一种邻近承压含水层开采岩层移动实验装置及方法

摘要

本发明提供了一种邻近承压含水层开采岩层移动实验装置，包括内装有模拟煤岩层的模拟架和埋设于所述模拟架上部的模拟岩层中的若干个承压含水层模拟装置，若干个承压含水层模拟装置沿模拟架长度方向依次排列布置，所述承压含水层模拟装置包括底座、顶梁、轻型液压油缸、两根支撑杆、高压油管、液压泵、应力传感器、数据线和数据采集器，所述轻型液压油缸包括活塞杆、缸筒和后法兰，应力传感器设置于活塞杆的上端，通过数据线将应力传感器与数据采集器相连。本发明所述的实验装置可以很好的再现承压含水层应力传递特性，结构简单、加载精度高、水压大小可调、含水层水压和变形量易于观测。本发明还提供了上述实验装置的使用方法。

说明书

技术领域

本发明属于相似模拟实验装置及方法技术领域，尤其是涉及一种邻近承压含 水层开采岩层移动实验装置及方法。

背景技术

我国华东、华北、东北等矿区所采煤层之上覆盖200～600m左右的厚松散含 水层。根据经验，早期一般留设80m防水煤岩柱，压煤量超过百亿吨。如安徽 淮南潘集谢桥矿区，区内第四系松散层厚169～437m，为巨厚松散强含水层，下 部含水组直接与基岩面接触，局部为薄黏土层，富水性强，水量大，因此，各矿 设计时均留设80m防水煤岩柱，防水煤柱储量达6亿吨，因煤层倾角小，呆滞 了大量煤炭资源。通过提高回采上限，缩小防水煤柱高度，可以延长矿井第一水 平服务年限，缓解接替紧张，提高煤炭资源回收率。但是由于开采上限的提高， 煤层顶板岩性受沉积环境和风氧化带的影响而发生了变化，常常发生工作面冒顶 而埋架的重大恶性事故。

相似材料模拟试验具有研究成本低、周期短、直观形象、可严格控制模拟对 象的主要参量等优点。因此，在岩体力学、地下工程中得到了广泛地应用，尤其 在采矿学科中相似材料模拟试验得到了更广泛地应用。相似模拟试验方法是矿山 压力与岩层控制主要研究手段之一。

相似模拟实验结果的真实性取决于模型和被模拟实验对象的相似度，或模拟 实验条件的真实程度。但是由于承压含水层的模拟实验条件很难在模拟架上实 现，使得成为影响邻近承压含水层开采岩层移动研究的主要瓶颈。而目前开展的 承压含水层的模拟实验大都是在一个相对封闭的环境进行，如专利 CN201037819Y公开了一种松散承压含水层载荷传递作用的实验装置，根据松散 承压含水层载荷特性，通过装有水砂骨料的密封水袋模拟松散承压含水层，研究 了松散承压含水层对薄基岩采场关键层复合破断影响机制。然而尽管水砂袋具有 足够的柔软性，但是在初次来压期间，岩层发生台阶下沉，当台阶下沉量超过水 砂袋的变形范围时，水砂袋与岩层不能充分接触，会影响到模拟效果；另外，在 封闭的环境下模拟松散承压含水层对加载精度、含水层水压和变形量的观测带来 一定困难。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种邻近承压含水层开采岩层移 动实验装置，结构简单、加载精度高、水压大小可调、含水层水压和变形量易于 观测；本发明还提供了上述邻近承压含水层开采岩层移动实验装置的实验方法， 操作方便、精度高。

本发明采用的技术方案是：

一种邻近承压含水层开采岩层移动实验装置，包括内装有模拟煤岩层的模拟 架和埋设于所述模拟架上部的模拟岩层中的若干个承压含水层模拟装置，若干个 所述承压含水层模拟装置沿所述模拟架长度方向依次排列布置，所述承压含水层 模拟装置包括底座、顶梁、轻型液压油缸、两根支撑杆、高压油管、液压泵、应 力传感器、数据线和数据采集器，两根所述支撑杆分别设置于所述轻型液压油缸 的两侧，所述轻型液压油缸包括活塞杆、缸筒和后法兰，所述后法兰与所述缸筒 的下端固定连接，所述后法兰固定在所述底座上，所述高压油管的一端与所述轻 型液压油缸相连，另一端伸出所述模拟架外与所述液压泵连接，所述液压泵出口 处设有单向阀和压力表，所述应力传感器设置于所述活塞杆的上端，通过所述数 据线将所述应力传感器与所述数据采集器相连，所述支撑杆的最小高度大于所述 轻型液压油缸的最小高度，相邻所述承压含水层模拟装置的所述底座的端部相接 触，相邻所述承压含水层模拟装置的所述顶梁的端部相接触。

本发明所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置，其中，所述支撑杆包 括内管和外管，所述内管的上端固定在所述顶梁的下表面，所述外管的下端固定 在所述底座的上表面，所述外管的内径略大于所述内管的外径，所述内管的下端 能沿所述外管的内壁上下滑动。

本发明所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置，其中，所述轻型液压 油缸的工作压力为0.3～7.0MPa，高度为120～195mm。

本发明所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置，其中，所述顶梁和所 述底座的长度均与所述模拟架的宽度H相等。

本发明所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置，其中，所述顶梁和所 述底座的宽度小于50mm。

本发明所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置，其中，所述内管的外 径为20mm，内管的高为125mm，外管的高为120mm。

本发明所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置，其中，所述内管的壁 厚不小于2mm。

本发明所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置，其中，所述液压泵上 还设有手柄。

本发明所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置，其中，所述内管的表 面设有刻度。

本发明所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置的实验方法，包括如下 步骤：

(a)以砂子为骨料，碳酸钙、石膏为胶结材料，硼砂为缓凝剂，在所述模 拟架内由下往上逐层铺设模拟岩层，在所述模拟架上部的所述模拟岩层中埋设若 干个所述承压含水层模拟装置，再依次铺设含水层的顶板模拟岩层；

(b)模拟岩层铺设好后，在自然条件下风干，试验前，首先通过所述液压 泵将高压液体注入所述轻型液压油缸，所述活塞杆可由油液压力推出，顶紧在所 述顶梁下，并继续缓慢加载直至所述压力表显示达到模拟承压含水层水压，并在 所述顶板模拟岩层上部放置配重块，之后保持稳压状态；

(c)对所述模拟架内部的模拟煤层进行分步开挖，通过所述数据采集器采 集所述应力传感器的数据，同时观测每次开挖后所述模拟煤层上方的所述模拟岩 层裂隙发育高度，得到裂隙发育高度与工作面推进位置之间的关系；

(d)每次开挖后，保持稳压状态，待所述模拟岩层稳定后，再进行下一次 的开挖，在开挖的全过程要保证轻型液压油缸处于恒压状态，受采动影响，当所 述模拟岩层的裂隙发育高度波及到承压含水层的顶板模拟岩层时，岩层移动会使 顶板模拟岩层的压力小于所述轻型液压油缸的支撑力，所述压力表读数降低，将 高压液体经所述高压油管注入所述液压油缸，所述活塞杆升起，从而达到恒压状 态。

与已有技术相比，本发明有益效果体现为：

本发明所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置，可以很好的再现承压 含水层应力传递特性，当岩层移动波及到承压含水层时会引起轻型液压油缸压力 降低，首先通过布置在活塞杆上方的应力传感器可以监测到，从而可以考察覆岩 运动与工作面推进距离的时空关系，活塞杆在上伸的同时，支撑杆发生伸长，通 过读取支撑杆内管表面的刻度值可以得到模拟岩层发生的台阶下沉量，可模拟覆 岩结构、含水层水压、关键层强度、支架工作阻力和基岩厚度对关键层复合破断 的影响，设计合理、结构简单、加载精度高、水压大小可调、含水层水压和变形 量易于观测，为继续开展承压含水层下开采覆岩破断压架致灾机理，防水煤柱合 理确定等研究提供了实验条件。

本发明所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置，所述轻型液压油缸的 工作压力为0.3～7.0MPa，高度为120～195mm，轻型液压油缸使用压力范围为 0.3～7.0MPa，可以模拟承压含水层不同水压大小；高度为120～195mm，可以模 拟各种一次采全高工作面，能够满足工作面采高需要；可以保证工作面开挖前顶 板岩层压力可以通过内管传递到底板岩层，而液压油缸不被压死。

本发明所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置，所述顶梁和所述底座 的长度均与所述模拟架的宽度H相等，因为在铺设模拟岩层时，在模拟架的前后 两面还需要加槽钢，而承压含水层模拟装置需要在铺设模拟岩层时放进去，所以 顶梁和底座长度优选为不能大于模拟架的宽度H；另外，在承压含水层模拟装置 顶梁上方还要铺设顶板模拟岩层，所以顶梁的长度优选为等于模拟架宽。

本发明所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置，所述内管的外径为 20mm，内管的高为125mm，外管的高为120mm，易于焊接内管。

本发明所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置的实验方法，操作方 便，精度高，含水层水压和变形量易于观测。

附图说明

图1为本发明所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置的主视图；

图2为沿图1中A-A线的剖视图；

图3为本发明所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置的承压含水层 模拟装置的结构示意图；

图4为本发明所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置的承压含水层 模拟装置的活塞杆上升后的结构示意图。

图中：1、模拟架，2、底座，3、顶梁，4、轻型液压油缸，41、活塞杆，42、 缸筒，43、后法兰，5、支撑杆，51、内管，52、外管，6、螺丝，7、高压油管， 8、液压泵，81、单向阀，82、压力表，9、模拟岩层，91、顶板模拟岩层，92、 底板模拟岩层，10、应力传感器，11、数据线，12、数据采集器，13、手柄，14、 模拟煤层，15、配重块。

下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，一种邻近承压含水层开采岩层移动实验装 置，包括内装有模拟煤岩层的模拟架1和埋设于模拟架1上部的模拟岩层9中的 若干个承压含水层模拟装置，若干个所述承压含水层模拟装置沿模拟架1长度方 向依次排列布置，所述承压含水层模拟装置包括底座2、顶梁3、轻型液压油缸 4、两根支撑杆5、若干螺丝6、高压油管7、液压泵8、应力传感器10、数据线 11、数据采集器12和手柄13，两根支撑杆5沿模拟架1宽度方向分别设置于轻 型液压油缸4的两侧，轻型液压油缸4包括活塞杆41、缸筒42和后法兰43，后 法兰43与缸筒42的下端固定连接，采用若干螺丝6将后法兰43固定在底座2 上，轻型液压油缸4的缸径为32mm，工作压力为0.3～7.0MPa，最小高度为 120mm，最大高度为195mm，工作行程为75mm；高压油管7的一端与轻型液 压油缸4相连，另一端伸出模拟架1外与液压泵8连接，液压泵8出口处设有单 向阀81和压力表82，液压泵8上还设有手柄13，顶梁3和底座2的长度均与模 拟架1的宽度H相等，顶梁3和底座2的宽度小于50mm，顶梁3和底座2是 长方形的钢板，应力传感器10设置于轻型液压油缸4的活塞杆41的上端，通过 数据线11将应力传感器10与数据采集器12相连，相邻所述承压含水层模拟装 置的底座2的端部相接触，相邻所述承压含水层模拟装置的顶梁3的端部相接触， 本实施例设有40个所述承压含水层模拟装置，模拟架长度为2m，承压含水层模 拟装置的顶梁3的宽度为5cm；

支撑杆5包括内管51和外管52，内管51和外管52的材质为镀锌管，内管 51的上端通过焊接固定在顶梁3的下表面，外管52的下端通过焊接固定在底座 2的上表面；内管51的外径为20mm，外管52的内径略大于内管51的外径，内 管51的下端能沿外管52的内壁上下滑动，内管51的高为125mm，外管52的 高为120mm，内管51的壁厚不小于2mm，能承受上部岩层的载荷，内管51的 表面设有刻度，通过读取刻度的值可以得到模拟岩层9垂直变形量；支撑杆5 的最小高度大于轻型液压油缸4的最小高度，当顶板模拟岩层91压力大于轻型 液压油缸4的支撑力，顶板模拟岩层91的压力通过支撑杆5传递到底板模拟岩 层92中；受模拟煤层10采动卸压影响，当顶板模拟岩层91的压力小于轻型液 压油缸4的支撑力，高压液体经高压油管7注入到轻型液压油缸4，活塞杆41 升起，从而达到恒压状态。

本实施例所述的邻近承压含水层开采岩层移动实验装置的实验方法，包括如 下步骤：

(a)以砂子为骨料，碳酸钙、石膏为胶结材料，硼砂为缓凝剂，在模拟架 1内由下往上逐层铺设模拟岩层9，在模拟架1上部的模拟岩层9中埋设若干个 承压含水层模拟装置，通过伸出模拟架1外部的高压油管7将轻型液压油缸4 与液压泵27相连接，在活塞杆41的上端放置应力传感器10，并通过数据线11 将应力传感器10与数据采集器12相连接，再依次铺设含水层的顶板模拟岩层 91；

(b)模拟岩层9铺设好后，在自然条件下放置15天风干，试验前，首先通 过液压泵8将高压液体注入轻型液压油缸4，活塞杆41可由油液压力推出，顶 紧在顶梁3下，并继续缓慢加载直至压力表82显示达到模拟承压含水层水压， 并在顶板模拟岩层91上部放置配重块11，之后稳压2h；

(c)对模拟架1内部的模拟煤层14进行分步开挖，通过数据采集器12采 集应力传感器10的数据，每隔1s采集一次，同时观测每次开挖后模拟煤层14 上方模拟岩层9裂隙发育高度，得到裂隙发育高度与工作面推进位置之间的关 系；

(d)每次开挖后，稳压半小时，待模拟岩层9稳定后，再进行下一次的开 挖，在开挖的全过程要保证轻型液压油缸4处于恒压状态，受采动影响，当模拟 岩层9裂隙发育高度波及到承压含水层的顶板模拟岩层91时，岩层移动会使顶 板模拟岩层91的压力小于轻型液压油缸4的支撑力，压力表82读数降低，摇动 手柄13将高压液体经高压油管7注入液压油缸4，活塞杆41升起，从而达到恒 压状态。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明 的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本 发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护 范围内。