[发明专利]二维承压水上采煤相似模拟试验装置及使用方法

说明书

本发明提供了一种二维承压水上采煤相似模拟试验装置，包括相似模拟支架、水箱和与水箱上表面可拆卸配合的盖板，所述盖板表面设置有多个透水孔，盖板与水箱之间设置有隔水膜，透水孔内设置有朝向隔水膜的锥刺，防水膜变形时能够与锥刺接触，相似模拟支架内形成模拟岩层，水箱设置有盖板的一面与相似模拟支架固定配合。本发明提供的二维承压水上采煤相似模拟实验装置及使用方法的优点在于：通过在水箱内设置隔水膜，能够防止在实验开始之前水箱内的承压水与相似岩层发生接触，防止隔水层被提前破坏，保证了实验结果的准确性，能够研究接近真实的承压水裂隙发育情况，本发明还提供了该实验装置的使用方法，方便研究采动扰动对应力分布的影响。

技术领域

本发明涉及采煤生产环境突水模拟技术领域，尤其涉及二维承压水上采煤相似模拟试验装置及使用方法。

背景技术

煤矿底板突水主要发生于掘进工作面和采煤工作面底板，随着采掘扰动影响，其下具有颇高水压的承压水突发性的穿透位于开采煤层或巷道岩层与含水层之间的隔水岩层，并涌进开采空间所形成的突水事故。近年来，随着煤炭资源开采强度和深度进一步增加，煤炭水文地质条件变得更加的复杂，煤层底板岩层中含水层厚度减少，煤层底部含水层水压逐渐增大，使得煤层底板突水的可能性增大，已经成为煤矿安全生产的巨大隐患，严重制约和影响矿山的安全生产。

目前，针对煤矿底板突水的研究，国内外专家与学者已经开展了大量的研究工作。煤矿底板突水机理方面，从20世纪四五十年代，首次提出“底板相对隔水层”的概念开始，不断获得底板突水与否的预测标准、“下三带”理论、原位张裂与零位破坏理论、“强渗通道”说、“岩水应力关系”说、底板“关键层”等理论成果。随着数值计算软件的发展，利用FLAC-3D、Particle Flow Code、Ansys等数值计算软件进行煤矿采掘扰动底板突水方面的研究不断加深。但是由于煤矿底板突水灾害的复杂性，在采掘扰动影响下，仅仅依靠理论分析和数值模拟进行分析研究，难以实现对底板突水过程提供全面可靠的分析。

室内相似材料物理模拟试验是研究煤矿开采过程其围岩应力、位移变化的一种重要的科学研究手段，其具有直观、简便、经济、快速以及实验周期短等特点；是研究承压水、隔水岩层以及采动扰动相互作用致灾机理的重要途径。

专利申请CN201037819Y公开了松散承压含水层载荷传递作用的实验装置，其采用整体的、全长承压水袋来近似模拟煤系地层中的承压含水层，但是水袋使得水与隔水岩层的分离，水袋本身的抗变形能力，均会造成承压含水层载荷传递的失真，难以建立工作面开采、围岩变形破坏及承压水突水过程的直观、可靠的联系，实验效果较差。专利申请CN105259045A公开了一种承压水下采煤的相似模拟试验装置，该装置利用10个相互连接的可压缩方体水袋作为承压含水层，利用输水管、流量传感器、应力传感器等相互配合，实现对煤炭开采过程中上覆承压含水层载荷传递规律等进行相似模拟，但这种方法仍然使得承压水与隔水岩层相分离，对模拟过程采煤工作回采覆岩裂隙发育形成突水通道的时间、位置及围岩应力位移规律仍然无法直观有效的判断和分析。专利申请CN105675818A公开了一种受采动影响煤层底板突水模拟试验系统，该系统由模拟试验装置、操作控制台和水压控制装置组成，同时模拟试验装置包括外框架和设置在外框架内的试验台，该试验台可以施加纵向应力与横向应力，可以模拟高水压与底板岩性变化、底板突水全过程，具有试验密闭性好、自动化程度高等特点，但目前该设备整体密封过程较为繁琐，相似材料摊铺过程容易提前通过隔板水缝进入水箱内，造成相似材料在试验开始前的陷漏，从而影响整体实验结果。

综上所述，现有技术存在承压水侧向渗水、相似材料沿板孔/缝陷漏等现象，整体操作较为复杂，试验失败可能性较高，同时针对煤矿采动扰动底板突水模拟过程中，难以做到底板承压水压力变化规律、采动扰动应力分布特征、围岩裂隙发育过程相互作用关系的建立，进而无法实现对各规律的相互响应机制进行定性及定量分析与判断。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种密封性能好、数据准确度高的二维承压水上采煤相似模拟试验装置及该实验装置的使用方法。