[发明专利]一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置

说明书

【技术领域】

本发明专利涉及一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，属于采矿工程试验研究技术领域。

【背景技术】

煤矿本身就是一块很大的公里级别的地质体，且煤矿井下巷道围岩环境复杂，煤层群开采及顶板水动态渗流三维模拟装置能够将很大的地质体通过相似比例缩小为室内小型三维模型体，并通过开挖获取岩土层的移动、破坏、裂隙、渗流等规律，从而为煤矿安全提供技术指导。目前，煤层开采模拟装置多为单一平面两维固相模拟装置，伴随着西北地区多煤层开采和煤矿突水导致的灾害事故频发问题，现有的单一平面两维固相模拟装置一是不能模拟区域三维开采的顶板破坏、顶板和采空区渗流问题，二是多煤层开采时不能准确把握上层煤和最下层煤走向和倾向支承压力分布规律。

鉴于以上技术问题，实有必要设计一种操作实用性强，试验功能全面、可操作性强的煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流三维模拟装置。

【发明内容】

本发明专利旨在克服现有模拟试验方法与技术方面存在的不足，设计一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，实现渗流功能，可有效模拟区域范围多煤层开采三维顶板动态移动、破坏、裂隙、渗流等规律。

本发明专利采用的技术方案如下：

一种煤层群开采及顶板和采空区水动态渗流立体模拟装置，包括试验台架、铺设在试验台架内的试验用岩土层、设置在试验台架上用于观测岩土层下沉变化的地表移动观测装置，以及为岩土层的含水层补给水源的补给装置，所述试验用岩土层的上煤层和下煤层以液压枕结构和/或顶升千斤顶结构替代，所述液压枕结构通过设置在所述试验台架外侧的侧拉动力装置实现模拟煤层的开采。

进一步，所述液压枕结构为多个液压枕串联而成，每个所述液压枕用收紧螺丝通过液压枕截面上下的螺丝孔将所有液压枕串联起来，所述液压枕的高度为试验所替代煤层的厚度，所述液压枕截面的螺丝孔沿着截面垂直方向布置。

进一步，所述顶升千斤顶结构包括底座连为一体的多个千斤顶立柱、顶梁和设置于顶梁表面的液压传感器，所述千斤顶立柱升降的高度即是最下层煤的厚度，所述传感器设置于所述顶梁表面的安装槽内。

进一步，所述顶升千斤顶结构的传感器直径与安装槽的直径相同但小于顶梁宽度，所述安装槽的深度为传感器高度的一半。

进一步，所述千斤顶顶梁的宽度与千斤顶底座的宽度相同，均与替代上煤层的千斤顶结构或液压枕结构宽度和长度相同；所述千斤顶底座的长度与试验台长度相同，以保障每排千斤顶的稳定，使用时只需升降立柱并由顶梁支撑即可。

进一步，所述试验用岩土层自下而上依次为：替代下煤层的顶升千斤顶结构或液压枕结构、基岩层、替代上煤层的液压枕结构或顶升千斤顶结构、基岩层、隔水层、含水层、风积沙松散层；所述含水层主要由粗粒沙、石膏、大白粉铺设而成，所述隔水层主要由粘性土、细沙、石膏、大白粉和食用油铺设而成，所述基岩层主要由石膏、大白粉、细沙铺设而成。

进一步，所述地表移动观测装置包括设置在所述试验台架上部的固定架、位移百分表及接触件；所述固定架上等分排布有多个所述位移百分表，所述位移百分表固定在固定架上；所述接触件一端连接位移百分表，另一端触及试验用岩土层表面。

进一步，所述含水层补给结构包括容器支架、补水容器、补水管，所述补水容器由容器支架支撑固定，补水容器上标有水量刻度，补水容器连接补水管，补水管一端与补水容器连接，另一端伸入含水层且与含水层上表面平齐。

进一步，所述补水管的进水管口和出水孔均设置滤网，穿过试验架侧向槽钢孔，伸入至含水层的不同位置中，给含水层和采空区提供所需要水量。

进一步，所述补水管为“L”形结构，在“L”形结构的拐角位置设有排水口，该排水孔通过开关阀控制。

与现有技术相比，本发明专利至少具有以下有益效果：本发明在试验架内设置有代替上层煤及开采的液压枕结构和替代最下层煤及开采的顶升千斤顶结构，可准确把握上层煤和最下层煤开采后的走向和倾向支承压力分布规律；本发明在试验架内设置有试验架侧连续补水结构，给含水层提供所需要水量，从而可达到煤炭开采和含水层持续供水同步进行的目的，实现有效模拟区域范围多煤层开采三维顶板动态移动破坏和裂隙渗流等效果。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为本发明专利结构示意图；

图2为三维物理模拟试验台架示意图；

图3为调节度装置示意图；

图4为两侧挡板(槽钢)示意图；