一种煤层为主含水层的煤层涌水量动态监测系统及方法与流程

1.本发明涉及一种煤层涌水量动态监测系统及方法，尤其是一种适用于物理相似模拟测试试验的以煤层为主含水层的煤层涌水量动态监测系统。


背景技术：

2.煤层为主含水层是煤田内发现的一种极罕见的矿井水文地质结构，煤层中含有大量贯通裂隙并富含水，对矿井生产造成严重水害威胁。物理模型试验作为一种有效研究地质与工程结构试验研究手段被广泛应用到煤矿开采问题中，以往很少关于煤层为主含水层的物理相似模拟试验系统的相关研究。为保障特殊水文地质结构矿区的高强度安全开采，需要对煤层为主含水层条件下的煤层开采的上覆岩层、含水层变形破坏与渗流突水过程问题进一步展开研究。


技术实现要素：

3.技术问题：本发明的目的是针对现有煤层为主含水层条件下的物理相似模拟测试中存在问题，提供一种结构简单、操作方便、为保障特殊水文地质结构矿区的高强度安全开采的煤层为主含水层的煤层涌水量动态监测系统及方法。
4.技术方案：本发明的一种煤层为主含水层的煤层涌水量动态监测系统，包括二维相似模拟平台、供水系统、涌水量监测系统和应力监测系统，所述的二维相似模拟平台为内部依次铺设岩层相似模拟材料及煤层预制块的多功能采矿平面相似物理模拟试验平台，二维相似模拟平台上部设有对模型施加补偿载荷的竖直加压油缸；所述的供水系统设在二维相似模拟平台的一侧，与预埋在煤层预制块内部的注水管连接，所述的涌水量监测系统设在与煤层预制块相连的位置处，所述的应力监测系统包括间隔设在岩层相似模拟材料内部的多个压力传感器和与之相连的应力采集仪。
5.所述岩层相似模拟材料为石英砂、碳酸钙和石膏按照岩层相似比配制成的混合物。
6.所述的煤层预制块包括基体试块、注水管、出水管、管帽、防水凝胶涂层和防水胶带；所述的注水管和出水管平行预埋在基体试块内部，注水管和出水管两侧的管口处均设有封闭进出口的管帽，注水管和出水管两侧的管口与基体试块侧壁齐平，两个管壁上均匀间隔开设有利于材料的输水与渗水的若干透水孔，所述的基体试块的表面喷涂有防水凝胶层和缠绕在防水凝胶层外部的防水胶带。
7.所述的基体试块由石英砂、碳酸钙、石膏、石蜡及凡士林按照水理性相似比配制而成。
8.所述的煤层预制块的长宽高尺寸等于一次开挖步距、二维相似模拟平台宽度及模拟煤层高度。
9.所述供水系统包括供水吊瓶、注水管路、控制水阀a和固定支架组合构成；所述供水吊瓶固定在固定支架上，供水吊瓶的个数根据煤层预制块的个数决定，供水吊瓶的固定
高度根据现场实测煤层水压按照相似比决定；供水吊瓶出口控制水阀出水口通过注水管路与预埋在煤层预制块内部的注水管管口连接，使供水吊瓶内的水可通过注水管路注入煤层预制块内部，控制水阀a设在注水管路上。
10.所述涌水量监测系统包括流量计、出水管路和控制水阀b；所述出水管路的一端连接煤层预制块内部的出水管管口，另一端管口处安装流量计，利用流量计记录与测量预制块内的水量数值变化，所述控制水阀b设在出水管路上。
11.根据上述动态监测系统的煤层为主含水层的煤层涌水量动态监测方法，包括以下步骤：
12.1)利用二维相似模拟平台铺设相似模拟模型：依据煤矿实际地质资料，确定模型中各岩层属性，结合根据物理模拟准则确定模型中岩层材料的几何参数、各岩层特性参数，以此配制各岩层相似材料；
13.2)构建煤层预制块，依据物理模拟准则及水理性相似理论确定模型中煤层即含水层材料的几何参数及特性参数，配制煤层预制块，煤层预制块的制备个数n根据开挖步距决定，并将n个煤层预制块进行标号为k1…kn
；
14.3)根据模型各岩层的相似模拟参数进行相似模型的铺设；铺设到煤层时，通过将煤层预制块按标号k1…kn
依次由煤层开挖方向排列堆砌进行铺设；在铺设岩层相似模拟材料过程中将多个应力传感器间隔预埋在模型内部设计位置；
15.4)待铺设完成的相似模型自然风干后，完成应力监测系统、供水系统与涌水量监测系统的安装，每个煤层预制块分别连接一套供水系统与一套涌水量监测系统,并将供水系统和涌水量监测系统分别进行标号为g1…gn
和y1…yn
，其中，每套供水系统和涌水量监测系统上的控制水阀a与控制水阀b分别标注为a1…an
和b1…bn
；
16.5)相似模型开挖前，利用二维相似模拟平台上部安设竖直加压油缸对模型施加补偿载荷；
17.6)根据模型设计方案进行煤层开挖，在进行煤层预制块k1开挖前，开启与每个煤层预制块相连供水系统g1…gn
的控制水阀a向对应的煤层预制块k1…kn
内部注水，等待所有供水吊瓶内部水量不在发生变化后开启与每个煤层预制块相连涌水量监测系统y1…yn
的控制水阀b(20)使预制块内部渗流水可通过出水管路流出；
18.7)在煤层开挖过程中，对上覆岩层变形破坏与应力状态过程进行观察和记录，同时监测安设在出水管路)上的流量计数据l变化；
19.8)再进行下一个煤层预制块k2开挖前，将供水系统g1与涌水量监测系统y1拆除，关闭控制阀门a2…an
和控制阀门b2…bn
，对剩余每个供水吊瓶内的水量进行补充，重复6)和7)步骤，直至整个模型开挖完毕；
20.9)在整个实验过程中，通过应力采集仪将每个应力传感器监测得到的应力数据σ与对应的预制块中设置的涌水量监测系统得到的涌水量数据l对应起来，绘制成σ-l曲线，建立煤层为主含水层的煤层涌水量动态变化l与模型中覆岩应力σ的关系，从而实现煤层涌水量的动态监测。
21.有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明实现了流固耦合作用下煤层为主含水层的物理相似模拟，丰富了特殊水文地质结构矿区的高强度安全开采的理论及其技术体系，促进了矿产资源开发的快速、全面发展。通过采用物理相似模拟试验方法构建采动煤层
的涌(突)水模型，结合自行设计的注水及涌水量监测系统及应变监测仪和数字照相技术，对垮落法开采条件下的煤层的水压变化、覆岩的移动变形与裂隙发育过程等进行监测和记录，建立煤层为主含水层开采中的矿压分布特征及与煤体涌水量间的关系。填补了煤层为主含水层条件下的物理相似模拟测试的空白，为实现流固耦合作用下的煤层为主含水层物理相似模拟研究提供了新的途径，其结构简单，方法操作方便，实验结果更加贴近于工程实际问题，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
22.图1是本发明中的煤层为主含水层的煤层涌水量动态监测系统结构示意图。
23.图2是本发明中的煤层即含水层预制块结构示意图。
24.图中：1-二维相似模拟平台，2-供水系统，3-涌水量监测系统，4-应力监测系统，5-岩层相似模拟材料，6-煤层预制块，7-基体试块，8-注水管，9-出水管，10-管帽，11-防水凝胶涂层，12-防水胶带，13-透水孔，14-供水吊瓶，15-注水管路，16-控制水阀a，17-固定支架，18-流量计，19-出水管路，20-控制水阀b，21-应力传感器，22-应变仪，23-加压油缸。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
26.本发明的煤层为主含水层的煤层涌水量动态监测系统，包括二维相似模拟平台1、供水系统2、涌水量监测系统3和应力监测系统4，所述的二维相似模拟平台1为内部依次铺设岩层相似模拟材料5及煤层预制块6的多功能采矿平面相似物理模拟试验平台，所述岩层相似模拟材料5为石英砂、碳酸钙和石膏按照岩层相似比配制成的混合物，各岩层相似模拟材料5根据物理模拟准则确定材料的特性参数，以此配制各岩层相似材料。所述的煤层预制块6包括基体试块7、注水管8、出水管9、管帽10、防水凝胶涂层11和防水胶带12；所述的注水管8和出水管9平行预埋在基体试块7内部，注水管8和出水管9两侧的管口处均设有封闭进出口的管帽10，注水管8和出水管9两侧的管口与基体试块7侧壁齐平，两个管壁上均匀间隔开设有利于材料的输水与渗水的若干透水孔13，所述的基体试块7的表面喷涂有防水凝胶层11和缠绕在防水凝胶层外部的防水胶带12，所述的基体试块7由石英砂、碳酸钙、石膏、石蜡及凡士林按照水理性相似比配制而成。二维相似模拟平台1上部设有对模型施加补偿载荷的竖直加压油缸23；所述的供水系统2设在二维相似模拟平台1的一侧，与预埋在煤层预制块6内部的注水管连接，所述供水系统2包括供水吊瓶14、注水管路15、控制水阀a16和固定支架17组合构成；所述供水吊瓶14固定在固定支架17上，供水吊瓶14的个数根据煤层预制块6的个数决定，供水吊瓶14的固定高度根据现场实测煤层水压按照相似比决定；供水吊瓶14出口控制水阀出水口通过注水管路15与预埋在煤层预制块6内部的注水管8的管口连接，向煤层预制块6内提供稳定渗透水源，使供水吊瓶14内的水可通过注水管路15注入煤层预制块6内部，注水管路15上设置有可调节输水量的控制水阀a16；所述的煤层预制块6的长宽高尺寸等于一次开挖步距、二维相似模拟平台宽度及模拟煤层高度。所述的涌水量监测系统3设在与煤层预制块6相连的位置处，所述的应力监测系统4包括间隔设在岩层相似模拟材料5内部的多个压力传感器21和与之相连的应力采集仪22。所述涌水量监测系统3包括流量计18、出水管路19和控制水阀b20；所述出水管路19的一端连接煤层预制块6内部的出
水管9管口，另一端管口处安装流量计18，利用流量计18记录与测量预制块6内的水量数值变化，所述控制水阀b20设在出水管路19上。
27.本发明的煤层为主含水层的煤层涌水量动态监测方法，具体包括以下步骤：
28.1)利用二维相似模拟平台1铺设相似模拟模型：依据煤矿实际地质资料，确定模型中各岩层属性，结合根据物理模拟准则确定模型中岩层材料的几何参数、各岩层特性参数，以此配制各岩层相似材料；选取石英砂为骨料，碳酸钙、石膏、凡士林、石蜡为辅助材料，并根据正交试验方法设计相似模拟材料的配比方案；
29.2)构建煤层预制块6，依据物理模拟准则及水理性相似理论确定模型中煤层即含水层材料的几何参数及特性参数，配制煤层预制块6，煤层预制块6由基体试块7、注水管8、出水管9、管帽10、防水凝胶涂层11和防水胶带12组合构成；煤层预制块6的制备个数n根据开挖步距决定，并将n个煤层预制块进行标号为k1…kn
；煤层预制块6制作过程如下：
30.a.选取石英砂为骨料，碳酸钙、石膏、凡士林、石蜡为辅助材料，并根据正交试验方法设计相似模拟材料的配比方案；
31.b.依据预先设计的配比方案称取骨料与辅助材料并将混合骨料搅拌均匀；将石蜡和凡士林混合加热熔融，倒入混合骨料中再次搅拌均匀；
32.c.将混合材料经标准模具进行制作与成型；
33.d.将脱模后的试件放置在养护箱内养护7天进行强度测试；
34.e.养护后的试件分别浸水1h、8h、12h与24h进行吸水率与软化系数测试，根据测试结果，按照物理模拟准则和水理性相似理论确定煤层为主含水层的相似模拟材料配比；
35.f.依据确定的煤层相似模拟材料配比重复步骤b；
36.g.将混合材料经特制的模具进行基体试块7的制作与成型；在基体试块7制作过程中，将pvc材质的注水管8和出水管9预埋在基体试块7内部，管长为4/5的基体试块7长度；注水管8及出水管9内部管口使用管帽10封闭，通过在特制模具侧部钻孔将模具侧部钻孔将注水管8及出水管9外部管口与基体试块7侧壁齐平；注水管8及出水管9的管壁上均匀间隔设置若干透水孔13利于材料的输水与渗水，透水孔13的孔数量及直径大小根据实际含水层渗透性能参数设计。
37.h.基体试块7脱模后，在表面喷涂防水凝胶11，待风干后再缠绕防水胶带12进行封水处理，并将注水管8及出水管9管口露出；
38.i.煤层预制块6的长宽高尺寸等于一次开挖步距、二维相似模拟平台宽度及模拟煤层高度，制作个数根据开挖步距数决定，并将其进行标号为k1…kn
；
39.3)根据模型各岩层的相似模拟参数进行相似模型的铺设；铺设到煤层时，通过将煤层预制块6按标号k1…kn
依次由煤层开挖方向排列堆砌进行铺设；根据实验设计，在铺设岩层相似模拟材料(5)过程中将多个应力传感器21间隔预埋在模型内部设计位置；
40.4)待铺设完成的相似模型自然风干后，完成供水系统2、涌水量监测系统3与煤层预制块6之间的连接管路连接及应力监测系统4的安装，每个煤层预制块6分别连接一套供水系统2与一套涌水量监测系统3,并将供水系统和涌水量监测系统分别进行标号为g1…gn
和y1…yn
，其中，每套供水系统2和涌水量监测系统3上的控制水阀a16与控制水阀b20分别标注为a1…an
和b1…bn
；每个供水吊瓶14通过固定支架17固定在模型外侧上方，固定高度根据现场实测煤层水压按照相似比决定；
41.5)相似模型开挖前，利用二维相似模拟平台1上部安设竖直加压油缸23对模型施加补偿载荷；
42.6)根据模型设计方案进行煤层开挖，在进行煤层预制块k1开挖前，开启与每个煤层预制块6相连供水系统g1…gn
的控制水阀a16向对应的煤层预制块k1…kn
内部注水，等待所有供水吊瓶14内部水量不在发生变化后，开启与每个煤层预制块6相连涌水量监测系统y1…yn
的控制水阀b20使预制块内部渗流水可通过出水管路19流出；
43.7)在煤层开挖过程中，对上覆岩层变形破坏与应力状态过程进行观察和记录，同时监测安设在出水管路19上的流量计18数据l变化；
44.8)再进行下一个煤层预制块k2开挖前，将供水系统g1与涌水量监测系统y1拆除，关闭控制阀门a2…an
和控制阀门b2…bn
，对剩余每个供水吊瓶(14)内的水量进行补充，重复6)和7)步骤，直至整个模型开挖完毕；
45.9)在整个实验过程中，通过应力采集仪22将每个应力传感器21监测得到的应力数据σ与对应的预制块6中设置的涌水量监测系统3得到的涌水量数据l对应起来，绘制成σ-l曲线，建立煤层为主含水层的煤层涌水量动态变化l与模型中覆岩应力σ的关系，从而实现煤层涌水量的动态监测。