一种矿震对煤矿地下水库影响的物理模拟试验系统及方法

摘要

一种矿震对煤矿地下水库影响的物理模拟试验系统及方法属于采矿工程与水利工程跨学科技术领域。首先在振动台上固定模型箱；在模型箱内放入模型地层材料以模拟各岩层，做出模型煤柱，放入气垫模拟煤层采空区域；布设加速度传感器，微型压力计，拉线式位移计和百分表位移计；在静态作用下先测出各传感器初值，然后分段模拟采空煤层，记录静态作用下数据；向振动台（2）输入峰值加速度不同的几种典型地震波，待振动完成后分别记录微型压力计，拉线式位移计和百分表位移计和加速度传感器的数据。观测振动后模型剖面加速度变化规律、模型表面位移沉降规律、模型煤层顶板的位移变化规律以及模型煤柱的应力变化规律，研究地下水库库容的变化问题。

说明书

技术领域

本发明属于采矿工程与水利工程跨学科技术领域，主要用于验证煤矿采 空区作为地下水库的可行性试验研究。

背景技术

现阶段关于地下水库的试验主要集中在地下采空区的位移变形监测和应 力变化监测、地下水库的调蓄、渗漏监测情况以及水体构筑物的稳定性等方 面。试验采用的方法多为二维静态模拟法，很少采用三维动态模拟试验。在 三维模型试验中，模型箱采用定制钢板，能满足建造模型要求，但不便于观 测模型的变形规律，且模型的位移监测也存在着精度不高等缺陷。所以，在 目前采矿工程与地下工程所做的相关相似材料模型试验中，仍存在一些问题 和关键技术，即：

（1）如何提高采空区地下水库三维动态模拟试验的可观测性，即如何在 振动台上构建便于观测内部变化的模型箱。

（2）对于三维动态模拟试验，如何准确测定模型表面位移、作为地下水 库的采空区顶板和底板位移、采空区煤柱应力等数据。

（3）在施加地震波的影响以后，能否有效观测地下水库库容的变化及库 底灾变规律。

发明内容

本发明是一种通过三维模型试验揭示采空区地下水库动力灾变规律的试 验系统及方法。

一种矿震对煤矿地下水库影响的物理模拟试验系统，其特征在于：

模型箱1固定在振动台2上，基准梁11固定在模型箱1顶部；模型箱1 内放置模型地层材料7和模型煤柱4，模型煤柱4两侧放置气垫3；在每层煤 柱4的上、下面分别布设加速度传感器5，在气垫3的上、下面分别布设加速 度传感器5，在模型箱1表面布设加速度传感器5，在振动台2固定一个加速 度传感器5；在模型煤柱4布设微型压力计6；拉线式位移计9固定于基准梁 11，通过拉线13连接下端一托板8并固定在气垫3和模型煤柱4上，拉线13 外套一层套管14以确保拉线能够自由拉伸；百分表位移计10固定在基准梁 11上，并使其伸缩杆顶在模型表面。

应用所述系统的方法，其特征在于：

首先在振动台2上固定模型箱1；在模型箱1内放入模型地层材料7以模 拟各岩层，做出模型煤柱4，放入气垫3模拟煤层采空区域；布设加速度传感 器5，微型压力计6，拉线式位移计9和百分表位移计10；在静态作用下先测 出各传感器初值，然后分段模拟采空煤层，记录静态作用下微型压力计6、拉 线式位移计9和百分表位移计10数据；向振动台2输入峰值加速度不同的几 种典型地震波，待振动完成后分别记录微型压力计6、拉线式位移计9和百分 表位移计10、加速度传感器5的数据。

传感器的布设是基于以下原则：试验过程中需要监测地表位移、采空区 顶板位移以及采空区煤柱压力，因此在采空区顶板和地表布设位移计。由于 试验过程中模型均处于变形状态，因此在模型箱上端安置一个试验过程中不 产生变形的基准梁作为基准，所有位移计均固定在该基准梁上。采空区则由 定做的高压阀气垫组成。两端煤柱上布设压力计，可以测得煤柱的压应力。 加速度传感器布设在两端煤柱和中间采空区共计三个剖面上，可以测得振动 过程各剖面的加速度变化规律。试验模型中的模拟地层材料是通过对土体掺 杂其它材料进行合理配比，可按照试验相似比模拟出不同地层，且地层的力 学参数均符合试验相似比。

俯视图如图1所示（1.模型箱2.振动台5.加速度传感器6.微型压力计7. 模型地层材料9.拉线式位移计10.百分表位移计11.基准梁12.螺钉）

A-A剖面透视图如图2所示（1.模型箱2.振动台3.气垫4.模型煤柱5.加 速度传感器6.微型压力计7.模型地层材料8.托板9.拉线式位移计10.百分表 位移计11.基准梁12.螺钉13.拉线14.套管）。

本发明是一种通过三维模型试验揭示采空区地下水库动力灾变规律的试 验方法，主要解决了以下技术问题：

（1）构建了采空区地下水库三维模型箱，模型箱采用透明钢化玻璃，能 够有效观察到模型地下水库的采空区顶板和底板的变形沉陷规律。

（2）在采空区地下水库三维模型试验装置中，建立了一整套监测技术， 包括：地表位移、采空区顶板位移、采空区顶板与煤柱压力。该监测技术可 以有效观测内部位移，且监测精度较高，可达0.01mm。

（3）以大型振动台为基础，模型箱便于固定在振动台上，在模型煤层采 空后，输入典型地震波，可观测地下水库库区内部的变形、应力变化、库容 的变化以及库底会否产生渗漏现象。

（4）在试验过程中可以得到不同加速度情况下煤柱压应力和采空区顶板 位移的沉降值，测得模型地表沉降系数为0.63，而实际地表沉降系数为 0.58-0.60；煤层开采后模型煤柱压应力为12MPa，数值计算得到煤柱最大应 力为12.1MPa。由此可见，试验测得值和工程实际较为接近。

因此，采用本方法能够使采空区作为地下水库的动力模拟试验得以实现， 且试验数据验精度高，试验结果准确可靠。

附图说明

图1本发明俯视图

图2A-A剖面透视图

具体实施方式

模型箱1固定在振动台2上，基准梁11用螺钉固定在模型箱1顶部；模 型箱1内放置模型地层材料7和模型煤柱4，模型煤柱4两侧放置气垫3；在 两层煤柱4和气垫3的上、下面以及模型表面分别布设3个加速度传感器5， 在振动台2固定一个加速度传感器5；在模型煤柱4布设微型压力计6；拉线 式位移计9固定于基准梁11，通过拉线13连接下端一托板8并固定在气垫3 和模型煤柱4上，拉线13外套一层套管14以确保拉线能够自由拉伸；百分 表位移计10固定在基准梁11上，并使其伸缩杆顶在模型表面。

首先在振动台2上固定三维钢化玻璃模型箱1；在模型箱1内放入模型地 层材料7以模拟各岩层，做出模型煤柱4，放入气垫3模拟煤层采空区域；布 设加速度传感器5，微型压力计6，拉线式位移计9和百分表位移计10；在静 态作用下先测出各传感器初值，然后分段模拟采空煤层，记录静态作用下微 型压力计6、拉线式位移计9和百分表位移计10数据；向振动台2输入峰值 加速度依次为0.1g、0.2g、0.3g、0.4g和0.5g的典型地震波，待振动完成后分 别记录微型压力计6、拉线式位移计9和百分表位移计10、加速度传感器5 的数据，观测振动后模型剖面加速度变化规律、模型表面位移沉降规律、模 型煤层顶板的位移变化规律以及模型煤柱的应力变化规律，研究地下水库库 容的变化问题；通过模型箱1的玻璃表面还可观测到作为地下水库的采空区 变形规律，研究地下水库库底的渗漏问题。