一種采動覆巖固液兩相運移可視化模擬裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及礦山開采過程模擬設備技術領域，具體涉及一種采動覆巖固液兩相運移可視化模擬裝置及其方法。
【背景技術】
[0002]礦山開采過程中水資源的流失及其對開采空間安全造成的隱患是目前礦井生產與礦區生態環境保護必須解決的關鍵問題。實驗室進行固液耦合模擬實驗是研究礦山開采過程中上覆隔水巖層(組)裂隙的生成、擴展、以及最終形態和此過程中水流場的演變。該實驗致力于弄清礦山開采過程中水資源的流失機制，消除開采空間的安全隱患，為礦井安全生產和礦區生態環境保護提供理論依據。其中，保水開采是實現礦山綠色開采的一項重要技術手段，但現有模擬保水開采的物理相似實驗系統及方法尚存在一些問題，突出表現在:(I)模擬實驗過程中，上覆隔水層采動裂隙張開、彌合的動態變化過程無法清晰呈現和捕捉，實驗現象顯現不清楚；(2)模擬實驗過程中，對地下水位的監測及水流場的動態演變過程觀測不清楚；(3)模擬實驗過程中，普通密封材料(如黃油、凡士林)在密封性和透視性上不能實現很好的統一，導致實驗或是密封不良，干擾實驗現象;或是實驗可視性差，難以從外界清晰觀察隔水層采動裂隙張開、彌合的變化過程，給實驗操作或現象觀察帶來困難。
[0003]同時，在實驗的具體操作及現象觀察過程中也存在一些缺陷和不足，明顯表現為:
(I)現有實驗中，模擬開采層由相似材料鋪設，在實驗開挖時由于人工的開挖鑿動造成模型架產生振動，容易造成水的泄漏，致使實驗失敗。同時，人工的開挖鑿動，容易造成開采層的采挖過量或開挖不足，影響實驗結果的真實性、可靠性；(2)現有實驗中，加水過程一般從模型最上部表土直接加入，由于模型表土沙爍具有一定的吸水性，加水后后期由于沙爍中含水下滲，往往造成模擬潛水水位比實際要求水位偏高，影響實驗結果；(3)現有實驗中，潛水水位的數值變化由人工讀取，存在較大的讀數誤差，影響實驗的精度，并且不能連續監測；
[4]現有實驗中，通常選用墨水或含有色素的染料作為示蹤劑。此類示蹤劑如果加入過多，待水流過或蒸發后會存在大量殘留，干擾實驗現象;加入過少，又會使水顏色太淡，影響觀察和實驗結果的呈現。
[0004]這些問題的存在，嚴重影響了此類模擬實驗的實際操作性和實驗結果的真實可靠性，也給對該科學領域的研究帶來了困擾，因此亟待提出一種新的物理模擬實驗系統及方法來解決此類問題。
【發明內容】
[0005]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種采動覆巖固液兩相運移可視化模擬裝置，通過控制液壓裝置模擬開采情況，觀察模擬裝置中的變化，再現礦山開采過程中上覆隔水層采動裂隙張開、彌合的動態變化過程及地下水流場的動態演變過程，為開采提供可靠的數據，解決了現有技術的不足。
[0006]技術方案:為實現上述目的，本發明采用的技術方案為:一種采動覆巖固液兩相運移可視化模擬裝置，其特征在于，包括模型架、注水裝置、開采控制自動化系統、水位連續監測系統和可視化系統；
[0007]模型架位于整個系統的一側，開采控制自動化系統位于整個系統的另一側，可視化系統位于模型架和開采控制自動化系統之間，距離模型架N毫米；
[0008]所述模型架包括實驗架、透明的有機玻璃擋板和液壓千斤頂支撐塊；
[0009]所述注水裝置包括水箱、塑料注水管和注水孔；
[0010]所述開采控制自動化系統包括操作控制臺、計算機、液壓輸油孔集成板、液壓栗、液壓出回油控制器；
[0011]所述水位連續監測系統包括操作控制臺、計算機、水位連續檢測器和水位連續監測記錄儀；
[0012]所述可視化系統包括紫外燈、防護鏡和熒光示蹤劑；
[0013]所述實驗架包括左右兩個支架，支架兩側壁固定有機玻璃擋板;支架底部為一組液壓千斤頂支撐塊;實驗架、兩塊有機玻璃擋板及一組液壓千斤頂支撐塊形成一個頂部開放的實驗腔體;該實驗腔體由底部向上依次填塞有物理模型巖層和物理模型表土層；
[0014]注水孔為注水管端部的出水孔;所述注水管兩端伸入所述實驗腔體中的物理模型表土層;所述水箱與注水管連接;一組玻璃管插在實驗腔體中，水位連續監測器探入玻璃管內；
[0015]開采控制自動化系統連接液壓千斤頂支撐塊。
[0016]進一步的，所述擋板與實驗架之間有密封層，該密封層材料為硅脂，涂膜厚度為5mm ο
[0017]進一步的，所述模型架在擋板上部開有Φ =15mm的注水孔，注水管Φ = 14mm，注水孔與注水管之間安放膠質墊圈。
[0018]一種采動覆巖固液兩相運移可視化模擬方法，其特征在于:該方法包括以下步驟:
[0019]I)鋪設實驗模型:選擇對應實際開采區域的地質材料按照地質層對試驗腔體進行填充；
[0020]2)模擬地下潛水:通過注水裝置向模型中注水;水中加入熒光示蹤劑；
[0021 ] 3)模擬開挖過程:通過開采控制自動化系統調節液壓千斤頂支撐塊的高度；
[0022]4)通過水位連續監測系統時時記錄分析模型中水位變化；
[0023]5)通過可視化系統觀察實驗現象，并用照相機/攝錄機拍攝記錄隔水層采動裂隙張開、閉合及地下水流場的動態演變過程。
[0024]進一步的，步驟3)-5)的過程中使用紫外線燈照射觀察實驗現象;所述紫外線燈打開時光輻射范圍包括整個模型架。
[0025]進一步的，所述熒光示蹤劑為LUY0R-6200型的熒光檢漏劑，所述檢漏劑與水的配比為1:500，提前混合、攪拌，使用前靜置10分鐘。
[0026]有益效果:本發明提供的一種采動覆巖固液兩相運移可視化模擬裝置及其方法具體優點表現在:
[0027](I)實驗開挖過程由開采控制自動化系統完成，開采控制自動化系統通過降低液壓千斤頂支撐塊的高度來模擬開挖過程，實驗過程有電腦全程自動控制，操作簡單方便，精確度高，同時消除了普通開鑿過程對模型的振動及破壞影響；
[0028](2)利用注水裝置直接在模型潛水位置注水，而不直接從模型最上部，消除了從上部注水后，后期表土含水下滲對潛水水位的影響；
[0029](3)實驗中采用水位連續監測系統連續記錄分析水位變化，與人工讀數記錄相比更加準確，充分，避免了人工測量的讀數誤差；
[0030](4)實驗選用LUY0R-6200型的熒光檢漏劑，在紫外燈的照射下，該檢漏劑的示蹤效果與墨水等普通示蹤劑相比更加清晰明顯，同時水流過或蒸發后無色素殘留，消除了普通示蹤劑色素殘留對實驗現象或結論的誤導。
【附圖說明】
[0031]圖1為實驗系統主視圖；
[0032]圖2為物理模型示意圖；
[0033]圖3為操作控制系統；
[0034]圖4為注水裝置結構示意圖；
[0035]圖5為千斤頂支撐塊結構示意圖；
[0036]圖6為實驗架剖面示意圖。
[0037]圖中:1:物理實驗模型，2:注水裝置，3:方凳，4:紫外燈，5:操作控制臺。
[0038]1-1:實驗架；1-2:物理模型表土層；1-3: PC方形管；1_4:水位連續監測器；1_5: P透明有機玻璃擋板;1-6:物理模型巖層;2:注水裝置;6:液壓千斤頂支撐塊。
[0039]5-1:操作控制臺；5-2:液壓輸油孔;5-3:液壓輸油孔集成板;5_4:鼠標;5_5:計算機;5-6:水位連續監測記錄儀;5-7:水位連續監測通道;5-8:液壓栗；5-9:總回油通道;5-10:總出油通道;5-11:液壓出回油控制器;5-12:液壓出回油控制器電源開關;5-13:油路控制閥；5-14:總儲油箱;5-15:主機。
[0040]2-1:加入檢漏劑的熒光水;2-2:水箱;2-3:塑料注水管;2-4:注水孔。6_1:千斤頂支撐塊;6-2:千斤頂支撐桿;6-3:千斤頂儲油箱;6-4:千斤頂出油孔;6-5:千斤頂進油孔。1_1:實驗架;2-3:塑料注水管;7膠質密封墊圈。
【具體實施方式】
[0041 ]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0042]如圖1所示為一種采動覆巖固液兩相運移可視化模擬裝置，其特征在于，包括模型架、注水裝置2、開采控制自動化系統、水位連續監測系統和可視化系統；
[0043]模型架位于整個系統的一側，開采控制自動化系統位于整個系統的另一側，可視化系統位于模型架和開采控制自動化系統之間，距離模型架N毫米；
[0044]所述模型架包括實驗架1-1、透明的有機玻璃擋板1-5和液壓千斤頂支撐塊6;
[0045]所述注水裝置2包括水箱2-2、塑料注水管2-3和注水孔2-4;
[0046]所述開采控制自動化系統包括操作控制臺5-1、計算機、液壓輸油孔集成板、液壓栗、液壓出回油fe制器；
[0047]所述水位連續監測系統包括操作控制臺5-1、計算機、水位連續檢測器