一种模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验装置的制作方法

1.本实用新型专利属于煤矿采空区灾害防治领域，具体涉及一种主要用于模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验装置。


背景技术：

2.煤炭资源在我国的能源结构中占比达58％以上，保障和影响着我国经济和社会的发展，所以煤炭资源的安全高效开采和利用是我国经济发展中的重中之重，也是影响我国国计民生的一项艰巨任务。随着东部地区华北型煤田浅部资源的逐渐枯竭，矿井逐渐步入到深部资源的开采阶段。与矿井浅部开采相比，深部开采具有高应力、高承压、高地温、扰动剧烈的“三高一扰动”特征，导致各种灾害频发，尤其是煤层开采中的底板突水。在深部煤炭大规模高度开采衍生的强扰动附加属性和底板高水压驱动下，底板突水灾害频发，已成为制约深部煤炭安全高效绿色开采的突出问题。
3.华北型煤田主要开采石炭—二叠纪含煤层，威胁矿井安全的底板含水层主要为奥陶系巨厚灰岩含水层。奥陶系灰岩含水层富水性强、厚度大、水量丰富，开采时不宜疏放。奥灰水突水事故一旦发生，涌水会在极短时间之内淹没整个工作面，甚至灌满整个矿井，具有极大的冲击力和破坏力，且很难在短时间内将涌出的水排完，导致救援工作无法快速组织和开展。据不完全统计，华北型煤田目前有超过230个矿井在不同程度上受到奥灰水威胁，不仅造成重大的经济损失与人员伤亡，也造成了不良的社会影响。
4.我国的煤矿水害防治理论研究人员和实践生产人员一直都致力于煤矿突水灾害防治的研究。各类研究表明了奥灰水突水灾害由煤矿工程地质条件、水文地质条件以及采动影响共同作用造成，突水机理十分复杂。当前国内外许多试验手段均不能很好地模拟深部奥灰水突水过程，大多数研究者在数值模型的基础上开展研究，无法直观地得出试验结果。此外，在教学实践中结合图文或者音频也不能完全满足日常的教学任务。试验探究必然不能建立在奥灰水灾实际发生上，在煤矿现场进行试验需耗费大量人力物力财力，已有的试验装置少数可以模拟底板突水，但是针对奥灰突水的研究，不能够完全满足其岩层构造、承压水压力、温度耦合等条件，试验结果相较于研究理论存在较大差别。因此，设计一种模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验装置及方法，具有十分重要的现实意义。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，寻求设计一种模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验装置，结构简单，通过模拟分析多场耦合条件下不同比例、不同构造、不同分布的煤层底板奥灰突水特征及机理，以满足奥灰突水机理的教学任务和试验探究，为奥灰突水机理的研究提供有效的试验数据。
6.本实用新型的另一目的是提供一种模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验方法。
7.本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
8.一种模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验装置，包括奥灰含水层系统、固定板、
设备板、液压监测系统、温度控制系统、拉力加载器、液压伺服加载器、活塞、变频扰动模拟系统、降噪夜视监控系统、顶部加载板、液压千斤顶、侧向热模块加载板、横向螺杆、螺母；所述固定板通过横向螺杆与设备板相连接，用螺母固定，固定板可以前后移动来实现对奥灰含水层系统的充分约束；所述液压监测系统可实时记录含水层在应力作用下各个部位变化的水压；所述温度控制系统实时记录奥灰含水层系统的温度变化，调控侧向热模块加载板的加热功率；所述拉力加载器位于设备板中部两侧，通过牵引绳与活塞相连加载，活塞位移由拉力加载器内部的数据采集系统自动实时记录；所述液压伺服加载器具有位移和力控制的多种加载方式；所述变频扰动模拟系统安装在采空区中部对应的设备板区域，振动杆顶端与侧面紧密接触岩层表面；所述降噪夜视监控系统安装在采空区上部的设备板区域，摄像头固定于采空区内部；所述顶部加载板的上端面与液压伺服加载器相连，下端面通过与分布在岩层模型上加载面上的钢珠接触向岩层模型传递均布荷载；所述液压千斤顶通过固定器与侧向热模块加载板相接触，液压千斤顶工作时，侧向热模块加载板对奥灰含水层系统左右端面加载，用以模拟侧向构造应力对地层的加载作用。
9.进一步地，所述奥灰含水层系统通过改变底部厚度调整含水层深度，可根据实际矿井设计试验岩层模型，预先分层浇筑完成建模后固定于装置内，可内部构建陷落柱和断层，实现对不同比例、不同构造、不同分布的岩层进行模拟分析。
10.进一步地，所述变频扰动模拟系统可以调节振动频率和强度，可以选择不同长度和半径的振动杆对不同开采距离的采空区进行不同程度的扰动，实现远场和近场微震传递。
11.进一步地，所述降噪夜视监控系统可在暗光条件下拍摄不产生红曝，实时记录采空区画面并传送到云端，支持多设备远程查看。
12.进一步地，所述液压监测系统和温度控制系统配有多个传感片，可以安放在含水层不同深度的位置，也可以密贴在岩层模型表面，实时监测并记录不同位置的压强或温度，自动生成数据图表，上传至云端保存。
13.进一步地，所述侧向热模块加载板内安装矩阵分布式ptc陶瓷加热系统，发热速度快且均匀连续，可分区进行温度控制，调节奥灰含水层系统多个位置的温度高低，从而探究温度对地应力分布、对岩体的工程力学性质的影响。
14.一种模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验方法，应用上述所述的模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验装置，包括以下步骤：
15.1)将实际探究的矿井岩层构造按照一定比例设计成岩层模型，温度传感片和液压传感片安放在所需测量的岩层模型位置处及含水层内部，然后将岩层模型紧贴着设备板安放在装置含水层上部，通过横向螺杆移动固定板与岩层模型紧密接触后，拧紧螺母；
16.2)将岩层模型上表面放置顶部加载板，开启液压伺服加载器、液压千斤顶，设置试验所需的竖向压力f1和侧向压力f2；
17.3)将温度控制系统开启，设置试验所需岩层模型五个分区的温度t1、t2、t3、t4、t5，侧向热模块加载板加热岩层模型，使温度控制系统监测的岩层模型各区温度达到所设定温度；
18.4)将变频扰动模拟系统开启，设定振动杆的振动频率和强度，使其满足试验所需的扰动条件，然后开启降噪夜视监控系统，通过显示屏实时观察岩层模型采空区内部的画
面；
19.5)将拉力加载器开启，通过牵引绳移动活塞压缩含水层液体，拉力加载器记录活塞的位移s，使含水层液体受压通过岩层模型内部的孔隙或断层或陷落柱涌入采空区，液压监测系统和温度控制系统分别记录传感片所处位置的液压p和温度t，通过显示屏观察到采空区内部发生突水现象后，确定突水发生时刻，观察突水过程和程度；
20.6)将液压伺服加载器、液压千斤顶卸载，导出试验过程的各项测量数据，关闭设备电源，松开螺母，卸下固定板，取出岩层模型，观察岩层模型的突水路径。
21.如上所述的一种模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验方法，步骤3)中所述“侧向热模块加载板加热岩层模型，使温度控制系统监测的岩层模型各区温度达到所设定温度”之后，还包括：温度控制系统实时控制侧向热模块加载板的加热功率，当温度高于所设温度一定数值时，降低加热功率，当温度低于所设温度一定数值时，升高加热功率，确保岩层模型温度始终保持在所设温度的一定区间内。
22.本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：
23.本实用新型的一种模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验装置，与现有技术相比，一是试验装置高度智能化，所有监控数据自动记录并生成图表上传至云端保存，采空区画面可以远程多设备实时在线观看；二是奥灰含水层系统四周有弹性隔水基础进行支撑，在固定板、加载板的约束下，将弹性隔水基础与奥灰含水层系统紧密接触，保证了试验装置和奥灰含水层系统之间的密封防水性；三是试验现象易于观察，奥灰含水层系统通过注水口添加有色难渗透的液体，突水路径及突水程度可直观展现；四是设计严谨，满足深部开采具有高应力、高承压、高地温、剧烈扰动的“三高一扰动”特征，动力控制系统采用液压伺服装置，深部岩层高应力通过各向加载板实现，高承压用拉力加载器牵引活塞实现，高地温通过矩阵分布式ptc陶瓷加热板实现，剧烈扰动通过变频扰动模拟系统实现，对多场耦合下奥灰突水过程与特征及机理的研究具有普遍指导意义；五是其结构简单，原理科学，维护方便，监测数据准确，实现在室内模拟多场耦合条件下不同比例、不同构造、不同分布的岩层模型的奥灰突水过程，满足奥灰突水机理的教学任务和试验探究，为奥灰突水防治和煤矿的安全开采提供有效的试验数据。
24.本实用新型的一种模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验方法，先根据实际矿井设计试验岩层模型，将岩层模型紧贴着设备板安放在装置含水层上部，固定板经横向螺杆移至与岩层模型后端面接触并通过拧紧螺母对岩层模型边界进行约束；液压伺服加载器通过顶部加载板和钢珠对岩层模型上加载面施加竖向力f1，液压千斤顶通过侧向热模块加载板对岩层模型左右端面施加侧向力f2，经安装在设备板上的拉力加载器牵引活塞增加岩层模型的内部承压p，变频扰动模拟系统对岩层模型进行扰动，侧向热模块加载板内矩阵分布式ptc陶瓷加热系统加热岩层模型达到温度t；通过显示屏观察到采空区内部发生突水现象后，确定突水发生时刻，观察突水过程和程度，将液压伺服加载器、液压千斤顶卸载，导出试验过程的各项测量数据，关闭设备电源，松开螺母，卸下固定板，取出岩层模型，观察岩层模型的突水路径。本试验方法可精准实现岩层模型发生奥灰突水时高应力、高承压、高地温、剧烈扰动的“三高一扰动”特征，操作方便简单，数据测量高效，结合工程实际，能够满足奥灰突水机理的教学任务和试验探究，为奥灰突水防治和煤矿的安全开采提供有效的试验数据，具有较大的实施价值和社会经济效益。
附图说明
25.图1为本实用新型模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验装置的主体结构原理示意图
26.图2为本实用新型模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验装置的主体结构三维轴侧图
27.图3为本实用新型模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验装置的主体结构三维俯视图
28.图中：1.固定板、2.设备板、3.液压监测系统、4.温度控制系统、5.拉力加载器、6.液压伺服加载器、7.活塞、8.变频扰动模拟系统、9.降噪夜视监控系统、10.顶部加载板、11.液压千斤顶、12.侧向热模块加载板、13.横向螺杆、14.螺母。
具体实施方式
29.下面通过实施例并结合附图对本实用新型做进一步说明，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。
30.1.一种模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验装置，包括奥灰含水层系统、固定板1、设备板2、液压监测系统3、温度控制系统4、拉力加载器5、液压伺服加载器6、活塞7、变频扰动模拟系统8、降噪夜视监控系统9、顶部加载板10、液压千斤顶11、侧向热模块加载板12、横向螺杆13、螺母14；所述液压伺服加载器6具有位移和力控制的多种加载方式；所述顶部加载板10的上端面与液压伺服加载器6相连，下端面通过与分布在岩层模型上加载面上的钢珠接触向岩层模型传递均布荷载；所述拉力加载器5位于设备板2中部两侧，通过牵引绳与活塞7相连加载，活塞7位移由拉力加载器5内部的数据采集系统自动实时记录；所述液压监测系统3可实时记录含水层在应力作用下各个部位变化的水压；所述温度控制系统4实时记录奥灰含水层系统的温度变化，调控侧向热模块加载板12的加热功率；所述液压千斤顶11通过固定器与侧向热模块加载板12相接触，液压千斤顶11工作时，侧向热模块加载板12对奥灰含水层系统左右端面加载，用以模拟侧向构造应力对地层的加载作用；所述变频扰动模拟系统8安装在采空区中部对应的设备板区域，振动杆顶端与侧面紧密接触岩层表面；所述降噪夜视监控系统9安装在采空区上部的设备板区域，摄像头固定于采空区内部；所述固定板1通过横向螺杆13与设备板2相连接，用螺母14固定，固定板1可以前后移动来实现对奥灰含水层系统的充分约束。
31.具体地，所述奥灰含水层系统通过改变底部厚度调整含水层深度，可根据实际矿井设计试验岩层模型，预先分层浇筑完成建模后固定于装置内，可内部构建陷落柱和断层，实现对不同比例、不同构造、不同分布的岩层进行模拟分析。
32.具体地，所述变频扰动模拟系统8可以调节振动频率和强度，可以选择不同长度和半径的振动杆对不同开采距离的采空区进行不同程度的扰动，实现远场和近场微震传递。
33.具体地，所述降噪夜视监控系统9可在暗光条件下拍摄不产生红曝，实时记录采空区画面并传送到云端，支持多设备远程查看。
34.具体地，所述液压监测系统3和温度控制系统4配有多个传感片，可以安放在含水层不同深度的位置，也可以密贴在岩层模型表面，实时监测并记录不同位置的压强或温度，自动生成数据图表，上传至云端保存。
35.具体地，所述侧向热模块加载板12内安装矩阵分布式ptc陶瓷加热系统，发热速度快且均匀连续，可分区进行温度控制，调节奥灰含水层系统多个位置的温度高低，从而探究温度对地应力分布、对岩体的工程力学性质的影响。
36.一种模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验方法，应用上述所述的模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验装置，包括以下步骤：
37.1)将实际探究的矿井岩层构造按照一定比例设计成岩层模型，温度传感片和液压传感片安放在所需测量的岩层模型位置处及含水层内部，然后将岩层模型紧贴着设备板2安放在装置含水层上部，通过横向螺杆13移动固定板1与岩层模型紧密接触后，拧紧螺母14；
38.2)将岩层模型上表面放置顶部加载板10，开启液压伺服加载器6、液压千斤顶11，设置试验所需的竖向压力f1和侧向压力f2；
39.3)将温度控制系统4开启，设置试验所需岩层模型五个分区的温度t1、t2、t3、t4、t5，侧向热模块加载板12加热岩层模型，使温度控制系统4监测的岩层模型各区温度达到所设定温度；
40.4)将变频扰动模拟系统8开启，设定振动杆的振动频率和强度，使其满足试验所需的扰动条件，然后开启降噪夜视监控系统9，通过显示屏实时观察岩层模型采空区内部的画面；
41.5)将拉力加载器5开启，通过牵引绳移动活塞7压缩含水层液体，拉力加载器5记录活塞7的位移s，使含水层液体受压通过岩层模型内部的孔隙或断层或陷落柱涌入采空区，液压监测系统3和温度控制系统4分别记录传感片所处位置的液压p和温度t。通过显示屏观察到采空区内部发生突水现象后，确定突水发生时刻，观察突水过程和程度；
42.6)将液压伺服加载器6、液压千斤顶11卸载，导出试验过程的各项测量数据，关闭设备电源，松开螺母14，卸下固定板1，取出岩层模型，观察岩层模型的突水路径。
43.本实用新型的一种模拟深部开采奥灰突水的多场耦合试验方法，先根据实际矿井设计试验岩层模型，将岩层模型紧贴着设备板安放在装置含水层上部，固定板经横向螺杆移至与岩层模型后端面接触并通过拧紧螺母对岩层模型边界进行约束；液压伺服加载器通过顶部加载板和钢珠对岩层模型上加载面施加竖向力f1，液压千斤顶通过侧向热模块加载板对岩层模型左右端面施加侧向力f2，经安装在设备板上的拉力加载器牵引活塞增加岩层模型的内部承压p，变频扰动模拟系统对岩层模型进行扰动，侧向热模块加载板内矩阵分布式ptc陶瓷加热系统加热岩层模型达到温度t；通过显示屏观察到采空区内部发生突水现象后，确定突水发生时刻，观察突水过程和程度，将液压伺服加载器、液压千斤顶卸载，导出试验过程的各项测量数据，关闭设备电源，松开螺母，卸下固定板，取出岩层模型，观察岩层模型的突水路径。本试验方法可精准实现岩层模型发生奥灰突水时高应力、高承压、高地温、剧烈扰动的“三高一扰动”特征，操作方便简单，数据测量高效，结合工程实际，能够满足奥灰突水机理的教学任务和试验探究，为奥灰突水防治和煤矿的安全开采提供有效的试验数据，具有较大的实施价值和社会经济效益。
44.具体地，步骤3)中所述“侧向热模块加载板加热岩层模型，使温度控制系统监测的岩层模型各区温度达到所设定温度”之后，还包括：温度控制系统实时控制侧向热模块加载板的加热功率，当温度高于所设温度一定数值时，降低加热功率，当温度低于所设温度一定
数值时，升高加热功率，确保岩层模型温度始终保持在所设温度的一定区间内。
45.以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，对于本技术领域的人员，凡是根据本实用新型方法的实质对上述实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型的保护范围之内。