專利名稱：一種保水開采的模擬系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于煤礦開采研究領(lǐng)域的模擬裝置，尤其涉及ー種保水開采的模擬系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代煤礦開采理論與技術(shù)的發(fā)展，在獲得采礦工程設(shè)計基本數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計方案的試驗論證和施工エ序的合理安排上，巖層力學(xué)模擬實驗是最基本、最重要的研究方法。巖石力學(xué)實驗?zāi)M具有直觀性強(qiáng)，研究結(jié)果快，可進(jìn)行單因素分析研究，探討某一因素對開采條件下圍巖的穩(wěn)定性的影響及其敏感程度，根據(jù)模型實驗的結(jié)果，可以推斷原型可能出現(xiàn)的力學(xué)現(xiàn)象與變形狀態(tài)以及圍巖穩(wěn)定性與安全程度。在以往的物理模擬實驗中，主要是模擬巖層在受采動影響的情況下，應(yīng)カ場變化 導(dǎo)致巖層形成破碎帶，裂隙帶與彎曲下沉帶的狀態(tài)。通過模擬實驗，分析各種區(qū)域的壓カ變化規(guī)律與區(qū)域分布規(guī)律。但在實際工程中，巖層除了受應(yīng)カ場的影響外，巖層中含水層的存在還會對巖層產(chǎn)生影響，出現(xiàn)了應(yīng)力場與流場的耦合問題。對于應(yīng)力場與流場的耦合問題的模擬還處于初級階段，如何模擬含水層及水在裂隙場形成后的滲流過程是待解決的關(guān)鍵問題。現(xiàn)有技術(shù)中，僅能采用水管噴淋或用水袋來模擬含水層，這樣的方式難以模擬含水層中水的賦存狀態(tài)以及水與巖體所形成的結(jié)構(gòu)在受采動影響下的整體變化。因此，有必要設(shè)計ー種新型的模擬裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)無法為保水開采提供較準(zhǔn)確信息的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的是提供ー種能夠模擬含水層及水在裂隙場形成后的滲流過程的模擬裝置。本發(fā)明提供的保水開采的模擬系統(tǒng)包括模型架、含水層模擬裝置和監(jiān)測裝置，含水層模擬裝置安裝在模型架上，其中含水層模擬裝置包括進(jìn)水管、水箱支架、水箱、含水層水管、含水層水管進(jìn)水閥門、含水層水管流量計、含水層水管出水閥門、巖層模擬層、含水層箱體和含水層水位計。進(jìn)水管設(shè)置在水箱上方，用于為水箱供水；水箱安裝在水箱支架上；含水層水管的入水端與水箱連接，并且含水層水管的一部分管路在巖層模擬層中延伸，在所述管路上設(shè)置有多個出水方向向下的出水孔；巖層模擬層鋪設(shè)在含水層箱體中；含水層箱體固定在模型架上；含水層水位計設(shè)置在含水層箱體中，用于檢測含水層箱體中的水位；含水層水管進(jìn)水閥門設(shè)置在含水層水管入水端與水箱之間；含水層水管流量計連接在含水層水管的管路上，用于檢測含水層水管中的流量；含水層水管出水閥門設(shè)置在含水層水管的出水端；監(jiān)測裝置與含水層模擬裝置之間通過信號鏈路連接。優(yōu)選地，巖層模擬層由砂?；蛩槭瘶?gòu)成。優(yōu)選地，含水層水管在進(jìn)入到巖層模擬層的管路下側(cè)每隔預(yù)定間隔設(shè)置ー個出水孔。優(yōu)選地，模型架包括第一側(cè)面立柱、第二側(cè)面立柱、前擋板、后擋板和箱式底座，其中第一側(cè)面立柱、第二側(cè)面立柱均垂直安裝在箱式底座上，所述第一側(cè)面立柱、第二側(cè)面立柱之間相互平行；前擋板、后擋板均安裝在第一側(cè)面立柱、第二側(cè)面立柱之間，前擋板安裝在如端；后擋板安裝在后端。優(yōu)選地，模型架還包括橫梁，所述橫梁連接在第一側(cè)面立柱、第二側(cè)面立柱之間。優(yōu)選地，含水層箱體包括擋板、側(cè)板、隔水板、滑槽總成、夾層，其中所述擋板和側(cè)板構(gòu)成含水層箱體的四周邊界；滑槽總成設(shè)置在擋板之間，是隔水板的插接部件；夾層設(shè)置在含水層箱體的底部，與隔水板的平面相貼合地鄰接設(shè)置。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括監(jiān)測裝置，所述監(jiān)測裝置包括圖像采集模 塊和信號采集模塊，其中圖像采集模塊設(shè)置在含水層模擬裝置的正面，以對含水層模擬裝置進(jìn)行拍攝；信號采集模塊與含水層模擬裝置連接，以獲得相應(yīng)的水位、流量信號；優(yōu)選地，水箱中還設(shè)置有水箱水位計。優(yōu)選地，在含水層水管6延伸在巖層模擬層中的管路上，每隔IOOmm設(shè)置ー個直徑為3_5mm的出水孔。優(yōu)選地，滑槽上設(shè)置有密封槽，在密封槽中安裝有密封圏，利用所述密封圈，滑槽總成與隔水板之間隔水密封。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明能夠模擬開采前含水層中水與巖層共存的狀態(tài)，開采后下部巖層形成裂隙場后，含水層中水的流動過程、水在裂隙場中滲流過程及含水層所形成的整體結(jié)構(gòu)受采動影響的變化，從而能夠為保水開采提供較準(zhǔn)確的信息。


圖I是本發(fā)明ー種具體實施方式
的保水開采的模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I所示系統(tǒng)的俯視圖；圖3是本發(fā)明ー種具體實施方式
的保水開采的模擬系統(tǒng)中模型架的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明ー種具體實施方式
中含水層箱體的滑槽總成的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖4所示的滑槽總成的A-A向剖視圖；圖6是圖4所示的滑槽總成的B-B向剖視圖；圖7是本發(fā)明ー種具體實施方式
中滑槽與隔水板之間密封的結(jié)構(gòu)示意8是本發(fā)明ー種具體實施方式
中夾層支架與隔水板之間密封的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明ー種具體實施方式
中夾層與隔水板之間密封的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是本發(fā)明ー種具體實施方式
中監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖1、2所示，本發(fā)明ー種具體實施方式
中的保水開采的模擬系統(tǒng)包括模型架
100、含水層模擬裝置和監(jiān)測裝置。其中，如圖3所示，模型架100包括第一側(cè)面立柱101、第二側(cè)面立柱103、前擋板104、后擋板(未示出)和箱式底座105。第一側(cè)面立柱、第二側(cè)面立柱均垂直安裝在箱式底座上，所述第一側(cè)面立柱、第二側(cè)面立柱之間相互平行；前擋板、后擋板可以是相同的板件，前擋板、后擋板均安裝在第一側(cè)面立柱、第二側(cè)面立柱之間，而且前擋板安裝在前端；后擋板安裝在后端。所述“前”、“后”位干與第一側(cè)面立柱、第二側(cè)面立柱垂直，且與前擋板、后擋板垂直的方向上，其中，水流入含水層模擬裝置的一端是“前”，水流出含水層模擬裝置的
一端是“后”。其中第一側(cè)面立柱101、第二側(cè)面立柱103均可以由槽鋼實現(xiàn)，優(yōu)選地采用32b號槽鋼。第一側(cè)面立柱101、第二側(cè)面立柱103焊接在箱式底座105上。多塊前擋板104、后擋板連接在第一側(cè)面立柱101、第二側(cè)面立柱103之間，前擋板、后擋板可以由多塊5號槽鋼或10號槽鋼形成。通過螺栓將前擋板、后擋板的兩端固定在側(cè)面立柱101、103上，從而構(gòu)成ー個模型箱體。在模型架100中，可以逐層地設(shè)置諸如含水層模擬裝置、覆巖模擬層、煤層模擬層等模擬材料層。箱式底座105是模型架100的基礎(chǔ)，用于支撐第一側(cè)面立柱101、第二側(cè)面立柱103、前擋板、后擋板。箱式底座105可以由鋼板通過焊接或其他エ藝連接形成，箱式底座 105的具體尺寸可以根據(jù)具體應(yīng)用確定。優(yōu)選地，模型架100包括橫梁102，橫梁102可以通過螺栓固定到第一側(cè)面立柱
101、第二側(cè)面立柱103上，例如分別在第一側(cè)面立柱101、第二側(cè)面立柱103上部500mm區(qū)域中，每隔50mm開設(shè)橫梁的裝配孔，以便安裝橫梁102，也便于調(diào)節(jié)橫梁102在豎直方向上的位置。橫梁102用于增加模型架100的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且，在測量覆巖模擬層的位移等參數(shù)時，橫梁102還可以用于固定千分表或千斤頂?shù)绕骷?。含水層模擬裝置安裝在模型架100上，監(jiān)測裝置與含水層模擬裝置200之間通過信號鏈路連接。所述信號鏈路包括有線信號鏈路或無線信號鏈路，有線信號鏈路可以通過信號線及其相應(yīng)的適配器來實現(xiàn)，用于傳輸流量信號或水位信號等參數(shù)；無線信號鏈路可以由射頻信號發(fā)射器、射頻信號接收器等器件實現(xiàn)，用于通過無線方式傳輸流量信號或水位信號等參數(shù)。含水層模擬裝置包括進(jìn)水管I、水箱支架2、水箱3、含水層水管6、含水層水管進(jìn)水閥門7、含水層水管流量計8、含水層水管出水閥門9、巖層模擬層10、含水層箱體11和含水層水位計12。進(jìn)水管I設(shè)置在水箱上方，用于為水箱供水。進(jìn)水管I可以采用金屬管或PVC管路，如圖所示，進(jìn)水管I的出水ロ可以位于水箱3上方，以便進(jìn)水管I的出水可以順利流入水箱3中。進(jìn)水管I的長度、管徑可以根據(jù)具體應(yīng)用來確定。優(yōu)選地，本發(fā)明的保水開采的模擬系統(tǒng)的水箱3中還設(shè)置有水箱水位計5，通過所述水箱水位計5可以觀測水箱中水位的高低。水箱水位計5可以采用浮子式水位計、壓カ式水位計等合適類型的水位計。水箱3安裝在水箱支架2上。水箱支架2可以由金屬材料制成，所述水箱支架2用于支撐水箱3。水箱支架2的架體結(jié)構(gòu)、尺寸可以采用各種適合的結(jié)構(gòu)。含水層水管6的入水端與水箱3連接，并且含水層水管6的一部分管路在巖層模擬層10中延伸，在所述管路上設(shè)置有多個出水方向向下的出水孔。優(yōu)選地，在水箱3的底部設(shè)置有連接管4，可以通過連接管4與含水層水管6的入水端連接，連接管4可以采用塑料軟管，含水層水管6可以采用金屬管，在進(jìn)入到含水層箱體11中的巖層模擬層10的管路下側(cè)每隔預(yù)定間隔設(shè)置ー個出水孔，從而在含水層水管6上設(shè)置多個出水孔，以使含水層水管6中的水滲入巖層模擬層10中。在ー個優(yōu)選實施方式中，含水層水管6延伸在巖層模擬層10中的管路上每隔IOOmm設(shè)置ー個直徑為3_5mm的出水孔。巖層模擬層10鋪設(shè)在含水層箱體11中，在含水層箱體11中還鋪設(shè)有煤層模擬層，以便模擬煤礦開采過程中煤層的狀態(tài)。巖層模擬層10可以采用潔凈的中粗砂、礫砂或直徑小于10_的碎石塊與河砂的混合物構(gòu)成，其中，中粗砂是指粒度在2. 8mm-3. 2mm之間的砂粒；礫砂是指砂土中礫粒(粒徑大于2毫米的砂粒)含量占總質(zhì)量25% 50%的砂。巖層模擬層10放置在含水層箱體總成11中，含水層箱體中水位的高低，可以通過含水層水位計12來進(jìn)行觀測。含水層水位計12可以采用浮子式水位計、壓カ式水位計等合適類型的水位計。含水層箱體11固定在模型架100上。含水層箱體11的容積、尺寸可以根據(jù)具體應(yīng)用來確定，在含水層箱體11中分層設(shè)置有多個模擬層，各模擬層由相應(yīng)的模擬材料構(gòu)成。如圖4、5、6所示，含水層箱體11包括擋板；側(cè)板；隔水板11-3 ;滑槽總成11_4 ；夾層11-7、11-8。其中擋板11-1、11-6和側(cè)板11_2、11_5均可以由厚度為15mm的有機(jī)玻璃板制成；隔水板11-3可以由有機(jī)玻璃板制成，例如由厚度為5mm的有機(jī)玻璃板制成。所 述擋板和側(cè)板構(gòu)成含水層箱體11的四周邊界，在含水層箱體11的底部設(shè)置有夾層11-7、11-8。擋板可以包括第一擋板11-1、第二擋板11-6 ;側(cè)板可以包括第一側(cè)板11-2、第二側(cè)板1ト5。在擋板11-1、11-6的邊緣處設(shè)置有螺栓孔，通過螺母將擋板11-1、11-6固定在模型架100上。在側(cè)板11-5的底部設(shè)置有出水孔，所述出水孔用于將含水層箱體中的水排出。優(yōu)選地，在出水孔處設(shè)置有含水層水位計12，用于檢測含水層箱體中的水位?；劭偝?1-4用作隔水板11-3的插接部件，使得隔水板11_3能夠插入滑槽總成11-4中?；劭偝?1-4設(shè)置在擋板之間，例如第一擋板11-1、第二擋板11-6之間?；劭偝?1-4的結(jié)構(gòu)如圖7、8、9所示?；劭偝?1-4包括滑槽11_4_1、密封圈11_4_2。隔水板11-3的一部分邊緣安裝在滑槽總成11-4上，在滑槽11-4-1上可以設(shè)置密封槽，在密封槽中安裝密封圈11-4-2，從而實現(xiàn)滑槽總成11-4與隔水板11-3之間的隔水密封。隔水板11-3的另一部分邊緣安裝在夾層支架11-7-2上，而且在夾層支架11_7_2上可以設(shè)置密封槽，在密封槽中安裝密封條11-7-1，從而實現(xiàn)夾層支架11-7-2與隔水板11-3之間的隔水密封。夾層11-7、11-8與隔水板11_3的平面相貼合地鄰接設(shè)置，夾層11_8的結(jié)構(gòu)如圖9所示。在夾層支架11-8-1上設(shè)置密封槽，在密封槽中安裝密封條11-8-2，從而實現(xiàn)夾層11-8與隔水板11-3之間的隔水密封。含水層水管進(jìn)水閥門7設(shè)置在含水層水管6的入水端與水箱3之間，用于控制含水層水管6的進(jìn)水。含水層水管出水閥門9設(shè)置在含水層水管6的出水端，用于控制含水層水管6的出水。含水層水管進(jìn)水閥門7、含水層水管出水閥門9可以采用各種適合的閥門類型，優(yōu)選地，含水層水管進(jìn)水閥門7、含水層水管出水閥門9均為電子閥門。含水層水管流量計8串聯(lián)在含水層水管的管路上，用于檢測含水層水管6中的流量。含水層水管流量計8可以采用各種適合的流量計，例如差壓式流量計、容積式流量計中的任何ー種。含水層水管流量計8由含水層水管進(jìn)水閥門7控制水箱3中的水是否流入含水層水管6，含水層進(jìn)水管流量計8用于采集流入含水層水管6水流量的大小。如圖10所示，監(jiān)測裝置用于監(jiān)測裂隙場形成及演化過程。監(jiān)測裝置包括信號采集模塊310和圖像采集模塊320，其中，圖像采集模塊320用于拍攝巖層模擬層的裂隙狀態(tài)；信號采集模塊310用于采集含水層模擬裝置中的水位信號、流量信號。圖像采集模塊320可以由攝像機(jī)等視頻采集裝置及相應(yīng)的有線信號鏈路或無線信號鏈路實現(xiàn)，圖像采集模塊設(shè)置在含水層模擬裝置的正面，以對含水層模擬裝置進(jìn)行實時拍攝，以便實時記錄不同時刻含水層模擬裝置的表面裂隙產(chǎn)生及發(fā)育過程，從而可以通過圖像分析裂隙場的分布及含水層中水的滲流過程。信號采集模塊310可以由數(shù)字處理單元(例如CPU)、流量計、水位計、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器及有線信號鏈路或無線信號鏈路實現(xiàn)。信號采集模塊從設(shè)置在含水層模擬裝置中的各個水位計、流量計獲得相應(yīng)的水位、流量信號。在實際應(yīng)用中，監(jiān)測裝置可以同時監(jiān)測含水的巖層模擬層和其他模擬層的數(shù)據(jù)， 在圖10所示的實施例中采集預(yù)埋在巖層中的壓カ盒312存儲的數(shù)據(jù)以及固定在模型架100的橫梁上監(jiān)測最上部巖層位移的位移計313的數(shù)據(jù)。在圖10所示的實施例中，315為含水的巖層模擬層，316為其它模擬層。利用圖像采集模塊320從正面對模型架100上的各個模擬層實時進(jìn)行拍攝，并且實時記錄不同時刻模擬層表面裂隙產(chǎn)生及發(fā)育過程，通過圖像分析各巖層的位移以及裂隙場的分布及含水層中水的滲流過程。以上實施方式僅用以說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個實施方式對本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換；而一切不脫離本發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.ー種保水開采的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括模型架、含水層模擬裝置和監(jiān)測裝置，含水層模擬裝置安裝在模型架上，其中 含水層模擬裝置包括進(jìn)水管、水箱支架、水箱、含水層水管、含水層水管進(jìn)水閥門、含水層水管流量計、含水層水管出水閥門、巖層模擬層、含水層箱體和含水層水位計，其中 進(jìn)水管設(shè)置在水箱上方，用于為水箱供水； 水箱安裝在水箱支架上； 含水層水管的入水端與水箱連接，并且含水層水管的一部分管路在巖層模擬層中延イ申，在所述管路上設(shè)置有多個出水方向向下的出水孔； 巖層模擬層鋪設(shè)在含水層箱體中； 含水層箱體固定在模型架上； 含水層水位計設(shè)置在含水層箱體中，用于檢測含水層箱體中的水位； 含水層水管進(jìn)水閥門設(shè)置在含水層水管入水端與水箱之間； 含水層水管流量計連接在含水層水管的管路上，用于檢測含水層水管中的流量； 含水層水管出水閥門設(shè)置在含水層水管的出水端； 監(jiān)測裝置與含水層模擬裝置之間通過信號鏈路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，巖層模擬層由砂?；蛩槭瘶?gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在干，含水層水管在進(jìn)入到巖層模擬層的管路下側(cè)每隔預(yù)定間隔設(shè)置ー個出水孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，模型架包括第一側(cè)面立柱、第二側(cè)面立柱、如擋板、后擋板和箱式底座，其中 第一側(cè)面立柱、第二側(cè)面立柱均垂直安裝在箱式底座上，所述第一側(cè)面立柱、第二側(cè)面立柱之間相互平行； 前擋板、后擋板均安裝在第一側(cè)面立柱、第二側(cè)面立柱之間，前擋板安裝在前端；后擋板安裝在后端。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，模型架還包括橫梁，所述橫梁連接在第一側(cè)面立柱、第二側(cè)面立柱之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，含水層箱體包括擋板、側(cè)板、隔水板、滑槽總成、夾層，其中 所述擋板和側(cè)板構(gòu)成含水層箱體的四周邊界； 滑槽總成設(shè)置在擋板之間，是隔水板的插接部件； 夾層設(shè)置在含水層箱體的底部，與隔水板的平面相貼合地鄰接設(shè)置。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括監(jiān)測裝置，所述監(jiān)測裝置包括圖像采集模塊和信號采集模塊，其中 圖像采集模塊設(shè)置在含水層模擬裝置的正面，以對含水層模擬裝置進(jìn)行拍攝； 信號采集模塊與含水層模擬裝置連接，以獲得相應(yīng)的水位、流量信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，水箱中還設(shè)置有水箱水位計。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，在含水層水管6延伸在巖層模擬層中的管路上，每隔IOOmm設(shè)置ー個直徑為3-5mm的出水孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，滑槽上設(shè)置有密封槽，在密封槽中安裝有密封圏，利用所述密封圈，滑槽總成與隔水板之間隔水密封。 ·
全文摘要
本發(fā)明公開了一種保水開采的模擬系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括模型架、含水層模擬裝置和監(jiān)測裝置。含水層模擬裝置安裝在模型架上。含水層模擬裝置包括進(jìn)水管、水箱支架、水箱、含水層水管、含水層水管進(jìn)水閥門、含水層水管流量計、含水層水管出水閥門、巖層模擬層、含水層箱體和含水層水位計。本發(fā)明能夠模擬開采前含水層中水與巖層共存的狀態(tài)，開采后下部巖層形成裂隙場后，含水層中水的流動過程、水在裂隙場中滲流過程及含水層所形成的整體結(jié)構(gòu)受采動影響的變化。
文檔編號E21C41/16GK102865077SQ201210133769
公開日2013年1月9日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者顧大釗, 孟召平, 彭蘇萍, 毛靈濤 申請人:中國神華能源股份有限公司, 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)