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

技术特征：
1.一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(1)、供水系统(2)、涌水量监测系统(3)和应力监测系统(4)，其特征在于：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，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)。2.根据权利要求1所述的一种煤层为主含水层的煤层涌水量动态监测系统，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一种煤层为主含水层的煤层涌水量动态监测系统，其特征在于：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)。4.根据权利要求3所述的一种煤层为主含水层的煤层涌水量动态监测系统，其特征在于：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。5.根据权利要求1所述的一种煤层为主含水层的煤层涌水量动态监测系统，其特征在于：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。6.根据权利要求1所述的一种煤层为主含水层的煤层涌水量动态监测系统，其特征在于：所述供水系统(2)包括供水吊瓶(14)、注水管路(15)、控制水阀a(16)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)管口连接，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，控制水阀a(16)设在注水管路(15)上。7.根据权利要求1所述的一种煤层为主含水层的煤层涌水量动态监测系统，其特征在于：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b(20)；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b(20)设在出水管路(19)上。8.根据权利要求1-7任意项所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，其特征在于包括以下步骤：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；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)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…
k
n
；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…
k
n
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(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；4)待铺设完成的相似模型自然风干后，完成应力监测系统(4)、供水系统(2)与涌水量监测系统的安装，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…
g
n
和y1…
y
n
，其中，每套供水系统(2)和涌水量监测系统(3)上的控制水阀a(16)与控制水阀b(20)分别标注为a1…
a
n
和b1…
b
n
；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；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…
g
n
的控制水阀a(16)向对应的煤层预制块k1…
k
n
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…
y
n
的控制水阀b(20)使预制块内部渗流水可通过出水管路(19)流出；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；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…
a
n
和控制阀门b2…
b
n
，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；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。

技术总结
本发明公开了一种煤层为主含水层的煤层涌水量动态监测系统及方法，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，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。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。全面发展。全面发展。


技术研发人员：何泽全 巨峰 肖猛 周成 宁湃 王栋 王腾飞 张雅珍
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2021.11.05
技术公布日：2022/2/7