本發(fā)明涉及深部巖體裂隙演化及突水災(zāi)害防治方面，具體涉及深部煤層條帶開采、充填模擬試驗系統(tǒng)及模擬試驗方法。

背景技術(shù)：

深部底板巖體裂隙的演化及水力耦合作用是造成工作面突水的本質(zhì)原因。研究深部底板巖體破裂與裂隙演化規(guī)律對承壓水上煤層的安全開采和突水災(zāi)害評價具有科學(xué)的指導(dǎo)意義。已有礦區(qū)的突水統(tǒng)計資料表明，80％以上的突水事件與斷裂構(gòu)造有關(guān)，突水在完整底板條件下很少發(fā)生。高地應(yīng)力、開采擾動和高承壓水更容易導(dǎo)致底板斷層的活化，造成巖體破裂失穩(wěn)，形成承壓水上流的導(dǎo)水通道。因此，應(yīng)著重研究深部含斷層底板的裂隙演化規(guī)律和破裂機(jī)理。

國內(nèi)外許多學(xué)者對承壓水上煤層開采的底板裂隙演化規(guī)律做了大量的研究工作，取得了一系列卓有成效的成果，但對深部高承壓水上煤層開采的底板破裂規(guī)律和裂隙演化特征缺乏系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，現(xiàn)亟需建立一套基于深部復(fù)雜環(huán)境的礦井水災(zāi)害預(yù)防及防治的理論體系。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務(wù)之一就是提供一種深部煤層條帶開采、充填模擬試驗系統(tǒng)，該試驗系統(tǒng)可以模擬不同采留比、不同采厚的煤層開采，還可研究不同采留比、不同采厚煤層開采后，及采空區(qū)充填后頂?shù)装宓氖芰拔灰谱兓?guī)律。

其技術(shù)解決方案包括：

一種深部煤層條帶開采、充填模擬試驗系統(tǒng)，其包括承載箱、試驗?zāi)Ｐ?、充填系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、高壓水滲流系統(tǒng)和紅外線探測系統(tǒng)，所述試驗?zāi)Ｐ臀挥谒龀休d箱內(nèi)，所述加載系統(tǒng)用于對所述試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行豎向和側(cè)向加載，所述試驗?zāi)Ｐ桶◣r層和位于巖層中的煤層，所述巖層由相似材料鋪設(shè)而成，所述巖層的四周設(shè)有封水裝置，所述巖層內(nèi)部埋設(shè)有多個傳感器和裝有氧化鈣顆粒的多個塑料球；

所述煤層由若干個受載氣囊體排布而成，每個受載氣囊體通過各自的通氣管與所述充填系統(tǒng)連接，通過控制受載氣囊體中氣體量的抽放來模擬不同采高的煤層開采，通過抽放不同間隔位置的受載氣囊體來模擬不同采寬和留寬的煤層開采；

所述紅外線探測系統(tǒng)用于探釋所述巖層中放出熱量的位置，以獲得承壓水流動的導(dǎo)水通道路徑形成的過程；

所述承載箱的底部分布有若干個滲水孔，所述高壓水滲流系統(tǒng)與所述滲水孔連通。

作為本發(fā)明的一個優(yōu)選，所述封水裝置為橡膠材料折合而成的框架結(jié)構(gòu)，所述框架的形狀、大小與巖層外圍大小相匹配，在所述橡膠材料內(nèi)側(cè)與巖層的接觸面設(shè)置為鋸齒狀。

作為本發(fā)明的另一個優(yōu)選，所述充填系統(tǒng)包括加壓泵、水箱和混料倉，所述水箱與所述混料倉相連接，所述混料倉與加壓泵相連接，所述加壓泵與每個受載氣囊體的通氣管連接。

優(yōu)選的，所述傳感器和裝有氧化鈣顆粒的塑料球均埋設(shè)在巖層內(nèi)的不同深度位置。

優(yōu)選的，所述巖層底板的隔水層采用固流耦合材料鋪設(shè)而成。

優(yōu)選的，所述固流耦合材料由石蠟、凡士林、河砂、碳酸鈣和液壓油按一定比例配制而成。

本發(fā)明的另一任務(wù)在于提供一種深部煤層條帶開采、充填模擬試驗方法，依次包括以下步驟：

a鋪設(shè)模型-巖層，將砂子、碳酸鈣、石膏、水按一定比例混合后進(jìn)行鋪設(shè)，巖層底板的隔水層采用固流耦合材料進(jìn)行鋪設(shè)，鋪設(shè)過程中，在巖層頂?shù)装宀煌疃鹊耐凰缴戏胖萌舾啥喙δ軅鞲衅?，用于監(jiān)測頂?shù)装宀煌疃忍幍娜蚴芰皾B透水壓大??；在底板不同深度的同一水平上放置若干裝有氧化鈣顆粒的塑料球；

b接著在巖層上方鋪設(shè)模型-煤層，用多個受載氣囊體排布的方式來模擬煤層，其中每個受載氣囊體均與充填系統(tǒng)連接；

c待模型鋪設(shè)完成后，將模型放置在加載箱內(nèi)，并通過玻璃擋板進(jìn)行位移約束，通過加載系統(tǒng)施加垂直載荷和側(cè)向載荷，對鋪設(shè)巖層進(jìn)行垂向和側(cè)向的加載，模擬深部煤巖層的受力狀態(tài)；

d通過抽放不同間隔位置的受載氣囊體，來模擬不同采寬和留寬的煤層開采，并研究不同采留比的煤層開采后頂?shù)装宓氖芰拔灰谱兓?guī)律；

e待每個受載氣囊體內(nèi)氣體排空后即代表煤層開采結(jié)束，利用充填系統(tǒng)向每個受載氣囊體內(nèi)注入充填材料，使得受載氣囊體體積增大，充填采空區(qū)，經(jīng)充填系統(tǒng)充填到不同位置的受載氣囊體后，來研究不同位置充填后頂?shù)装宓膽?yīng)力及位移變化規(guī)律；

f在加載箱的底部分布有若干個滲水孔，將這些滲水孔與高壓水滲流系統(tǒng)連通，承壓水經(jīng)導(dǎo)水通道向采空區(qū)流動過程中，浸濕布置在巖層中的塑料球內(nèi)的氧化鈣顆粒，氧化鈣發(fā)生反應(yīng)并釋放熱量，此時利用紅外探測儀可以探釋放出熱量的位置，獲得承壓水流動的導(dǎo)水通道路徑形成過程。

本發(fā)明所帶來的有益技術(shù)效果：

本發(fā)明提出的深部煤層條帶開采、充填模擬試驗系統(tǒng)中，尤其對巖層和煤層做了巧妙的設(shè)計，在巖層內(nèi)部埋設(shè)有多個傳感器和裝有氧化鈣顆粒的多個塑料球，并且，每個傳感器、塑料球均分布在巖層的不同深度，在承壓水經(jīng)導(dǎo)水通道向采空區(qū)流動過程中，浸濕布置在巖層中的塑料球內(nèi)的氧化鈣顆粒，氧化鈣發(fā)生反應(yīng)并釋放熱量，利用紅外探測儀可以探釋放出熱量的位置，可獲得承壓水流動的導(dǎo)水通道路徑形成的過程；將多個受載氣囊體排布來模擬煤層，通過抽放不同間隔位置的氣囊體，模擬不同采寬和留寬的煤層開采，可以研究不同采留比的煤層開采后頂?shù)装宓氖芰拔灰谱兓?guī)律；充填系統(tǒng)充填到不同位置的氣囊體后，可以研究不同位置充填后頂?shù)装宓膽?yīng)力及位移變化規(guī)律。

本發(fā)明提出的深部煤層條帶開采、充填模擬試驗方法中，包括對煤層開采與采空區(qū)充填兩環(huán)節(jié)的試驗?zāi)M，并開展實時監(jiān)測，模擬不同采留比、不同采厚的煤層開采，研究不同采留比、不同采厚煤層開采后，及采空區(qū)充填后頂?shù)装宓氖芰拔灰谱兓?guī)律。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

圖1為本發(fā)明深部煤層條帶開采、充填模擬試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為鋪設(shè)巖層(煤層開采前)示意圖；

圖3為煤層開采過程(抽放氣囊體中的氣體)示意圖；

圖4為系統(tǒng)外殼(承載箱)示意圖；

圖5為鋼化玻璃板示意圖；

圖6為充填系統(tǒng)示意圖；

圖7為封水結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為封水裝置示意圖；

圖9為裝有氧化鈣顆粒的塑料球示意圖；

圖10為傳感器分布示意圖；

圖中，1、巖層，2、煤層，3、受載氣囊體，4、承載箱，5、充填系統(tǒng)，51、加壓泵，52、水箱，53、混料倉，531、地面料倉一，532、地面料倉二，533、地面料倉三，6、加載系統(tǒng)，7、高壓水滲流系統(tǒng)，8、紅外線探測系統(tǒng)，9、信息采集系統(tǒng)，10、封水裝置，11、傳感器，12、塑料球，13、滲水孔，14、通氣管。

具體實施方式

本發(fā)明公開了一種深部煤層條帶開采、充填模擬試驗系統(tǒng)及試驗方法，為了使本發(fā)明的優(yōu)點、技術(shù)方案更加清楚、明確，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做詳細(xì)說明。

本發(fā)明深部煤層條帶開采、充填模擬試驗系統(tǒng)，如圖1所示，包括承載箱4、試驗?zāi)Ｐ汀⒊涮钕到y(tǒng)5、加載系統(tǒng)6、高壓水滲流系統(tǒng)7、紅外線探測系統(tǒng)8和信息采集系統(tǒng)9，試驗?zāi)Ｐ弯佋O(shè)在承載箱4內(nèi)，所以承載箱4為半敞開式，待試驗?zāi)Ｐ弯佋O(shè)完成進(jìn)行加載時，用鋼化玻璃對敞開式部分進(jìn)行密封，以限制試驗?zāi)Ｐ偷奈灰啤?/p>

加載系統(tǒng)6用于對試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行豎向和側(cè)向加載，其具體結(jié)構(gòu)借鑒現(xiàn)有技術(shù)即可實現(xiàn)，如由伺服系統(tǒng)控制，通過油缸施加載荷到巖層上。如圖4所示，在承載箱4的底部設(shè)置有若干個滲水孔13，高壓水滲流系統(tǒng)7從這些滲水孔中注入高壓水來研究深部底板的裂隙演化規(guī)律和破裂機(jī)理。

本發(fā)明的主要改進(jìn)點在于巖層和煤層的設(shè)計，結(jié)合圖2和圖3所示，位于承載箱4內(nèi)的試驗?zāi)Ｐ桶ㄎ挥诘撞康膸r層1和位于巖層上方的煤層2，巖層1由相似材料鋪設(shè)而成，如將砂子、碳酸鈣、石膏、水按一定比例混合后進(jìn)行巖層的鋪設(shè)，不同比例的混合物可以模擬不同巖性的巖層，如泥巖、砂巖、灰?guī)r等，巖層的底板隔水層采用固流耦合材料，由石蠟、凡士林、河砂、碳酸鈣、液壓油按一定配比混合后進(jìn)行鋪設(shè)，在巖層的鋪設(shè)過程中，巖層內(nèi)部預(yù)埋設(shè)多個傳感器11和裝有氧化鈣顆粒的多個塑料球12，塑料球12的結(jié)構(gòu)如圖9所示，巖層1的四周設(shè)有封水裝置10，如圖10所示，傳感器在巖層內(nèi)的位置為同一水平但不同深度，塑料球在巖層內(nèi)的位置也是同一水平但不同深度，傳感器這樣設(shè)置的目的在于監(jiān)測頂?shù)装宀煌疃忍幍娜蚴芰皾B透水壓大小，傳感器可以實現(xiàn)某一位置巖層三向受力和水壓力的大小的探測，實現(xiàn)了一物多用的功能。

煤層由多個受載氣囊體3排布鋪設(shè)來模擬，通過抽放不同間隔位置的氣囊體，模擬不同采寬和留寬的煤層開采，可以研究不同采留比的煤層開采后頂?shù)装宓氖芰拔灰谱兓?guī)律，如受載氣囊體3內(nèi)的氣體全部抽出后，即可模擬采空區(qū)，結(jié)合圖3、圖5和圖6所示，每個受載氣囊體通過各自的通氣管14與充填系統(tǒng)5連接，通過控制受載氣囊體3中氣體量的抽放來模擬不同采高的煤層開采，通過抽放不同間隔位置的受載氣囊體來模擬不同采寬和留寬的煤層開采；再結(jié)合上述塑料球內(nèi)裝有氧化鈣顆粒，在承壓水經(jīng)導(dǎo)水通道向采空區(qū)流動過程中，浸濕布置在巖層中的空心塑料球內(nèi)的氧化鈣顆粒，氧化鈣發(fā)生反應(yīng)并釋放熱量，利用紅外探測系統(tǒng)8可以探測釋放熱量的位置，獲得承壓水流動的導(dǎo)水通道路徑形成的過程。

為了實現(xiàn)承壓水上涌時的密封，在巖層1的四周設(shè)有封水裝置10，結(jié)合圖7和圖8所示，該封水裝置是由柔性材料折合而成的框形結(jié)構(gòu)，在折合處相互交叉固定，近似腰帶的固定處，柔性材料如柔性橡膠材料，靠近巖層側(cè)做成小鋸齒狀嵌入底板附近巖層。

如圖4所示，在承載箱4的底部分布有若干個滲水孔13，高壓水滲流系統(tǒng)7與滲水孔13連通。如圖6所示，與受載氣囊體3連接的充填系統(tǒng)包括加壓泵51、水箱52、混料倉53、地面料倉一531、地面料倉二532和地面料倉三533，通過地面料倉一、地面料倉二和地面料倉二將各自的物料通入混料倉內(nèi)，實現(xiàn)預(yù)混，必要時可配設(shè)攪拌裝置對物料進(jìn)行攪拌，混料倉的一端與水箱52連通，另一端與加壓泵51連接，將物料充填至受載氣囊體內(nèi)。

下面對本發(fā)明試驗方法做詳細(xì)說明。

一種深部煤層條帶開采、充填模擬試驗方法，具體包括以下步驟：

步驟一、將砂子、碳酸鈣、石膏、水按一定比例混合后進(jìn)行巖層的鋪設(shè)(不同比例的混合物可以模擬不同巖性的巖層，如泥巖、砂巖、灰?guī)r等)，底板隔水層采用新型固流耦合材料(石蠟、凡士林、河砂、碳酸鈣、液壓油)按一定配比混合后進(jìn)行鋪設(shè)；

步驟二、鋪設(shè)過程中，在煤層頂?shù)装宀煌疃鹊耐凰缴戏胖萌舾蓚鞲衅?，用于監(jiān)測頂?shù)装宀煌疃忍幍娜蚴芰皾B透水壓大小；在底板不同深度的同一水平上放置若干塑料球，球內(nèi)含有氧化鈣小球，鋪設(shè)到煤層層位時，鋪設(shè)氣囊體模擬煤層；

步驟三、模型鋪設(shè)完成后，將它放入承載箱4內(nèi)，并用鋼化玻璃限制其位移，施加垂直載荷和側(cè)向載荷，對鋪設(shè)巖層進(jìn)行垂向和側(cè)向的加載，模擬深部煤巖層的受力狀態(tài)；

步驟四、通過抽放氣囊內(nèi)部的氣體模擬煤層的開采，放出氣體量的多少模擬煤層的采高；

步驟五、待每個受載氣囊體內(nèi)氣體排空后即代表煤層開采結(jié)束，利用充填系統(tǒng)的地面進(jìn)料倉一、地面進(jìn)料倉二和地面進(jìn)料倉三向每個受載氣囊體內(nèi)注入充填材料，使得受載氣囊體體積增大，充填采空區(qū)，經(jīng)充填系統(tǒng)充填到不同位置的受載氣囊體后，來研究不同位置充填后頂?shù)装宓膽?yīng)力及位移變化規(guī)律；

步驟六、位于加載箱底部的滲水孔與高壓水滲流系統(tǒng)連通，承壓水經(jīng)導(dǎo)水通道向采空區(qū)流動過程中，浸濕布置在巖層中的塑料球內(nèi)的氧化鈣顆粒，氧化鈣發(fā)生反應(yīng)并釋放熱量，此時利用紅外探測儀可以探釋放出熱量的位置，獲得承壓水流動的導(dǎo)水通道路徑形成過程。

需要說明的是，在本說明書的教導(dǎo)下本領(lǐng)域技術(shù)人員所做出的任何等同方式，或明顯變型方式均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。