顶板高承压水采动疏放覆岩运动模式与流场分布相似试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种顶板高承压水采动疏放覆岩运动模式与流场分布相似试验装置及方法，其包括设置在煤层顶板内的含水层模拟系统，含水层模拟系统包括承压贮水层、进水管、设置在进水管上的进水阀、出水管、设置在出水管上的出水阀、补给管、设置在补给管上的补给阀、导流管、设置在导流管上的导流孔和控流阀，承压贮水层包括位于上层的补给层和位于下层的含水层，含水层模拟系统通过补给层可以实现含水层内承压水水量的静态或动态补给、水压的自动调节，并通过导流管、导流孔和控流阀可以实现承压水在覆岩导水裂隙中的导流和控流，再现承压水对采动覆岩导水裂隙的渗透、冲刷以及渗流突变形成突水通道的演化过程。

说明书

技术领域

本发明涉及相似模拟试验领域，特别涉及一种顶板高承压水采动疏放覆岩运动模式与流场分布相似试验装置及方法。

背景技术

我国煤炭开采强度高、深度大、区域广，煤矿水文地质条件较为复杂。近年来，我国在矿井水害监测及防治方面取得了大量研究成果，对各类水害发生机理有了较为明确的认识，防治技术、手段和方法多样且实用。随着东部煤炭资源开采殆尽，包括鄂尔多斯在内的西部地区丰富的煤炭资源逐步成为重点开发区域。由于西部地区大规模开发起步时间较晚，对矿区水文地质条件的认识和研究还不充分，使得许多矿井在开采过程中面临着严重的水害防治问题。以往我国矿井水害防治研究成果多集中于煤炭开采程度较高的东部矿区，对西部新近开发煤田的水文地质条件研究较少，对鄂尔多斯盆地白垩系含水层的认识还不全面，对特厚煤层开采顶板覆岩破坏规律与导水裂隙分布特征研究较少，对顶板巨厚含水层突涌水机理尚不十分清楚，对煤系与白垩系之间含、隔水层(如洛河组含水层、安定组隔水层、直罗组和延安组含水层)的研究也较少；另外，对煤层开采后顶板导水裂隙带发育高度的计算和保护层厚度的选取，仍以经验公式或借鉴东部矿区为主，其适用性不强，存在一定的安全隐患。鄂尔多斯盆地侏罗系为主要含煤地层，煤层开采过程主要受顶板白垩系孔隙裂隙承压水威胁，该含水层富水性不均，总体富水性较强、渗透性较好。如营盘壕煤矿和石拉乌素煤矿白垩系下统志丹群承压含水层平均厚度300m，下距主要可采煤层仅100m左右，局部水压高达8MPa；高家堡煤矿和胡家河煤矿白垩系下统洛河组砂岩孔隙裂隙承压含水层平均厚度400m，下距主要可采煤层100～185m，矿井首采区水压高达7MPa，使得高家堡煤矿首采面开采过程中涌水量高达700m3/h。煤层顶板巨厚、高承压含水层严重威胁西部矿区侏罗系煤层的安全开采，急需对巨厚、高承压含水层下煤层开采采场上覆岩层破坏规律、运动模式、导水裂隙带发育高度及其流场分布进行系统研究，以实现西部矿区巨厚、高承压含水层下煤层的安全带压开采及水害有效防治。

相似试验具有直观性强、灵活性好、效率高、重复性好等优点，对巨厚、高承压含水层下煤层开采顶板突水过程进行物理相似模拟，可以形象、直观的再现煤层开采过程采场上覆岩层裂隙产生、扩展、贯通，并最终形成导水通道的动态演化过程。因此，相似试验中承压含水层的模拟、水压载荷的施加以及承压水在覆岩导水裂隙中的渗流是实现相似模拟的一个难点和关键。专利“一种承压水下采煤的相似模拟试验装置(201510759831.1)”，利用多个小水袋实现了煤层上方承压含水层的相似模拟；专利“一种承压含水层流固耦合相似模拟实验方法(201911129648.8)”，利用内层储水带和外层密封袋，实现了流固耦合相似模拟承压含水层的制作。但上述试验装置中承压含水层无法实现承压水对覆岩采动破坏裂隙的渗透、冲刷模拟，无法模拟再现承压水渗透、冲刷形成导水通道的动态演化过程。另外，赵启峰等(浅埋薄基岩含水层下煤层开采突水溃砂相似模拟实验研究[J].采矿与安全工程学报,2017,34(3):444-451)研制了浅埋薄基岩含水层下煤层开采气液联动相似模拟实验装置，利用试验装置侧立柱上的注水孔实现了煤层上方含水层的模拟。张东升等(采动覆岩固液耦合三维无损监测系统与应用[J].采矿与安全工程学报,2019,36(6):1071-1078)将氡气探测系统、并行电法监测系统、红外监测系统应用到相似模拟实验当中，实现了覆岩运移规律与水资源运移规律的无损监测。但这些相似试验装置无法实现含水层对试验模型水压载荷的施加模拟，仅通过注水孔注水实现承压水在岩层破坏裂隙内的渗透、冲刷模拟。

西部矿区侏罗系煤层上覆含水层由于厚度大、水压高、存在补给，且距下伏煤层较近。将上覆巨厚、高承压含水层疏干后再开采几乎是不可能的，提前钻孔疏放也存在一定的安全隐患。部分矿井采用限制采高的技术措施，但仍面临工作面涌水量较大的问题，给矿井水害防治带来安全隐患。因此，迫切需要制备可行的流固耦合材料，构建可视化的相似试验装置及合理的承压含水层模拟方法，模拟研究高承压含水层下煤层开采过程采场覆岩应力分布与演化规律、采场覆岩运动破坏规律与空间结构特征、采场覆岩导水通道形成过程与疏放流场分布特征，再现煤层顶板岩层变形、破坏，覆岩导水裂隙产生、扩展、贯通以及渗流突变形成突水通道的演化过程，揭示顶板高承压水采动疏放覆岩运动模式与流场分布，以实现西部矿区巨厚、高承压含水层下煤层的安全带压开采及水害有效防治。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种顶板高承压水采动疏放覆岩运动模式与流场分布相似试验装置及方法。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

顶板高承压水采动疏放覆岩运动模式与流场分布相似试验装置，包括试验模型，所述试验模型从下到上依次包括煤层底板、开采煤层、煤层顶板，相似试验装置还包括设置在所述煤层顶板内的含水层模拟系统、通过所述含水层模拟系统给所述你煤层顶板施加水压的水压加载系统，所述含水层模拟系统包括承压贮水层、进水管、设置在所述进水管上的进水阀、出水管、设置在所述出水管上的出水阀、补给管、设置在所述补给管上的补给阀、导流管、设置在所述导流管上的导流孔和控流阀，所述承压贮水层包括位于上层的补给层和位于下层的含水层，所述水压加载系统与所述补给层之间通过所述进水管联通，所述补给层还与所述出水管联通，所述补给层与所述含水层之间通过所述补给管联通，所述导流管连接在所述含水层上，通过导流管将含水层中的水注入到煤层顶板。

进一步的，所述承压贮水层为长方体水袋。

进一步的，所述导流管等间距的设置在所述含水层的底面。

进一步的，所述水压加载系统包括高压水管、水箱、水压控制装置、水压稳压装置，所述高压水管一端与所述水箱连通，另一端与所述承压贮水层上进水管连通，所述水压控制装置、水压稳压装置依次设置在所述水箱至所述进水管方向上。

进一步的，相似试验装置还包括信号采集与处理系统，所述信号采集与处理系统包括多场前兆信息采集与处理系统，所述多场前兆信息采集与处理系统包括埋设在所述含水层模拟系统下方的至少四个光纤应力传感器、光纤位移传感器、光纤声发射传感器、光纤渗压传感器、光纤温度传感器、和网络并行电路铜片电极。

本发明还提供一种顶板高承压水采动疏放覆岩运动模式与流场分布相似试验的方法，包括如下步骤：

1)材料配置：依据待模拟的高承压含水层下开采煤层的水文地质条件和煤层及其顶底板岩层性质，确定煤层底板、开采煤层和煤层顶板各岩层相似模拟材料的配比，以此确定各岩层所需原料的用量，制备出流固耦合相似模拟材料，等待模型铺设；

2)模型制备：将搅拌均匀的煤层底板相似模拟材料铺设在模型存放腔底部，其上依次铺设开采煤层、煤层顶板相似模拟材料，且层与层之间铺撒定量的云母粉；煤层顶板相似模拟材料铺设过程中，依据开采煤层上覆承压含水层的层位，将含水层模拟系统埋设在煤层顶板相应岩层内，与此同时，在煤层顶板内含水层模拟系统下方预定监测位置埋设光纤应力传感器、光纤位移传感器、光纤声发射传感器、光纤渗压传感器、光纤温度传感器、和网络并行电路铜片电极；夯实固定煤层底板，开采煤层，煤层顶板和含水层模拟系统，制备出顶板高承压水采动疏放覆岩运动模式与流场分布相似模拟试验模型；待铺设的试验模型干燥后，利用聚乙烯红外增透膜，将试验模型前后、左右四个面密封；

3)模型加载：首先，利用垂直加载系统，通过水平加载板对试验模型顶部施加一定的垂直均布载荷；其次，利用侧压加载系统，通过竖向加载板对试验模型两个侧面施加随埋深线性增大的水平载荷；最后，利用水压加载系统，通过承压贮水层对煤层顶板岩层施加一定的高压水压力；

4)数据采集：依据试验模型相似比，计算出模型每步开挖尺寸，待煤层一侧开挖的开切眼稳定后，自开切眼向煤层另一侧进行分步开挖，直至开挖到距离模型边界一定距离；分步开挖期间，利用多场前兆信息采集与处理系统、视电阻率信号采集与处理系统、FLIRT250红外热像仪和Nikon Z7高速照相机同步采集工作面推进过程采场覆岩应力、位移、裂隙、渗流、温度等信息；同时，通过前透明玻璃板观察煤层顶板岩层变形、破坏，覆岩导水裂隙产生、扩展、贯通以及渗流突变形成突水通道的演化过程；通过采集的应力和应变数据、声发射信号、视电阻率信号、红外辐射能量信息以及可见光图像信息演化过程的分析，研究顶板高承压水采动疏放过程采场覆岩应力分布与演化规律、采场覆岩运动破坏规律与空间结构特征、采场覆岩导水通道形成过程与疏放流场分布特征；

5)影响因素：改变试验模型的水文地质与边界条件，如煤层埋深和厚度、覆岩性质和厚度、含水层水压和层位、垂直载荷和水平载荷，重复上述试验步骤，研究开采深度和开采高度、上覆岩层性质和厚度、含水层水压和层位、水平应力对高承压含水层下煤层开采过程采场覆岩应力、位移、裂隙、渗流、温度等信息演化规律与耦合特性的影响。

其中所述FLIR T250红外热像仪和Nikon Z7高速照相机布置在所述实验模型中央前方2m位置处。

为了实现补给层给含水层内承压水水量的静态或动态补给、水压的自动调节，进而再现承压水对采动覆岩导水裂隙的渗透、冲刷以及渗流突变形成突水通道的演化过程，具体还采用以下方法：

在水压加载系统施加水压时，先将出水阀和控流阀关闭，补给层和含水层的水压达到目标水压后，关闭进水阀，打开控流阀，实现补给层给含水层的静态补水。

在水压加载系统施加水压时，先将出水阀和控流阀关闭，补给层和含水层的水压达到目标水压后，打开控流阀，实现补给层给含水层的动态补水。

根据水压需求，调节出水阀和进水阀，实现水压的自动调节。

根据需要，调节控流阀，可以实现承压水在覆岩导水裂隙中的导流和控流。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种顶板高承压水采动疏放覆岩运动模式与流场分布相似试验装置及方法，通过制备流固耦合相似模拟试验模型，利用含水层模拟系统，该试验装置与测试方法可以研究顶板高承压水采动疏放过程采场覆岩应力分布与演化规律、采场覆岩运动破坏规律与空间结构特征、采场覆岩导水通道形成过程与疏放流场分布特征；通过透明玻璃板可以观察工作面开挖推进过程中煤层顶板岩层变形、破坏，覆岩导水裂隙产生、扩展、贯通及其渗流突变形成突水通道的演化过程；

该试验装置的含水层模拟系统可以实现含水层内承压水水量的静态或动态补给、含水层水压的自动调节以及承压水在覆岩导水裂隙中的导流和控流，该试验装置的侧压加载系统可以对试验模型两侧施加一定的水平梯度载荷，能够较好模拟高承压含水层下煤系地层的真实地质力学环境，有利于高承压含水层下煤层开采过程采场覆岩应力、位移、裂隙、渗流、温度等信息的真实再现，更好揭示顶板高承压水采动疏放过程采场覆岩应力分布与演化规律、采场覆岩运动破坏规律与空间结构特征、采场覆岩导水通道形成过程与疏放流场分布特征；

同时，该试验模型前后、左右四个面均采用聚乙烯红外增透膜密封，其能有效避免试验过程中裂隙水意外渗出，还能保证试验模型表面红外辐射能量信息的有效采集；另外，除液压油管、高压水管、保温水管等辅助配件外，该试验装置由具有一定刚度和强度的45号钢铸造加工而成，且其内外表层均镀有一定厚度的聚四氟乙烯绝缘层，有利于相似试验过程中视电阻率信号的有效采集。

附图说明

本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；

图1为顶板高承压水采动疏放覆岩运动模式与流场分布相似试验装置结构剖面示意图；

图2为顶板高承压水采动疏放覆岩运动模式与流场分布相似试验装置结构俯视示意图；

图3为顶板高承压水采动疏放覆岩运动模式与流场分布相似试验装置结构侧视示意图；

图4为含水层模拟系统三维示意图；

图5为含水层模拟系统侧视示意图；

图6为含水层模拟系统中含水层俯视示意图；

图7为试验模型侧压加载、垂直加载、水压加载与信息采集测点布置示意图。

图中：

1、试验架，1-1、底座，1-2、竖梁，1-3、顶梁；

2、侧向挡板；

3、加载板，3-1、竖向加载板，3-2、水平加载板；

4、透明玻璃板，4-1、前透明玻璃板，4-2、后透明玻璃板，4-3、左竖向凹槽，4-4、右竖向凹槽，4-5、开挖窗口；

5、模型存放腔；

6、侧压加载系统，6-1、水平加载装置，6-1a、侧向液压油缸，6-1b、侧向活塞杆，6-1c、侧向垫块，6-2、侧向液压油管，6-3、侧向三通，6-4、侧向稳压装置，6-5、侧向液压阀，6-6、侧向液压控制装置；

7、垂直加载系统，7-1、垂直加载装置，7-1a、垂向液压油缸，7-1b、垂向活塞杆，7-1c、垂向垫块，7-2、垂向液压油管，7-3、垂向三通，7-4、垂向稳压装置，7-5、垂向液压阀，7-6、垂向液压控制装置；

8、信号采集与处理系统，8-1、多场前兆信息采集与处理系统，8-1a、光纤传感器阵列，8-1a1、光纤应力传感器，8-1a2、光纤位移传感器，8-1a3、光纤声发射传感器，8-1a4、光纤渗压传感器，8-1a5、光纤温度传感器，8-1b、光纤分路器，8-1c、光栅解调装置，8-1d、多场前兆信息采集与处理的PC机，8-1e、光纤光缆，8-2、视电阻率信号采集与处理系统，8-2a、网络并行电路铜片电极，8-2b、WBD型网络并行电法仪，8-2c、Surfer软件辅助绘图的PC机，8-2d、铜质漆包信号传输导线，8-3、FLIR T250红外热像仪，8-3a、红外辐射能量信息探测器，8-3b、内置LED照明灯、SD卡和FLIR BuildIR合成软件的合成数码照相机，8-3c、红外热像仪支架，8-4、Nikon Z7高速照相机，8-4a、内置LED照明灯和SD卡的可见光高速照相机，8-4b、照相机支架；

9、试验模型，9-1、煤层底板，9-2、开采煤层，9-3、煤层顶板；

10、含水层模拟系统，10-1、承压贮水层，10-1a、补给层，10-1b、含水层，10-2、进水管，10-3、进水阀，10-4、出水管，10-5、出水阀，10-6、补给管，10-7、补给阀，10-8、导流管，10-9、导流孔，10-10、控流阀；

11、水压加载系统，11-1、高压水管，11-2、水箱，11-3、水压控制装置，11-4、水压稳压装置。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

如图1-7所示，一种顶板高承压水采动疏放覆岩运动模式与流场分布相似试验装置，包括试验架1，侧向挡板2，加载板3，透明玻璃板4，模型存放腔5，侧压加载系统6，垂直加载系统7，信号采集与处理系统8，试验模型9，含水层模拟系统10和水压加载系统11；试验架1包括底座1-1，竖梁1-2和顶梁1-3，底座1-1连接有两个竖梁1-2，竖梁1-2连接有顶梁1-3，底座1-1上竖向连接有两个侧向挡板2；加载板3包括竖向加载板3-1和水平加载板3-2，透明玻璃板4包括前透明玻璃板4-1，后透明玻璃板4-2，左竖向凹槽4-3，右竖向凹槽4-4和开挖窗口4-5，前透明玻璃板4-1和后透明玻璃板4-2两侧各设有一个左竖向凹槽4-3和右竖向凹槽4-4，前透明玻璃板4-1上设有开挖窗口4-5，左竖向凹槽4-3和右竖向凹槽4-4内密封连接有两个竖向加载板3-1，左竖向凹槽4-3和右竖向凹槽4-4的宽度大于竖向加载板3-1的厚度；底座1-1和侧向挡板2连接有前透明玻璃板4-1和后透明玻璃板4-2，底座1-1，侧向挡板2，前透明玻璃板4-1和后透明玻璃板4-2构成模型存放腔5；竖梁1-2连接有侧压加载系统6，顶梁1-3连接有垂直加载系统7，模型存放腔5内连接有试验模型9和含水层模拟系统10，试验模型9连接有信号采集与处理系统8，含水层模拟系统10连接有水压加载系统11。

侧压加载系统6包括水平加载装置6-1，侧向液压油管6-2，侧向三通6-3，侧向稳压装置6-4，侧向液压阀6-5和侧向液压控制装置6-6，两个竖梁1-2从上到下连接有三个水平加载装置6-1，水平加载装置6-1穿过侧向挡板2连接有竖向加载板3-1和侧向液压油管6-2，侧向液压油管6-2连接有侧向液压控制装置6-6，侧向液压油管6-2上按水平加载装置6-1至侧向液压控制装置6-6方向依次连接有侧向三通6-3，侧向稳压装置6-4和侧向液压阀6-5；水平加载装置6-1包括侧向液压油缸6-1a，侧向活塞杆6-1b和侧向垫块6-1c，竖梁1-2连接有侧向液压油缸6-1a，侧向液压油缸6-1a连接有侧向液压油管6-2和侧向活塞杆6-1b，侧向活塞杆6-1b穿过侧向挡板2连接有侧向垫块6-1c；侧压加载系统6通过竖向加载板3-1，可以对模型存放腔5内试验模型9左右两侧施加一定的水平梯度载荷。

垂直加载系统7包括垂直加载装置7-1，垂向液压油管7-2，垂向三通7-3，垂向稳压装置7-4，垂向液压阀7-5和垂向液压控制装置7-6，顶梁1-3从左到右连接有三个垂直加载装置7-1，垂直加载装置7-1连接有水平加载板3-2和垂向液压油管7-2，垂向液压油管7-2连接有垂向液压控制装置7-6，垂向液压油管7-2上按垂直加载装置7-1至垂向液压控制装置7-6方向依次连接有垂向三通7-3，垂向稳压装置7-4和垂向液压阀7-5；垂直加载装置7-1包括垂向液压油缸7-1a，垂向活塞杆7-1b和垂向垫块7-1c，顶梁1-3连接有垂向液压油缸7-1a，垂向液压油缸7-1a连接有垂向液压油管7-2和垂向活塞杆7-1b，垂向活塞杆7-1b连接有垂向垫块7-1c；垂直加载系统7通过水平加载板3-2，可以对模型存放腔5内试验模型9顶部施加一定的垂直均布载荷。

信号采集与处理系统8包括多场前兆信息采集与处理系统8-1，视电阻率信号采集与处理系统8-2，FLIR T250红外热像仪8-3和Nikon Z7高速照相机8-4；

多场前兆信息采集与处理系统8-1包括光纤传感器阵列8-1a，光纤分路器8-1b，光栅解调装置8-1c，多场前兆信息采集与处理的PC机8-1d和光纤光缆8-1e，光纤传感器阵列8-1a包括光纤应力传感器8-1a1，光纤位移传感器8-1a2，光纤声发射传感器8-1a3，光纤渗压传感器8-1a4和光纤温度传感器8-1a5，光纤应力传感器8-1a1，光纤位移传感器8-1a2，光纤声发射传感器8-1a3，光纤渗压传感器8-1a4和光纤温度传感器8-1a5通过光纤光缆8-1e连接有光纤分路器8-1b，光纤分路器8-1b通过光纤光缆8-1e连接有光栅解调装置8-1c，光栅解调装置8-1c通过光纤光缆8-1e连接有多场前兆信息采集与处理的PC机8-1d；通过多场前兆信息的采集与分析，研究顶板高承压水采动疏放过程采场覆岩应力分布与演化规律、采场覆岩运动破坏规律与空间结构特征、采场覆岩导水通道形成过程与疏放流场分布特征；

视电阻率信号采集与处理系统8-2包括网络并行电路铜片电极8-2a，WBD型网络并行电法仪8-2b，Surfer软件辅助绘图的PC机8-2c和铜质漆包信号传输导线8-2d，网络并行电路铜片电极8-2a通过铜质漆包信号传输导线8-2d连接有WBD型网络并行电法仪8-2b，WBD型网络并行电法仪8-2b通过铜质漆包信号传输导线8-2d连接有Surfer软件辅助绘图的PC机8-2c；通过视电阻率信号的采集与分析，研究顶板高承压水采动疏放过程采场覆岩导水通道形成过程与疏放流场分布特征；

FLIR T250红外热像仪8-3包括红外辐射能量信息探测器8-3a，内置LED照明灯、SD卡和FLIR BuildIR合成软件的合成数码照相机8-3b和红外热像仪支架8-3c，红外热像仪支架8-3c连接有红外辐射能量信息探测器8-3a，红外辐射能量信息探测器8-3a连接有内置LED照明灯、SD卡和FLIR BuildIR合成软件的合成数码照相机8-3b；FLIR T250红外热像仪8-3放置于试验模型9中央前方2m位置处，通过红外辐射能量信息的采集与分析，研究顶板高承压水采动疏放过程采场覆岩导水通道形成过程与疏放流场分布特征；

Nikon Z7高速照相机8-4包括内置LED照明灯和SD卡的可见光高速照相机8-4a和照相机支架8-4b，照相机支架8-4b连接有内置LED照明灯和SD卡的可见光高速照相机8-4a；Nikon Z7高速照相机8-4放置于试验模型9中央前方2m位置处，通过可见光图像信息的采集与分析，研究顶板高承压水采动疏放过程采场覆岩运动破坏规律与空间结构特征、采场覆岩导水通道形成过程与疏放流场分布特征。

试验模型9包括煤层底板9-1，开采煤层9-2和煤层顶板9-3，煤层底板9-1连接有开采煤层9-2，开采煤层9-2连接有煤层顶板9-3，煤层顶板9-3内设有含水层模拟系统10；煤层底板9-1，开采煤层9-2和煤层顶板9-3的两个侧面通过两个竖向加载板3-1连接有侧压加载系统6，煤层顶板9-3的顶部通过水平加载板3-2连接有垂直加载系统7；煤层顶板9-3内含水层模拟系统10下方埋设有至少四个光纤应力传感器8-1a1，光纤位移传感器8-1a2，光纤声发射传感器8-1a3，光纤渗压传感器8-1a4，光纤温度传感器8-1a5和网络并行电路铜片电极8-2a；

试验模型9内煤层底板9-1，开采煤层9-2和煤层顶板9-3三部分均由流固耦合相似模拟材料制备，其能较好模拟顶板高承压水采动疏放过程中承压水对采动覆岩导水裂隙的渗透、冲刷以及形成突水通道的演化过程；

煤层底板9-1原料包括细砂，滑石粉，高岭土，石膏，水泥，凡士林，硅油和水；开采煤层9-2原料包括煤粉，滑石粉，石膏，凡士林，硅油和水；煤层顶板9-3原料包括粗砂，细砂，滑石粉，高岭土，石膏，水泥，凡士林，硅油和水；

细砂粒径小于2mm，粗砂粒径小于7mm、大于5mm，滑石粉细度为1250目，高岭土含二氧化硅45％、细度为400目，煤粉粒径小于0.1mm，水泥为优质白色硅酸盐水泥、强度32.5MPa，凡士林为无毒医用级白色凡士林、融点45-60℃，硅油为粘度1500cs的二甲基硅油，水为自来水。

含水层模拟系统10包括承压贮水层10-1，进水管10-2，进水阀10-3，出水管10-4，出水阀10-5，补给管10-6，补给阀10-7，导流管10-8，导流孔10-9和控流阀10-10，承压贮水层包括补给层10-1a和含水层10-1b；进一步的，承压贮水层10-1为长方体水袋，其内分为上下两层，上层为补给层10-1a，下层为含水层10-1b；进水管10-2与补给层10-1a的一个侧面连通，其上设有进水阀10-3，出水管10-4与补给层10-1a的另一个侧面连通，其上设有出水阀10-5；补给管10-6两端在承压贮水层10-1中央后方位置分别与补给层10-1a和含水层10-1b连通，其上设有补给阀10-7；含水层10-1b底面等间距连通有导流管10-8，导流管10-8上等间距设有导流孔10-9，导流管10-8与含水层10-1b连通部位设有控流阀10-10；含水层模拟系统10通过补给层10-1a可以实现含水层10-1b内承压水水量的静态(在水压加载系统施加水压时，先将出水阀和控流阀关闭，补给层和含水层的水压达到目标水压后，关闭进水阀，打开控流阀，实现补给层给含水层的静态补水)或动态补给(在水压加载系统施加水压时，先将出水阀和控流阀关闭，补给层和含水层的水压达到目标水压后，打开控流阀，实现补给层给含水层的动态补水)、水压的自动调节(根据需要，调节控流阀，可以实现承压水在覆岩导水裂隙中的导流和控流)，并通过导流管10-8、导流孔10-9和控流阀10-10可以实现承压水在覆岩导水裂隙中的导流和控流，再现承压水对采动覆岩导水裂隙的渗透、冲刷以及渗流突变形成突水通道的演化过程。

水压加载系统11包括高压水管11-1，水箱11-2，水压控制装置11-3，水压稳压装置11-4；高压水管11-1一端与水箱11-2连通，另一端与承压贮水层10-1上进水管10-2连通，水箱11-2至进水管10-2方向依次设有水压控制装置11-3和水压稳压装置11-4；水压加载系统11通过含水层模拟系统10，可以对试验模型9内煤层顶板9-3施加一定的高压水压力。

试验模型9前后、左右四个面，采用聚乙烯红外增透膜密封，聚乙烯红外增透膜在7.3-14.3μm波段范围内具有良好的红外透明性，其能有效避免试验过程中裂隙水意外渗出，还能保证试验模型9表面红外辐射能量信息的有效采集；

光纤传感器阵列8-1a的光纤光缆8-1e和网络并行电路铜片电极8-2a的铜质漆包信号传输导线8-2d均从试验模型9后面特制密封穿线孔引出，分别连接到多场前兆信息采集与处理的PC机8-1d和Surfer软件辅助绘图的PC机8-2c上，以保证试验模型9的密封性；

光纤传感器阵列8-1a和网络并行电路铜片电极8-2a体积较小，在试验模型9内彼此之间埋设的距离相对较远，可以有效避免试验模型9内煤层顶板9-3岩层完整性的破坏而形成优势突水通道；

前透明玻璃板4-1上设有的开挖窗口4-5，可以实现开采煤层9-2的分步开挖，模拟高承压含水层下煤层开采过程采场覆岩应力分布与演化规律、采场覆岩运动破坏规律与空间结构特征、采场覆岩导水通道形成过程与疏放流场分布特征；通过前透明玻璃板4-1，还可以观察煤层顶板岩层变形、破坏，覆岩导水裂隙产生、扩展、贯通以及渗流突变形成突水通道的演化过程。

如图7所示，如上的方法，其具体操作步骤为：

1)材料配置：依据待模拟的高承压含水层下开采煤层的水文地质条件和煤层及其顶底板岩层性质，确定煤层底板9-1、开采煤层9-2和煤层顶板9-3各岩层相似模拟材料的配比，以此确定各岩层所需原料的用量；根据煤层底板9-1、开采煤层9-2和煤层顶板9-3各分层相似模拟材料组分的性质，严格按照比例称取各分层所需的骨料和胶结剂；将骨料和胶结剂混合搅拌均匀，加入适量的拌合水充分搅拌，并加入硅油调节剂搅拌均匀，将凡士林加热至45℃～60℃使其熔为液态，迅速与相似模拟材料混合搅拌均匀，制备出流固耦合相似模拟材料，并装入相应的容器，等待模型铺设；

2)模型制备：将搅拌均匀的煤层底板9-1相似模拟材料铺设在模型存放腔5底部，其上依次铺设开采煤层9-2、煤层顶板9-3相似模拟材料，且层与层之间铺撒定量的云母粉；煤层顶板9-3相似模拟材料铺设过程中，依据开采煤层上覆承压含水层的层位，将含水层模拟系统10埋设在煤层顶板9-3相应岩层内，与此同时，在煤层顶板9-3内含水层模拟系统10下方预定监测位置埋设光纤应力传感器8-1a1，光纤位移传感器8-1a2，光纤声发射传感器8-1a3，光纤渗压传感器8-1a4，光纤温度传感器8-1a5和网络并行电路铜片电极8-2a；夯实固定煤层底板9-1，开采煤层9-2，煤层顶板9-3和含水层模拟系统10，制备出顶板高承压水采动疏放覆岩运动模式与流场分布相似模拟试验模型9；

3)模型加载：待铺设的试验模型9干燥后，利用聚乙烯红外增透膜，将试验模型9前后、左右四个面密封；首先，利用垂直加载系统7，通过水平加载板3-2对试验模型9顶部施加一定的垂直均布载荷；其次，利用侧压加载系统6，通过竖向加载板3-1对试验模型9两个侧面施加随埋深线性增大的水平载荷；最后，利用水压加载系统11，通过承压贮水层10-1对煤层顶板9-3岩层施加一定的高压水压力；另外，在试验模型9中央前方2m位置处，布置1台FLIR T250红外热像仪8-3和1台Nikon Z7高速照相机8-4；

4)数据采集：依据试验模型9相似比，计算出模型每步开挖尺寸，待煤层一侧开挖的开切眼稳定后，自开切眼向煤层另一侧进行分步开挖，直至开挖到距离模型边界一定距离；分步开挖期间，利用多场前兆信息采集与处理系统8-1、视电阻率信号采集与处理系统8-2、FLIR T250红外热像仪8-3和Nikon Z7高速照相机8-4同步采集工作面推进过程采场覆岩应力、位移、裂隙、渗流、温度等信息；同时，通过前透明玻璃板4-1观察煤层顶板岩层变形、破坏，覆岩导水裂隙产生、扩展、贯通以及渗流突变形成突水通道的演化过程。通过采集的应力和应变数据、声发射信号、视电阻率信号、红外辐射能量信息以及可见光图像信息演化过程的分析，研究顶板高承压水采动疏放过程采场覆岩应力分布与演化规律、采场覆岩运动破坏规律与空间结构特征、采场覆岩导水通道形成过程与疏放流场分布特征；

5)影响因素：改变试验模型9的水文地质与边界条件，如煤层埋深和厚度、覆岩性质和厚度、含水层水压和层位、垂直载荷和水平载荷，重复上述试验步骤，研究开采深度和开采高度、上覆岩层性质和厚度、含水层水压和层位、水平应力对高承压含水层下煤层开采过程采场覆岩应力、位移、裂隙、渗流、温度等信息演化规律与耦合特性的影响。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种顶板高承压水采动疏放覆岩运动模式与流场分布相似试验装置及方法，通过制备流固耦合相似模拟试验模型，利用含水层模拟系统，该试验装置与测试方法可以研究顶板高承压水采动疏放过程采场覆岩应力分布与演化规律、采场覆岩运动破坏规律与空间结构特征、采场覆岩导水通道形成过程与疏放流场分布特征；通过透明玻璃板可以观察工作面开挖推进过程中煤层顶板岩层变形、破坏，覆岩导水裂隙产生、扩展、贯通及其渗流突变形成突水通道的演化过程；

该试验装置的含水层模拟系统可以实现含水层内承压水水量的静态或动态补给、含水层水压的自动调节以及承压水在覆岩导水裂隙中的导流和控流，该试验装置的侧压加载系统可以对试验模型两侧施加一定的水平梯度载荷，能够较好模拟高承压含水层下煤系地层的真实地质力学环境，有利于高承压含水层下煤层开采过程采场覆岩应力、位移、裂隙、渗流、温度等信息的真实再现，更好揭示顶板高承压水采动疏放过程采场覆岩应力分布与演化规律、采场覆岩运动破坏规律与空间结构特征、采场覆岩导水通道形成过程与疏放流场分布特征；

同时，该试验模型前后、左右四个面均采用聚乙烯红外增透膜密封，其能有效避免试验过程中裂隙水意外渗出，还能保证试验模型表面红外辐射能量信息的有效采集；另外，除液压油管、高压水管、保温水管等辅助配件外，该试验装置由具有一定刚度和强度的45号钢铸造加工而成，且其内外表层均镀有一定厚度的聚四氟乙烯绝缘层，有利于相似试验过程中视电阻率信号的有效采集。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。