專利名稱：一種高水壓、高應(yīng)力和自動(dòng)開(kāi)采的礦井水害綜合模擬系統(tǒng)及試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦頂?shù)装逅饔孟虏蓜?dòng)變形、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(dòng)模擬開(kāi)采和監(jiān)測(cè)礦井水害的綜合模擬系統(tǒng)及試驗(yàn)方法。
背景技術(shù)：
水害防治和水資源保護(hù)是煤礦開(kāi)采過(guò)程中的一類重要地質(zhì)問(wèn)題。我國(guó)水體下壓煤和受底板水影響的煤炭資源儲(chǔ)量巨大，頂?shù)装逵克?、突水事故輕者沖垮工作面、淹沒(méi)設(shè)備、 增加礦井排水負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重者造成人員傷亡、淹井，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)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(jì)和社會(huì)問(wèn)題。同時(shí)，我國(guó)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(jì)。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(jì)和社會(huì)雙重價(jià)值。水害防治和水資源保護(hù)研究一方面?zhèn)戎赜诮?jīng)驗(yàn)規(guī)律的總結(jié)，另一方面?zhèn)戎赜诶碚?、機(jī)理分析。在工程實(shí)踐上，已經(jīng)逐步發(fā)展出采用監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)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(shí)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(guò)程，包括人們還無(wú)法認(rèn)識(shí)、預(yù)知的一些工程現(xiàn)象。特別是對(duì)高承壓含水層開(kāi)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)取得相關(guān)規(guī)律，模型試驗(yàn)是積累對(duì)各種條件組合的認(rèn)識(shí)，逐步認(rèn)識(shí)其規(guī)律性的重要方法之一。在水害防治和水資源保護(hù)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。考慮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(kāi)采動(dòng)力角度揭示了巖體破壞、應(yīng)力分布等采動(dòng)特征，而且體現(xiàn)了水對(duì)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(yàn)條件的密封、開(kāi)采模擬和滲流系統(tǒng)等關(guān)鍵問(wèn)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(yàn)監(jiān)測(cè)、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(yàn)參數(shù)的問(wèn)題。為此，必須采用新的結(jié)構(gòu)設(shè)施、 工作原理、監(jiān)測(cè)手段和加工工藝，克服高水壓條件下難于實(shí)現(xiàn)的密封、動(dòng)態(tài)開(kāi)采、試驗(yàn)安全和信息傳輸?shù)认盗屑夹g(shù)問(wèn)題。同時(shí)，遴選出反應(yīng)工程現(xiàn)象的信息種類，設(shè)計(jì)出高應(yīng)力水平、 水壓力條件下模擬試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)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(dòng)水巖作用過(guò)程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有模型研究開(kāi)采水巖耦合作用技術(shù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種在高水壓、高垂直應(yīng)力條件下，具有密閉性、能模擬開(kāi)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(chǎng)、位移場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)隨水巖作用變化規(guī)律的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法，提高頂?shù)装宄袎核挥克饔锰卣髯R(shí)別的可靠性。
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為解決上述技術(shù)問(wèn)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(dòng)開(kāi)采的礦井水害綜合模擬系統(tǒng)及試驗(yàn)方法?！N高水壓、高應(yīng)力和自動(dòng)開(kāi)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(yàn)艙(9)，水壓力和水量自動(dòng)控制裝置(1)、(4)和(21)，荷載控制裝置(2)、(3)、(7)和，采動(dòng)模擬裝置(17)、(18)、(22)和(23)，監(jiān)測(cè)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(yàn)艙為系統(tǒng)的主體試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，整體圓柱形，其上部為試驗(yàn)艙上蓋04) 和荷載液壓缸(7)，密封上蓋設(shè)置有試驗(yàn)艙進(jìn)水閥(6)和排氣閥08)；中部為試驗(yàn)艙內(nèi)腔 (11)，內(nèi)腔上部為活動(dòng)推力隔板(8)，下部為采動(dòng)模擬頂(底)板(12)，中間部分充填試驗(yàn)材料和埋設(shè)監(jiān)測(cè)傳感器與電纜(10)；活動(dòng)推力隔板(8)布置有上下連通的透水孔；采動(dòng)模擬頂(底)板(1 內(nèi)嵌采動(dòng)模擬活動(dòng)板(18)，并與采動(dòng)模擬控制液壓缸(17)相連；采動(dòng)模擬頂(底)板(1 至試驗(yàn)艙底座0 間為涌水收集通道，并與下部試驗(yàn)艙出水閥(16) 相通。試驗(yàn)艙上蓋04)與試驗(yàn)艙底座0 通過(guò)抗高壓連桿(XT)連接。試驗(yàn)艙底座05) 固定于其下的試驗(yàn)艙支撐及移動(dòng)機(jī)構(gòu)06)上。試驗(yàn)艙底座0 設(shè)有2個(gè)排渣口(四)。所述水壓力和水量自動(dòng)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(hào)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(yàn)艙進(jìn)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(jì)(5)固定于加載液壓缸(7)外置伸縮桿上。所述采動(dòng)模擬裝置，機(jī)械部分由采動(dòng)模擬活動(dòng)板(18)與其下部一對(duì)一連接的采動(dòng)模擬控制液壓缸(17)組成，采動(dòng)模擬活動(dòng)板(18)內(nèi)嵌于采動(dòng)模擬頂(底)板(1 ；液壓控制部分，采動(dòng)模擬控制液壓缸(17)分別與對(duì)應(yīng)的分步采動(dòng)模擬控制閥0 串聯(lián)后組成并聯(lián)控制組合，再與采動(dòng)模擬活動(dòng)板復(fù)位開(kāi)關(guān)閥組串聯(lián)。所述監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集裝置，由外置位移計(jì)(5)、流量計(jì)(15)，試驗(yàn)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(yàn)艙一體的密封套、電纜鎖定管(31)和電纜密封段(30)組成。同時(shí)采用多重干涉穩(wěn)定水流堰箱(14)監(jiān)測(cè)流量， 由多級(jí)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(dòng)開(kāi)采的礦井水害綜合模擬試驗(yàn)方法，其步驟為(1)采動(dòng)模擬復(fù)位和儀器檢驗(yàn)采動(dòng)模擬活動(dòng)板復(fù)位，關(guān)閉所有閥門，只留排氣閥打開(kāi)，注水，關(guān)閉排氣閥，密閉試壓，監(jiān)測(cè)儀表、監(jiān)測(cè)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(yàn)艙。密封可采用隔水膠、柔性密封墊填塞環(huán)形空隙。同時(shí)分層埋置需要的傳感器。養(yǎng)護(hù)模型。(3)施加垂直荷載關(guān)閉上艙蓋，打開(kāi)排氣閥，啟動(dòng)試驗(yàn)控制器，逐級(jí)施加垂直荷載，監(jiān)測(cè)每級(jí)加載時(shí)液壓缸行程，位移穩(wěn)定后施加下一級(jí)荷載，直至需要荷載，監(jiān)測(cè)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(bǔ)給流量， 通過(guò)試驗(yàn)控制器啟動(dòng)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(dá)到設(shè)置水壓。打開(kāi)試驗(yàn)艙出水閥，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜐B漏特性后關(guān)閉等待開(kāi)采模擬。(5)模擬開(kāi)采和數(shù)據(jù)采集打開(kāi)試驗(yàn)艙出水閥，按設(shè)計(jì)方案逐步啟閉分步采動(dòng)模擬控制閥，同時(shí)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(cè)流量，記錄水量變化的時(shí)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(cè)打開(kāi)模型，按層序拆除模型，分步拍照，記錄現(xiàn)象。(7)修改試驗(yàn)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(hào)-時(shí)間、信號(hào)-位置關(guān)系，整理采動(dòng)過(guò)程-監(jiān)測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)，建立不同時(shí)刻的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和水壓力場(chǎng)等，分析開(kāi)采、垂直荷載、水壓力、地層組合、巖性與開(kāi)采破壞、突涌水的關(guān)系，提煉突涌水前后監(jiān)測(cè)信號(hào)變化特征。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于建立了一種高水壓、高應(yīng)力和自動(dòng)開(kāi)采的礦井水害綜合模擬試驗(yàn)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(yàn)，幻試驗(yàn)系統(tǒng)具有水壓、荷載各自獨(dú)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(cè)能力，3)水壓-流量控制裝置實(shí)現(xiàn)了突水過(guò)程水頭劇烈降低補(bǔ)給流量，不突水時(shí)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(jì)聯(lián)合觀測(cè)獲得更為精確突涌水?dāng)?shù)據(jù)，幻采用液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高壓密閉條件下自動(dòng)可控分步開(kāi)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(yàn)艙結(jié)構(gòu)圖4是本發(fā)明試驗(yàn)艙內(nèi)模擬煤層開(kāi)采頂(底)板結(jié)構(gòu)圖5是本發(fā)明試驗(yàn)艙內(nèi)活動(dòng)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(cè)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(dòng)開(kāi)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(dòng)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(cè)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(kāi)采試驗(yàn)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(kāi)采試驗(yàn)示意圖12是本發(fā)明試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖13是本發(fā)明綜合模擬試驗(yàn)流程圖。
圖例說(shuō)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(jì) 7、加載液壓缸 9、模擬試驗(yàn)艙
II、試驗(yàn)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(yàn)艙進(jìn)水閥
8、活動(dòng)推力隔板
10、艙內(nèi)監(jiān)測(cè)電纜與傳感器
12、采動(dòng)模擬頂(底)板
14、堰箱
15、流量計(jì)17、采動(dòng)模擬控制液壓缸19、監(jiān)測(cè)接口21、試驗(yàn)控制器23、采動(dòng)模擬活動(dòng)板復(fù)位開(kāi)關(guān)25、試驗(yàn)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(yàn)艙出水閥
18、采動(dòng)模擬活動(dòng)板
20、數(shù)據(jù)采集器
22、分步采動(dòng)模擬控制閥
M、試驗(yàn)艙上蓋
沈、試驗(yàn)艙支撐及移動(dòng)機(jī)構(gòu)
觀、排氣閥
30、電纜密封段
32、多級(jí)干涉透水板
34、采空區(qū)
36、頂板破壞帶
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明一種高水壓、高應(yīng)力和自動(dòng)開(kāi)采的礦井水害綜合模擬系統(tǒng)在概念上主要包括試驗(yàn)艙、試驗(yàn)條件控制、試驗(yàn)監(jiān)測(cè)和三個(gè)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(yàn)艙(9)，水壓力和水量自動(dòng)控制裝置(1)、(4)和(21)，荷載控制裝置(2)、(3)、(7)和(8)，采動(dòng)模擬裝置(17)、(18)、(22)和(23)，監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集裝置 (5)、(10)、(14)、(15)和(20)及輔助裝置等六個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。其中，水壓力和水量自動(dòng)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(yàn)中在未突水前，泵(1-2)啟動(dòng)維持穩(wěn)定的水壓， 模擬高水頭；在突水后，泵(1-1)啟動(dòng)，形成邊界上穩(wěn)定補(bǔ)給的流量，與礦井突涌水的兩個(gè)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。水壓穩(wěn)壓艙輸出水流至模擬試驗(yàn)艙進(jìn)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(yàn)中模擬上部垂直荷載，由一組液壓缸(7)，經(jīng)過(guò)模擬試驗(yàn)艙上蓋04)進(jìn)入試驗(yàn)艙內(nèi)，再由活動(dòng)推力隔板(8)將荷載分配到圓形試驗(yàn)材料斷面上。液壓缸(7)固定于模擬試驗(yàn)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(jì)(5)固定于加載液壓缸和外置伸縮桿上。采動(dòng)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(dòng)模擬活動(dòng)板(18)，嵌套于圖4所示采動(dòng)模擬頂(底)板(1 內(nèi)，采動(dòng)模擬活動(dòng)板相互接觸無(wú)連接， 固定于采動(dòng)模擬控制液壓缸(17)的活塞上。液壓缸體固定于模型試驗(yàn)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(kāi)采后，持續(xù)打開(kāi)分步采動(dòng)模擬控制閥(22)，通過(guò)控制排出液壓油，形成液壓缸活塞沉降控制開(kāi)采厚度和順序，開(kāi)采結(jié)束后關(guān)閉。液壓缸復(fù)位通過(guò)液壓閥組控制。采動(dòng)模擬活動(dòng)板(18)為矩形，長(zhǎng)度固定，有多種寬度組合，模擬不同開(kāi)采速度。監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集裝置由傳輸電纜通過(guò)圖6所示密封的監(jiān)測(cè)接口(19)將模擬試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(dá) IOOHz，艙外加載裝置位移計(jì)(5)、流量計(jì)(15)產(chǎn)生信息直接傳輸?shù)讲杉?1)。為提高流量監(jiān)測(cè)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(cè)流量，堰板為插板式，堰口角度可調(diào)。模擬試驗(yàn)艙(9)內(nèi)砌筑或者鋪設(shè)依據(jù)相似比配置的試驗(yàn)材料，由于采用圓柱狀設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)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(dòng)， 同時(shí)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(yàn)過(guò)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(kāi)艙壁密封部位。傳感器電纜通過(guò)密封裝置(19)與外部采集器00)相連。由于模型內(nèi)試驗(yàn)材料體積力遠(yuǎn)小于施加的外部荷載，故對(duì)于頂?shù)装鍐?wèn)題均采用下部開(kāi)挖方案實(shí)現(xiàn)，而試驗(yàn)材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)隨實(shí)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(shí)例中，以河南某礦深部高承壓地板水上帶壓開(kāi)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(gè)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(shí)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(shí)，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(guò)試驗(yàn)系統(tǒng)中的液壓加載系統(tǒng)施加補(bǔ)償荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)，水壓力通過(guò)水壓加載系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)供給。對(duì)于底板隔水層的相似材料，主要考慮抗壓強(qiáng)度和重度對(duì)采動(dòng)變形的影響，材料配比參數(shù)如表1。在模擬試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置中，強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)對(duì)初次來(lái)壓區(qū)域進(jìn)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(duì)稱布置孔隙水壓力、應(yīng)力測(cè)點(diǎn)14個(gè)。試驗(yàn)過(guò)程如圖13，順序如下(一 )首先裝配測(cè)試電纜并膠結(jié)密封，安裝傳感器，全部打開(kāi)分步采動(dòng)模擬控制閥 (22),表1相似材料配比試驗(yàn)結(jié)果
試樣砂石膏水泥水甘油密度抗壓強(qiáng)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(dòng)模擬活動(dòng)板復(fù)位開(kāi)關(guān)到加壓回路，使采動(dòng)模擬活動(dòng)板(18)復(fù)位，全部關(guān)閉分步采動(dòng)模擬控制閥(22)，活動(dòng)板復(fù)位開(kāi)關(guān)切換至回油到油箱；連接控制和檢測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)機(jī)檢驗(yàn)；開(kāi)機(jī)正常后，密閉試驗(yàn)艙，打開(kāi)排氣閥( )，向試驗(yàn)艙(11)加水至排氣閥涌水后關(guān)閉，啟動(dòng)水壓加載系統(tǒng)試壓，待控制系統(tǒng)輸出壓力與監(jiān)測(cè)儀表一致，并保持不滲漏后，停止儀器檢驗(yàn)，開(kāi)艙。(二)按照?qǐng)D10上下反向，逐層鋪設(shè)試驗(yàn)材料，周邊采用再生膠和隔水膠逐層密封。在設(shè)計(jì)位置設(shè)置傳感器，電纜外壁涂隔水膠埋入同種試驗(yàn)材料內(nèi)部，不得沿界面布置。 材料裝配完畢，調(diào)整試驗(yàn)材料表面水平，吊裝活動(dòng)推力隔板(8)，對(duì)中放入試驗(yàn)艙內(nèi)。(三)檢查試驗(yàn)艙密封條完整性，密封試驗(yàn)艙。打開(kāi)排氣閥( )，啟動(dòng)荷載加載裝置O)，加載液壓缸活塞伸出接觸到活動(dòng)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(jì)( 讀書逐步達(dá)到穩(wěn)定。(四)向試驗(yàn)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(dòng)水壓加載系統(tǒng)逐級(jí)加水壓，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)艙內(nèi)各傳感器讀數(shù)，試驗(yàn)水壓達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，穩(wěn)定48h，打開(kāi)試驗(yàn)艙出水閥(16)，監(jiān)測(cè)出水量，驗(yàn)證模型不滲漏后開(kāi)始下步試驗(yàn)。(五)確認(rèn)活動(dòng)板復(fù)位開(kāi)關(guān)03)切換至回油到油箱和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)后，按順序、時(shí)間逐步打開(kāi)分步采動(dòng)模擬控制閥(22)，監(jiān)測(cè)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(cè)一定時(shí)間，停止采動(dòng)，關(guān)閉試驗(yàn)艙出水閥(16)停止試驗(yàn)。(六)關(guān)閉水壓加載裝置和荷載加載裝置，待監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反應(yīng)水壓降低到大氣壓時(shí)， 打開(kāi)排氣閥08)和試驗(yàn)艙出水閥(16)，排水。逐步打開(kāi)試驗(yàn)艙，起吊活動(dòng)推力隔板(8)，分層拍照、拆除試驗(yàn)材料和取出傳感器，描述發(fā)生的現(xiàn)象。若要改變?cè)囼?yàn)參數(shù)，重復(fù)以上步驟 (一)至(六)。(七)對(duì)獲取的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析整理，提煉發(fā)生突涌水時(shí)開(kāi)采、地質(zhì)條件、水壓、 溫度、應(yīng)力及PH值等的變化過(guò)程及規(guī)律。試驗(yàn)中，各模型的設(shè)計(jì)背景參數(shù)如表2所示。根據(jù)突水模擬系統(tǒng)開(kāi)采系統(tǒng)的條件， 開(kāi)采共分為九步，每1800s開(kāi)采一次。表2各模型開(kāi)采設(shè)計(jì)
權(quán)利要求
1.一種高水壓、高應(yīng)力和自動(dòng)開(kāi)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(yàn)艙(9)，水壓力和水量自動(dòng)控制裝置(1)、(4)和Ol)，3MI^垂直荷載控制裝置 (2)、(3)、(7)和(8)，采動(dòng)模擬裝置(17)、(18)、(22)和(23)，監(jiān)測(cè)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(yàn)艙，其特征為系統(tǒng)的主體試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，整體圓柱形，艙內(nèi)試驗(yàn)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(yàn)艙進(jìn)水閥(6)和排氣閥08)；中部為試驗(yàn)艙(9)，艙內(nèi)上部為活動(dòng)推力隔板(8)，下部為采動(dòng)模擬頂(底)板(12)，中間部分可埋設(shè)監(jiān)測(cè)傳感器與電纜(10)；采動(dòng)模擬頂(底)板(12)內(nèi)嵌采動(dòng)模擬活動(dòng)板(18)，與采動(dòng)模擬控制液壓缸(17)相連；采動(dòng)模擬頂(底)板(1 至試驗(yàn)艙底座0 間為涌水收集通道，并與下部試驗(yàn)艙出水閥(16) 相通；試驗(yàn)艙上蓋04)與試驗(yàn)艙底座0 通過(guò)抗高壓連桿(XT)連接；試驗(yàn)艙底座05)固定于其下的試驗(yàn)艙支撐及移動(dòng)機(jī)構(gòu)06)上；試驗(yàn)艙底座0 設(shè)有2個(gè)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(yàn)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(dòng)控制裝置，其特征在于在試驗(yàn)艙突水情況下，補(bǔ)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(jìn)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(yàn)艙的進(jìn)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(dòng)模擬裝置，其特征在于采動(dòng)模擬裝置位于權(quán)利要求2 所述模擬試驗(yàn)艙的下部，由嵌入采動(dòng)模擬頂(底)板(1 的采動(dòng)模擬活動(dòng)板(18)和采動(dòng)模擬控制液壓缸(17)組成；采動(dòng)模擬控制液壓缸(17)位于采動(dòng)模擬活動(dòng)板(18)下部，二者一對(duì)一組合連接；由液壓缸(17)形成的差異沉降模擬開(kāi)采動(dòng)作，分步采動(dòng)模擬控制閥02) 控制采動(dòng)順序及開(kāi)采厚度；通過(guò)采動(dòng)模擬活動(dòng)板復(fù)位開(kāi)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(cè)和數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于由位移計(jì)(5)、流量計(jì) (15)、水壓、應(yīng)力、溫度、PH傳感器(10)采集試驗(yàn)信號(hào)，電纜經(jīng)密封裝置(19)將信號(hào)傳遞出模型試驗(yàn)艙，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器OO)記錄采集到的信號(hào)和數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的監(jiān)測(cè)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(cè)流量，與流量計(jì)共同監(jiān)測(cè)提高流量監(jiān)測(cè)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(dòng)開(kāi)采的礦井水害綜合模擬試驗(yàn)方法，其步驟為(1)采動(dòng)模擬活動(dòng)板復(fù)位和儀器檢驗(yàn)采動(dòng)模擬活動(dòng)板復(fù)位，關(guān)閉所有閥門，只留排氣閥打開(kāi)，注水， 關(guān)閉排氣閥，密閉試壓，監(jiān)測(cè)儀表、監(jiān)測(cè)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(yàn)艙，密封采用隔水膠、再生膠墊填塞環(huán)形空隙，同時(shí)分層埋置需要的傳感器，養(yǎng)護(hù)模型；(3) 施加垂直荷載關(guān)閉上艙蓋，打開(kāi)排氣閥，啟動(dòng)試驗(yàn)控制器，逐級(jí)施加垂直荷載，監(jiān)測(cè)每級(jí)加載時(shí)液壓缸行程，位移穩(wěn)定后施加下一級(jí)荷載，直至需要荷載，監(jiān)測(cè)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(bǔ)給流量，通過(guò)試驗(yàn)控制器啟動(dòng)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(dá)到設(shè)置水壓，打開(kāi)試驗(yàn)艙出水閥，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜐B漏特性后關(guān)閉等待開(kāi)采模擬；( 模擬開(kāi)采和數(shù)據(jù)采集打開(kāi)試驗(yàn)艙出水閥，按設(shè)計(jì)方案逐步啟閉分步采動(dòng)模擬控制閥，同時(shí)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(cè)流量，記錄水量變化的時(shí)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(cè)打開(kāi)模型，按層序拆除模型，分步拍照，記錄現(xiàn)象；(7)修改試驗(yàn)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(hào)-時(shí)間、信號(hào)-位置關(guān)系，整理采動(dòng)過(guò)程-監(jiān)測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)，建立不同時(shí)刻的應(yīng)力場(chǎng)、 位移場(chǎng)和水壓力場(chǎng)等，分析開(kāi)采、垂直荷載、水壓力、地層組合、巖性與開(kāi)采破壞、突涌水的關(guān)系，提煉突涌水前后監(jiān)測(cè)信號(hào)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(dòng)開(kāi)采的礦井水害綜合模擬系統(tǒng)及試驗(yàn)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(kāi)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(yàn)艙和艙內(nèi)自動(dòng)開(kāi)采模擬裝置，容許最高水壓3MPa，施加最大垂直荷載3MPa，試驗(yàn)直徑1.4m，試樣組合高度1.4m。包含模型試驗(yàn)艙、穩(wěn)定高水壓(流量)供水及控制裝置、開(kāi)采模擬及控制裝置、多重干涉流量觀測(cè)裝置和壓力、應(yīng)力、溫度、PH值組合觀測(cè)子系統(tǒng)。并建立了高水壓、高應(yīng)力下自動(dòng)模擬礦井頂?shù)装宀蓜?dòng)突涌水和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)方法。
文檔編號(hào)E21F17/00GK102400714SQ20101028589
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)