一種用於模擬採動煤層底板突水的試驗系統的製作方法

2023-06-22 04:03:36

專利名稱：一種用於模擬採動煤層底板突水的試驗系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種底板突水試驗，尤其涉及一種用於模擬採動煤層底板突水的試驗系統。
背景技術：
對於煤層底板突水問題，至今研究機理理論較為多樣，加上近年來各種模擬軟體如FLAC-3D、Ansys、Comsol Multiphysics等數值手段的不斷研究深入，已在突水前巖體的滲流場、應力場等方面，取得了一定的成果。但是由於底板突水問題的複雜性，含水構造巖體系統所處水文地質隨機性大，尤其是深井開採誘發因素較多，僅僅依靠理論研究、數值模擬難以進行驗證分析，無法為底板突水過程提供較為全面的認識和分析。針對煤層底板突水機理的研究，20世紀40、50年代，匈牙利韋格弗倫斯第一次提出「底板相對隔水層」的概念。他指出煤層底板突水不僅與隔水層厚度有關，而且還與水壓力有關，突水條件受相對隔水層厚度的制約。我國的底板突水規律研究始於20世紀60年代，在焦作礦區水文地質大會戰中，以煤科總院西安勘探分院為代表，提出了採用突水係數作為預測預報底板突水與否的標準。其後，80年代初由山東科技大學的學者在實踐中提出的「下三帶」理論，認為開採煤層底板也象採動覆巖一樣存在著三帶，即1底板破壞帶，II 完整巖層帶(保護帶)，III承壓水導高帶。而煤科總院北京開採所學者綜合考慮了採動效應及承壓水運動，提出原位張裂與零位破壞理論，闡明了底板巖體移動發生、發展、形成和變化的過程，揭示了礦井突水的內在原因。煤科總院北京開採所的多個學者從力學分析角度出發，提出薄板模型理論，認為底板巖體由採動導水裂隙帶及底板隔水帶組成。中科院地質所提出「強滲通道」說，認為底板是否發生突水關鍵在於是否具備突水通道。煤科院西安分院提出「巖水應力關係」說，認為底板突水是巖(底板砂頁巖)、水(底板承壓水)、應力 (採動應力和地應力)共同作用的結果。中國礦業大學學者提出關鍵層理論，認為煤層底板在採動破壞帶之下，含水層之上存在一層承載能力最高的巖層，稱為「關鍵層」，底板突水與否決由關鍵層所控制。在室內試驗研究方面，國內外在近幾十年取得了顯著的進展，但相似模擬模型試驗的研究進展相對滯後。Romm，Snow等人相繼進行裂隙巖體水力學的試驗研究，建立了裂隙巖體滲流模型，初步得到了巖體應力與滲流之間的一些基本關係。Brace W F通過對花崗巖進行高壓狀態下的滲透性試驗得出花崗巖滲透性隨著有效圍壓、圍壓與孔隙壓差的增加而減小；彭蘇萍採用三軸巖石力學試驗系統分析了砂巖儲層巖石在全應力-應變過程中滲透率的變化規律和不同圍巖下巖石的孔滲性，建立了砂巖巖石應力-應變與滲透率之間的定量關係。雖然對巖體滲透率演變規律的研究相對成熟，但是在高水壓、高圍壓作用巖體破裂的滲流場的演變規律無法獲得，尤其在滲流通道的演變成災失穩破裂機制上，仍無法獲得滿意效果。相似模擬試驗是以相似理論、因次分析作為依據的試驗研究方法，相比於傳統結構模型試驗更適用於礦山領域巖體突水的模型試驗研究。原蘇聯學者A.A. B0PMC0B首先採用相似材料立體模型對採空區底板巖層的變形進行了研究，Faria等從巖石力學的角度研究底板破壞機理；我國對於突水的相似模擬實驗，上世紀80、90年代就有一定的研究，中國礦業大學、西安煤科院等單位先後開展煤層底板突水的相似實驗，對採礦活動影響、關鍵層理論等進行了進一步驗證分析；通過無斷層構造條件下底板突水的相似材料模擬試驗， 證明了底板的OX型破壞特徵，解釋了底板突水點的分布規律；還有通過完整底板和含地質構造的底板模擬試驗，表明完整底板破壞突水沿「零位破壞」線發生，斷層影響下突水與斷層性質、採空區大小有密切關係。但對於目前深井高水壓與底板巖性變化、底板突水全過程再現等相關細節問題還未見諸報導。由此可見，現有技術有待於更進一步的改進和發展。

實用新型內容本實用新型為解決上述現有技術中的缺陷提供一種用於模擬採動煤層底板突水的試驗系統。為解決上述技術問題，本實用新型方案包括一種用於模擬採動煤層底板突水的試驗系統，其包括試驗架，其中，該試驗架頂部設置有縱向加載機構，該縱向加載機構上設置有水平布置的加載板，該試驗架的左右兩側分別設置有橫向加載機構，兩側的橫向加載機構相向布置，橫向加載機構上設置有一豎直布置的側板，加載板壓在側板的上邊，該試驗架的前後兩側分別設置有由高強度透明材料製成的面板，加載板、兩個側板、兩個面板與試驗架的底部形成一用於放置試樣的容納空間；試驗架的底部下方設置有一水槽，該水槽與高壓水缸相連通；該底部上設置有與該水槽相連通的透水區域，該透水區域的周邊設置用於密封的橡皮囊。所述的試驗系統，其中，上述側板內設置有腔體，側板的上邊開設有條形開口，該條形開口與腔體相連通，腔體內排列有能滑動的剛性塊與彈性塊，剛性塊與彈性塊交錯排列，該條形開口處始終為一剛性塊，該條形開口處的剛性塊頂在加載板上。所述的試驗系統，其中，上述剛性塊為條形鋼塊，上述彈性塊為條形橡膠塊；上述面板為鋼化玻璃面板。所述的試驗系統，其中，上述縱向加載機構包括兩個獨立縱向施壓的液壓加載器， 橫向加載機構包括一個橫向施壓的液壓加載器。所述的試驗系統，其中，上述底部的透水區域設置有網狀透水孔。所述的試驗系統，其中，上述試樣包括頂板、煤層與底板，底板鋪設在試驗架的底部，在底板的上方與下方均設置有傳感器，底板上方鋪設有煤層，煤層上方鋪設有頂板，加載板壓在頂板上。所述的試驗系統，其中，上述頂板主要包括粗砂、細沙、石蠟、液壓油與滑石粉，其重量份為粗砂為3份-13份，細沙為3份-13份，石蠟為1份-6份，液壓油為1份_7份， 滑石粉為1份-6份；煤層主要包括細沙、石蠟、液壓油與滑石粉，其重量份為細沙為11份-21份，石蠟為1份-6份，液壓油為1份-7份，滑石粉為1份-6份；底板主要包括細沙、石蠟、液壓油與滑石粉，其重量份為細沙為14份14份，石蠟為1份-6份，液壓油為1份-9份，滑石粉為1份-6份。
4[0018]所述的試驗系統，其中，上述水槽內填充有高壓有色水。本實用新型提供了一種用於模擬採動煤層底板突水的試驗系統，在試驗架上設置一容納試樣的容納空間，將試樣放置在容納空間內，施加縱向應力與橫向應力，然後開挖煤層收集相關數據，模擬深井高水壓與底板巖性變化、底板突水全過程，從而獲得底板突水的相關數據，應用於生產作業中，提高了採煤層作業的安全性，本實用新型操作簡單，使試驗更真實。

圖1是本實用新型中試驗系統的結構簡圖；圖2是本實用新型中試驗系統進行試驗時的結構簡圖；圖3是本實用新型中側板的結構簡圖；圖4是本實用新型中透水區域的結構簡圖。
具體實施方式
本實用新型提供了一種用於模擬採動煤層底板突水的試驗系統，為了使本實用新型的目的、技術方案以及優點更清楚、明確，以下將結合附圖與實施例，對本實用新型進一步詳細說明。本實用新型提供了一種用於模擬採動煤層底板突水的試驗系統，如圖1所示的， 其包括試驗架1，試驗架1可以採用現有技術中已知的任何技術形式，比如採用試驗架的長寬高均為2米，但不僅限於上述方式。該試驗架1頂部設置有縱向加載機構2，該縱向加載機構2上設置有水平布置的加載板3，縱向加載機構2可以採用兩個獨立的千斤頂，可以同時向加載板3施加相同的縱向應力，也可以施加不同的縱向應力進行剪切力測試。該試驗架1的左右兩側分別設置有橫向加載機構4，兩側的橫向加載機構4相向布置，橫向加載機構4上設置有一豎直布置的側板5，加載板3壓在側板5的上邊，該試驗架1的前後兩側分別設置有由高強度透明材料製成的面板，加載板3、兩個側板5、兩個面板與試驗架1的底部形成一用於放置試樣的容納空間6，試樣採用頂板、煤層與底板的結構方式，其模型的長寬高分別為1.2米、1米與0.5米， 使其與容納空間6相適應，方便了用戶操作。試驗架1的底部下方設置有一水槽7，該水槽 7可以採用現有技術中已知的技術形式，該水槽7與高壓水缸8相連通，為水槽7提供恆定壓力的高壓水，該高壓水缸8也可以採用伺服水控制系統，更方便控制水槽7的水壓、水流量。如圖4所示的，該底部上設置有與該水槽7相連通的透水區域9，該透水區域9的周邊設置用於密封的橡皮囊10，當該縱向加載機構2向試樣施加縱向應力時，使試樣與橡皮囊 10接觸更加緊密，提高了其密封性能。為了更進一步提高本實用新型的性能，如圖3所示的，側板5內設置有腔體，側板5 的上邊開設有條形開口，該條形開口與腔體相連通，腔體內排列有能滑動的剛性塊15與彈性塊11，剛性塊15與彈性塊11交錯排列，該條形開口處始終為一剛性塊15，該條形開口處的剛性塊15頂在加載板3上，當向試樣施加縱向應力時，剛性塊15擠壓彈性塊11，使加載板3施加的縱向應力更均勻，使應力更有效的在試樣內傳遞；當相向試樣施加橫向應力時， 該條形開口處的剛性塊15可以沿加載板3橫向位移，使剪切力更真實。並且剛性塊15 —般採用條形鋼塊，彈性塊11為條形橡膠塊，其截面為橢圓形，更進一步的提高了側板5的柔性加壓性能，面板一般採用鋼化玻璃面板，可以適量觀察高壓水在試樣中運行的規律，方便了用戶研究底板突水的規律。並且可以在條形開口處更換不同高度的的剛性塊15，進而實現了調整條形口處剛性快15的高度，實現了調整容納空間6容積大小的目的，可以將試樣的頂板12與煤層13設置在剛性塊15的上方、加載板3的下方，進而使頂板12與煤層13隻受到縱向載荷，而底板14設置在兩個側板5之間，受到縱向載荷與橫向載荷；也可以將整個試樣放置在容納空間6內，使試樣各個部分都受到縱向載荷與橫向載荷，也就是說使頂板12、 煤層13與底板14均受到縱向載荷與橫向載荷。增加了試驗方式與試驗手段，使試樣受力模式更真實，提高了試驗結果的準確性與真實性。更進一步的，縱向加載機構2包括兩個獨立縱向施壓的液壓加載器，可以獨立向加載板3施加相應的縱向應力，橫向加載機4構包括一個橫向施壓的液壓加載器。並且底部的透水區域9設置有網狀透水孔，使高壓水滲透更均勻，使模擬底板突水更加真實。更進一步的，如圖2所示的，上述試樣包括頂板12、煤層13與底板14，底板14鋪設在試驗架1的底部，在底板14的上方與下方均設置有傳感器，底板14上方鋪設有煤層13， 煤層13上方鋪設有頂板12，加載板3壓在頂板12上。並且頂板12主要包括粗砂、細沙、石蠟、液壓油與滑石粉，其重量份為粗砂為3 份-13份，細沙為3份-13份，石蠟為1份-6份，液壓油為1份-7份，滑石粉為1份_6份； 將上述材料按照重量份進行製造得到頂板。煤層13主要包括細沙、石蠟、液壓油與滑石粉， 其重量份為細沙為11份-21份，石蠟為1份-6份，液壓油為1份-7份，滑石粉為1份-6 份；將上述材料按照重量份進行製造得到煤層。加載板3對頂板12進行均勻加載，通過頂板12將載荷向煤層13進行傳遞，比如縱向加載機構2縱向載荷300KN，實現了對淺部、深部巖層載荷的模擬。而底板14主要包括細沙、石蠟、液壓油與滑石粉，其重量份為細沙為14份份，石蠟為1份-6份，液壓油為1份-9份，滑石粉為1份-6份；將上述材料按照重量份進行製造得到底板14。比如底板的尺寸為0. 8m*0. 5m*0. 2m(長*高*寬)，按照需求可以調整各個材料的比例，進而得到不同性質的底板巖層，方便了進行各種條件下的試驗研究。通過上述描述可知，本實用新型採用左右方向的相向的橫向加載機構4，當然根據需要可以固定一個側板5進行單向加載，不但可以有效固定底板模塊，亦可通過橫向加載載荷，單獨試驗模擬高地應力的底板破壞情況，以便於位控和力控。同時針對頑固巖性底板，加載可使斷層構造活化或壓實，來改變斷層構造帶的影響破壞帶大小，進而監測開採煤層13前後水流參數及材料力學相關參數變化。並且水槽7 —般採用具有一定支撐結構的不鏽鋼水槽，其尺寸一般為 1. 2m*0. 3m*0. 2m(長*高*寬)，試驗架1的底部上開設有尺寸為0. 75m*0. 15m(長*寬)的透水區域9，可使底板14直接與高壓水接觸，比如高壓水的水壓載荷為1. 5MPa，根據需要也可以變換水壓載荷，實現了恆定高水壓的情況以及變化水壓力的條件。也可以在水槽7的右側下方有出水孔，便於試驗結束後放水。水採用色水，便於觀察分析承壓水的導升、擴散及滲流路徑等情況，方便了用戶操作與記錄相關狀態。為了更進一步描述本實用新型，如下簡要介紹其方法，其主要包括以下步驟步驟a 將底板鋪設在試驗架的底部，並在底板的上方與下方均鋪設多個傳感器，相向的橫向加載機構通過對應的側板相底板施加橫向應力；步驟b 在底板上方鋪設煤層，在煤層上鋪設頂板，待頂板鋪設完畢後，縱向加載機構對頂板施加縱向應力，同時高壓水缸向水槽內填充壓力恆定的高壓水；步驟c 挖掘煤層同時收集相應信息，直至底板突水。並且步驟c中的相應信息包括底板應力信息、水壓信息、水槽滲入底板的水量信息以及頂板、煤層與底板之間的位移信息。其更具體的為1)、先進底板14各材料按照需求比，放入攪拌鍋中調製；2)、將調製好的底板材料放入容納空間6內，同時在其上、下方鋪設傳感器；穩定後橫向加載機構4對其施加側向應力；3)、分別調製並鋪設煤層13及頂板12，穩定後縱向加載機構2對頂板進行豎向加載，向下施加應力；4)、對下部水槽7施加水壓，實驗過程中水壓保持恆壓或水量保持恆流；5)、對煤層13進行開挖；6)、採集各項數據(應力、位移、水壓、水量)，直至突水；7)、根據需要，調整材料、水壓等參數，重複上述步驟。其中步驟2、中可加入泡沫材料模擬裂隙或斷層、陷落柱等地質構造，底板含不同地質構造時側向加載應力不同，拓展了本實用新型的應用空間。當然，上述說明並非是對本實用新型的限制，本實用新型也並不僅限於上述舉例， 本技術領域的技術人員在本實用新型的實質範圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬於本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種用於模擬採動煤層底板突水的試驗系統，其包括試驗架，其特徵在於該試驗架頂部設置有縱向加載機構，該縱向加載機構上設置有水平布置的加載板，該試驗架的左右兩側分別設置有橫向加載機構，兩側的橫向加載機構相向布置，橫向加載機構上設置有一豎直布置的側板，加載板壓在側板的上邊，該試驗架的前後兩側分別設置有由高強度透明材料製成的面板，加載板、兩個側板、兩個面板與試驗架的底部形成一用於放置試樣的容納空間；試驗架的底部下方設置有一水槽，該水槽與高壓水缸相連通；該底部上設置有與該水槽相連通的透水區域，該透水區域的周邊設置用於密封的橡皮囊。
2.根據權利要求1所述的試驗系統，其特徵在於上述側板內設置有腔體，側板的上邊開設有條形開口，該條形開口與腔體相連通，腔體內排列有能滑動的剛性塊與彈性塊，剛性塊與彈性塊交錯排列，該條形開口處始終為一剛性塊，該條形開口處的剛性塊頂在加載板上。
3.根據權利要求2所述的試驗系統，其特徵在於上述剛性塊為條形鋼塊，上述彈性塊為條形橡膠塊；上述面板為鋼化玻璃面板。
4.根據權利要求1所述的試驗系統，其特徵在於上述縱向加載機構包括兩個獨立縱向施壓的液壓加載器，橫向加載機構包括一個橫向施壓的液壓加載器。
5.根據權利要求1所述的試驗系統，其特徵在於上述底部的透水區域設置有網狀透水孔。
6.根據權利要求1所述的試驗系統，其特徵在於上述試樣包括頂板、煤層與底板，底板鋪設在試驗架的底部，在底板的上方與下方均設置有傳感器，底板上方鋪設有煤層，煤層上方鋪設有頂板，加載板壓在頂板上。
7.根據權利要求1所述的試驗系統，其特徵在於上述水槽內填充有高壓有色水。
專利摘要本實用新型公開了一種用於模擬採動煤層底板突水的試驗系統，其包括試驗架，並且該試驗架頂部設置有縱向加載機構，該縱向加載機構上設置有水平布置的加載板，該試驗架的左右兩側分別設置有橫向加載機構，兩側的橫向加載機構相向布置，橫向加載機構上設置有一豎直布置的側板，加載板壓在側板的上邊，該試驗架的前後兩側分別設置有由高強度透明材料製成的面板，加載板、兩個側板、兩個面板與試驗架的底部形成一用於放置試樣的容納空間；試驗架的底部下方設置有一水槽，該水槽與高壓水缸相連通；該底部上設置有與該水槽相連通的透水區域，該透水區域的周邊設置用於密封的橡皮囊。本實用新型操作簡便，提高了模擬試驗的真實性，從而獲取更真實的數據。
文檔編號G01V9/00GK202339416SQ20112033549
公開日2012年7月18日 申請日期2011年9月8日 優先權日2011年9月8日
發明者劉進曉, 孫文斌, 尹立明, 郭惟嘉 申請人:山東科技大學