[发明专利]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

权利要求书

1.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，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述承压贮水层为长方体水袋。

3.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述导流管等间距的设置在所述含水层的底面。

4.根据权利要求1-3任一项所述的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，其特征在于：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。

5.根据权利要求1-3任一项所述的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，其特征在于：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。

6.利用上述1-5任一项所述的相似试验装置进行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，其特征在于：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、FLIR T250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。