CN105974087B - 一种适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置，外壳的底部铺设有隔水层，隔水层内安装有湿度传感器；隔水层的上端铺设有含水层，含水层的上端安装有隔板，隔板的上端铺设有下煤层，下煤层的上端安装有加压装置，加压装置上安装有压力传感器；加压装置的上端安装有工作面风道，工作面风道的上端安装有水平井，水平井的上端安装有上煤层，上煤层内安装有位移传感器，上煤层的上端铺设有岩石层；外壳的外部安装有控制器，控制器上安装有显示器，位移传感器、压力传感器、湿度传感器的信号输出端分别与控制器相连接。能够有效的模拟近距煤层开采前含水层中水与岩层共存状态，为保水开采提供较为准确的数据。
Description
技术领域
本发明属于试验装置技术领域，尤其涉及一种适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置。
背景技术
煤炭的大规模开采会造成含水层破坏，地表水和地下水资源的极大浪费，同时水害给煤炭资源的开发利用造成严重的经济损失和人员伤亡。由于实际地下现场采场上岩层变化的复杂性和不可预见性，利用模拟试验台进行模拟实验，是研究近距煤层保水采煤覆岩破坏移动规律的有效途径。
利用模拟试验装置进行复杂煤层开采的研究，早就有相关的装置，特别是研究保水采煤的物理相似模拟试验中，仍然集中于二维、单相或固液方面的物理相似模拟，并且仅采用水管喷淋或用水袋来模拟含水层；这样的方式难以模拟含水层中水与岩体所形成的结构在受采动影响下的整体变化，也无法准确模拟由于煤层开挖覆岩导水裂隙发育引起的含水层水位变化情况。
为此，发明一种新的模拟装置，以解决现有技术无法为近距煤层保水采煤提供较准确信息的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置，旨在解决现有技术无法为近距煤层保水采煤提供较准确信息的缺陷的问题。
本发明是这样实现的，该适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置包括外壳，外壳的底部铺设有隔水层，隔水层内安装有湿度传感器；隔水层的上端铺设有含水层，含水层的上端安装有隔板，隔板的上端铺设有下煤层，下煤层的上端安装有加压装置，加压装置上安装有压力传感器；加压装置的上端安装有工作面风道，工作面风道的上端安装有水平井，水平井的上端安装有上煤层，上煤层内安装有位移传感器，上煤层的上端铺设有岩石层；外壳的外部安装有控制器，控制器上安装有显示器，位移传感器、压力传感器、湿度传感器的信号输出端分别与控制器相连接，控制器的信号输出端与显示器相连接。
本发明还采取如下技术措施：
所述的下煤层包括有至少三排分别朝向两侧的相似煤柱延伸的模拟开采管组；
三排模拟开采管组层叠组合在一起；
每排模拟开采管组由多条模拟开采管组成，并且相邻两排模拟开采管组中的模拟开采管交错设置。
所述的控制器包括控制芯片和控制芯片的***电路，其中，控制芯片的***电路包括：
第一电阻，第一电阻的一端与压力传感器的输出端相连，第一电阻的另一端接地；
第一二极管，第一二极管与第一电阻并联，第一二极管的阳极接地，第一二极管的阴极与第一电阻的一端相连；
第二二极管，第二二极管与第一二极管串联，第二二极管的阳极与第一二极管的阴极相连，第二二极管的阴极与预设电源相连；
串联的第一电容和第二电阻，第一电容的一端接地，第一电容的另一端与控制芯片和第二电阻的一端分别相连，第二电阻的另一端与第一电阻的一端相连。
所述控制芯片包括信号处理模块，信号处理模块与位移传感器、压力传感器、湿度传感器采集的信号连接，位移传感器、压力传感器、湿度传感器每个均包括多个通道，所述多个通道分别对应待采集设备的多个待采集量，信号处理模块的信号处理方法包括以下步骤：
1)根据每个传感器的地址在数据采集***的数据库里建立采集器表，所述采集器表包含所有传感器的地址信息；
2)根据采集器表，扫描传感器获得每个通道的通道地址和通道号，根据得到的通道地址和通道号，分别为每个传感器生成通道表，所述通道表均包含相应传感器上的通道地址和通道号信息；
3)根据所有通道表，在数据采集***中初始化一个总采集表，所述总采集表以待采集量为变量，且每个待采集量均与相应通道的通道地址和通道号对应；
4)根据通道表生成XML格式变量文件，并将每个XML格式变量文件下发到对应的传感器，每个传感器载入对应的XML格式变量文件，所述XML格式变量文件包含通道的通道地址和通道号信息；
5)每个传感器根据对应的XML格式变量文件的信息，通过相应通道采集待采集设备的数据，传感器根据采集值分别生成分采集表，所述分采集表中的每个采集值均与相应通道的通道地址和通道号对应；
6)将所有分采集表统一发到数据采集***，根据每个通道的通道地址和通道号，将采集值填入总采集表；
7)定时扫描通道得到采集值，更新每个分采集表，然后统一发到数据采集***，更新总采集表。
所述数据采集***为NI数据采集***，所述分采集表和总采集表的格式为CVT格式，所述数据采集***设有长驻进程，根据设定时间读取总采集表，并存到对应的SQLSERVER值表。
所述的位移传感器包括：管状位移检测装置、电阻位移测量装置、静力水准仪、加速度测量装置、震动数据处理装置、温度传感器、数据采集器、无线网络模块、数据处理基站、数据库服务器；
管状位移检测装置、电阻位移测量装置、静力水准仪、加速度测量装置、震动数据处理装置、温度传感器、数据采集器通过无线模块与数据处理基站连接，数据处理基站通过无线模块与数据服务器连接。
所述的管状位移检测装置包括注液装置、连通管和传感器，连通管的两端与注液装置连接，传感器定点安装在连通管上，传感器与数据采集器连接；
管状位移检测装置设置有两个监测基准点，测量基准点设置在岸边点或桥墩处；
电阻位移测量装置包括底座及电阻尺，底座设置于待测量的桥墩上，电阻尺设置于底座上；
位移测量装置还包括太阳能电池板，太阳能电池板为位移测量装置的各构成装置供电。
所述的湿度传感器包括：
柔性基板，采用柔性PCB材料及PI材料制成；
LC金属层，设置在柔性基板的上部，采用铜金属材料制成；
湿敏介质层，设置在LC金属层的上部；
石蜡保护层，设置在湿敏介质层的上部，用于进行绝缘隔离。
所述的柔性基板的长度、宽度和厚度分别为46.5×31.5×0.35mm；
LC金属层的长度为38.2mm，宽度为23mm；
LC金属层中铜金属的厚度为0.02mm，叉指电容C为18组，叉指长为20.9mm，叉指宽度为0.5mm，叉指间距为0.1mm，叉指电容组的长度为23mm，宽度为13.2mm；
螺旋电感线圈内边长为7.6mm，外边长为23mm，线圈宽度为0.5mm，线圈间距为0.1mm，叉指电容组和螺旋电感线圈的间距为2mm；
湿敏介质层为湿敏PI材料制成的薄膜，并均匀涂敷在LC金属层中叉指电容组的铜金属层间，湿敏介质层的厚度为0.001mm；
石蜡保护层完全覆盖在LC金属层上的螺旋电感线圈部分，厚度为0.1mm；
湿敏介质层的介电常数为3.6。
所述的水平井包括：
至少两口U型井，各U型井包括直井段和配合直井，直井段所处地势高于配合直井所处地势；
至少一口多分支水平井，每口多分支水平井对应地设置在相邻两口U型井之间，每口多分支水平井包括直井段、与直井段相连的主井眼以及与主井眼相连且向下延伸的分支井眼；
每口多分支水平井的分支井眼分别向与其相邻的U型井延伸，并与相应的U型井直接连通或渗透连通。
本发明具有的优点和积极效果是：该适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置，能够有效的模拟近距煤层开采前含水层中水与岩层共存状态，为保水开采提供较为准确的数据。
本发明将原来由手工编辑变量名改成了自动管理、添加，减少了***建立和维护的成本；将原来封闭的***改成了适合用任何工具和语言可以访问的架构，适用于构建大型的数据采集***，或者与信息***集成；本发明的数据采集方式在变量超过1000个时比用共享变量方式，采集效率会高20倍以上。
附图说明
图1是本发明实施例提供的适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的位移传感器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的湿度传感器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的湿度传感器电路的模型图；
图中：1、外壳；2、位移传感器；2-1、管状位移检测装置；2-2、电阻位移测量装置；2-3、静力水准仪；2-4、加速度测量装置；2-5、震动数据处理装置；2-6、温度传感器；2-7、数据采集器；2-8、无线网络模块；2-9、数据处理基站；2-10、数据库服务器；3、压力传感器；4、湿度传感器；4-1、柔性基板；4-2、LC金属层；4-3、叉指电容组；4-4、螺旋电感线圈；4-5、湿敏介质层；4-6、石蜡保护层；5、岩石层；6、上煤层；7、水平井；8、工作面风道；9、加压装置；10、下煤层；11、隔板；12、含水层；13、隔水层；14、控制器；15、显示器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图1至4及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
该适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置包括外壳1，外壳1的底部铺设有隔水层13，隔水层13内安装有湿度传感器4；隔水层13的上端铺设有含水层12，含水层12的上端安装有隔板11，隔板11的上端铺设有下煤层10，下煤层10的上端安装有加压装置9，加压装置9上安装有压力传感器3；加压装置9的上端安装有工作面风道8，工作面风道8的上端安装有水平井7，水平井7的上端安装有上煤层6，上煤层6内安装有位移传感器2，上煤层6的上端铺设有岩石层5；外壳1的外部安装有控制器14，控制器14上安装有显示器15，位移传感器2、压力传感器3、湿度传感器4的信号输出端分别与控制器14相连接，控制器14的信号输出端与显示器15相连接。
所述的下煤层10包括有至少三排分别朝向两侧的相似煤柱延伸的模拟开采管组；
三排模拟开采管组层叠组合在一起；
每排模拟开采管组由多条模拟开采管组成，并且相邻两排模拟开采管组中的模拟开采管交错设置。
所述的控制器14包括控制芯片和控制芯片的***电路，其中，控制芯片的***电路包括：
第一电阻，第一电阻的一端与压力传感器3的输出端相连，第一电阻的另一端接地；
第一二极管，第一二极管与第一电阻并联，第一二极管的阳极接地，第一二极管的阴极与第一电阻的一端相连；
第二二极管，第二二极管与第一二极管串联，第二二极管的阳极与第一二极管的阴极相连，第二二极管的阴极与预设电源相连；
串联的第一电容和第二电阻，第一电容的一端接地，第一电容的另一端与控制芯片和第二电阻的一端分别相连，第二电阻的另一端与第一电阻的一端相连。
所述控制芯片包括信号处理模块，信号处理模块与位移传感器、压力传感器、湿度传感器采集的信号连接，位移传感器、压力传感器、湿度传感器每个均包括多个通道，所述多个通道分别对应待采集设备的多个待采集量，信号处理模块的信号处理方法包括以下步骤：
1)根据每个传感器的地址在数据采集***的数据库里建立采集器表，所述采集器表包含所有传感器的地址信息；
2)根据采集器表，扫描传感器获得每个通道的通道地址和通道号，根据得到的通道地址和通道号，分别为每个传感器生成通道表，所述通道表均包含相应传感器上的通道地址和通道号信息；
3)根据所有通道表，在数据采集***中初始化一个总采集表，所述总采集表以待采集量为变量，且每个待采集量均与相应通道的通道地址和通道号对应；
4)根据通道表生成XML格式变量文件，并将每个XML格式变量文件下发到对应的传感器，每个传感器载入对应的XML格式变量文件，所述XML格式变量文件包含通道的通道地址和通道号信息；
5)每个传感器根据对应的XML格式变量文件的信息，通过相应通道采集待采集设备的数据，传感器根据采集值分别生成分采集表，所述分采集表中的每个采集值均与相应通道的通道地址和通道号对应；
6)将所有分采集表统一发到数据采集***，根据每个通道的通道地址和通道号，将采集值填入总采集表；
7)定时扫描通道得到采集值，更新每个分采集表，然后统一发到数据采集***，更新总采集表。
所述数据采集***为NI数据采集***，所述分采集表和总采集表的格式为CVT格式，所述数据采集***设有长驻进程，根据设定时间读取总采集表，并存到对应的SQLSERVER值表。
所述的位移传感器2包括：管状位移检测装置2-1、电阻位移测量装置2-2、静力水准仪2-3、加速度测量装置2-4、震动数据处理装置2-5、温度传感器2-6、数据采集器2-7、无线网络模块2-8、数据处理基站2-9、数据库服务器2-10；
管状位移检测装置2-1、电阻位移测量装置2-2、静力水准仪2-3、加速度测量装置2-4、震动数据处理装置2-5、温度传感器2-6、数据采集器2-7通过无线模块与数据处理基站2-9连接，数据处理基站2-9通过无线模块与数据服务器连接。
所述的管状位移检测装置2-1包括注液装置、连通管和传感器，连通管的两端与注液装置连接，传感器定点安装在连通管上，传感器与数据采集器2-7连接；
管状位移检测装置2-1设置有两个监测基准点，测量基准点设置在岸边点或桥墩处；
电阻位移测量装置2-2包括底座及电阻尺，底座设置于待测量的桥墩上，电阻尺设置于底座上；
位移测量装置还包括太阳能电池板，太阳能电池板为位移测量装置的各构成装置供电。
通过管状位移检测装置2-1检测，宽度方向的变形通过电阻位移测量装置2-2检测，施工容易，造价便宜，采用多组传感器，能够对各数据分别进行采集，可对分散状况进行远程实时、全面监测，采用现代网络通讯通信技术，自动化程度高，节省了大量的人力财力，可以组建大型监控网。
所述的湿度传感器4包括：
柔性基板4-1，采用柔性PCB材料及PI材料制成；
LC金属层4-2，设置在柔性基板4-1的上部，采用铜金属材料制成；
湿敏介质层4-5，设置在LC金属层4-2的上部；
石蜡保护层4-6，设置在湿敏介质层4-5的上部，用于进行绝缘隔离。
所述的柔性基板4-1的长度、宽度和厚度分别为46.5×31.5×0.35mm；
LC金属层4-2的长度为38.2mm，宽度为23mm；
LC金属层4-2中铜金属的厚度为0.02mm，叉指电容C为18组，叉指长为20.9mm，叉指宽度为0.5mm，叉指间距为0.1mm，叉指电容组4-3的长度为23mm，宽度为13.2mm；
螺旋电感线圈4-4内边长为7.6mm，外边长为23mm，线圈宽度为0.5mm，线圈间距为0.1mm，叉指电容组4-3和螺旋电感线圈4-4的间距为2mm；
湿敏介质层4-5为湿敏PI材料制成的薄膜，并均匀涂敷在LC金属层4-2中叉指电容组4-3的铜金属层间，湿敏介质层4-5的厚度为0.001mm；
石蜡保护层4-6完全覆盖在LC金属层4-2上的螺旋电感线圈4-4部分，厚度为0.1mm；
湿敏介质层4-5的介电常数为3.6。
第一层为柔性基板4-1，第二层为LC金属层4-2，第三层为湿敏介质层4-5，第四层为石蜡保护层4-6，柔性基板4-1采用柔性PCB材料及PI材料制成，LC金属层4-2设置在柔性基板4-1的上部，采用铜金属材料制成，湿敏介质层4-5设置在LC金属层4-2的上部，石蜡保护层4-6设置在湿敏介质层4-5的上部，用于进行绝缘隔离；柔性基板4-1的采用简化了湿度传感器4的制备工艺流程，降低了生产成本，并拓宽了湿度传感器4的应用环境。
所述的水平井7包括：至少两口U型井，各U型井包括直井段和配合直井，直井段所处地势高于配合直井所处地势；
至少一口多分支水平井7，每口多分支水平井7对应地设置在相邻两口U型井之间，每口多分支水平井7包括直井段、与直井段相连的主井眼以及与主井眼相连且向下延伸的分支井眼；
每口多分支水平井7的分支井眼分别向与其相邻的U型井延伸，并与相应的U型井直接连通或渗透连通。
加压装置9对下煤层10进行试压，通过湿度传感器4检测含水层12中的水分能否透过隔水层进入。同时通过位移传感器2检测上煤层6的形变及位移情况，将检测结果传输到控制器14，通过显示器15进行展示。有效的模拟近距煤层开采前含水层12中水与岩层共存状态，为保水开采提供较为准确的数据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置，其特征在于，该适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置包括外壳，外壳的底部铺设有隔水层，隔水层内安装有湿度传感器；隔水层的上端铺设有含水层，含水层的上端安装有隔板，隔板的上端铺设有下煤层，下煤层的上端安装有加压装置，加压装置上安装有压力传感器；加压装置的上端安装有工作面风道，工作面风道的上端安装有水平井，水平井的上端安装有上煤层，上煤层内安装有位移传感器，上煤层的上端铺设有岩石层；外壳的外部安装有控制器，控制器上安装有显示器，位移传感器、压力传感器、湿度传感器的信号输出端分别与控制器相连接，控制器的信号输出端与显示器相连接。
2.如权利要求1所述的适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置，其特征在于，所述的下煤层包括有至少三排分别朝向两侧的相似煤柱延伸的模拟开采管组；
三排模拟开采管组层叠组合在一起；
每排模拟开采管组由多条模拟开采管组成，并且相邻两排模拟开采管组中的模拟开采管交错设置。
3.如权利要求1所述的适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置，其特征在于，所述的控制器包括控制芯片和控制芯片的***电路，其中，控制芯片的***电路包括：
第一电阻，第一电阻的一端与压力传感器的输出端相连，第一电阻的另一端接地；
第一二极管，第一二极管与第一电阻并联，第一二极管的阳极接地，第一二极管的阴极与第一电阻的一端相连；
第二二极管，第二二极管与第一二极管串联，第二二极管的阳极与第一二极管的阴极相连，第二二极管的阴极与预设电源相连；
串联的第一电容和第二电阻，第一电容的一端接地，第一电容的另一端与控制芯片和第二电阻的一端分别相连，第二电阻的另一端与第一电阻的一端相连。
4.如权利要求3所述的适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置，其特征在于，所述控制芯片包括信号处理模块，信号处理模块与位移传感器、压力传感器、湿度传感器采集的信号连接，位移传感器、压力传感器、湿度传感器每个均包括多个通道，所述多个通道分别对应待采集设备的多个待采集量，信号处理模块的信号处理方法包括以下步骤：
1)根据每个传感器的地址在数据采集***的数据库里建立采集器表，所述采集器表包含所有传感器的地址信息；
2)根据采集器表，扫描传感器获得每个通道的通道地址和通道号，根据得到的通道地址和通道号，分别为每个传感器生成通道表，所述通道表均包含相应传感器上的通道地址和通道号信息；
3)根据所有通道表，在数据采集***中初始化一个总采集表，所述总采集表以待采集量为变量，且每个待采集量均与相应通道的通道地址和通道号对应；
4)根据通道表生成XML格式变量文件，并将每个XML格式变量文件下发到对应的传感器，每个传感器载入对应的XML格式变量文件，所述XML格式变量文件包含通道的通道地址和通道号信息；
5)每个传感器根据对应的XML格式变量文件的信息，通过相应通道采集待采集设备的数据，传感器根据采集值分别生成分采集表，所述分采集表中的每个采集值均与相应通道的通道地址和通道号对应；
6)将所有分采集表统一发到数据采集***，根据每个通道的通道地址和通道号，将采集值填入总采集表；
7)定时扫描通道得到采集值，更新每个分采集表，然后统一发到数据采集***，更新总采集表。
5.如权利要求4所述的适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置，其特征在于，所述数据采集***为NI数据采集***，所述分采集表和总采集表的格式为CVT格式，所述数据采集***设有长驻进程，根据设定时间读取总采集表，并存到对应的SQL SERVER值表。
6.如权利要求1所述的适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置，其特征在于，所述的位移传感器包括：管状位移检测装置、电阻位移测量装置、静力水准仪、加速度测量装置、震动数据处理装置、温度传感器、数据采集器、无线网络模块、数据处理基站、数据库服务器；
管状位移检测装置、电阻位移测量装置、静力水准仪、加速度测量装置、震动数据处理装置、温度传感器、数据采集器通过无线网络模块与数据处理基站连接，数据处理基站通过无线网络模块与数据库服务器连接。
7.如权利要求6所述的适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置，其特征在于，所述的管状位移检测装置包括注液装置、连通管和传感器，连通管的两端与注液装置连接，传感器定点安装在连通管上，传感器与数据采集器连接；
管状位移检测装置设置有两个监测基准点，监测基准点设置在岸边点或待测量的桥墩处；
电阻位移测量装置包括底座及电阻尺，底座设置于待测量的桥墩上，电阻尺设置于底座上；
位移测量装置还包括太阳能电池板，太阳能电池板为位移测量装置的各构成装置供电。
8.如权利要求1所述的适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置，其特征在于，所述的湿度传感器包括：
柔性基板，采用柔性PCB材料及PI材料制成；
LC金属层，设置在柔性基板的上部，采用铜金属材料制成；
湿敏介质层，设置在LC金属层的上部；
石蜡保护层，设置在湿敏介质层的上部，用于进行绝缘隔离。
9.如权利要求8所述的适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置，其特征在于，所述的柔性基板的长度、宽度和厚度分别为46.5×31.5×0.35mm；
LC金属层的长度为38.2mm，宽度为23mm；
LC金属层中铜金属的厚度为0.02mm，叉指电容C为18组，叉指长为20.9mm，叉指宽度为0.5mm，叉指间距为0.1mm，叉指电容组的长度为23mm，宽度为13.2mm；
螺旋电感线圈内边长为7.6mm，外边长为23mm，线圈宽度为0.5mm，线圈间距为0.1mm，叉指电容组和螺旋电感线圈的间距为2mm；
湿敏介质层为湿敏PI材料制成的薄膜，并均匀涂敷在LC金属层中叉指电容组的铜金属层间，湿敏介质层的厚度为0.001mm；
石蜡保护层完全覆盖在LC金属层上的螺旋电感线圈部分，厚度为0.1mm；
湿敏介质层的介电常数为3.6。
10.如权利要求1所述的适用于近距煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置，其特征在于，所述的水平井包括：
至少两口U型井，各U型井包括直井段和配合直井，直井段所处地势高于配合直井所处地势；
至少一口多分支水平井，每口多分支水平井对应地设置在相邻两口U型井之间，每口多分支水平井包括直井段、与直井段相连的主井眼以及与主井眼相连且向下延伸的分支井眼；
每口多分支水平井的分支井眼分别向与其相邻的U型井延伸，并与相应的U型井直接连通或渗透连通。
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