[实用新型]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

说明书

本实用新型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，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。

技术领域

本实用新型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。

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。