CN106093341A - 地面钻孔错动变形反演覆岩破断规律的实验装置及方法 - Google Patents

地面钻孔错动变形反演覆岩破断规律的实验装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种地面钻孔错动变形反演覆岩破断规律的实验装置及方法，用于实验室中模拟采煤时覆岩破断规律反演。模拟单一煤层开采条件时，在铺设模型时利用PVC管预制多个模拟地面钻孔，在开采煤层时利用微型钻孔窥视仪对模拟地面钻孔的孔壁错动破坏动态情况进行观测，同时记录覆岩的破断运动情况；模拟煤层群开采条件时，在开采下煤层前需要用充填胶体重塑已采上煤层覆岩钻孔的破坏孔壁，以模拟重复采动条件下钻孔错动变形情况。使用方便，成本低，模拟效果好。

Description

地面钻孔错动变形反演覆岩破断规律的实验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种实验装置及方法，尤其适用于一种实验室中模拟采煤时使用的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验装置及方法。
背景技术
众所周知，煤层开采后会导致上覆岩层的变形、破坏与移动，由下向上逐步发展直至地表，造成了顶板垮落、裂隙发育、瓦斯积聚、突水事故、地表水系破坏等一系列问题，直接影响矿井安全生产及地表生态环境。可以说，开采后的覆岩运动不仅对矿山压力产生重大影响，也是研究地表沉陷、矿井地下水、瓦斯治理和地表生态保护等问题的基础。因此，准确判断覆岩破断运移规律对于矿井安全生产和矿区生态保护具有重要的意义。
目前，利用钻孔电视全景摄像***，对地面钻孔进行现场观测，可以直接有效地掌握地面钻孔错动破坏动态变化。但受采动影响，现场钻孔容易发生堵孔，导致钻孔电视设备无法下放，堵孔高度以下钻孔错动破坏情况无法观测。而全面掌握钻孔错动破坏情况可以反演覆岩破断运移规律，因此有必要设置一种实验方法模拟研究地面钻孔错动变形与覆岩破断运移之间的关系，为覆岩破断运移规律反演提供另外一种实现方式，从而为煤矿瓦斯治理及地下水保护等研究提供理论依据。
发明内容
技术问题：本发明针对已有技术的不足之处，提供一种使用方便，成本低，模拟效果好的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验方法。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明的地面钻孔错动变形反演覆岩破断规律的实验装置，包括两侧面板可以开合的模拟箱和视频监控装置，模拟箱内铺有多层模拟煤岩层，所述煤岩层包括铺在模拟箱底部的模拟煤层，模拟煤层上方设有模拟岩层，模拟煤层试验需要铺设，最上方设有模拟松散层；
所述煤岩层上方垂直向下设有多个深度直至模拟箱最下层的模拟煤层处用于模拟构建地面钻孔的导管；
所述视频监控装置包括微型钻孔窥视仪和通过线路与其连接的上位机。
所述模拟煤层和模拟岩层由沙子、碳酸钙、石膏混合均匀后加水搅拌制成，其中模拟岩层包括模拟软岩层和模拟硬岩层。
所述模拟煤层和模拟岩层使用的沙子、碳酸钙、石膏与水质量比为7:1～9:1；模拟煤层的沙子、碳酸钙、石膏质量按相似模拟配比号773配比，并添加煤粉着色；模拟岩层由沙子、碳酸钙、石膏质量按相似模拟配比号573配比模拟软岩层，由沙子、碳酸钙、石膏质量按配比号337配比模拟硬岩层；模拟松散层的沙子、碳酸钙、石膏质量按相似模拟配比号773配比；
当进行单一煤层开采条件下的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验时，模拟箱内的煤岩层中模拟煤层为单一煤层条件下模拟煤层，并被设置在最底部，单一煤层条件下模拟煤层上设有多层模拟岩层；
此时导管采用直径为3cm的PVC管，PVC管埋设深度直至单一煤层条件下模拟煤层处，PVC管的长度以出露模拟松散层顶界面5cm为宜，孔心位置位于模型宽度中央；
当进行煤层群开采条件下的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验时，模拟箱内的煤岩层中模拟煤层分别为设在底部的模拟下煤层，模拟下煤层上设有模拟岩层，模拟岩层上设有模拟上煤层；此时导管采用直径为3cm的小孔径PVC管，小孔径PVC管外侧埋设直径为5cm的大孔径PVC管，小孔径PVC管与大孔径PVC管为同心圆布置状态，大孔径PVC管的长度应比上煤层埋深大5cm，小孔径PVC管长度比下煤层埋深大5cm。
一种基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验方法，其步骤如下：
a.利用沙子、碳酸钙、石膏与水按配比在模拟箱中从下向上铺设模拟煤层、模拟岩层和模拟松散层构成模拟煤岩层，在铺设模拟岩层和模拟松散层过程中，埋设***模拟箱底部模拟煤层的导管，导管的顶端出露模拟松散层；
b.等待煤岩层模型成型干燥之后，拆卸模拟箱两侧面板，将导管从成型的煤岩层模型中抽出后构成模拟地面钻孔，按照与现场时间相似比例为1:10、尺寸相似比例为1:100的相似比例，从左至右留设一定边界煤柱开采模拟煤层，开采速度为每15分钟5cm；
c.在模拟工作面开采煤层的过程中，每开采一次，就使用带有标尺的微型钻孔窥视仪深入模拟地面钻孔，并对模拟地面钻孔的孔壁错动破坏动态情况进行观测采集，采集模拟地面钻孔孔壁发生错动的高度范围、错动量大小；同时，对覆岩的破断运动情况进行记录，包括覆岩破坏高度、裂隙发育范围；
当进行单一煤层开采条件下的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验时，所述步骤a中的模拟地面钻孔为模拟单一煤层条件下模拟地面钻孔，使用的导管为直径3cm的PVC管，PVC管的长度以出露模拟松散层顶界面5cm为宜。
当进行煤层群开采条件下的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验时，所述的模拟地面钻孔为煤层群条件下模拟地面钻孔，使用的导管为组合管结构，所述组合管结构包括垂直设置长度比下煤层埋深大5cm直径为3cm的小孔径PVC管，小孔径PVC管外侧同心圆布置有直径为5cm的大孔径PVC管，大孔径PVC管的长度应比上煤层埋深大5cm；
当进行煤层群开采条件下的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验时的步骤c为：
上煤层采完后，由于上煤层至地表段的煤层群条件下模拟地面钻孔受采动影响产生错动及破裂，为避免其对重复采动条件下钻孔观测的影响，采用充填胶体重塑钻孔壁：
首先，用直径为3cm的小孔径PVC管从地表***下煤层顶部，利用注射器在上煤层采动覆岩对应小孔径PVC管与孔壁之间注入充填胶体，直至充填胶体充满PVC管与孔壁之间的空隙；
其次，等待充填胶体胶结成形，将PVC管拔出，从而使通过小孔径PVC管和大孔径PVC管模拟构成的上大下小的钻孔修复为上下孔距都是3cm，孔径大小和下煤层钻孔孔径相同，重塑钻孔壁要求光滑完整，没有明显裂隙，不影响二次观测；
所述充填胶体由碳酸钙、石膏和乳胶混合均匀搅拌制成，碳酸钙、石膏、乳胶按10g：10g：3ml比例混合。
有益效果：本发明基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验方法，克服了现有研究方法难以实测得到的钻孔错动破坏情况来进行覆岩破断运移规律反演研究的难题。根据煤层赋存条件不同，针对单一煤层开采条件和煤层群开采条件下两种情况进行模拟实验，可以模拟研究钻孔在不同开采条件下钻孔错动变形与覆岩破断运移规律之间的联系。根据工作面与钻孔相对位置的不同，利用微型钻孔窥视仪对模拟地面钻孔的孔壁错动破坏动态情况进行观测，同时记录覆岩的破断运动情况，可以掌握钻孔错动变形与覆岩破断运移之间的关系，为反演覆岩破断运移规律提供依据，对于矿井安全生产和矿区生态保护具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明单一煤层条件下的实验装置结构示意图；
图2是本发明单一煤层条件下的地面钻孔观测示意图；
图3是本发明煤层群条件下的实验装置结构示意图；
图4是本发明煤层群条件下的采用充填胶体重塑孔壁示意图。
图中：1-模拟箱；2-单一煤层条件下模拟煤层；3-模拟岩层；4-模拟松散层；5-PVC管；6-单一煤层条件下模拟地面钻孔；7-微型钻孔窥视仪；8-模拟工作面；9-模拟下煤层；10-模拟上煤层；11-小孔径PVC管；12-大孔径PVC管；13-煤层群条件下模拟地面钻孔；14-充填胶体；15-注射器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的1个实施例做进一步的描述：
如图1和图2所示，本发明的地面钻孔错动变形反演覆岩破断规律的实验装置，它包括两侧面板可以开合的模拟箱1和视频监控装置，模拟箱1内铺有多层模拟煤岩层，所述煤岩层包括铺在模拟箱1底部的模拟煤层，模拟煤层上方设有模拟岩层3，模拟煤层试验需要铺设，最上方设有模拟松散层4，所述模拟煤层和模拟岩层3由沙子、碳酸钙、石膏混合均匀后加水搅拌制成，其中模拟岩层3包括模拟软岩层和模拟硬岩层，所述模拟煤层和模拟岩层3使用的沙子、碳酸钙、石膏与水质量比为7:1～9:1；模拟煤层的沙子、碳酸钙、石膏质量按相似模拟配比号773配比，并添加煤粉着色；模拟岩层3由沙子、碳酸钙、石膏质量按相似模拟配比号573配比模拟软岩层，由沙子、碳酸钙、石膏质量按配比号337配比模拟硬岩层；模拟松散层4的沙子、碳酸钙、石膏质量按相似模拟配比号773配比；
所述煤岩层上方垂直向下设有多个深度直至模拟箱1最下层的模拟煤层处用于模拟构建地面钻孔的导管；
所述视频监控装置包括微型钻孔窥视仪7和通过线路与其连接的上位机。
当进行单一煤层开采条件下的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验时，模拟箱1内的煤岩层中模拟煤层为单一煤层条件下模拟煤层2，并被设置在模拟箱1最底部，单一煤层条件下模拟煤层2上设有多层模拟岩层3；此时所述导管采用直径为3cm的PVC管5，PVC管5埋设深度直至单一煤层条件下模拟煤层2处，PVC管5的长度以出露模拟松散层4顶界面5cm为宜，孔心位置位于模型宽度中央。
当进行煤层群开采条件下的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验时，模拟箱1内的煤岩层中模拟煤层分别为设在底部的模拟下煤层9，模拟下煤层9上设有模拟岩层3，模拟岩层3上设有模拟上煤层10；此时导管采用直径为3cm的小孔径PVC管11，小孔径PVC管11外侧埋设直径为5cm的大孔径PVC管12，小孔径PVC管11与大孔径PVC管12为同心圆布置状态，大孔径PVC管12的长度应比上煤层10埋深大5cm，小孔径PVC管11长度比下煤层埋深大5cm。
一种基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验方法，其步骤如下：
a.利用沙子、碳酸钙、石膏与水按配比在模拟箱1中从下向上铺设模拟煤层、模拟岩层3和模拟松散层4构成模拟煤岩层，在铺设模拟岩层3和模拟松散层4过程中，埋设***模拟箱1底部模拟煤层的导管，导管的顶端出露模拟松散层4；
b.等待煤岩层模型成型干燥之后，拆卸模拟箱1两侧面板，将导管从成型的煤岩层模型中抽出后构成模拟地面钻孔，按照与现场时间相似比例为1:10、尺寸相似比例为1:100的相似比例，从左至右留设一定边界煤柱开采模拟煤层，开采速度为每15分钟5cm；
c.在模拟工作面8开采煤层的过程中，每开采一次，即前进5cm，就使用带有标尺的微型钻孔窥视仪7深入模拟地面钻孔，并对模拟地面钻孔的孔壁错动破坏动态情况进行观测采集，采集模拟地面钻孔孔壁发生错动的高度范围、错动量大小；同时，对覆岩的破断运动情况进行记录，包括覆岩破坏高度、裂隙发育范围。
当进行单一煤层开采条件下的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验时，所述步骤a中的模拟地面钻孔为模拟单一煤层条件下模拟地面钻孔6，使用的导管为直径3cm的PVC管5，PVC管5的长度以出露模拟松散层4顶界面5cm为宜。
当进行煤层群开采条件下的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验时，所述的模拟地面钻孔为煤层群条件下模拟地面钻孔13，使用的导管为组合管结构，所述组合管结构包括垂直设置长度比下煤层9埋深大5cm直径为3cm的小孔径PVC管11，小孔径PVC管11外侧同心圆布置有直径为5cm的大孔径PVC管12，大孔径PVC管12的长度应比上煤层10埋深大5cm；
当进行煤层群开采条件下的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验时的步骤c为：
上煤层10采完后，由于上煤层10至地表段的煤层群条件下模拟地面钻孔13受采动影响产生错动及破裂，为避免其对重复采动条件下钻孔观测的影响，采用充填胶体14重塑钻孔壁：
首先，用直径为3cm的小孔径PVC管11从地表***下煤层9顶部，利用注射器15在上煤层采动覆岩对应小孔径PVC管11与孔壁之间注入充填胶体14，直至充填胶体14充满PVC管11与孔壁之间的空隙，所述充填胶体14由碳酸钙、石膏和乳胶混合均匀搅拌制成，碳酸钙、石膏、乳胶按10g：10g：3ml比例混合；
其次，等待充填胶体14胶结成形，将PVC管11拔出，从而使通过小孔径PVC管11和大孔径PVC管12模拟构成的上大下小的钻孔修复为上下孔距都是3cm，孔径大小和下煤层钻孔孔径相同，重塑钻孔壁要求光滑完整，没有明显裂隙，不影响二次观测。
所述充填胶体14由碳酸钙、石膏和乳胶混合均匀搅拌制成，碳酸钙、石膏、乳胶按10g：10g：3ml比例混合。

Claims (10)

1.一种地面钻孔错动变形反演覆岩破断规律的实验装置，其特征在于：它包括两侧面板可以开合的模拟箱(1)和视频监控装置，模拟箱(1)内铺有多层模拟煤岩层，所述煤岩层包括铺在模拟箱(1)底部的模拟煤层，模拟煤层上方设有模拟岩层(3)，模拟煤层根据试验需要设定铺设，最上方设有模拟松散层(4)；
所述煤岩层上方垂直向下设有多个深度直至模拟箱(1)最下层的模拟煤层处用于模拟构建地面钻孔的导管；
所述视频监控装置包括微型钻孔窥视仪(7)和通过线路与其连接的上位机。
2.根据权利要求1所述的地面钻孔错动变形反演覆岩破断规律的实验装置，其特征在于：所述模拟煤层和模拟岩层(3)由沙子、碳酸钙、石膏混合均匀后加水搅拌制成，其中模拟岩层(3)包括模拟软岩层和模拟硬岩层。
3.根据权利要求2所述的地面钻孔错动变形反演覆岩破断规律的实验装置，其特征在于：所述模拟煤层和模拟岩层(3)使用的沙子、碳酸钙、石膏与水质量比为7:1～9:1；模拟煤层的沙子、碳酸钙、石膏质量按相似模拟配比号773配比，并添加煤粉着色；模拟岩层(3)由沙子、碳酸钙、石膏质量按相似模拟配比号573配比模拟软岩层，由沙子、碳酸钙、石膏质量按配比号337配比模拟硬岩层；模拟松散层(4)的沙子、碳酸钙、石膏质量按相似模拟配比号773配比。
4.根据权利要求1所述的地面钻孔错动变形反演覆岩破断规律的实验装置，其特征在于：当进行单一煤层开采条件下的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验时，模拟箱(1)内的煤岩层中模拟煤层为单一煤层条件下模拟煤层(2)，并被设置在模拟箱(1)最底部，单一煤层条件下模拟煤层(2)上设有多层模拟岩层(3)；此时所述导管采用直径为3cm的PVC管(5)，PVC管(5)埋设深度直至单一煤层条件下模拟煤层(2)处，PVC管(5)的长度以出露模拟松散层(4)顶界面5cm为宜，孔心位置位于模型宽度中央。
5.根据权利要求1所述的地面钻孔错动变形反演覆岩破断规律的实验装置，其特征在于：当进行煤层群开采条件下的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验时，模拟箱(1)内的煤岩层中模拟煤层分别为设在底部的模拟下煤层(9)，模拟下煤层(9)上设有模拟岩层(3)，模拟岩层(3)上设有模拟上煤层(10)；此时导管采用直径为3cm的小孔径PVC管(11)，小孔径PVC管(11)外侧埋设直径为5cm的大孔径PVC管(12)，小孔径PVC管(11)与大孔径PVC管(12)为同心圆布置状态，大孔径PVC管(12)的长度应比上煤层(10)埋深大5cm，小孔径PVC管(11)长度比下煤层埋深大5cm。
6.一种使用权利要求1、4或5所述实验装置的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验方法，其特征在于步骤如下：
a.利用沙子、碳酸钙、石膏与水按配比在模拟箱(1)中从下向上铺设模拟煤层、模拟岩层(3)和模拟松散层(4)构成模拟煤岩层，在铺设模拟岩层(3)和模拟松散层(4)过程中，埋设***模拟箱(1)底部模拟煤层的导管，导管的顶端出露模拟松散层(4)；
b.等待煤岩层模型成型干燥之后，拆卸模拟箱(1)两侧面板，将导管从成型的煤岩层模型中抽出后构成模拟地面钻孔，按照与现场时间相似比例为1:10、尺寸相似比例为1:100的相似比例，从左至右留设一定边界煤柱开采模拟煤层，开采速度为每15分钟5cm；
c.在模拟工作面(8)开采煤层的过程中，每开采一次，就使用带有标尺的微型钻孔窥视仪(7)深入模拟地面钻孔，并对模拟地面钻孔的孔壁错动破坏动态情况进行观测采集，采集模拟地面钻孔孔壁发生错动的高度范围、错动量大小；同时，对覆岩的破断运动情况进行记录，包括覆岩破坏高度、裂隙发育范围。
7.根据权利要求6所述的地面钻孔错动变形反演覆岩破断规律的实验方法，其特征在于：当进行单一煤层开采条件下的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验时，所述步骤a中的模拟地面钻孔为模拟单一煤层条件下模拟地面钻孔(6)，使用的导管为直径3cm的PVC管(5)，PVC管(5)的长度以出露模拟松散层(4)顶界面5cm为宜。
8.根据权利要求6所述的地面钻孔错动变形反演覆岩破断规律的实验方法，其特征在于：当进行煤层群开采条件下的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验时，所述的模拟地面钻孔为煤层群条件下模拟地面钻孔(13)，使用的导管为组合管结构，所述组合管结构包括垂直设置长度比下煤层(9)埋深大5cm直径为3cm的小孔径PVC管(11)，小孔径PVC管(11)外侧同心圆布置有直径为5cm的大孔径PVC管(12)，大孔径PVC管(12)的长度应比上煤层(10)埋深大5cm。
9.根据权利要求8所述的地面钻孔错动变形反演覆岩破断规律的实验方法，其特征在于：当进行煤层群开采条件下的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验时的步骤c为：
上煤层(10)采完后，由于上煤层(10)至地表段的煤层群条件下模拟地面钻孔(13)受采动影响产生错动及破裂，为避免其对重复采动条件下钻孔观测的影响，采用充填胶体(14)重塑钻孔壁：
首先，用直径为3cm的小孔径PVC管(11)从地表***下煤层(9)顶部，利用注射器(15)在上煤层采动覆岩对应小孔径PVC管(11)与孔壁之间注入充填胶体(14)，直至充填胶体(14)充满PVC管(11)与孔壁之间的空隙；
其次，等待充填胶体(14)胶结成形，将PVC管(11)拔出，从而使通过小孔径PVC管(11)和大孔径PVC管(12)模拟构成的上大下小的钻孔修复为上下孔距都是3cm，孔径大小和下煤层钻孔孔径相同，重塑钻孔壁要求光滑完整，没有明显裂隙，不影响二次观测。
10.根据权利要求9所述的地面钻孔错动变形反演覆岩破断规律的实验方法，其特征在于：所述充填胶体(14)由碳酸钙、石膏和乳胶混合均匀搅拌制成，碳酸钙、石膏、乳胶按10g：10g：3ml比例混合。
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