封闭式煤矿地下水库相似模拟试验装置及方法与流程

本发明涉及矿业工程模拟试验技术领域，特别是涉及一种封闭式煤矿地下水库相似模拟试验装置及方法。

背景技术：

煤炭规模化开采往往导通含水层和隔水层形成导水通道，导致地下水渗漏运移井下形成矿井水。为保证井下生产安全，通常将矿井水排至地面，导致矿井水大量蒸发损失，同时造成地表土壤盐碱化，该现象在西部干旱地区表现得尤为明显。我国每年仅因煤炭开采产生矿井水约80亿t，而利用率仅25％左右，煤炭开采中损失的矿井水资源相当于我国每年工业和生活用水量的60％。为保护西部矿区宝贵水资源，神华集团提出了煤矿地下水库储存与利用矿井水的理念(煤炭开采后顶板的运移将含水层的地下水疏导至采空区进行储存)，成功建设了煤矿地下水库示范工程，实现了煤炭现代开采与矿井水资源保护的协调发展。煤层开采后形成的采空区即为煤矿地下水库，水库库容及水库水压力的确定对煤矿水库的储水能力及水库坝体的安全性评测具有重要意义。

公告号为cn102778215b的中国专利文献公开了一种矿井地下水库的库容确定方法，该方法包括如下步骤：①测定待测矿井地下水库的岩体强度、煤层埋藏深度、煤层厚度及开采尺寸；②设定基准矿井地下水库，该水库的岩体强度、煤层埋藏深度、煤层厚度及开采尺寸与待测矿井地下水库一致；③测定基准矿井地下水库的的储水量v2、水库面积s和水头h，计算储水洗漱r＝v2/sh；④测定待测矿井地下水库的水库体积v1，计算待测水库库容v＝v1×r。该方案通过现场实测与计算的方法对煤矿地下水库的库容进行确定，虽计算较精确，但工作量极大，效率极低。

公告号为cn103866736b的中国专利文献公开了一种矿震对煤矿地下水库影响的物理模拟试验系统及方法，首先在震动台上固定模型箱，在模型箱内放入模型地层材料以模拟各岩层，做出模型煤柱，放入气垫模拟煤层采空区域；向振动台输入地震波，并记录微型压力计和位移计的数据，通过观测震动后模型剖面加速度变化规律、模型表面位移沉降规律、模型煤层顶板的位移变化规律及煤柱的应力变化规律来研究地下水库库容的变化问题。该方案在系统的模型箱中放入模型地层材料以模拟各岩层并做出模型煤柱，但采空区域是通过放入气垫来模拟的，实际煤矿地下水库中的水是存在于破碎岩块的空隙里，用气垫是无法模拟的，这与实际的地下水库差别较大，不能精确模拟测算水库的库容。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种封闭式煤矿地下水库相似模拟试验装置及方法，解决目前模拟试验不能较精确地模拟封闭式煤矿地下水库的形成过程并且不能较精确测算水库的库容的问题。

本发明提供一种封闭式煤矿地下水库相似模拟试验装置，封闭式煤矿地下水库相似模拟试验装置包括底座、左立柱、右立柱、挡板、横梁、加载压头、材料箱和隔水袋；底座上面的中间位置开设有调节凹槽，底座上面的左侧设置两根左立柱，底座上面的右侧设置两根右立柱，底座同侧的左立柱和右立柱之间从下到上依次紧密并排可拆卸连接多块挡板，左立柱的上端和右立柱的上端之间设置横梁，横梁上设置多个加载压头，底座上面设置材料箱，材料箱的前面、后面及上面开口，材料箱的底面的中间位置开设升降凹槽，升降凹槽内从左到右依次紧密并排放置有多块升降块，升降块的上表面与材料箱的底面平齐，升降凹槽开设多个贯通材料箱底面的螺纹孔，螺纹孔内螺纹连接有螺纹柱，螺纹柱的顶端位于调节凹槽内，材料箱内嵌套上方开口的隔水袋，隔水袋内放置有水袋和若干个水压计，水袋上开设若干个漏水孔，水袋经进水管连接有供水单元，水压计经信号线连接有监测单元。

进一步的，调节凹槽包括从底座的前面向底座的后面方向开设的前调节凹槽和从底座的后面向底座的前面方向开设的后调节凹槽。

进一步的，升降块的前端对应并排的两个螺纹孔，升降块的后端对应并排的两个螺纹孔。

进一步的，加载压头为由液压驱动的液压压头。

进一步的，监测单元为计算机。

进一步的，水袋由塑胶材料制成。

进一步的，水袋外形为扁平状。

进一步的，隔水袋由防水材料制成。

进一步的，材料箱的底面的一侧设置有出水孔。

本发明还提供一种封闭式煤矿地下水库相似模拟试验方法，应用上述的封闭式煤矿地下水库相似模拟试验装置，包括以下步骤：

步骤一、根据工程现场的地质岩层原型和封闭式煤矿地下水库相似模拟试验装置的尺寸，选择合理的相似比，得到相似材料试验模型的尺寸，并确定相似材料试验模型中煤层及各岩层的铺设高度及材料配比；

步骤二、根据煤层的铺设高度及相似比，试验人员经调节凹槽正向旋转螺纹柱，螺纹柱将升降块从初始位置顶起高度hm，同时在装置前后分别装配若干块挡板，挡板的高度稍大于hm，升降块、材料箱底面、材料箱左右侧面及挡板围成凹槽，往隔水袋内且于凹槽中铺设煤层相似材料以模拟边界煤柱，铺设煤层相似材料与凹槽上沿平齐，使模拟边界煤柱铺设高度为hm；

步骤三、在隔水袋内的底面铺设直接顶相似材料以模拟直接顶，将若干个水压计埋于直接顶中，水压计的信号线引出连接监测单元，继续在直接顶上铺设各岩层相似材料以模拟各岩层，随着岩层铺设高度的增大，也同时在装置前后由下向上不断装配挡板，确定相似材料试验模型中煤层采后顶板导水裂隙带与弯曲下沉带交界处的高度hd，在铺设岩层相似材料高度达到hd时，将水袋铺设于岩层上以模拟含水层，水袋经水管引出连接供水单元，并继续铺设岩层相似材料达到相似材料试验模型的设计高度形成相似材料试验模型，通过加载压头对相似材料试验模型补偿加载剩余岩层荷载；

步骤四、根据相似比，试验人员经调节凹槽反向旋转螺纹柱，从一侧起各升降块逐渐按确定时间间隔降落以模拟对煤层的开采，顶板岩层出现不同程度的破碎冒落，煤层开采后，受采动影响，开采区域上方的顶板岩层会形成梯台状的“三带”结构，三带自下向上依次为冒落带、导水裂隙带和弯曲下沉带，储水空间由下向上也逐渐减小，其中，导水裂隙带和冒落带组成的“梯台”空间即为地下水库的储水空间，原铺设在直接顶里的水压计随直接顶的破碎进入冒落带岩块缝隙中；

步骤五、先通过监测单元对水压计的数据进行实时监测并计时t0，随后通过供水单元经水管以流量q向水袋注入矿井水，矿井水经水袋的漏水孔进入导水裂隙带，矿井水进而沿着导水裂隙带的裂隙逐渐向下渗流进入冒落带，冒落带内的水位不断升高，形成了储水的封闭式煤矿地下水库；

步骤六、随着煤矿地下水库中水位的不断升高，水压计的数据会不断增大，但随着水位上升至导水裂隙带顶部，水压计数据趋于平衡时并计时t1，则水库库容v＝q·(t1-t0)；

步骤七、煤矿地下水库水压趋于稳定后，停止注入矿井水，放置一段时间，以模拟冒落岩块对矿井水的净化过程，随后经材料箱底面一侧、隔水袋、边界煤柱钻孔形成出水孔，煤矿地下水库从出水孔流出，对流出的矿井水进行水质检测。

与现有技术相比，本发明的封闭式煤矿地下水库相似模拟试验装置及方法具有以下特点和优点：

本发明的封闭式煤矿地下水库相似模拟试验装置及方法，可以较精确地模拟煤矿单一工作面开采后形成封闭式煤矿地下水库的过程，可以较精确地测算水库的库容，并且可以评价封闭式煤矿地下水库对矿井水的净化情况，为封闭式煤矿地下水库的储水能力及水库坝体的安全评测提供较精确的试验数据。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，底面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，底面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中封闭式煤矿地下水库相似模拟试验装置的正视图；

图2为本发明实施例中封闭式煤矿地下水库相似模拟试验装置的右视图；

图3为图1中的a-a剖面图；

图4为本发明实施例中封闭式煤矿地下水库相似模拟试验装置试验过程中的结构示意图；

图5为本发明实施例中封闭式煤矿地下水库相似模拟试验装置试验水库储水示意图；

图6为本发明实施例中封闭式煤矿地下水库相似模拟试验方法中水压计数据随时间变化曲线图；

其中，11、底座，111、前调节凹槽，112、后调节凹槽，121、左立柱，122、右立柱，13、挡板，131、左侧板，132、右侧板，14、横梁，15、加载压头，16、材料箱，17、升降块，18、螺纹柱，19、隔水袋，21、水袋，22、进水管，23、水压计，31、边界煤，32、直接顶，33、“梯台”空间。

具体实施方式

如图1至图5所示，本实施例提供一种封闭式煤矿地下水库相似模拟试验装置，底座11上面的中间位置开设有调节凹槽，调节凹槽包括从底座11的前面向底座11的后面方向开设的前调节凹槽111和从底座11的后面向底座11的前面方向开设的后调节凹槽112。前调节凹槽111、后调节凹槽112以方便试验人员伸入扳手旋转螺纹柱18。

底座11上面的左侧焊接两根左立柱121，底座11上面的右侧焊接两根右立柱122。两根左立柱121之间连接左侧板131，两根右立柱122之间连接右侧板132。底座11前侧的左立柱121和右立柱122之间从下到上依次紧密并排多块挡板13，挡板13经螺栓可拆卸连接左立柱121和右立柱122；底座11后侧的左立柱121和右立柱122之间从下到上依次紧密并排多块挡板13，挡板13经螺栓可拆卸连接左立柱121和右立柱122。左立柱121的上端和右立柱122的上端之间设置横梁14，横梁14上设置多个加载压头15，本实施例中的加载压头15为由液压驱动的液压压头。多个加载压头15均匀分布在材料箱16的上方，本实施例中多个加载压头15呈两排五列紧密排列。

底座11的上面设置材料箱16，材料箱16的前面、后面及上面开口，材料箱16的底面的中间位置开设升降凹槽。升降凹槽内从左到右依次紧密并排放置有多块升降块17，升降块17的上表面与材料箱16的底面平齐。升降凹槽中开设多个贯通材料箱16底面的螺纹孔，螺纹孔内螺纹连接有螺纹柱18，螺纹柱18的顶端位于调节凹槽内。本实施例中，升降块17的前端对应并排的两个螺纹孔，升降块17的后端对应并排的两个螺纹孔。同步旋转螺纹孔中的四个螺纹柱18，螺纹柱18正向旋转可推动升降块17升起，螺纹柱18反向旋转则升降块17降落。材料箱16的底面的左侧设置有出水孔。

材料箱16内嵌套有上方开口的隔水袋19，隔水袋19由防水材料制成，本实施例中的隔水袋19由软质透明塑料制成，隔水袋19内放置有水袋21和若干个水压计23。本实施例中的水袋21的外形为扁平状且由塑胶材料制成，水袋21上开设若干个漏水孔，水袋21经进水管22连接供水单元。水压计23经信号线连接监测单元，本实施例的监测单元为计算机。

本实施例还提供一种封闭式煤矿地下水库相似模拟试验方法，应用上述的封闭式煤矿地下水库相似模拟试验装置，包括以下步骤：

步骤一、根据工程现场的地质岩层原型和封闭式煤矿地下水库相似模拟试验装置的尺寸，选择合理的相似比，得到相似材料试验模型的尺寸，并确定相似材料试验模型中煤层及各岩层的铺设高度及材料配比。

步骤二、根据煤层的铺设高度及相似比，试验人员经前调节凹槽111、后调节凹槽112正向旋转螺纹柱18，以螺纹柱18刚接触升降块17的底部为初始位置，螺纹柱18将升降块17从初始位置顶起高度hm，度hm便为煤层的高度。同时在装置前后分别装配一块或两块挡板13，挡板13的高度稍大于hm。升降块17、材料箱16底面、材料箱16左右侧面及挡板13围成凹槽，往隔水袋19内且于凹槽中铺设煤层相似材料以模拟边界煤柱31，铺设煤层相似材料与凹槽上沿平齐，使模拟边界煤柱31铺设高度为hm。

步骤三、如图4所示，在隔水袋19内的底面铺设直接顶相似材料以模拟直接顶32，将若干个水压计23埋于直接顶32中，水压计23的信号线引出连接监测单元。继续在直接顶32上铺设各岩层相似材料以模拟各岩层，随着岩层铺设高度的增大，也同时在装置前后由下向上不断装配挡板13，确定相似材料试验模型中煤层采后顶板导水裂隙带与弯曲下沉带交界处的高度hd。在铺设岩层相似材料高度达到hd时，将扁平状的水袋21铺设于岩层上以模拟含水层。水袋21经水管22引出连接供水单元，水管22的进水口高出相似材料试验模型，并继续铺设岩层相似材料达到相似材料试验模型的设计高度形成相似材料试验模型。整个相似材料试验模型由隔水袋19包裹，通过加载压头15对相似材料试验模型补偿加载剩余岩层荷载。

步骤四、模型铺设完后晾晒一段时间，对模型中的煤层进行模拟开采，将模拟待采煤层的升降块17从右向左依次编号k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7。根据相似比，试验人员经前调节凹槽111、后调节凹槽112反向旋转螺纹柱18，根据时间相似比，从右向左各升降块17逐渐按确定时间间隔降落以模拟对煤层的开采，顶板岩层出现不同程度的破碎冒落，煤层开采后，受采动影响，开采区域上方的顶板岩层会形成梯台状的“三带”结构，三带自下向上依次为冒落带、导水裂隙带和弯曲下沉带，储水空间由下向上也逐渐减小，其中，导水裂隙带和冒落带组成的“梯台”空间33即为地下水库的储水空间，如图5所示。原铺设在直接顶32里的水压计23随直接顶32的破碎进入冒落带岩块缝隙中。

步骤五、先通过监测单元对水压计23的数据进行实时监测并计时t0，随后通过供水单元经水管22以流量q向水袋21注入矿井水(由矿山现场取样)，矿井水经水袋21的漏水孔进入导水裂隙带，矿井水进而沿着导水裂隙带的裂隙逐渐向下渗流进入冒落带，冒落带内的水位不断升高，形成了储水的封闭式煤矿地下水库。

步骤六、随着煤矿地下水库中水位的不断升高，水压计23的数据会不断增大，但随着水位上升至导水裂隙带顶部，水压计23数据趋于平衡时并计时t1，如图6所示。则水库库容v＝q·(t1-t0)。

步骤七、煤矿地下水库水压趋于稳定后，停止注入矿井水，放置一段时间，以模拟冒落岩块对矿井水的净化过程，随后用电钻经材料箱16底面左侧、隔水袋19、边界煤柱31钻孔形成出水孔，煤矿地下水库从出水孔流出，对流出的矿井水进行水质检测。

本实施例的封闭式煤矿地下水库相似模拟试验方法，应用封闭式煤矿地下水库相似模拟试验装置，可以较精确地模拟煤矿单一工作面开采后形成封闭式煤矿地下水库的过程，可以较精确地测算水库的库容，并且可以评价封闭式煤矿地下水库对矿井水的净化情况，为封闭式煤矿地下水库的储水能力及水库坝体的安全评测提供较精确的试验数据。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。