專(zhuān)利名稱(chēng)：松散承壓含水層采動(dòng)水位變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)驗(yàn)裝置及方法，尤其是一種松散承壓含水層采動(dòng)水位變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置及方法。
背景技術(shù)：
松散承壓含水層下采煤，由于疏降排水成本高、周期長(zhǎng)，對(duì)水體環(huán)境影響大，因此大多數(shù)煤礦采用帶壓開(kāi)采，但是由于壓力大、基巖薄，由此帶來(lái)的頂板壓架突水危險(xiǎn)性也隨之加大。以皖北祁東煤礦為例，其422421^14412^30等多個(gè)工作面相繼發(fā)生了多達(dá) 16起類(lèi)似的壓架突水事故，其中6J0工作面從2009年9月13日到2010年3月1日，在短短的四個(gè)月間就發(fā)生了四起壓架突水事故。頻繁的壓架突水事故已經(jīng)嚴(yán)重影響到煤礦的正常生產(chǎn)，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由于的流動(dòng)性和補(bǔ)給作用，松散承壓含水層有載荷傳遞作用，導(dǎo)致松散承壓含水層下開(kāi)采關(guān)鍵層易產(chǎn)生復(fù)合破斷(即相鄰兩層或多層關(guān)鍵層同步破斷)，引起工作面礦山壓力的急劇增大與含水層水位的驟然下降。由于工作面巖層存在著周期性的下沉、回轉(zhuǎn)、垮落，含水層水位也存在周期性的上升與下降。但是含水層水位的下降與工作面礦壓顯現(xiàn)存在著怎樣的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系呢？其影響因素有哪些呢？能否通過(guò)含水層水位下降量來(lái)預(yù)警工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度呢？該方法的時(shí)效性如何？這些都是尚未研究清楚的問(wèn)題，因此，繼續(xù)深入研究松散承壓含水層下采煤壓架突水災(zāi)害預(yù)警機(jī)理是十分必要的，但是目前，在我國(guó)礦業(yè)領(lǐng)域還沒(méi)有研究該方面的實(shí)驗(yàn)裝置，基于此，設(shè)計(jì)了該套實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)研究含水層水位下降量與關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的時(shí)空關(guān)系及其影響因素。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、用途多元化、水位補(bǔ)給源高度可調(diào)、可實(shí)現(xiàn)不同的承壓水頭的松散承壓含水層采動(dòng)水位變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置及方法。技術(shù)方案本發(fā)明的松散承壓含水層采動(dòng)水位變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，包括數(shù)據(jù)采集器，該裝置內(nèi)裝有模擬煤巖層的模擬箱，在模擬箱上部的模擬巖層中設(shè)有松散承壓含水層袋，松散承壓含水層袋的一側(cè)上部設(shè)有伸出模擬箱外部的水位管，另一側(cè)設(shè)有伸出模擬箱外部與水箱相連接的進(jìn)水管；水位管上設(shè)有與數(shù)據(jù)采集器相連的水位計(jì)。所述進(jìn)水管上設(shè)有水表和控制水流量的水閥；所述的模擬箱下部的模擬煤層處設(shè)有活動(dòng)窗口 ；所述松散承壓含水層袋由密封水袋和裝入密封水袋內(nèi)約為Icm的砂粒和加入密封水袋內(nèi)與砂粒質(zhì)量百分比為30%的水構(gòu)成。本發(fā)明的松散承壓含水層采動(dòng)水位變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步驟
a.采用水泥、石灰、石膏在模擬箱內(nèi)由下往上鋪設(shè)模擬煤巖層，在鋪設(shè)模擬煤巖層的過(guò)程中，在模擬煤巖層的中上部放置松散承壓含水層袋，并在松散承壓含水層袋的一側(cè)上部設(shè)置水位管，另一側(cè)的側(cè)面連接進(jìn)水管，進(jìn)水管與高度高于模擬箱的水箱連接；b.在水位管的頂部安裝水位計(jì)，并將水位計(jì)與數(shù)據(jù)采集器相連接；
c.開(kāi)啟水閥向松散承壓含水層袋內(nèi)注水，直至水表顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，記下此時(shí)水表的讀
數(shù)；
d.打開(kāi)模擬煤層處的活動(dòng)窗口，模擬開(kāi)采模擬箱內(nèi)的模擬煤層，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器采集水位管內(nèi)的水位變化值，每隔0. 5s記錄水位計(jì)的讀數(shù)，每隔60s記錄水表的讀數(shù)，同時(shí)觀察模擬煤層上方的模擬巖層的變化情況，得出模擬巖層破壞程度與水位下降速度之間的關(guān)系。有益效果本發(fā)明選用與現(xiàn)場(chǎng)“松散承壓含水層”相類(lèi)似的介質(zhì)，使得模擬結(jié)果較為真實(shí)可靠，反映了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況；通過(guò)水位儀來(lái)記錄四含水位隨工作面開(kāi)采的變化情況，可以考察水位變化與關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)的時(shí)空關(guān)系，可以模擬導(dǎo)水裂隙帶變化與含水層水位之間的關(guān)系。模擬含水層水位變化與關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)時(shí)空關(guān)系的影響因素包括主關(guān)鍵層位置、 主關(guān)鍵層厚度、工作面開(kāi)采速度、四含水水壓、骨架顆粒大小等，還可模擬承壓含水層下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)展過(guò)程及與水位變化的時(shí)空關(guān)系。用途可多元化。水位補(bǔ)給源高度可調(diào)，能實(shí)現(xiàn)不同的承壓水頭，滿足不同采礦條件下的模擬需要。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、能有效模擬工作面巖層周期性下沉、回轉(zhuǎn)、垮落的情況，為實(shí)際運(yùn)用提供參考數(shù)據(jù)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1 一模擬箱；2 —松散承壓含水層袋；3 —水位計(jì)；4 一水閥；5 —數(shù)據(jù)采集器；6 —進(jìn)水管；7 —水箱；8 —水位管；9 一水表10 —模擬煤層；11 一模擬巖層。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明的松散承壓含水層采動(dòng)水位變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，主要由數(shù)據(jù)采集器5，數(shù)據(jù)采集器5選用FYC-3型浮子式液位傳感器，該裝置內(nèi)裝有模擬煤巖層11的模擬箱1，模擬箱1下部的模擬煤層10處設(shè)有方便開(kāi)合的活動(dòng)窗口，在模擬箱1上部的模擬巖層11中設(shè)有松散承壓含水層袋2，松散承壓含水層袋2由密封水袋和裝入密封水袋內(nèi)約為Icm的砂粒和加入密封水袋內(nèi)與砂粒質(zhì)量百分比為30%的水構(gòu)成。松散承壓含水層袋 2的一側(cè)上部設(shè)有伸出模擬箱1外部的水位管8，另一側(cè)設(shè)有伸出模擬箱1外部與水箱7相連接的進(jìn)水管6，進(jìn)水管6上設(shè)有水表9和控制水流量的水閥4。水箱7大小大于等于松散承壓含水層袋2的體積，以保證可以提供充足的水源。水位管8上設(shè)有與數(shù)據(jù)采集器5相連的水位計(jì)3，水位計(jì)3由浮子驅(qū)動(dòng)，是用于連續(xù)性水位變化的水位測(cè)量計(jì)，通過(guò)浮子一浮子電纜——配重系統(tǒng)將水位的變動(dòng)傳輸?shù)礁袘?yīng)器的浮子滑輪上，通過(guò)此系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將水位轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠繑?shù)據(jù)采集器5中。本發(fā)明的松散承壓含水層采動(dòng)水位變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方法先采用水泥、石灰、石膏在模擬箱1內(nèi)由下往上鋪設(shè)模擬煤巖層11，在鋪設(shè)模擬煤巖層11的過(guò)程中，在模擬煤巖層 11的中上部放置松散承壓含水層袋2，并在松散承壓含水層袋2的一側(cè)上部設(shè)置水位管8， 另一側(cè)的側(cè)面連接進(jìn)水管6，進(jìn)水管6與高度高于模擬箱1的水箱7連接；在水位管8的頂部安裝水位計(jì)3，并將水位計(jì)3與數(shù)據(jù)采集器12相連接；開(kāi)啟水閥4向松散承壓含水層袋2 內(nèi)注水，直至水表9顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不再變化，記下此時(shí)水表的讀數(shù)；之后打開(kāi)模擬煤層10處的活動(dòng)窗口，按照與現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間相似比例為1:10、尺寸相似比例為1:100的相似比例，模擬開(kāi)采模擬箱1內(nèi)的模擬煤層10，在模擬煤層兩側(cè)各預(yù)留20cm的煤柱，從模擬煤層的右側(cè)預(yù)留煤柱開(kāi)始開(kāi)采，每20分鐘開(kāi)采IOcm模擬煤層，直至開(kāi)采至模擬煤層的左側(cè)預(yù)留煤柱。在此過(guò)程中，模擬煤層開(kāi)采后會(huì)導(dǎo)致上覆模擬巖層的垮落，從而使得松散承壓含水袋中的水向該垮落區(qū)域流動(dòng)，引起水位下降，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器5采集水位管8內(nèi)的水位變化值，每隔 0. &記錄一次水位計(jì)3的讀數(shù)，每隔60s記錄一次水表9的讀數(shù)，同時(shí)觀察模擬煤層上方的模擬巖層的變化情況，得出模擬巖層破壞程度與水位下降速度之間的關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種松散承壓含水層采動(dòng)水位變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，包括數(shù)據(jù)采集器(5)，其特征在于該裝置內(nèi)裝有模擬煤巖層的模擬箱(1)，在模擬箱(1)上部的模擬巖層中設(shè)有松散承壓含水層袋(2)，松散承壓含水層袋(2)的一側(cè)上部設(shè)有伸出模擬箱(1)外部的水位管(8)， 另一側(cè)設(shè)有伸出模擬箱(1)外部與水箱(7)相連接的進(jìn)水管(6);水位管(8)上設(shè)有與數(shù)據(jù)采集器(5)相連的水位計(jì)(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的松散承壓含水層采動(dòng)水位變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述進(jìn)水管(6 )上設(shè)有水表(9 )和控制水流量的水閥(4 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的松散承壓含水層采動(dòng)水位變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的模擬箱(1)下部的模擬煤層(10)處設(shè)有活動(dòng)窗口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的松散承壓含水層采動(dòng)水位變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于所述的松散承壓含水層袋(2)由密封水袋和裝入密封水袋內(nèi)直徑約為Icm的砂粒和加入密封水袋內(nèi)與砂粒質(zhì)量百分比為30%的水構(gòu)成。
5.一種松散承壓含水層采動(dòng)水位變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于包括如下步驟a.采用水泥、石灰、石膏在模擬箱(1)內(nèi)由下往上鋪設(shè)模擬煤巖層，在鋪設(shè)模擬煤巖層的過(guò)程中，在模擬巖層(11)的中上部放置松散承壓含水層袋(2)，并在松散承壓含水層袋 (2)的一側(cè)上部設(shè)置水位管(8)，另一側(cè)的側(cè)面連接進(jìn)水管(6)，進(jìn)水管(6)與高度高于模擬箱(1)的水箱(7)連接；b.在水位管(8)的頂部安裝水位計(jì)(3)，使水位計(jì)(3)的浮子與水位管(8)中的水接觸，并將水位計(jì)(3 )與數(shù)據(jù)采集器(5 )相連接；c.開(kāi)啟水閥(4)向松散承壓含水層袋(2)內(nèi)注水，直至水表(9)顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，記下此時(shí)水表的讀數(shù)；d.打開(kāi)模擬煤層(10)處的活動(dòng)窗口，模擬開(kāi)采模擬箱(1)內(nèi)的模擬煤層(10)，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器(5)采集水位管(8)內(nèi)的水位變化值，每隔0. 5s記錄水位計(jì)(3)的讀數(shù)，每隔 60s記錄水表(9)的讀數(shù)，同時(shí)觀察模擬煤層上方的模擬巖層的變化情況，得出模擬巖層破壞程度與水位下降速度之間的關(guān)系。
全文摘要
一種松散承壓含水層采動(dòng)水位變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置及方法，裝置包括數(shù)據(jù)采集器、內(nèi)裝有模擬煤巖層的模擬箱，在模擬箱上部的模擬巖層中設(shè)有松散承壓含水層袋，松散承壓含水層袋的一側(cè)上部設(shè)有伸出模擬箱外部的水位管，另一側(cè)設(shè)有伸出模擬箱外部與水箱相連接的進(jìn)水管；水位管上設(shè)有與數(shù)據(jù)采集器相連水位計(jì)。通過(guò)水位儀來(lái)記錄含水位隨工作面開(kāi)采的變化情況，可模擬水位變化與關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的時(shí)空關(guān)系及其影響因素，還可模擬承壓含水層下導(dǎo)水裂隙帶與水位變化的時(shí)空關(guān)系。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、用途多元化、水位補(bǔ)給源高度可調(diào)、可實(shí)現(xiàn)不同的承壓水頭，滿足不同采礦條件下的模擬需要。
文檔編號(hào)G01N33/24GK102261942SQ20111010072
公開(kāi)日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月21日
發(fā)明者單珍君, 朱衛(wèi)兵, 王曉振, 許家林, 郝憲杰 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)