采動(dòng)工作面水情實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種屬于工作面相似材料模擬試驗(yàn)裝置領(lǐng)域，涉及采動(dòng)工作面水情實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)相似材料試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，華北型煤田在開采過程中所面臨的兩大水害問題:一是以魯西南為代表的大跨度、大采深條件下的頂板砂巖水，頂板砂巖水具有分布不均、且難以下放的特點(diǎn)，超前探放水是解決頂板砂巖水的關(guān)鍵技術(shù)；二是以肥城煤田為代表的老礦區(qū)，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的開采，開采深度已經(jīng)進(jìn)入深部，工作面深受高承壓含水層的危險(xiǎn)，尤其是奧灰含水層的威脅，通常稱為“奧灰突水”，注漿技術(shù)是解決高承壓水上采煤的重要途徑。不論頂板砂巖水超前探放還是底板注漿技術(shù)，如何實(shí)現(xiàn)工作面水情的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，成為工作面能否安全、高效采煤的重要課題。
[0003]目前，對(duì)頂、底板水情的研究主要有現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)法和室內(nèi)模擬法。其中現(xiàn)場(chǎng)法包括打鉆和物探方法，打鉆法能夠?qū)嶋H的揭露地下水的富水情況，但工程量大、工作效率低；物探法能夠探測(cè)出地下水情的富水情況，但由于物探方法的多解性和井下復(fù)雜環(huán)境影響，限制物探方法的優(yōu)勢(shì)。室內(nèi)模擬法包括數(shù)值模擬及相似材料模擬，其中數(shù)值模擬只能針對(duì)某一工作面進(jìn)行模擬，不能進(jìn)行大面積的推廣；如果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工作面水情實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，需要投入大量的資金及人力和物力，多數(shù)儀器設(shè)備不能回收，浪費(fèi)人力和資源，且工作面比較單一，不能代表普遍規(guī)律，因此，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是不可行的。
[0004]中國(guó)專利申請(qǐng)201210038167采用瞬變電磁儀器作為工作面測(cè)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的一部分，瞬變電磁儀器優(yōu)點(diǎn)對(duì)低阻體敏感，探測(cè)準(zhǔn)確率高；但其缺點(diǎn)是受周圍環(huán)境的影響大、干擾多，尤其在回采過程中受“低阻干擾體”的影響，數(shù)據(jù)可靠性存在問題，不僅監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)，容易造成假異常，影響工作面正常的回采；另外該專利對(duì)工作面重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)區(qū)域只是泛泛而談，沒有涉及采動(dòng)過程中礦山壓力對(duì)巖層破壞所形成的重點(diǎn)區(qū)域。
[0005]中國(guó)專利申請(qǐng)201310728093主要針對(duì)水體下采煤防止水砂體突涌，提高煤層開采上限而進(jìn)行的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，屬于頂板突水的一種特殊情況，不具備工作面水情的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的普遍意義。
[0006]中國(guó)專利申請(qǐng)201410529007、201410529019、201510134024，以上三個(gè)專利主要是針對(duì)在采動(dòng)過程中研究工作面底板破壞深度的，雖然底板破壞深度對(duì)底板水情的賦存狀態(tài)具有一定影響作用，但底板破壞深度與工作面水情是兩個(gè)截然不同的概念，因此，不能將底板破壞深度監(jiān)測(cè)視為工作面水情的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。公開的工作面水情監(jiān)測(cè)，該方法技術(shù)方案比較復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)操作耗資大，利用瞬變電磁監(jiān)測(cè)工作面水情變化，采集數(shù)據(jù)可信度低，監(jiān)測(cè)效果差。該專利只是實(shí)現(xiàn)工作面涌水水文地質(zhì)條件的監(jiān)測(cè)，對(duì)于工作面采動(dòng)過程中水情的賦存狀態(tài)和運(yùn)移規(guī)律無(wú)能為力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采動(dòng)工作面水情實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置，既能實(shí)現(xiàn)采動(dòng)工作面相似材料模擬，又能實(shí)現(xiàn)工作面采動(dòng)過程中基于礦山壓力對(duì)工作面影響的水情動(dòng)態(tài)變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不僅可以實(shí)現(xiàn)頂板水情的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，也可以實(shí)現(xiàn)底板水情的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，此試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原理科學(xué)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、便于操作。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0009]一種采動(dòng)工作面水情實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置，包括方形透明容器，所述容器的對(duì)應(yīng)內(nèi)側(cè)邊上縱向設(shè)置有對(duì)稱的隔槽，由不同的擋板插入隔槽中組合后形成一封閉區(qū)間，封閉區(qū)間內(nèi)填充有由相似材料制備的相似工作面巖體，在相似工作面巖體中預(yù)埋完好的橡膠袋、若干電極和若干應(yīng)力傳感器，橡膠袋連接延伸至巖體外部的氣管；若干電極通過導(dǎo)線連接于電纜，電纜與相似工作面巖體外部的電法儀器相連；若干應(yīng)力傳感器經(jīng)導(dǎo)線與相似工作面巖體外部的顯示裝置相連；所述電法儀器和顯示裝置均與預(yù)警裝置相連。
[0010]所述擋板上留有與相似工作面的“煤層”空間相對(duì)應(yīng)的空心間隙，當(dāng)進(jìn)行頂板測(cè)試時(shí)采用空心間隙上為0.6m,下為0.4m的方式；當(dāng)進(jìn)行底板測(cè)試時(shí)，將隔板倒置，改為上為0.4m，下為0.6m的方式，以滿足試驗(yàn)的需求。
[0011]所述相似工作面巖體中還預(yù)埋有能夠出水的水管，水管與工作面巖體外部的水源相通，且工作面巖體外部的水管上安裝有水壓調(diào)壓器、水量表和水閥門。
[0012]試驗(yàn)裝置還包括采動(dòng)裝置和支護(hù)裝置，所述采動(dòng)裝置包括用于從巖體兩邊對(duì)模擬煤層進(jìn)行挖掘的小鐵鉤及小鐵楸，所述支護(hù)裝置包括長(zhǎng)度等于相似工作面斜長(zhǎng)、高度跟煤層相同的木塊。
[0013]所述擋板通過固定螺母固定于透明容器上。
[0014]所述橡膠袋采用不漏氣的自行車內(nèi)胎。
[0015]所述工作面巖體頂部設(shè)加有用于提高相似工作面巖體平均容重的重塊。
[0016]所述若干電極通過導(dǎo)線均勻并聯(lián)于電纜上。
[0017]所述相似工作面巖體頂部還有設(shè)置有蛇形布置的第二套電極，第二套電極通過導(dǎo)線均勻并聯(lián)與第二電纜上，第二電纜與相似工作面巖體外部的電法儀器相連。
[0018]一種采動(dòng)工作面水情實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，包括:
[0019]I)制作方形透明容器及擋板，并將擋板組合形成預(yù)設(shè)的封閉區(qū)間；
[0020]2)在封閉區(qū)間內(nèi)制作相似工作面巖體，在相似工作面巖體內(nèi)預(yù)埋電極、電纜、水管、應(yīng)力傳感器、橡膠袋，并對(duì)應(yīng)連接電法儀器、水源、顯示裝置和氣管，直流電法儀器和顯示裝置分別與預(yù)警裝置相連；在制作完成的相似工作面巖體頂部加上一些重塊；
[0021]3)對(duì)相似工作面開采過程中初次來(lái)壓、周期來(lái)壓、直至工作面采完階段進(jìn)行壓力、水情的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
[0022]所述步驟3)中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)包括:
[0023]a工作面采前，首先對(duì)模擬工作面進(jìn)行一次采前巖層電阻率測(cè)試，觀察巖層采前巖層、電阻率及不同位置的應(yīng)力值，然后用木板對(duì)開采煤層處進(jìn)行支護(hù)，利用小鐵楸和小鐵鉤對(duì)煤層進(jìn)行采動(dòng)，在采動(dòng)過程中，重點(diǎn)觀測(cè)初次來(lái)壓時(shí)應(yīng)力傳感器的應(yīng)力值變化情況及老頂垮落時(shí)對(duì)底板巖層破壞情況及巖層中水情變化規(guī)律，記錄相應(yīng)時(shí)期電阻率的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)；
[0024]b觀測(cè)完成初次來(lái)壓后，依次觀測(cè)周期來(lái)壓過程中應(yīng)力變化情況、老頂垮落時(shí)對(duì)底板巖層的破壞情況、水情變化情況及電阻率的實(shí)時(shí)變化情況，直至工作面采完；在采動(dòng)過程中，在預(yù)埋工作面橡膠袋內(nèi)注入一定量空氣，通過氣體的膨脹，模擬構(gòu)造應(yīng)力的變化，記錄應(yīng)力及水情的數(shù)據(jù)變化情況；同時(shí)，利用水壓調(diào)壓器向工作面巖層內(nèi)按照一定的壓力或水量注水，根據(jù)水量或水壓的變化，模擬工作面突水過程，實(shí)時(shí)采集突水過程中電阻率數(shù)據(jù)；
[0025]c通過電阻率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊，將采動(dòng)過程中應(yīng)力、巖性、巖層等數(shù)據(jù)傳輸?shù)筋A(yù)警裝置，借助預(yù)警裝置分析巖層各因素對(duì)電阻率影響，重點(diǎn)確定含水性對(duì)電阻率影響，利用PSO-SVR(粒子群優(yōu)化支持向量回歸)非線性工具建立工作面采動(dòng)過程中突水模型變化閥值，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)小于此閥值時(shí)，做出突水預(yù)警，提醒人們做出防治水措施。
[0026]相似材料模擬能夠準(zhǔn)確模擬井下采煤情況(尤其是頂板“三帶”發(fā)育高度)，雖工作面水情的變化不能直接觀測(cè)出來(lái)，但可以借助電阻率變化間接對(duì)工作面水情進(jìn)行實(shí)