[发明专利]一种弱胶结地层水砂溃涌模拟试验装置及试验方法

说明书

本发明提供了一种弱胶结地层水砂溃涌模拟试验装置，包括：装置本体、水砂溃涌观察组件、可视化组件和水供压组件；所述水砂溃涌观察组件与所述装置本体连接；所述可视化组件设置在所述装置本体外壁，所述水供压组件设置在所述装置本体顶部。本发明还提供了一种利用上述装置的弱胶结地层水砂溃涌模拟试验方法，包括以下步骤：S1筛选砂粒；S2砂体填充；S3调整水压测试；S4调整水砂溃涌通道的宽度；S5更换不同粒径的砂粒。本发明通过在试验装置中模拟弱胶结地层的结构，可以量化砂体粒径、水压以及水砂溃涌通道宽度对水砂溃涌的控制作用，并且能够直观的观察到发生水砂溃涌的条件，为水砂溃涌灾害的防治提供依据。

技术领域

本发明涉及煤矿顶板水砂溃涌灾害防治技术领域，尤其是涉及一种弱胶结地层水砂溃涌模拟试验装置及试验方法。

背景技术

煤层顶板水砂溃涌是侏罗纪煤田开发过程中发生频率较高的灾害之一。由于水砂体溃入具有突然性，往往给工作面安全生产带来极大危害。采掘工作面推进过程中的水砂溃涌，一方面水体的突然涌入可能造成淹没工作面和其他工作场所；另一方面砂体的溃入还会引发大范围的顶板垮塌，造成压死、掩埋采场支架，甚至造成人员伤亡的重大事故。比如神东的哈拉沟矿区地处陕北黄土高原北部和毛乌素沙漠东南缘的接壤地区，哈拉沟煤矿多次发生水砂溃涌灾害，对矿井安全生产造成极大影响；内蒙古新上海庙一号煤矿于2014年7月27日在111084工作面回采时发生水砂溃涌灾害，瞬时最大涌水、砂量达到1500m³/h，导致轨道顺槽被淤积1000m左右，经济损失巨大；陕西铜川照金煤矿于2016年4月25日在ZF202工作面回采到剩余317m时发生水砂溃涌事故，造成11人死亡，该事故是黄陇煤田在深埋条件下基岩溃砂造成严重后果的首例典型案例。以上案例均发生在侏罗纪煤田受弱胶结含水层威胁的矿井，由此可见，工作面顶板弱胶结地层水砂溃涌灾害对煤矿安全开采危害性巨大。

以往通常认为工作面回采产生的导水裂隙带波及至含水层或通过其他优势通道间接揭露含水层时，水会通过导水砂通道进入井下，当水力坡度达到或超过水砂溃涌的临界水力坡度时，便有可能会发生水砂溃涌事故。针对侏罗纪煤田煤层顶板水砂溃涌的研究主要集中在砂体单个颗粒临界启动流速、砂体液化流动的判据、水砂混合物失稳、水平变形指标、水砂通道形成、颗粒流数值模拟、水砂混合物运动等方面，取得了较多成果，有效指导了水砂溃涌灾害的防控和治理。

但以上研究多集中在薄基岩水砂溃涌的导水砂通道、临界水力坡度、水砂相互作用等方面，其理论基础为有限元、离散元、流体动力学、结构力学等，其理论和实践较为复杂，无法直观的了解砂体粒径、水压和水砂通道对弱胶结地层水砂溃涌的控制作用，针对薄基岩水砂溃涌的试验装置无法针对弱胶结地层水砂溃涌进行模拟，并且尚未发现有针对弱胶结地层水砂溃涌模拟的试验装置及方法。

发明内容

针对砂体粒径、水压和水砂通道对水砂溃涌的控制作用无法量化及水砂溃涌装置无法可视化的问题，本发明的目的是提供一种弱胶结地层水砂溃涌模拟试验装置及试验方法。

本发明提供一种弱胶结地层水砂溃涌模拟试验装置，包括：装置本体、水砂溃涌观察组件、可视化组件和水供压组件；所述水砂溃涌观察组件与所述装置本体连接；所述可视化组件设置在所述装置本体外壁，所述水供压组件设置在所述装置本体顶部。

进一步，所述装置本体包括：闷板、试验筒体和底板，所述试验筒体的顶端设置有法兰盘，且所述闷板通过螺栓穿过所述法兰盘与所述试验筒体连接；所述试验筒体的底端设置有法兰盘，且所述底板通过螺栓穿过所述法兰盘与所述试验筒体连接；在所述底板的底端一周设置有支架；所述底板上设置有窄槽，所述水砂溃涌观察组件安装在所述底板底部。

进一步，所述可视化组件包括：焊板、压板、垫圈和钢化玻璃，所述焊板设置在所述试验筒体外壁上，利用紧固装置依次将所述压板、所述垫圈和所述钢化玻璃安装在所述焊板上。

进一步，所述可视化组件设置有3组，且高低错落地设置在所述试验筒体外壁。