注入气体；

在所述加压气囊展开时，所述加压气囊的下部完全覆盖住所述表土层的上表面，所述加压气囊的上部与所述顶盖接触，所述加压气囊的侧部与所述侧板接触。

采用上述技术方案，具有如下有益效果：

该采用该煤层开采模拟实验装置，属于三维、大尺寸平台物理模拟，更能准确的反应现场实际情况。

含水层可以透水，其采用透水混凝土层，与现实含水层更加接近，更能准确反映其在采动影响下的塌陷、移动、破坏和裂隙发育规律。

透水混凝土层的表层水泥砂浆层有隔水防渗功能，两者结合后能够准确模拟煤层开采前含水层与岩层共存的状态。

该透水混凝土层，更能真实反映上覆岩层塌陷情况，不会影响岩层位移、裂隙发育和水在裂隙场的渗流状况。

利用注水管注水，使含水层形成活水，进而控制水量，可以根据含水层水位变化情况，清晰反映上覆岩层导水裂隙发育程度。

试验过程中，脏水通过排水沟排出，水循环系统设计更加合理。

因此，本发明能够更好的完成煤层开采上部含水层固液耦合模拟试验，试验数据更加真实，为煤层开采过程中水资源的保护提供技术支持。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的煤层开采模拟实验装置的剖视图；

图2为图1所示的煤层开采模拟实验装置的平面图；

图3为应力传感器、位移传感器和湿度传感器的平面布置示意图；

图4为加压气囊与充气泵连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1-3所示，本发明一实施例提供的煤层开采模拟实验装置，包括试验箱1，试验箱1由底板13、侧板14和顶盖15组成。

在底板13上铺设有底板岩层2。

在底板岩层2上铺设有煤层3，在煤层3中设置有应力传感器10和位移传感器12。在煤层3的一端设置有切眼20，切眼20通过排水通道与排水沟18连通。

在煤层3上铺设有间隔岩层4。在间隔岩层4的上方铺设有隔水层5。

在隔水层5上铺设有能够透水的含水层6，在含水层6上设置有注水管19，在含水层6的一侧还设置有用于监测含水层6中的水位的水位计9。

在含水层6的上方铺设有表土层7，在表土层7的上方设置有用于向表土层7施加压力的加压装置8。

本发明提供的煤层开采模拟实验装置，采用相似材料进行模拟实验，其底板岩层2、煤层3、间隔岩层4、隔水层5、含水层6和表土层7分别采用相似材料模拟地下岩层分布。其中，隔水层5由石子、砂、灰渣、石膏和石蜡按一定比例混合而成的不亲水材料层。

试验箱1为长方体，其由底板13、侧板14和顶盖15组成的封闭箱体。其截面尺寸3m×3m，长度为10m，采用模块化螺栓连接，单个模块尺寸为3m×3m×1m。

在制作时，在煤层3中预埋应力传感器10和位移传感器12。在煤层3的一端开设有切眼20，并使切眼20通过排水通道与排水沟18连通。

切眼20用于模拟煤层开采中的实际切眼。

通过应力传感器10可以实时监测煤层3上方的载荷大小，从而研究上覆岩层塌陷和破坏所需的荷载情况。通过位移传感器12可以实时监测煤层3上方的上覆岩层位移变化情况，进而研究上覆岩层塌陷程度和破坏程度。

在制作时，在含水层6上预埋注水管19和水位计9。在含水层制作完成时，向含水层6中预先注入预设量的水，使其与带模拟实验的含水层相似。

水位计9可以随时监测含水层6内的水位变化。通过注水管19可以向含水层6中补水，从而使含水层6中的水成为活水，更有利于相似模拟试验。

通过加压装置8向表土层7施加载荷后，煤层3上方的上覆岩层(例如，间隔岩层4、隔水层5、含水层6和表土层7)会产生裂隙。水经裂隙渗透后汇集到切眼20中，再通过排水沟18将水排出，这样就形成了试验装置的水循环系统。

本发明利用注水管19注水，使含水层6中形成活水，进而控制水量，可以根据含水层6中的水位变化情况，清晰反映上覆岩层导水裂隙发育程度。

试验过程中，脏水通过排水沟18排出，水循环系统设计更加合理。

本发明提供的煤层开采模拟实验装置，属于三维、大尺寸平台物理模拟，更能准确的反应现场实际情况。

本发明中的含水层可以透水，其与现实含水层更加接近，更能准确反映其在采动影响下的塌陷、移动、破坏和裂隙发育规律。

因此，本发明能够更好的完成煤层开采上部含水层固液耦合模拟试验，试验数据更加真实，为煤层开采过程中水资源的保护提供技术支持。

较佳地，含水层6为透水混凝土层。透水混凝土层更加接近现实含水层的情形，利于提高实验的准确性。该透水混凝土层，更能真实反映上覆岩层塌陷情况，不会影响岩层位移、裂隙发育和水在裂隙场的渗流状况。

较佳地，透水混凝土层中具有多个透水孔，水可经透水孔渗出，利于实现透水功能。

较佳地，透水混凝土层由粗骨料、水泥和水按照预设比例制作而成，其为多孔轻质混凝土结构。在混凝土中，砂、石起骨架作用，称为骨料或集料，其中粒径大于5mm的骨料称为粗骨料。

较佳地，在含水层6的表面上涂覆有至少一层水泥砂浆层。透水混凝土层的表层水泥砂浆层有隔水防渗功能，两者结合后能够准确模拟煤层开采前含水层与岩层共存的状态。

较佳地，在隔水层5的上表面上涂覆有至少一层水泥砂浆层，起到隔水防渗功能。

较佳地，如图2所示，底板13倾斜延伸。在从底板13上远离切眼20的后端至靠近切眼20的前端的方向上，底板13的高度逐渐降低。具体为沿着箭头A的方向设置预设坡度，以与实际煤层倾斜相符合，坡度可以为5‰。

较佳地，如图2所示，排水沟18平行地布置在底板13的一侧，且排水沟18的倾斜方式与底板13的倾斜方式一致。

切眼20与排水沟18垂直。

排水通道包括与切眼20连通的多条排水管17和布置在切眼20一侧的导水槽16，每条排水管17分别与导水槽16连通，导水槽16与排水沟18连通。

排水沟18具体沿着箭头B的方向设置预设坡度，以与实际排水沟的倾斜相符合，坡度可以为5‰。

导水槽16也倾斜设置，其在从远离排水沟18的端部至靠近排水沟18的端部的方向上，导水槽16的高度逐渐降低，利于将水导入排水沟18中。

具体地，导水槽16沿着箭头C的方向设置预设坡度，以与实际导水槽的倾斜相符合，坡度可以为5‰。

优选地，排水管17的进水口设置在切眼20的底部，排水管17的出水口设置在导水槽16上，利于将切眼20中的水顺利排出。

较佳地，如图2所示，注水管19位于含水层6上远离切眼20的一端，且注水管19穿过表土层7。由于底板13沿着箭头A倾斜布置，因此含水层6与底板13的倾斜方式一致，其也是远离切眼20侧的后端高，靠近切眼20的前端低。将注水管1设置在含水层6的后端，利于水在含水层6中向前端流动。

可以在含水层6的后端设置多条注水管19，多条注水管19均布在含水层6上，其从上方均匀向含水层6中均匀注水，使得水能够在含水层6中均布。

较佳地，如图4所示，加压装置8包括加压气囊21和用于向加压气囊21充气的充气泵22。

上部加载利用加压气囊21加载系统实现，通过充气泵22向加压气囊21中充气，可以满足试验均布加载的要求。实验时，将侧板14和顶盖15作为限制面，更加符合力学要求，能最大程度的发挥加压气囊21加载的优势。

其工作原理为：先将加压气囊21与表土层7贴合，然后向加压气囊21内充入气体以产生一定的压力，通过两者的贴合面将加压气囊21的内部压力传递到表土层7上，以达到实施均布加载的目的，其加载力的大小可以通过控制加压气囊21的内外压差来实现，从而模拟实际生产中不同上覆岩层厚度的试验。

较佳地，在加压气囊21处于展开状态时，加压气囊21的下部完全覆盖住表土层7的上表面，加压气囊21的上部与顶盖15接触，加压气囊21的侧部与侧板14接触。

加压气囊21的下部完全覆盖住表土层7，从而可以实现对表土层7均匀加压。通过侧板14和顶盖15对加压气囊21进行限制，更加符合力学要求，能最大程度的发挥加压气囊21加载的优势。

较佳地，处于初始状态的含水层6中含有第一预设阈值的水。

当含水层6中的水位低于第二预设阈值时，通过注水管19持续向含水层6中注入水，其中，第二预设阈值小于第一预设阈值。

从而使得含水层6中的水位活水，更加接近真实情况，提高了实验准确性。

第一预设阈值和第二预设阈值可以为水位阈值，利于含水层6中的水位值。

较佳地，如图3所示，在煤层3中还设置有湿度传感器11，起可以实时监测含水层6中的水是否流到测点位置，从而研究岩层裂隙发育程度和水流渗透规律。

较佳地，如图3所示，在煤层中均布多个应力传感器10、多个位移传感器12和多个湿度传感器11，提高监测效果和实验准确性。

本发明一实施例还提供一种煤层开采模拟实验装置的制作方法，结合图1-4所示，包括如下步骤：

S101：制作试验箱1。

S102：在试验箱1的底板13上铺设底板岩层2。

S103：在底板岩层2上铺设煤层3，在煤层3中预埋应力传感器10和位移传感器12。在煤层3的一端开设有切眼20，并使切眼20通过排水通道与排水沟18连通。

S104：在煤层3上铺设间隔岩层4。

S105：在间隔岩层4的上方铺设隔水层5。

S106：在隔水层5上铺设含水层6，在含水层6中预埋注水管19和水位计9。

S107：在含水层6的上方铺设表土层7。

S108：在表土层7的上方设置加压装置8。

较佳地，含水层6为透水混凝土层，其采用如下方式制作而成：

在隔水层5的上表面涂覆至少一层水泥砂浆层。

在隔水层5上支设模板。

向模板中浇筑透水混凝土材料，并同时在透水混凝土材料的预设位置预先埋设水位计9和注水管19。

在透水混凝土材料凝固后，形成透水混凝土层。

向透水混凝土层的表面上涂覆至少一层水泥砂浆层。

向透水混凝土层中注入预设量的水。

本发明技术方案还提供一种采用煤层开采模拟实验装置进行实验的操作方法，包括如下步骤：

S201：通过加压装置8向表土层7施加预设压力，并记录当前压力值。

S202：通过水位计9监测含水层6中的水位，并记录当前水位值。

S203：通过应力传感器10监测施加于煤层3上的载荷，并记录当前载荷值。

S204：通过位移传感器12监测位于煤层3上方的岩层的位移变化量，并记录当前位移值。

S205：采用不同值的预设压力，重复执行步骤S201-S204。

S206：综合获得的所有当前压力值、当前水位值、当前载荷值和当前位移值进行分析，得出岩层裂隙发育程度和水渗透规律。

较佳地，在步骤S202中，还包括：

处于初始状态的含水层6中含有第一预设阈值的水。

在加压过程中，水会经产生的裂隙向下渗透，直至汇集至切眼20中，切眼20中的水经排水通道和排水沟18排出。

当含水层6中的水位低于第二预设阈值时，通过注水管19持续向含水层中注入水，其中，第二预设阈值小于第一预设阈值。

较佳地，在步骤S201中，还包括：

通过充气泵22向加压气囊21中注入气体。

在加压气囊21展开时，加压气囊21的下部完全覆盖住表土层7的上表面，加压气囊21的上部与顶盖15接触，加压气囊21的侧部与侧板14接触。

本发明中的水位计9、应力传感器10、湿度传感器11和位移传感器12分别与计算机装置通信连接，通过计算机装置进行监控、分析和计算。

根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。