一種高水壓、高應(yīng)力和自動開采的礦井水害綜合模擬系統(tǒng)及試驗方法

專利名稱：一種高水壓、高應(yīng)力和自動開采的礦井水害綜合模擬系統(tǒng)及試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦頂?shù)装逅饔孟虏蓜幼冃?、破壞、滲流、突涌水模擬研究領(lǐng)域，特指一種高水壓、高應(yīng)力條件下，自動模擬開采和監(jiān)測礦井水害的綜合模擬系統(tǒng)及試驗方法。
背景技術(shù)：
水害防治和水資源保護是煤礦開采過程中的一類重要地質(zhì)問題。我國水體下壓煤和受底板水影響的煤炭資源儲量巨大，頂?shù)装逵克⑼凰鹿瘦p者沖垮工作面、淹沒設(shè)備、 增加礦井排水負擔(dān)，嚴重者造成人員傷亡、淹井，造成重大經(jīng)濟損失，嚴重威脅礦工生命安全。但在人口眾多、煤炭需求量大的情況下，最大限度地提高煤炭資源回采率，也是關(guān)系到能源安全的重大經(jīng)濟和社會問題。同時，我國水資源分布不平衡，華東、華北、西北等煤炭基地，地下水資源尤其寶貴，但這部分水又被污染作為礦井廢水排出、流失，每年流失量將以億m3計。因此，防止礦井突涌水兼顧“保水采煤”和水害治理研究具有經(jīng)濟和社會雙重價值。水害防治和水資源保護研究一方面?zhèn)戎赜诮?jīng)驗規(guī)律的總結(jié)，另一方面?zhèn)戎赜诶碚?、機理分析。在工程實踐上，已經(jīng)逐步發(fā)展出采用監(jiān)測預(yù)報手段，力求獲得突涌水前兆信息等客觀反映采礦與地下水相互作用關(guān)系的技術(shù)成果和工程實例，但仍不能全面概括各種復(fù)雜地質(zhì)條件下采礦與地下水作用過程，包括人們還無法認識、預(yù)知的一些工程現(xiàn)象。特別是對高承壓含水層開采突水事故而言，由于其發(fā)生的破壞性和突發(fā)性，很難通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗取得相關(guān)規(guī)律，模型試驗是積累對各種條件組合的認識，逐步認識其規(guī)律性的重要方法之一。在水害防治和水資源保護研究中，水、巖土的相互作用關(guān)系是研究的核心內(nèi)容之一?？紤]水巖相互作用的突水模型不僅從物性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)組合及開采動力角度揭示了巖體破壞、應(yīng)力分布等采動特征，而且體現(xiàn)了水對巖體破壞、應(yīng)力分布的影響。但隨著應(yīng)力水平增加、水壓力提高，制約試驗條件的密封、開采模擬和滲流系統(tǒng)等關(guān)鍵問題將導(dǎo)致模型裝置在制造、儀器工作原理等方面與低應(yīng)力、低水壓力模型有所區(qū)別，并在試驗監(jiān)測、現(xiàn)象發(fā)掘方面也需要克服拍照攝像等手段難于獲取試驗參數(shù)的問題。為此，必須采用新的結(jié)構(gòu)設(shè)施、 工作原理、監(jiān)測手段和加工工藝，克服高水壓條件下難于實現(xiàn)的密封、動態(tài)開采、試驗安全和信息傳輸?shù)认盗屑夹g(shù)問題。同時，遴選出反應(yīng)工程現(xiàn)象的信息種類，設(shè)計出高應(yīng)力水平、 水壓力條件下模擬試驗的監(jiān)測方法及分析方法，最大可能的揭示高應(yīng)力水平、水壓力下采動水巖作用過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是針對現(xiàn)有模型研究開采水巖耦合作用技術(shù)問題，設(shè)計一種在高水壓、高垂直應(yīng)力條件下，具有密閉性、能模擬開采、反映頂?shù)装鍘r體與水相互作用和獲取滲流壓力、應(yīng)力重分布、溫度場、位移場、化學(xué)場隨水巖作用變化規(guī)律的試驗裝置和試驗方法，提高頂?shù)装宄袎核挥克饔锰卣髯R別的可靠性。
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為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的解決方案為一種高水壓、高應(yīng)力和自動開采的礦井水害綜合模擬系統(tǒng)及試驗方法?！N高水壓、高應(yīng)力和自動開采的礦井水害綜合模擬系統(tǒng)的特征在于它包括模擬試驗艙(9)，水壓力和水量自動控制裝置(1)、(4)和(21)，荷載控制裝置(2)、(3)、(7)和，采動模擬裝置(17)、(18)、(22)和(23)，監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集裝置(5)、(10)、(14)、(15)和 00)，以及系統(tǒng)密封、閥門、控制、電氣等輔助設(shè)施。所述模擬試驗艙為系統(tǒng)的主體試驗結(jié)構(gòu)，整體圓柱形，其上部為試驗艙上蓋04) 和荷載液壓缸(7)，密封上蓋設(shè)置有試驗艙進水閥(6)和排氣閥08)；中部為試驗艙內(nèi)腔 (11)，內(nèi)腔上部為活動推力隔板(8)，下部為采動模擬頂(底)板(12)，中間部分充填試驗材料和埋設(shè)監(jiān)測傳感器與電纜(10)；活動推力隔板(8)布置有上下連通的透水孔；采動模擬頂(底)板(1 內(nèi)嵌采動模擬活動板(18)，并與采動模擬控制液壓缸(17)相連；采動模擬頂(底)板(1 至試驗艙底座0 間為涌水收集通道，并與下部試驗艙出水閥(16) 相通。試驗艙上蓋04)與試驗艙底座0 通過抗高壓連桿(XT)連接。試驗艙底座05) 固定于其下的試驗艙支撐及移動機構(gòu)06)上。試驗艙底座0 設(shè)有2個排渣口(四)。所述水壓力和水量自動控制裝置，由水箱、泵組含低壓大流量泵(1-1)與高壓低流量泵(1- 和水壓穩(wěn)壓艙(4)串聯(lián)，水壓穩(wěn)壓艙壓力信號變化經(jīng)壓力流量控制器轉(zhuǎn)換分別控制泵(1-1)和(1-2)，水壓穩(wěn)壓艙輸出水流至模擬試驗艙進水閥(6)。所述荷載控制裝置，由油箱、荷載伺服控制油泵O)、油壓穩(wěn)壓艙C3)和加載液壓缸(7)串聯(lián)組成，位移計(5)固定于加載液壓缸(7)外置伸縮桿上。所述采動模擬裝置，機械部分由采動模擬活動板(18)與其下部一對一連接的采動模擬控制液壓缸(17)組成，采動模擬活動板(18)內(nèi)嵌于采動模擬頂(底)板(1 ；液壓控制部分，采動模擬控制液壓缸(17)分別與對應(yīng)的分步采動模擬控制閥0 串聯(lián)后組成并聯(lián)控制組合，再與采動模擬活動板復(fù)位開關(guān)閥組串聯(lián)。所述監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集裝置，由外置位移計(5)、流量計(15)，試驗艙內(nèi)置水壓、應(yīng)力、溫度、PH傳感器(10)，密封裝置(19)和數(shù)據(jù)采集器OO)組成。外置傳感器直接連接數(shù)據(jù)采集器，內(nèi)置傳感器經(jīng)密封裝置連接數(shù)據(jù)采集器。密封裝置由與試驗艙一體的密封套、電纜鎖定管(31)和電纜密封段(30)組成。同時采用多重干涉穩(wěn)定水流堰箱(14)監(jiān)測流量， 由多級干涉透水板(32)、插板式堰板(1 先后排列于堰箱水流方向上，堰口角度可調(diào)。一種高水壓、高應(yīng)力和自動開采的礦井水害綜合模擬試驗方法，其步驟為(1)采動模擬復(fù)位和儀器檢驗采動模擬活動板復(fù)位，關(guān)閉所有閥門，只留排氣閥打開，注水，關(guān)閉排氣閥，密閉試壓，監(jiān)測儀表、監(jiān)測設(shè)備工作狀態(tài)。(2)建立和裝配模型根據(jù)地質(zhì)和采礦條件抽象地層組合和構(gòu)造特征和相似準(zhǔn)則，配置模型的結(jié)構(gòu)和材料并裝配入試驗艙。密封可采用隔水膠、柔性密封墊填塞環(huán)形空隙。同時分層埋置需要的傳感器。養(yǎng)護模型。(3)施加垂直荷載關(guān)閉上艙蓋，打開排氣閥，啟動試驗控制器，逐級施加垂直荷載，監(jiān)測每級加載時液壓缸行程，位移穩(wěn)定后施加下一級荷載，直至需要荷載，監(jiān)測應(yīng)力、 應(yīng)變數(shù)據(jù)。(4)施加穩(wěn)定水壓力和流量在控制器上設(shè)置好需要的水壓力和邊界補給流量， 通過試驗控制器啟動水壓水量雙作用伺服控制泵組，排氣閥涌水后關(guān)閉，直至達到設(shè)置水壓。打開試驗艙出水閥，檢驗?zāi)Ｐ蜐B漏特性后關(guān)閉等待開采模擬。(5)模擬開采和數(shù)據(jù)采集打開試驗艙出水閥，按設(shè)計方案逐步啟閉分步采動模擬控制閥，同時采集記錄應(yīng)力、溫度、壓力、流量、位移、PH值信息，并用三角堰監(jiān)測流量，記錄水量變化的時間歷程和水壓水量雙作用伺服控制泵組啟閉經(jīng)歷，直至涌水量發(fā)生突變。(6)模型拆卸和現(xiàn)象觀測打開模型，按層序拆除模型，分步拍照，記錄現(xiàn)象。(7)修改試驗參數(shù)，重復(fù)步驟⑵、(3)、⑷、(5)、(6)。(8)數(shù)據(jù)分析與提煉結(jié)合信號-時間、信號-位置關(guān)系，整理采動過程-監(jiān)測信號數(shù)據(jù)，建立不同時刻的應(yīng)力場、位移場和水壓力場等，分析開采、垂直荷載、水壓力、地層組合、巖性與開采破壞、突涌水的關(guān)系，提煉突涌水前后監(jiān)測信號變化特征。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的優(yōu)點在于建立了一種高水壓、高應(yīng)力和自動開采的礦井水害綜合模擬試驗系統(tǒng)，與同類裝置相比，1)能夠?qū)崿F(xiàn)總應(yīng)力不大于3MPa，水壓不大于
條件下的密閉模擬試驗，幻試驗系統(tǒng)具有水壓、荷載各自獨立的穩(wěn)壓系統(tǒng)和應(yīng)力、溫度、壓力、流量、位移、PH值等多種信息監(jiān)測能力，3)水壓-流量控制裝置實現(xiàn)了突水過程水頭劇烈降低補給流量，不突水時保持穩(wěn)定水壓的水文地質(zhì)雙重邊界條件伺服控制，4)采用多重干涉透水板穩(wěn)定水流堰箱與流量計聯(lián)合觀測獲得更為精確突涌水?dāng)?shù)據(jù)，幻采用液壓系統(tǒng)實現(xiàn)了高壓密閉條件下自動可控分步開采模擬。


圖1是本發(fā)明綜合模擬系統(tǒng)的概念模型示意圖2是本發(fā)明綜合模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明綜合模擬系統(tǒng)的模擬試驗艙結(jié)構(gòu)圖4是本發(fā)明試驗艙內(nèi)模擬煤層開采頂(底)板結(jié)構(gòu)圖5是本發(fā)明試驗艙內(nèi)活動推力隔板結(jié)構(gòu)圖6是本發(fā)明綜合模擬系統(tǒng)監(jiān)測接口密封結(jié)構(gòu)示意圖7是本發(fā)明綜合模擬系統(tǒng)自動開采控制裝置示意圖8是本發(fā)明綜合模擬系統(tǒng)水壓力、水量自動控制裝置示意圖9是本發(fā)明綜合模擬系統(tǒng)涌水量監(jiān)測裝置示意圖10是本發(fā)明綜合模擬系統(tǒng)模擬底板高承壓水上開采試驗示意圖11是本發(fā)明綜合模擬系統(tǒng)模擬頂板高承壓水上開采試驗示意圖12是本發(fā)明試驗監(jiān)測點布置示意圖13是本發(fā)明綜合模擬試驗流程圖。
圖例說明
I、水壓水量雙作用伺服控制泵組 3、油壓穩(wěn)壓艙
5、位移計 7、加載液壓缸 9、模擬試驗艙
II、試驗艙內(nèi)腔 13、三角堰堰板
2、荷載伺服控制油泵
4、水壓穩(wěn)壓艙
6、試驗艙進水閥
8、活動推力隔板
10、艙內(nèi)監(jiān)測電纜與傳感器
12、采動模擬頂(底)板
14、堰箱
15、流量計17、采動模擬控制液壓缸19、監(jiān)測接口21、試驗控制器23、采動模擬活動板復(fù)位開關(guān)25、試驗艙底座27、抗高壓連桿29、排■口31、電纜鎖定管33、煤層35、底板破壞帶
16、試驗艙出水閥
18、采動模擬活動板
20、數(shù)據(jù)采集器
22、分步采動模擬控制閥
M、試驗艙上蓋
沈、試驗艙支撐及移動機構(gòu)
觀、排氣閥
30、電纜密封段
32、多級干涉透水板
34、采空區(qū)
36、頂板破壞帶
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖和具體實例對本發(fā)明做進一步詳細說明。如圖1所示，本發(fā)明一種高水壓、高應(yīng)力和自動開采的礦井水害綜合模擬系統(tǒng)在概念上主要包括試驗艙、試驗條件控制、試驗監(jiān)測和三個主要部分。由圖2可知，本發(fā)明所述綜合模擬系統(tǒng)由模擬試驗艙(9)，水壓力和水量自動控制裝置(1)、(4)和(21)，荷載控制裝置(2)、(3)、(7)和(8)，采動模擬裝置(17)、(18)、(22)和(23)，監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集裝置 (5)、(10)、(14)、(15)和(20)及輔助裝置等六個子系統(tǒng)構(gòu)成。其中，水壓力和水量自動控制裝置由圖8水泵(1-1)，(1-2)和水壓水量泵組伺服控制器、水壓穩(wěn)壓艙(4)共同構(gòu)成，試驗中在未突水前，泵(1-2)啟動維持穩(wěn)定的水壓， 模擬高水頭；在突水后，泵(1-1)啟動，形成邊界上穩(wěn)定補給的流量，與礦井突涌水的兩個狀態(tài)相對應(yīng)。水壓穩(wěn)壓艙輸出水流至模擬試驗艙進水閥(6)。荷載控制裝置為一套穩(wěn)定油壓控制系統(tǒng)，在試驗中模擬上部垂直荷載，由一組液壓缸(7)，經(jīng)過模擬試驗艙上蓋04)進入試驗艙內(nèi)，再由活動推力隔板(8)將荷載分配到圓形試驗材料斷面上。液壓缸(7)固定于模擬試驗艙上蓋04)上，確保密閉不透水。加載液壓缸(7)外置伸縮桿，位移計(5)固定于加載液壓缸和外置伸縮桿上。采動模擬裝置如圖7，在模擬煤層底板以下設(shè)置系列矩形托盤，稱為采動模擬活動板(18)，嵌套于圖4所示采動模擬頂(底)板(1 內(nèi)，采動模擬活動板相互接觸無連接， 固定于采動模擬控制液壓缸(17)的活塞上。液壓缸體固定于模型試驗艙底座上，確保密閉不透水。初始條件下，液壓缸活塞伸出，底板水平連續(xù)。開采后，持續(xù)打開分步采動模擬控制閥(22)，通過控制排出液壓油，形成液壓缸活塞沉降控制開采厚度和順序，開采結(jié)束后關(guān)閉。液壓缸復(fù)位通過液壓閥組控制。采動模擬活動板(18)為矩形，長度固定，有多種寬度組合，模擬不同開采速度。監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集裝置由傳輸電纜通過圖6所示密封的監(jiān)測接口(19)將模擬試驗艙內(nèi)水壓力、溫度、Ph值、應(yīng)力、應(yīng)變信息傳遞給數(shù)據(jù)采集器(20)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時記錄.外置傳感器直接連接數(shù)據(jù)采集器，內(nèi)置傳感器經(jīng)密封裝置連接數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集頻率可達 IOOHz，艙外加載裝置位移計(5)、流量計(15)產(chǎn)生信息直接傳輸?shù)讲杉?1)。為提高流量監(jiān)測精度，圖9為多重透水板穩(wěn)定水流堰箱，采用兩道透水板(32)，形成穩(wěn)定水流后，再用三角堰法監(jiān)測流量，堰板為插板式，堰口角度可調(diào)。模擬試驗艙(9)內(nèi)砌筑或者鋪設(shè)依據(jù)相似比配置的試驗材料，由于采用圓柱狀設(shè)計，在試驗材料和艙壁環(huán)狀間隙內(nèi)采用再生膠片或隔水膠充填防水，既保證上下自由移動， 同時起隔水作用。由于圓柱狀試樣側(cè)向均勻膨脹作用，隔水效果好于矩形斷面。試驗過程中將傳感器布置于模擬材料中，可在艙內(nèi)空間任意方案布置，但盡可能離開艙壁密封部位。傳感器電纜通過密封裝置(19)與外部采集器00)相連。由于模型內(nèi)試驗材料體積力遠小于施加的外部荷載，故對于頂?shù)装鍐栴}均采用下部開挖方案實現(xiàn)，而試驗材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)隨實際地質(zhì)條件改變。典型模型鋪設(shè)結(jié)構(gòu)如圖10和11所示，煤層(33)采后形成采空區(qū)(34) 以及頂?shù)装迤茐膸?3 和(36)。在具體實例中，以河南某礦深部高承壓地板水上帶壓開采和山東某礦松散層承壓含水層下的地質(zhì)、采礦條件為原型，概化為如附圖10和11兩個地質(zhì)模型。模型直徑為 Φ 1400mm,高1350mm。其中模型10幾何比例尺C1 = 100 1，隔水層厚度60m，模擬底板隔水層承受水壓8MPa，模擬采深900m，根據(jù)模型比例尺，則模型底板隔水層厚度60cm，正常模擬水壓80kPa，荷載(垂直主應(yīng)力)為240kPa。由白金漢定理可知，原型比例為1時孔隙水壓力u的量綱乘積為u/p gL，自重應(yīng)力的量綱乘積為σ z/(p gL)，當(dāng)幾何尺寸縮小為原型的1/n時，由于重度不變，孔隙水壓力和自重應(yīng)力也均縮小為原型的1/n，并能夠滿足相似要求。模型荷載通過試驗系統(tǒng)中的液壓加載系統(tǒng)施加補償荷載來實現(xiàn)，水壓力通過水壓加載系統(tǒng)進行自動供給。對于底板隔水層的相似材料，主要考慮抗壓強度和重度對采動變形的影響，材料配比參數(shù)如表1。在模擬試驗的監(jiān)測點布置中，強調(diào)加強對初次來壓區(qū)域進行相關(guān)信息的采集，分別在距煤層底板10cm、25cm底板隔水層中埋設(shè)相應(yīng)傳感器，例如圖12中對稱布置孔隙水壓力、應(yīng)力測點14個。試驗過程如圖13，順序如下(一 )首先裝配測試電纜并膠結(jié)密封，安裝傳感器，全部打開分步采動模擬控制閥 (22),表1相似材料配比試驗結(jié)果
試樣砂石膏水泥水甘油密度抗壓強度ωω(g)(S)(8)(g/cm3)(MPa)1500220100120252.400.912550220100120252.390.753600220100120252.390.524550180100120252.490.765550200100120252.420.476550240100120252.350.56755022080120252.270.728550220120120252.281.099550220140120252.301.161055022090120252.340.8611550220110120252.450.92
8
切換采動模擬活動板復(fù)位開關(guān)到加壓回路，使采動模擬活動板(18)復(fù)位，全部關(guān)閉分步采動模擬控制閥(22)，活動板復(fù)位開關(guān)切換至回油到油箱；連接控制和檢測系統(tǒng)，開機檢驗；開機正常后，密閉試驗艙，打開排氣閥( )，向試驗艙(11)加水至排氣閥涌水后關(guān)閉，啟動水壓加載系統(tǒng)試壓，待控制系統(tǒng)輸出壓力與監(jiān)測儀表一致，并保持不滲漏后，停止儀器檢驗，開艙。(二)按照圖10上下反向，逐層鋪設(shè)試驗材料，周邊采用再生膠和隔水膠逐層密封。在設(shè)計位置設(shè)置傳感器，電纜外壁涂隔水膠埋入同種試驗材料內(nèi)部，不得沿界面布置。 材料裝配完畢，調(diào)整試驗材料表面水平，吊裝活動推力隔板(8)，對中放入試驗艙內(nèi)。(三)檢查試驗艙密封條完整性，密封試驗艙。打開排氣閥( )，啟動荷載加載裝置O)，加載液壓缸活塞伸出接觸到活動推力隔板(8)，油壓升高，系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)變化，位移計( 讀書逐步達到穩(wěn)定。(四)向試驗艙內(nèi)腔(11)加水至排氣閥涌水后停止注水，飽和24h后繼續(xù)注水至排氣閥涌水，關(guān)閉排氣閥08)。啟動水壓加載系統(tǒng)逐級加水壓，監(jiān)測試驗艙內(nèi)各傳感器讀數(shù)，試驗水壓達到設(shè)計要求后，穩(wěn)定48h，打開試驗艙出水閥(16)，監(jiān)測出水量，驗證模型不滲漏后開始下步試驗。(五)確認活動板復(fù)位開關(guān)03)切換至回油到油箱和監(jiān)測系統(tǒng)啟動后，按順序、時間逐步打開分步采動模擬控制閥(22)，監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)的參數(shù)變化和涌水量。發(fā)生涌水量突然變化后再持續(xù)觀測一定時間，停止采動，關(guān)閉試驗艙出水閥(16)停止試驗。(六)關(guān)閉水壓加載裝置和荷載加載裝置，待監(jiān)測系統(tǒng)反應(yīng)水壓降低到大氣壓時， 打開排氣閥08)和試驗艙出水閥(16)，排水。逐步打開試驗艙，起吊活動推力隔板(8)，分層拍照、拆除試驗材料和取出傳感器，描述發(fā)生的現(xiàn)象。若要改變試驗參數(shù)，重復(fù)以上步驟 (一)至(六)。(七)對獲取的數(shù)據(jù)資料進行分析整理，提煉發(fā)生突涌水時開采、地質(zhì)條件、水壓、 溫度、應(yīng)力及PH值等的變化過程及規(guī)律。試驗中，各模型的設(shè)計背景參數(shù)如表2所示。根據(jù)突水模擬系統(tǒng)開采系統(tǒng)的條件， 開采共分為九步，每1800s開采一次。表2各模型開采設(shè)計
權(quán)利要求
1.一種高水壓、高應(yīng)力和自動開采礦井水害綜合模擬系統(tǒng)的特征在于它包括水壓模擬試驗艙(9)，水壓力和水量自動控制裝置(1)、(4)和Ol)，3MI^垂直荷載控制裝置 (2)、(3)、(7)和(8)，采動模擬裝置(17)、(18)、(22)和(23)，監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集裝置(5)、 (10)、(14)、(15)和(20)，以及系統(tǒng)密封、閥門、控制、電氣等輔助設(shè)施。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬試驗艙，其特征為系統(tǒng)的主體試驗結(jié)構(gòu)，整體圓柱形，艙內(nèi)試驗材料受壓后側(cè)向膨脹，具有自密封作用，其上部為密封上蓋04)和荷載液壓缸(7)， 密封上蓋設(shè)置有試驗艙進水閥(6)和排氣閥08)；中部為試驗艙(9)，艙內(nèi)上部為活動推力隔板(8)，下部為采動模擬頂(底)板(12)，中間部分可埋設(shè)監(jiān)測傳感器與電纜(10)；采動模擬頂(底)板(12)內(nèi)嵌采動模擬活動板(18)，與采動模擬控制液壓缸(17)相連；采動模擬頂(底)板(1 至試驗艙底座0 間為涌水收集通道，并與下部試驗艙出水閥(16) 相通；試驗艙上蓋04)與試驗艙底座0 通過抗高壓連桿(XT)連接；試驗艙底座05)固定于其下的試驗艙支撐及移動機構(gòu)06)上；試驗艙底座0 設(shè)有2個排渣口 09)；內(nèi)置傳感器經(jīng)密封裝置連接數(shù)據(jù)采集器；密封裝置由與試驗艙一體的密封套、電纜鎖定管(31) 和電纜密封段(30)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水壓力和水量自動控制裝置，其特征在于在試驗艙突水情況下，補給穩(wěn)定的流量，在不突水而水壓力變化的情況下，維持穩(wěn)定的水壓力；水由水箱經(jīng)泵組低壓大流量泵(1-1)和高壓低流量泵(1- 進入水壓穩(wěn)壓艙G)，穩(wěn)壓艙出水口連接權(quán)利要求2所述模擬試驗艙的進水口(6)；穩(wěn)壓艙壓力經(jīng)壓力流量控制器反饋到控制泵組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采動模擬裝置，其特征在于采動模擬裝置位于權(quán)利要求2 所述模擬試驗艙的下部，由嵌入采動模擬頂(底)板(1 的采動模擬活動板(18)和采動模擬控制液壓缸(17)組成；采動模擬控制液壓缸(17)位于采動模擬活動板(18)下部，二者一對一組合連接；由液壓缸(17)形成的差異沉降模擬開采動作，分步采動模擬控制閥02) 控制采動順序及開采厚度；通過采動模擬活動板復(fù)位開關(guān)閥組控制復(fù)位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于由位移計(5)、流量計 (15)、水壓、應(yīng)力、溫度、PH傳感器(10)采集試驗信號，電纜經(jīng)密封裝置(19)將信號傳遞出模型試驗艙，監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器OO)記錄采集到的信號和數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于由兩道透水板(3 干涉堰箱形成穩(wěn)定水流后，再用三角堰法監(jiān)測流量，與流量計共同監(jiān)測提高流量監(jiān)測精度；堰板為插板式，堰口角度可調(diào)。
7.一種高水壓、高應(yīng)力和自動開采的礦井水害綜合模擬試驗方法，其步驟為(1)采動模擬活動板復(fù)位和儀器檢驗采動模擬活動板復(fù)位，關(guān)閉所有閥門，只留排氣閥打開，注水， 關(guān)閉排氣閥，密閉試壓，監(jiān)測儀表、監(jiān)測設(shè)備工作狀態(tài)；( 建立和裝配模型根據(jù)地質(zhì)和采礦條件抽象地層組合和構(gòu)造特征，依據(jù)相似準(zhǔn)則，配置模型的結(jié)構(gòu)、材料并分層裝配入試驗艙，密封采用隔水膠、再生膠墊填塞環(huán)形空隙，同時分層埋置需要的傳感器，養(yǎng)護模型；(3) 施加垂直荷載關(guān)閉上艙蓋，打開排氣閥，啟動試驗控制器，逐級施加垂直荷載，監(jiān)測每級加載時液壓缸行程，位移穩(wěn)定后施加下一級荷載，直至需要荷載，監(jiān)測應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)；(4)施加穩(wěn)定水壓力和流量在控制器上設(shè)置水壓力和邊界補給流量，通過試驗控制器啟動水壓水量雙作用伺服控制泵組，排氣閥涌水后關(guān)閉，直至達到設(shè)置水壓，打開試驗艙出水閥，檢驗?zāi)Ｐ蜐B漏特性后關(guān)閉等待開采模擬；( 模擬開采和數(shù)據(jù)采集打開試驗艙出水閥，按設(shè)計方案逐步啟閉分步采動模擬控制閥，同時采集記錄應(yīng)力、溫度、壓力、流量、位移、PH值信息，并用三角堰監(jiān)測流量，記錄水量變化的時間歷程和水壓水量雙作用伺服控制泵組啟閉經(jīng)歷，直至涌水量發(fā)生突變；(6)模型拆卸和現(xiàn)象觀測打開模型，按層序拆除模型，分步拍照，記錄現(xiàn)象；(7)修改試驗參數(shù)，重復(fù)步驟(2)、(3)、(4)、(5)、(6) ； (8)數(shù)據(jù)分析與提煉 結(jié)合信號-時間、信號-位置關(guān)系，整理采動過程-監(jiān)測信號數(shù)據(jù)，建立不同時刻的應(yīng)力場、 位移場和水壓力場等，分析開采、垂直荷載、水壓力、地層組合、巖性與開采破壞、突涌水的關(guān)系，提煉突涌水前后監(jiān)測信號變化特征。
全文摘要
本發(fā)明為“一種高水壓、高應(yīng)力和自動開采的礦井水害綜合模擬系統(tǒng)及試驗方法”，屬于礦井防治水基礎(chǔ)研究技術(shù)領(lǐng)域。主要內(nèi)容是發(fā)明了一種在高水壓、高垂直應(yīng)力條件下，具有密閉性、能模擬開采、反映頂?shù)装鍘r體與水相互作用和獲取固、液物理力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律的礦井水害綜合模擬系統(tǒng)，采用圓柱密閉試驗艙和艙內(nèi)自動開采模擬裝置，容許最高水壓3MPa，施加最大垂直荷載3MPa，試驗直徑1.4m，試樣組合高度1.4m。包含模型試驗艙、穩(wěn)定高水壓(流量)供水及控制裝置、開采模擬及控制裝置、多重干涉流量觀測裝置和壓力、應(yīng)力、溫度、PH值組合觀測子系統(tǒng)。并建立了高水壓、高應(yīng)力下自動模擬礦井頂?shù)装宀蓜油挥克蛯崟r監(jiān)測的試驗方法。
文檔編號E21F17/00GK102400714SQ20101028589
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月11日
發(fā)明者姜振泉, 孫亞軍, 徐智敏, 董青紅, 隋旺華 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)