一种煤矿井下水闸墙挡水模拟试验系统及方法

摘要

一种煤矿井下水闸墙挡水模拟试验系统及方法，该系统包括供水加压系统、水闸墙挡水围岩渗透装置、围岩荷载装置、流量测试系统、数据采集系统、数据存储系统和供电系统；方法为配料及准备、铺料及埋设传感器、材料固结及围岩补偿荷载、水闸墙挡水模拟、数据采集、流量监测、数据处理和水闸墙挡水规律分析；本发明能够解决煤矿水闸墙井下施工难度大，运行后难以观测和改建等问题，通过模拟试验再现了煤矿井下水闸墙的工作状态，揭露深部围岩挡水后的变化规律，易于发现水闸墙在不同工况下的状态问题，为优化与调整水闸墙的设计方案提供科学依据，对保障煤炭安全开采具有重要的现实意义，对具有相应矿井防治水工程的煤矿有显著的推广应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿水闸墙防治水工程的参数采集、监测技术领域，具体是一种水闸墙挡水模拟装置。

背景技术

我国采煤历时悠久，煤田水文地质条件复杂多变，矿井水害构成了我国煤矿主要的灾害之一。矿井水害事故轻者冲垮工作面、淹没设备、增加矿井排水负担，严重者造成人员伤亡、淹井，造成重大经济损失，严重威胁矿工生命安全。目前，我国成熟的矿井防治水方法有很多，水闸墙作为一种工程措施目前已应用十分广泛，尤其是在水文地质条件复杂、水患威胁严重的大水矿井，若遇充水小窑或老空积水、充水溶洞或断层、充水工作面或采矿场、出水的掘进头、与地表水体相连的巷道，甚至是已淹水的采掘工作面或是即将关停的小煤矿等，采用水闸墙隔绝并防治井下高压水是行之有效的重要措施，也是目前我国煤炭行业的安全管理规定。

目前，工程领域对水闸墙的研究已经展开，但对水闸墙的工作原理与挡水效果的研究还不够深入。现有的研究方法通常有理论分析、现场实测和模型试验三种。然而，理论分析涉及工程力学、岩体力学、流体力学、结构力学等多个学科，条件简化和概化过程复杂，理论计算结果也存在一定的偏差。工程实测虽然可作为研究手段，但实施难度大，因为矿井突水成因受多重因素的影响，灾害发生后抢险救灾时间紧迫，被封堵水体无法再次揭露，虽然有的煤矿会埋设测压管监测封堵水体的水压，但获得的信息较为单一，无法总结出规律性的认识。再加上，水闸墙作为一种工程措施，一旦施工建成就无法再修改，运行期间可能发生的问题难以预测。

相比之下，在室内构建实物模型，变换水闸墙需抵挡的水压、围岩岩性和力学强度、水闸墙的材料特性、尺寸和形状等条件，模拟水闸墙在不同工况下的工作过程，可直观而有效地监测围岩和墙体各项指标，并预测水闸墙挡水后的工程问题，从而获得试验中大量应力场和渗流场的实测数据，分析规律、调整和求取参数，用于水闸墙挡水机理的分析与研究，并用于煤矿水闸墙防治水的工程实践的改进和优化，在科学研究、生产建设和保障安全等方面有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于解决现有煤矿井下水闸墙研究技术的不足，提供一种在实验室内易于实现、结构简单、操作方便的水闸墙挡水模拟试验系统。

本发明按以下技术方案实现：

一种煤矿井下水闸墙挡水模拟试验系统，该系统包括供水加压系统、水闸墙挡水围岩渗透装置、围岩荷载装置、流量测试系统、数据采集系统、数据存储系统和供电系统；所述围岩荷载装置设置在水闸墙挡水围岩渗透装置内，用于模拟地层的上覆补偿荷载，所述供水加压系统连接水闸墙挡水围岩渗透装置，用于模拟被水闸墙封堵的水体，所述流量测试系统连接水闸墙挡水围岩渗透装置，用于测试巷道排水的瞬时流量和累计体积，所述数据采集系统通过传感器采集围岩压力和孔隙水压力，并将采集到的数据通过数据存储系统存入到电脑中，所述供电系统连接数据采集系统，并根据需要确定供电电源的形式及大小。

优选的是，所述水闸墙挡水围岩渗透装置为一个顶面开口、中空的箱体，所述水闸墙挡水围岩渗透装置的左侧面的中间处设置有能够观察到内部的观察窗，所述观察窗中央偏下位置设置有排水管，所述排水管外接流量测试系统；所述水闸墙挡水围岩渗透装置的右侧面的中间处设置有供水管，所述供水管外接供水加压系统；所述水闸墙挡水围岩渗透装置的前表面和后表面上各设置有多个接口，水闸墙挡水围岩渗透装置内安装有多个孔隙水压力传感器和围岩压力传感器，所述孔隙水压力传感器和围岩压力传感器通过数据线穿过接口与水闸墙挡水围岩渗透装置外的数据采集系统相连接；所述水闸墙挡水围岩渗透装置内设置有顶板围岩和底板围岩，在顶板围岩和底板围岩之间形成一个巷道，在巷道之间设置有水闸墙。

优选的是，所述巷道的背水侧的底板围岩上设置有导水槽，形成坡度将水引导至排水管。

优选的是，所述围岩荷载装置由多个尺寸面积相等的活动钢板组成，钢板上一定高度处，经地面架上千斤顶反力支架，在钢板和反力支架之间架上与钢板数相等的液压千斤顶，通过液压千斤顶向围岩顶面施加分布均匀的外力，用于模拟地层的上覆补偿荷载。

优选的是，所述流量测试系统包括流量积算仪、量水箱、排水阀门和瞬时流 量计，所述排水管通过流量积算仪后连接量水箱。

优选的是，所述供水加压系统包括供水箱、供水阀门和水压表。

一种煤矿井下水闸墙挡水模拟试验系统的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，配料及准备：根据煤矿水闸墙实际工况，确定试验模拟水闸墙和围岩的材料及其配比，准备巷道支护材料，预先用相似材料浇筑水闸墙模型并定型。

所述步骤一具体为，根据煤矿水闸墙的挡水工况，根据相似准则，确定模拟巷道和水闸墙的几何尺寸；根据真实围岩和水闸墙的物理力学指标、水理指标，依据相似准则，配比出模型试验中围岩和巷道的模拟材料；利用纱网和金属骨架滤网制作模型试验中迎水侧和背水侧的巷道支护网架；根据模型中水闸墙的尺寸，预制水闸墙模具，用模拟材料预先浇筑水闸墙，养护至定型；

步骤二，铺料及埋设传感器：用固体胶、密封垫密封渗透装置内壁，自下而上逐层铺设围岩模拟材料，在设计高程与位置上预留巷道和导水槽，架上支护和预制的水闸墙，严格控制铺设质量，埋设好孔隙水压力和围岩压力传感器。围岩材料铺设至设计高程，整理平整铺上粘土和防水橡胶垫。

所述步骤二具体为，在水闸墙挡水围岩渗透装置内壁刷上固体胶后黏上透明的密封垫；根据巷道顶板和底板围岩的分布情况，自下而上逐层铺设围岩模拟材料，并按监测要求布设底板围岩的传感器，分层捣实，严格控制相似配比和铺设质量；当围岩材料铺设至巷道底板高程时，根据设计位置在巷道底板架上预制的水闸墙，并按设计要求嵌入围岩底板；在巷道背水侧底板上切出导水槽，将水引导至排水口，然后，在水闸墙背水侧和迎水侧的巷道架上支护，从水闸墙挡水围岩渗透装置的左侧面接入排水管，与导水槽相接，在水闸墙挡水围岩渗透装置的右侧面接入供水管，供水管口在巷道迎水侧空间范围内；继续铺设巷道两侧及顶板围岩材料，并按监测要求布设顶板围岩内的传感器，直至渗透箱顶部30mm处，整理平整，铺上一层粘土和防水橡胶垫；

步骤三，材料固结及围岩补偿荷载：根据巷道上覆岩层厚度和密度，通过千斤顶施加补偿荷载，静置固结模型材料。

所述步骤三具体为，根据实际巷道上覆岩层的厚度和密度，计算模型中巷道围岩的补偿荷载，在防水橡胶垫上铺上钢板，用千斤顶施加补偿荷载，将围岩铺 设材料与渗透设备内壁的接触缝面用橡胶垫密封止水，静置固结模型材料7～10天；

步骤四，水闸墙挡水模拟：用水箱控制并模拟供水水压，经供水阀向巷道供水，水闸墙开始挡水，启动各监测设备及时记录数据。

所述步骤四具体为，用水泵持续将水送至供水箱内，根据试验需要，调整供水箱高度，使其自由水面到供水口处的模拟水压满足水闸墙挡水的要求，打开供水阀门向巷道迎水侧供水，水闸墙开始挡水，供水过程中，即始终保持供水箱的自由水面有余水排出。模拟过程中，启动孔隙水压力传感器、围岩压力传感器、瞬时流量计和量水箱及时记录数据；

步骤五，数据采集：用压力变送器监测围岩内部孔隙水压力，用压力传感器监测围岩压力；

所述步骤五具体为，试验中通过压力变送器监测围岩的内部的孔隙水压力：在内径4mm的尼龙软管末端包上滤网，铺设在围岩中需要监测的位置；将尼龙管的另一端穿出接口与压力变送器连接；通过数据线将变送器与数据采集器连接，采集频率不低于1次/S；

试验中采用压力传感器监测围岩压力：用防水胶膜将传感器密封，连接数据线后，铺设在围岩中需要监测的位置；数据线另一端穿出接口，做好密封防水，然后与数据采集盒连接，通过软件采集各测点的围岩压力数据；

步骤六，流量监测：水闸墙失利后用，有渗漏水流排出，运用量水箱和瞬时流量计监测渗漏流量。

所述步骤六具体为，当水闸墙失利后，排水口有渗漏水流流出，开始时排水流量较小，用量水箱和秒表分别记录数据，计算得出一段时间的平均流量；当排水量大于10ml/s，分别用瞬时流量计和智能流量积算仪读取瞬时流量和累计水量；

步骤七，数据处理和水闸墙挡水规律分析：调整试验的供水水压、围岩特性和水闸墙几何形态和尺寸，记录监测到的围岩压力、孔隙水压力和渗漏流量数据，分析水闸墙挡水失利后围岩岩体压力和孔隙水压力的变化规律。

所述步骤七具体为，试验过程中，可变化供水水压、围岩强度和渗透性能， 水闸墙的几何形态和尺寸，观察和监测试验数据；根据供水水压、排水流量、时间、测点位置上围岩的压力和孔隙水压力，结合排水口附近观察到的围岩浸水和巷道积水的现象，分析水闸墙挡水及失利后围岩中岩体应力场和渗流场的变化过程，总结水闸墙的挡水机理，为生产实际设计水闸墙提供参考依据，并可预测水闸墙的工作状态和时效。

本发明有益效果：

(1)本发明煤矿井下水闸墙挡水模拟试验系统结构简单，实现成本低，在室内易于构建；水闸墙挡水模拟方法步骤简单，可操作性强；

(2)本发明能够真实再现水闸墙挡水后围岩内部的变化过程，实现对深部围岩应力场和渗流场的观测，获得水闸墙挡水失利后的围岩孔隙水压力、岩体压力、渗漏流量等信息，还可观察到背水侧巷道及围岩的漏水现象，便于总结水闸墙挡水时围岩的变化规律；

(3)在模拟煤矿井下水闸墙挡水时，本发明能够依据不同的矿井水文地质条件，改变水压、围岩材料特性、水闸墙尺寸和强度等条件，模拟和预测出不同工况下水闸墙的工作状态，便于水闸墙设计方案的优化；

综上所述，本发明能够解决煤矿水闸墙井下施工难度大、工程投资大、运行后难以观测和改建等问题，通过模拟试验再现了煤矿井下水闸墙的工作状态，揭露深部围岩挡水后的变化规律，易于发现水闸墙在不同工况下的状态问题，为优化与调整水闸墙的设计方案提供科学依据，对保障煤炭安全开采具有重要的现实意义，对具有相应矿井防治水工程的煤矿有显著的推广应用价值。

附图说明

图1为煤矿井下水闸墙挡水模拟试验系统原理框图；

图2为煤矿井下水闸墙挡水模拟试验系统结构示意图；

图3为水闸墙挡水围岩渗透装置俯视图；

图4为水闸墙挡水围岩渗透装置A面示意图；

图5为水闸墙挡水围岩渗透装置B面示意图；

图6为水闸墙挡水围岩渗透装置C面示意图；

图7为水闸墙挡水围岩渗透装置D面示意图；

图8为水闸墙挡水围岩渗透装置A-C面剖视图；

图9为模型巷道支护网架立体图；

图10为围岩压力历时曲线；

图11为孔隙水压力的历时曲线；

图12为用量水箱和秒表估算的渗漏水量历时曲线。

图中：1—供水加压系统，1-1—供水箱，1-2—供水阀门，1-3—水压表，2—水闸墙挡水围岩渗透装置，2-1—观察窗，2-2—排水管，2-3—供水管，2-4—接口，2-5—顶板围岩，2-6—底板围岩，2-7—巷道，2-8—导水槽，2-9—密封垫，2-10—水闸墙，3—围岩荷载装置，4—流量测试系统，4-1—流量积算仪，4-2—量水箱，4-3—排水阀门，4-4—瞬时流量计，5—数据采集系统，5-1—数据采集器，6—数据存储系统，7—供电系统，8—液压千斤顶。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1至图9所示，一种煤矿井下水闸墙挡水模拟试验系统，该系统包括供水加压系统1、水闸墙挡水围岩渗透装置2、围岩荷载装置3、流量测试系统4、数据采集系统5、数据存储系统6和供电系统7；围岩荷载装置3设置在水闸墙挡水围岩渗透装置2内，用于模拟地层的上覆补偿荷载，供水加压系统1连接水闸墙挡水围岩渗透装置2，用于模拟被水闸墙封堵的水体，流量测试系统4连接水闸墙挡水围岩渗透装置2，用于测试巷道排水的瞬时流量和累计体积，数据采集系统5通过传感器采集围岩的围岩压力和孔隙水压力，并将采集到的数据通过数据存储系统6存入到电脑中，供电系统7连接数据采集器5-1，并根据需要确定供电电源的形式及大小。

水闸墙挡水围岩渗透装置2为一个顶面开口、中空的箱体，由钢板焊接而成，四个立面的连接缝密封防水，水闸墙挡水围岩渗透装置2的A立面的中间处设置有采用透明钢化玻璃制成的观察窗2-1，观察窗2-1中央偏下位置设置有排水管2-2，排水管2-2外接流量测试系统4；水闸墙挡水围岩渗透装置2的C立面的中间处设置有供水管2-3，供水管2-3外接供水加压系统1；水闸墙挡水围岩渗透装置2的B立面和D立面上各设置有多个接口2-4，水闸墙挡水围岩渗透装置2内安装有多个孔隙水压力传感器和围岩压力传感器，孔隙水压力传感器和围岩压力传感器通过数据线穿过接口2-4与水闸墙挡水围岩渗透装置2外的数据采集 系统5相连接，各个接口2-4与钢板间做密封防水处理，水闸墙挡水围岩渗透装置2内设置有顶板围岩2-5和底板围岩2-6，在顶板围岩2-5和底板围岩2-6之间形成一个巷道2-7，在巷道2-7之间设置有水闸墙2-10。巷道2-7的背水侧的底板围岩2-6上设置有导水槽2-8，形成一定的坡度将水引导至排水管2-2。

围岩荷载装置3由十一个尺寸面积相等的活动钢板组成，钢板上一定高度处，经地面架上千斤顶反力支架，在钢板和反力支架之间架上与钢板数相等的液压千斤顶8，通过液压千斤顶8向围岩顶面施加分布均匀的外力，用于模拟地层的上覆补偿荷载。

流量测试系统4包括流量积算仪4-1、量水箱4-2，排水阀门4-3和瞬时流量计4-4，排水管2-2通过流量积算仪4-1后连接量水箱4-2。

供水加压系统1包括供水箱1-1、供水阀门1-2和水压表1-3，用水泵水送至吊在高处的供水箱1-1，通过调整供水箱1-1的高度改变供水水压，用水管连接供水箱1-1，接供水阀门1-2和水压表1-3后，经渗透装置的供水口送至渗透装置巷道2-7迎水一侧，模拟被水闸墙封堵的水体。

一种煤矿井下水闸墙挡水模拟试验系统的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：配料及准备；

根据煤矿水闸墙原型尺寸、试验条件和可操作性，确定原型与模型的几何相似比为25，构建长宽高分别为1100mmx60mmx50mm的渗透模型试验箱，模拟巷道尺寸为高120mm，宽160mm。水闸墙2-10为平板状，厚80mm，宽140mm，高180mm，四周分别向围岩嵌入10mm。

本试验采用石英砂作为相似材料骨料，用石膏和水泥作为胶结材料，构成模拟围岩和水闸墙2-10的相似材料，其中石英砂的颗粒级配如下表：

石英砂的颗粒级配表

颗粒粒径(mm) 0.5～1 0.25～0.5 0.1～0.25 0.01～0.1 重量比例(％) 2 30 67 1

按比例称重石英砂、水泥和石膏，然后混合在一起；配制1％的硼砂水溶液，称取混合料重量的10％，倒入混合料充分搅拌。各相似材料的配比如下表：

相似材料配比

根据上述水闸墙2-10的材料配比和几何尺寸，预制水闸墙2-10模块，养护定型。根据渗透模型箱供水口和排水口位置，确定好巷道2-7底板标高和水闸墙2-10位置，确定巷道2-7迎水侧和背水侧各自的长度，用纱网和金属骨架滤网制作相应的巷道支架。

步骤二：铺料及埋设传感器；

密封渗透箱底部和侧面的交接缝，从渗透箱底面开始铺设底板围岩2-6材料，并按设计位置埋设围岩压力传感器和孔隙水压力传感器。达到巷道2-7底板标高时，架上巷道支护和预制好的水闸墙2-10。继续铺设巷道2-7两侧及顶板围岩2-5材料，并按监测要求布设顶板围岩2-5内的压力传感器和孔隙水压力传感器，直至渗透箱顶部30mm处，整理平整，铺上一层粘土和防水密封垫2-9。

步骤三：材料固结及围岩补偿荷载；

根据实际巷道上覆岩层的厚度和密度，计算模型中巷道围岩的补偿荷载，在防水密封垫2-9上铺上钢板，用液压千斤顶8施加补偿荷载，将围岩铺设材料与渗透设备内壁的接触缝面用密封垫2-9密封止水，静置固结模型材料7～10天；

步骤四：水闸墙挡水模拟；

用水泵持续将水送至供水箱1-1内，根据试验需要，调整供水箱1-1高度，可模拟不同大小的水压。例如，当水箱内自由水面高于供水阀门2m时，即可模拟0.02MP的水压。打开供水阀门1-2向巷道2-7迎水侧供水，水闸墙2-10开始挡水。模拟过程中，启动孔隙水压力传感器、围岩压力传感器记录数据。

步骤五：数据采集，监测围岩的内部的孔隙水压力和围岩压力；

试验中通过压力变送器监测围岩的内部的孔隙水压力，通过数据线将变送器与数据采集器5-1连接，通过软件控制采集频率；试验中用压力传感器监测围岩压力，然后与数据采集盒连接，通过软件采集各测点的围岩压力数据。例如下表为试验开始前监测到的8个孔隙水压力测点的初始数据。

孔隙水压力试验初始值(KPa)

下表为试验开始前监测到的7个围岩压力测点的初始数据。

围岩压力试验初始值(N)

试验结束后，将某个测点上的围岩压力或孔隙水压力的数据按时间排列，就可得到改测点围岩压力和孔隙水压力的历时曲线，用于分析该点数据的变化过程。如图10、图11所示。

步骤六：流量监测；水闸墙2-10挡水失利后，渗漏水流就会从巷道2-7溢出，经由排水口排出。当渗漏流量较小时，采用量水箱4-2和秒表可以估算平均流量；当渗漏流量较大时，可采用瞬时流量计和智能流量积算仪读取瞬时流量和累计水量。如图12所示。

步骤七：数据处理和水闸墙挡水规律分析。

根据理论研究和试验需要，在试验过程中可变化供水水压、围岩强度和渗透性能，水闸墙2-10的几何形态和尺寸；也可以在模型中不同位置预先布置多个围岩压力和孔隙水压力的监测点，形成监测网，更全面地观察和监测试验数据；根据供水水压、排水流量、时间、测点位置上围岩的压力和孔隙水压力，结合排水口附近观察到的围岩浸水和巷道积水的现象，分析水闸墙2-10挡水及失利后围岩中岩体应力场和渗流场的变化过程，总结水闸墙2-10的挡水机理。若确定好水闸墙2-10的工作条件后，通过模型试验预测水闸墙2-10的挡水效果，为优化水闸墙2-10的设计提供参考依据。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。