一種演示煤炭水下開采的實驗裝置及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種試驗裝置，特別是涉及一種演示煤炭水下開采的實驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]承壓含水層廣泛存在于我國煤系地層當(dāng)中，由于該類含水層水壓及補給作用的存在，給承壓含水層下采煤帶來了威脅。國內(nèi)外發(fā)生了多起承壓含水層下采煤的工作面壓架致災(zāi)事故，造成了大量人員傷亡和巨大經(jīng)濟損失。而多數(shù)工作面壓架致災(zāi)事故都有一個顯著特點，即開采煤層上部的基巖較薄(薄基巖)，同時存在承壓含水層。這樣在采動影響、礦山壓力以及承壓水的共同作用下，弄清承壓水的載荷傳遞、水巖共同作用下礦山壓力及工作面壓架致災(zāi)的機理，變得尤為重要。而目前針對上述問題，中國礦業(yè)大學(xué)許家林教授展開了大量的理論分析和試驗研究，設(shè)計了松散承壓含水層載荷傳遞作用的實驗裝置和松散承壓含水層采動水位變化規(guī)律的實驗裝置及方法(申請?zhí)?200720037001.9)，但是上述試驗裝置及方法，存在以下不足:
[0003]⑴上述方法中用到了一整體的、全長承壓水袋來近似模擬煤系地層中的承壓含水層，然而作為水袋這種材料本身的特殊性，它存在一定的強度和曲率，一旦采用全長鋪設(shè)水袋(如3m長的試驗架就選用3m長的水袋)，由于一般需要模擬的承壓水的水壓較大，所設(shè)計水袋必須能承受一定的水壓力，這樣水袋本身的強度就不能太低，其曲率自然就變小，加之水袋在上覆巖層移動變形的兩端會被巖層壓緊，而覆巖的移動變形區(qū)域又很大，就會造成水袋在煤層開采后不能隨著巖層移動而同步下沉運動，造成巖層與水袋的離層，承壓含水層載荷就無法向下傳遞，造成試驗失真甚至失敗。
[0004]⑵上述實驗方法中，也無法做到在煤層開采過程中，對含水層中受采動影響部分的水的流動及補給規(guī)律進行模擬及監(jiān)控，進而也就無法做到對采煤工作面推進距離、推進速度等因素與承壓水內(nèi)部水流的補給方向的變化之間建立聯(lián)系，做出定性及定量的判斷，自然就無法得出規(guī)律性認(rèn)識。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，減小水袋本身對試驗的影響及對采動過程中含水層內(nèi)部的水的流動及補給進行監(jiān)控，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、效果好的演示煤炭水下開采的實驗裝置。
[0006]—種演示煤炭水下開采的實驗裝置，包括支撐架和架設(shè)于其上的煤層和巖層，在所述巖層中設(shè)置有承壓含水層，所述承壓含水層由多個小水袋連接而成，所述小水袋是由頂板、底板、前側(cè)壁、后側(cè)壁、左側(cè)壁和右側(cè)壁圍合而成的長方體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部為充水空間，在所述小水袋的左側(cè)壁上設(shè)置有入水口，右側(cè)壁上設(shè)置有出水口，后一個所述小水袋的入水口通過輸水管與前一個所述小水袋的出水口相連，第一個所述小水袋的入水口與水供應(yīng)裝置相連，最后一個所述小水袋只設(shè)置有入水口 ；
[0007]所述輸水管包括第一管體、第二管體和第三管體，所述第一管體的一端通過彈性軟管和接頭與前一個所述小水袋的出水口連接，所述第二管體的一端通過彈性軟管與所述第一管體的另一端相連，所述第三管體的一端通過彈性軟管與所述第二管體的另一端相連，所述第三管體的另一端通過彈性軟管和接頭與后一個所述小水袋的入水口連接；所述第一管體與所述第二管體之間形成的角度以及所述第二管體與所述第三管體之間形成的角度均為銳角；在所述第二管體外側(cè)的中部設(shè)置有水流量傳感器。
[0008]所述輸水管還包括第一支撐管和第二支撐管，所述第一支撐管的一端固定在所述第一管體的中部，另一端固定在前一個小水袋的右側(cè)壁上，所述第一支撐管、第一管體和右側(cè)壁之間形成一個穩(wěn)定的等邊三角形的空間；所述第二支撐管的一端固定在所述第三管體的中部，另一端固定在后一個小水袋的左側(cè)壁上，所述第二支撐管、第三管體和左側(cè)壁之間形成一個穩(wěn)定的等邊三角形的空間，所述第一支撐管和第二支撐管為塑料棒。
[0009]本發(fā)明所述的演示煤炭水下開采的實驗裝置，其包括10個所述小水袋，從第1個?第5個小水袋的入水口設(shè)置在所述左側(cè)壁的中部，處于靠近所述前側(cè)壁的位置，出水口設(shè)置在所述右側(cè)壁的下部，處于靠近所述后側(cè)壁的位置；從第6個到10個小水袋的入水口設(shè)置在所述左側(cè)壁的下部，處于靠近所述前側(cè)壁的位置；從第6個到9個小水袋的出水口設(shè)置在所述右側(cè)壁的中部，處于靠近所述后側(cè)壁的位置。
[0010]本發(fā)明所述的演示煤炭水下開采的實驗裝置，其中，在所述頂板和所述底板的左右兩側(cè)還分別設(shè)置有保護板，由所述頂板和底板向左右兩側(cè)延伸而成，將所有所述小水袋的保護板依次相連，在相鄰的兩個所述小水袋間形成保護所述輸水管的置物空間。
[0011]本發(fā)明所述的演示煤炭水下開采的實驗裝置，其中，所述頂板和所述底板為PVC板，所述前側(cè)壁、后側(cè)壁、左側(cè)壁和右側(cè)壁的截面為可折疊伸縮的齒形結(jié)構(gòu)，由丁基橡膠制成。
[0012]本發(fā)明所述的演示煤炭水下開采的實驗裝置，其中，所述小水袋在使用前其內(nèi)部處于完全壓縮狀態(tài)。
[0013]本發(fā)明所述的演示煤炭水下開采的實驗裝置，其中，所述水供應(yīng)裝置包括多個相同規(guī)格的水箱，所述水箱從上至下包括依次連通的上管體、上箱體、下管體和下箱體，所述上管體的上端為管口，所述上管體的上部為無刻度區(qū)，下部為有刻度區(qū)，所述下管體的上部為有刻度區(qū)，下部為無刻度區(qū)，在所述有刻度區(qū)的管壁上設(shè)置有刻度；在所述水箱的底部設(shè)置有水箱出水口。
[0014]本發(fā)明所述的演示煤炭水下開采的實驗裝置，其中，所述水箱由透明材料制成。
[0015]本發(fā)明所述的演示煤炭水下開采的實驗裝置，其中，所述上管體和所述下管體的橫截面為邊長為80mm的正方形，所述上管體的總高度為150mm，其中，上部的無刻度區(qū)高度為81.25mm，下部的有刻度區(qū)的高度為68.75mm，所述下管體的總高度為1000mm，上部的有刻度區(qū)高度為900mm，下部的無刻度區(qū)高度為100mm ;所述上箱體和下箱體的橫截面為邊長為250mm的正方形，所述上箱體的高度為160mm，所述下箱體的高度為100mm ;所述水箱的有刻度區(qū)的刻度值由上至下依次增大。
[0016]本發(fā)明所述的演示煤炭水下開采的實驗裝置，其中，所述水箱為3個，所述水供應(yīng)裝置還包括接頭和壓力表，所述3個水箱的水箱出水口分別通過管路與所述壓力表連接，所述接頭的一端通過管路與所述壓力表連接，另一端與第一個所述小水袋的入水口連接，在每個水箱和所述壓力表之間的管路上設(shè)置有閥門。
[0017]采用本發(fā)明所述的演示煤炭水下開采的實驗裝置進行試驗的方法，包括如下步驟:
[0018]①準(zhǔn)備好試驗工具、材料，必要的儀器設(shè)備；
[0019]②第一次使用水箱時，需要進行水管空氣排放過程，過程為:關(guān)閉水供應(yīng)裝置中第一個水箱的閥門，向水箱中注入干凈水源，加水過程要平穩(wěn)，水加到下箱體即將注滿時停止，打開水箱閥門，水箱中的水會在壓力下從水管流出，從而將初次使用的水箱水管中空氣排出，然后關(guān)閉閥門；然后按照上述方法依次向第二個水箱和第三個水箱加水并進行排放空氣過程；水箱加水之后，要拿干凈的木板蓋住水箱口 ；
[0020]③按照相似原理，分層鋪設(shè)需要模擬的煤巖層，要保證鋪設(shè)的煤巖層層面平直，在需要監(jiān)測應(yīng)力的巖層鋪設(shè)應(yīng)變片，將應(yīng)變片數(shù)據(jù)線都引向一側(cè)，從相似模擬裝置兩側(cè)圓孔中穿出，同時安裝側(cè)護板，鋪設(shè)到承壓含水層時暫停，開始鋪設(shè)小水袋；
[0021]④鋪設(shè)承壓含水層:將小水袋構(gòu)成的承壓含水層鋪于巖層上，保證連接緊密，鋪設(shè)緊湊、平直，將水流量傳感器數(shù)據(jù)線都引向一側(cè)；
[0022]⑤小水袋構(gòu)成的承壓含水層鋪于巖層上之后，需要向進行排放空氣過程后的水箱內(nèi)加水，要根據(jù)含水層實際的厚度加水，使小水袋充水到模擬厚度，水箱加水之后，要拿干凈的木板蓋住水箱口 ；加水量及小水袋的充水方法如下:
[0023]當(dāng)實際含水層厚度小于2m時，按照相似比100:1計算，小水袋需要達(dá)到的厚度小于20mm，則水袋中總共需要的水量小于16200ml，使用一個水箱加水，方法為:將蓋在水箱口的干凈木板拿掉，對第一個水箱加水到剛好零刻度位置時，升高水箱位置，打開水箱閥門，利用水的自身重力，將水注入到小水袋中，最后刻度顯示水箱注入的水的流量之和為810a ml時關(guān)閉閥門，a為含水層模擬高度，a = h/100，單位為mm，h為含水層實際高度，刻度值從下管體的有刻度區(qū)中讀出；
[0024]當(dāng)實際含水層厚度小于4m大于2m時，使用兩個水箱，方法為:將蓋在水箱口的干凈木板拿掉，對第一個水箱和第二個水箱加水到剛好零刻度位置時，升高水箱位置，打開第一個水箱的閥門，利用水的自身重力，將水注入到小水袋中，水面下降到下管體有刻度區(qū)最后刻度時關(guān)閉第一個水箱的閥門，再打開第二