采動工作面水情實時動態(tài)監(jiān)測試驗裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種屬于工作面相似材料模擬試驗裝置領(lǐng)域，涉及采動工作面水情實時動態(tài)監(jiān)測相似材料試驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，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，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)過半個多世紀的開采，開采深度已經(jīng)進入深部，工作面深受高承壓含水層的危險，尤其是受奧灰含水層的威脅，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)，如何實現(xiàn)工作面水情的實時動態(tài)監(jiān)測，成為工作面能否安全、高效采煤的重要課題。
[0003]目前，對頂、底板水情的研究主要有現(xiàn)場探測法和室內(nèi)模擬法。其中現(xiàn)場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。室內(nèi)模擬法包括數(shù)值模擬及相似材料模擬，其中數(shù)值模擬只能針對某一工作面進行模擬，不能進行大面積的推廣；如果進行現(xiàn)場工作面水情實時動態(tài)監(jiān)測，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)場試驗是不可行的。
[0004]中國專利申請201210038167采用瞬變電磁儀器作為工作面測點網(wǎng)絡(luò)的一部分，瞬變電磁儀器優(yōu)點對低阻體敏感，探測準確率高；但其缺點是受周圍環(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，容易造成假異常，影響工作面正常的回采；另外該專利對工作面重點區(qū)域進行重點監(jiān)測，重點區(qū)域只是泛泛而談，沒有涉及采動過程中礦山壓力對巖層破壞所形成的重點區(qū)域。
[0005]中國專利申請201310728093主要針對水體下采煤防止水砂體突涌，提高煤層開采上限而進行的試驗設(shè)計，屬于頂板突水的一種特殊情況，不具備工作面水情的實時動態(tài)監(jiān)測的普遍意義。
[0006]中國專利申請201410529007、201410529019、201510134024以上三個專利主要是針對在采動過程中研究工作面底板破壞深度的，雖然底板破壞深度對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截然不同的概念，因此，不能將底板破壞深度監(jiān)測視為工作面水情的實時監(jiān)測。公開的工作面水情監(jiān)測，該方法技術(shù)方案比較復(fù)雜，現(xiàn)場操作耗資大，利用瞬變電磁監(jiān)測工作面水情變化，采集數(shù)據(jù)可信度低，監(jiān)測效果差。該專利只是實現(xiàn)工作面涌水水文地質(zhì)條件的監(jiān)測，對于工作面采動過程中水情的賦存狀態(tài)和運移規(guī)律無能為力。
【實用新型內(nèi)容】
[0007]本實用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采動工作面水情實時動態(tài)監(jiān)測試驗裝置，既能實現(xiàn)采動工作面相似材料模擬，又能實現(xiàn)工作面采動過程中基于礦山壓力對工作面影響的水情動態(tài)變化實時監(jiān)測，不僅可以實現(xiàn)頂板水情的動態(tài)監(jiān)測，也可以實現(xiàn)底板水情的動態(tài)監(jiān)測，此試驗裝置結(jié)構(gòu)簡單、原理科學(xué)、監(jiān)測數(shù)據(jù)準確、便于操作。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用下述技術(shù)方案:
[0009]一種采動工作面水情實時動態(tài)監(jiān)測試驗裝置，包括方形透明容器，所述容器的對應(yīng)內(nèi)側(cè)邊上縱向設(shè)置有對稱的隔槽，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、若干電極和若干壓力傳感器，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”空間相對應(yīng)的空心間隙，當進行頂板測試時采用空心間隙上為0.6m,下為0.4m的方式；當進行底板測試時，將隔板倒置，改為上為
0.4m，下為0.6m的方式，以滿足試驗的需求。
[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]試驗裝置還包括采動裝置和支護裝置，所述采動裝置包括用于從巖體兩邊對模擬煤層進行挖掘的小鐵鉤及小鐵楸，所述支護裝置包括長度等于相似工作面斜長、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]一種采動工作面水情實時動態(tài)監(jiān)測試驗裝置的試驗方法，包括:
[0019]1)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，并對應(yīng)連接電法儀器、水源、顯示裝置和氣管，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)對相似工作面開采過程中初次來壓、周期來壓、直至工作面采完階段進行應(yīng)力、水情的實時動態(tài)監(jiān)測。
[0022]所述步驟3)中的實時動態(tài)監(jiān)測包括:
[0023]a工作面采前，首先對模擬工作面進行一次采前巖層電阻率測試，觀察巖層采前巖層、電阻率及不同位置的應(yīng)力值，然后用木板對開采煤層處進行支護，利用小鐵楸和小鐵鉤對煤層進行采動，在采動過程中，重點觀測初次來壓時應(yīng)力傳感器的應(yīng)力值變化情況及老頂垮落時對底板巖層破壞情況及巖層中水情變化規(guī)律，記錄相應(yīng)時期電阻率的實時變化數(shù)據(jù)；
[0024]b觀測完成初次來壓后，依次觀測周期來壓過程中應(yīng)力變化情況、老頂垮落時對底板巖層的破壞情況、水情變化情況及電阻率的實時變化情況，直至工作面采完；在采動過程中，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，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，實時采集突水過程中電阻率數(shù)據(jù)；
[0025]c通過電阻率實時監(jiān)測模塊，將采動過程中應(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電阻率影響，重點確定含水性對電阻率影響，利用PS0-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過程中突水模型變化閥值，當采集到的數(shù)據(jù)小于此閥值時，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出來，但可以借助電阻率變化間接對工作面水情進行實時動態(tài)監(jiān)測，將試驗中總結(jié)的水情變化規(guī)律運用到實際生產(chǎn)中，指導(dǎo)生產(chǎn)。
[0027]本實用新型設(shè)計一種既能實現(xiàn)采動工作面相似材料模擬，又能實現(xiàn)工作面采動過程中水情動態(tài)變化實時監(jiān)測的試驗裝置。本裝置在鋼化玻璃容器模塊中，根據(jù)設(shè)計好的隔槽及擋板可以自由實現(xiàn)各種尺寸工作面，利用相似材料模塊和采動模塊實現(xiàn)相似工作面及煤層的采動，通過調(diào)壓供水模塊實現(xiàn)相似工作面內(nèi)水量和水壓的控制，利用采動模塊實現(xiàn)相似工作面回采，通過在相似工作面內(nèi)預(yù)埋電極，實現(xiàn)電阻率數(shù)據(jù)采集及處理，根據(jù)電阻率變化規(guī)律，分析相似工作面在初次來壓、周期來壓等過程中水情實時變化，借助實時動態(tài)監(jiān)測模塊實現(xiàn)工作面采動過程中水情的實時動態(tài)監(jiān)測，此試驗裝置和試驗方法原理簡單，便于操作。
[0028]本實用新型與現(xiàn)場實際試驗操作相比，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，儀器設(shè)備費用低、試驗環(huán)境好，既能實現(xiàn)工作面采動過程中水情的實時監(jiān)測，又能節(jié)省大量的人力物力，為工作面安全回采提供試驗數(shù)據(jù)，指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0029]圖1為本實用新型的鋼化玻璃容器圖。
[0030]圖2為長擋板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031 ]圖3是短擋板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖4是工作面巖層中布設(shè)電極及應(yīng)力傳感器連接平面示意圖；
[0033]圖5是工作面頂部電極及電纜平面示意圖；
[0034]其中，1.鋼化玻璃容器，2.隔槽，3.長擋板，4.短擋板，5.空心間隙，6.應(yīng)力顯示裝置，7.電極，8.應(yīng)力傳感器，9.電法儀器，10.水管入口。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0036]本實用新型包括鋼化玻璃容器模塊、相似材料模擬模塊、實時動態(tài)監(jiān)測模塊、采動模塊、調(diào)壓供水模塊、預(yù)警模塊六部分。
[0037](1)鋼化玻璃容器模塊
[0038]其中鋼化玻璃容器模塊包括鋼化玻璃容器1及隔槽2、長檔板3和短檔板4及擋板固定螺絲等裝置。
[0039]按照圖1首先制作鋼化玻璃容器1 (容器長為3.5m,寬為2.5m,高為1.lm),在LL’、KK’、II’、JJ’、EE’、FF’、GG’、HH’等處分別設(shè)有隔槽2。選擇長為3.5m、高為1.lm的長擋板3(圖2所示)兩塊，分別放在JJ’、KK’處的隔槽2位置，并用擋板的固定螺母將將長擋板固定在容器上。選擇寬為1.5m、高為1.lm的短擋板4(圖3所示)兩塊，分別放在EE’、HH’處的隔槽2位置，并用擋板的固定螺母將將短擋板4固定在容器上，實現(xiàn)一個長為
2.5m，寬為1.5m，高為1.lm的工作面容器，在此容器內(nèi)實現(xiàn)