[发明专利]厚表土薄基岩开采地层沉陷规律平面模型试验装置及方法

说明书

本发明提供一种厚表土薄基岩开采地层沉陷规律平面模型试验装置及方法，所述试验装置包括模型架、模拟地层、承压水袋、液压加载系统和数据监测系统，所述模拟地层由上至下依次包括上部含水层、中部隔水层和底部含水层；所述承压水袋包括底部承压水袋和顶部承压水袋，所述液压加载系统包括油缸，所述油缸位于所述模拟地层的上方，所述数据监测系统包括第一光纤、第二光纤和数据采集器，所述第一光纤和第二光纤均与所述数据采集器通讯连接。该试验装置及方法填补了厚表土薄基岩煤层开采与底含疏水沉降共同作用下地层沉陷规律模型试验装置和方法的空白，对揭示该地质条件和采矿条件下的地层沉陷规律具有重要意义。

技术领域

本发明涉及矿山建设领域，特别涉及一种厚表土薄基岩开采地层沉陷规律平面模型试验装置及方法。

背景技术

20世纪80年代以来，我国煤炭资源开采强度不断加大，浅部资源日益减少，国内部分矿井相继进入了深部煤炭开采状态。随着大中型矿井对地下煤炭资源的大量开采，形成采空区，地下岩体结构和应力状态发生很大变化。当采空区上覆岩层导水裂隙带导通松散含水层时，极易造成新生界松散地层水资源大量流失，形成地下水运移，造成地层沉陷。80年代后期至今，国内外学者针对煤矿开采对上覆基岩地下水渗流场影响开展了研究，取得了一定成果，但有关工作面开采疏水对厚表土与薄基岩地下水渗流场间的水力联系方面研究较少。国内厚表土薄基岩煤层开采地表沉陷移动规律研究起步较晚，且尚处于基于实测数据建立开采地表沉陷模型及反演沉陷预计参数阶段，鲜有针对厚表土(400m以上)薄基岩水文与工程地质，开展开采工作面渗流与力场耦合作用下上覆地层沉陷移动变形规律方面的研究。

目前针对厚表土薄基岩工作面渗流与力场耦合作用下上覆地层移动变形规律的研究主要集中在理论研究和现场监测数据分析。其中由于开采工作面水文地质条件复杂、理论参数难以确定以及过多人为假定，致使理论研究结果往往与实际地层变形情况相差较大；现场监测扰动较大，而且技术难度大，费用高，耗费时间长，因此也难以获取相对准确的地层移动参数及其移动规律。

鉴于目前针对厚表土薄基岩煤层开采与底含疏水共同作用下地层沉陷规律研究方面尚无系统的模型试验装置及方法，为揭示采煤与底含疏水共同作用下地层沉陷规律，搭建厚表土薄基岩开采地层沉陷规律平面模型试验装置并确定试验方法迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种厚表土薄基岩开采地层沉陷规律平面模型试验装置及方法，用于厚表土薄基岩煤层开采与底含疏水共同作用下地层沉陷的规律研究，揭示采煤与底含疏水共同作用下地层沉陷规律。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种厚表土薄基岩开采地层沉陷规律平面模型试验装置，所述试验装置包括模型架、模拟地层、承压水袋、液压加载系统和数据监测系统，所述模型架用于容纳所述模拟地层；所述模拟地层由上至下依次包括上部含水层、中部隔水层和底部含水层；所述承压水袋包括底部承压水袋和顶部承压水袋，所述底部承压水袋位于所述底部含水层的底部，所述顶部承压水袋位于所述底部含水层的顶部；所述液压加载系统包括油缸，所述油缸位于所述模拟地层的上方，所述油缸能够为所述模拟地层提供上覆等效压力；所述数据监测系统包括第一光纤、第二光纤和数据采集器，所述第一光纤和所述第二光纤均设置在所述模拟地层内，所述第一光纤和第二光纤均与所述数据采集器通讯连接。

进一步地，在上述的试验装置中，所述模拟地层内的土体均为实际地层的相似材料，所述上部含水层、所述中部隔水层和所述底部含水层内的所述相似材料由砂、石灰、石膏和水按照不同配置比制成；优选地，所述中部隔水层的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏＝6∶9∶1，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10％；优选地，所述上部含水层和所述底部含水层的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏＝5∶7∶3，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10％；优选地，所述模拟地层内的所述相似材料在所述模型架内由下至上分层铺设，每层所述相似材料的厚度为2cm～3cm，相邻的两层所述相似材料之间均铺设有云母粉。