CN110018291B - 一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试***，主要包括相似模拟实验架，其内铺设有煤岩层相似模拟材料、含水层相似模拟材料、隔水关键层相似模拟材料和充填体相似模拟材料；含水层由装有粗、细骨料的透明柔性水箱构成，一侧连接水源补给装置，利用水泵向含水层提供稳定渗透压力，水箱下部设置数量及孔径大小可调节的透水组合孔装置；隔水关键层相似材料主要由骨料与抗渗防水材料及辅助胶结材料按所需相似比配成；充填体相似模拟材料按照应力应变相似理论选取。本发明可实现流固耦合条件下充填开采覆岩变形、裂隙演化与渗流突水响应过程的物理相似模拟，具有方法简单，可操作性强，模拟准确性高等优点。
Description
技术领域
本发明属于物理相似模拟试验测试***技术领域，具体涉及一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试***。
背景技术
近年来，我国煤炭资源的开发重心逐步向西部生态脆弱水资源短缺矿区与东部深地复杂水文地质矿区转移，其保水开采问题面临巨大挑战。综合机械化固体充填采煤技术作为绿色开采中应用较为广泛的技术之一，能够实现含水层下及水体下煤炭资源的安全开采，理论研究固体充填开采过程中围岩裂隙场、渗流场及应力场的演化特征，对于科学指导现场工程应用具有重要意义。物理相似模拟作为研究矿山开采活动围岩环境变化的有效研究手段而一直被广泛使用。然而，目前对于充填保水开采的物理相似模拟试验***大多以岩层代替含水层，不考虑水的渗流影响，为进一步探索充填开采技术应用于保水开采中的实际应用效果，需要对流固耦合条件下充填开采隔水关键层、含水层变形破坏与渗流突水过程问题进一步展开研究。
发明内容
发明目的：针对上述现有条件下充填开采物理相似模拟测试***的不足，本发明提供一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试***。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试***，包括相似模拟实验架及其框架内部自上而下依次设置的岩层相似模拟材料、含水层相似模拟材料、隔水关键层相似模拟材料和充填体相似模拟材料及煤层相似模拟材料；所述相似模拟实验架的上部安设竖直加压油缸，用以模拟上覆岩层自重；
所述含水层相似模拟材料为装有粗、细骨料的透明柔性水箱，下部均匀间隔设置若干透水组合孔装置，透明柔性水箱的一侧连接有水源补给装置，通过增压水泵为其提供稳定渗透压力；
所述隔水关键层相似模拟材料由骨料与抗渗防水材料及辅助胶结材料按照渗透相似比配制；
所述充填体相似模拟材料为包括海绵、塑料泡沫、普通纸张、薄三合板在内的制备材料配置而成的相似充填体；
所述岩层相似模拟材料为由沙子、碳酸钙与石膏组成的混合物。
进一步的，每个所述透水组合孔装置为在透明柔性水箱底部开设的4个透水孔和其上覆盖的透水组合孔控制装置；所述透水组合孔控制装置为一内凹型的圆形盖片，所述4个透水孔以圆心均匀间隔设置，按孔径由小到大排序依次为透水组合孔一号孔、透水组合孔二号孔、透水组合孔三号孔、透水组合孔四号孔，孔径比为2:5:7:10；所述4个透水孔所在的圆心环与透水组合孔四号孔的半径之和小于所述透水组合孔控制装置的半径，且所述透水组合孔控制装置的内凹缺口沿圆形盖片直径对称设置；通过透水组合孔控制装置的不同旋转角度控制开孔情况。
进一步的，所述含水层的透明柔性水箱相似材料满足应力应变相似理论，其内部装有粗、细骨架颗粒分别为5～40mm粒径的光滑鹅卵石与2～8mm粒径的细砂。
进一步的，所述的隔水关键层相似模拟材料(3)使用石蜡与凡士林作为抗渗防水材料，使用碳酸钙与石膏作为辅助胶结材料，使用沙子作为骨料，按照水理性相似理论配制而成。
进一步的，所述水源补给装置(6)为安设在透明柔性水箱右侧的输水管，通过与其连接的增压水泵(12)实现对渗透压力的控制；增压水泵(12)下设流量计(13)，水源输送管路上设有止回阀(15)及压力传感器(16)。
该测试***的测试方法为：通过模拟煤层充填开采，实现隔水关键层、含水层变形与渗流突水响应的破坏过程，具体包括以下步骤：
1)构建相似模拟模型：参照煤矿实际地质资料，确定模拟对象的岩层属性，结合相似模拟比确定模拟材料的几何参数、各岩层模拟特性参数，配制各岩层相似材料；
2)根据构建的相似模拟模型参数进行各岩层相似模拟材料的铺设：透明柔性水箱的上覆岩层铺设好后，向透明柔性水箱中注水，根据矿井实际条件及相似比确定稳定水源渗透压力；注水过程中启动竖直加压油缸模拟覆岩初始应力；
3)根据设计开挖步数及每步开挖长度进行煤层开挖：并在煤层开挖后及时填充充填体相似模拟材料；在煤层开挖及充填过程中，对上覆岩层尤其是隔水关键层和含水层的变形破坏与渗流突水过程进行观察和记录，同时记录增压水泵下设流量计数值变化和水源输送管路上的压力传感器的数值变化；
4)重复同样实验流程，通过对充填体相似模拟材料的不同配比，制作出不同模拟充实率的相似充填体，实现对不同充实率下的充填开采流固耦合中隔水关键层、含水层变形破坏与渗流突水过程的模拟。
有益效果：本发明提供的一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试***，与现有技术相比，具有以下优势：本发明实现了流固耦合作用下，固体充填保水采煤的物理相似模拟，其***结构简单，应用方便，具有广泛推广性，实验结果更加贴近于工程实际问题。
附图说明
图1为本发明的原理示意图。
图2为透水组合孔装置开孔示意图。
图3为透水组合孔装置调控孔径大小原理示意图。
其中：1-岩层相似模拟材料，2-含水层相似模拟材料，3-隔水关键层相似模拟材料，4-充填体相似模拟材料，5-煤层相似模拟材料，6-水源补给装置，7-始采线，8-停采线，9-透水组合孔装置，10-相似模拟实验架，11-竖直加压油缸，12-增压水泵，13-流量计，14-供水箱15-止回阀，16-压力传感器，17-透水组合孔一号孔，18-透水组合孔二号孔，19-透水组合孔三号孔，20-透水组合孔四号孔，21-透水组合孔控制装置。
具体实施方式
如图1所示，一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试***，包括相似模拟实验架10，相似模拟实验架10内自上而下依次设有岩层相似模拟材料1、含水层相似模拟材料2、隔水关键层相似模拟材料3、充填体相似模拟材料4和煤层相似模拟材料5；含水层相似模拟材料2由装有粗、细骨料的透明柔性水箱构成，其一侧连接水源补给装置6，利用增压水泵12向含水层提供稳定水源渗透压力，水箱下部设置数量及孔径大小可调节的透水组合孔装置9；隔水关键层相似模拟材料3主要由骨料与抗渗防水材料及辅助胶结材料按所需相似比配制而成；充填体相似模拟材料4按照应力应变相似理论选取。
透明柔性水箱下部设置一定数量、孔径大小的可控透水组合孔装置，其开启数量、开孔直径大小根据实际含水层渗透性能参数设计。隔水关键层使用石蜡与凡士林作为抗渗防水材料，使用碳酸钙与石膏作为辅助胶结材料，使用沙子作为骨料，按照水理性相似理论配置而成。具体步骤如下：
(1)含水层相似模拟材料2外侧为透明柔性水箱，其内骨架颗粒由大粒径(5～40mm)光滑鹅卵石及细砂颗粒(2～8mm)构成，可实现采动应力传导，可压缩性与可视性。
(2)隔水关键层相似模拟材料3按照水理性相似理论配置、选择，制作过程包括以下几个步骤：
a.使用58#全精炼石蜡与无毒医用级白色凡士林作为抗渗防水材料，使用碳酸钙与石膏作为辅助胶结材料；
a.按照预先设计的隔水关键层相似模拟材料配比称取骨料与胶结材料；
b.通过NJ160型搅拌机将混合骨料搅拌均匀；
c.将石蜡和凡士林混合胶结料加热熔融，倒入混合骨料中再次搅拌均匀；
d.将混合材料经特制的标准模具进行制作与成型；
e.将脱模后的试件放置在养护箱内养护7天进行强度测试；
f.养护后的试件分别浸水1h、8h、12h与24h进行吸水率与软化系数测试。
(3)充填体相似模拟材料4采用海绵、塑料泡沫、普通纸张、薄三合板配比制作，采用1cm塑料泡沫、2cm普通纸张、0.5cm薄三合板模拟充实率为80％的矸石充填体，采用1cm海绵、0.5cm塑料泡沫、2cm普通纸张模拟充实率为65％的矸石充填体。
(4)水源补给装置6安设在透明柔性水箱右侧，通过与其连接的增压水泵12实现对渗透压力的控制，增压水泵12连接着供水箱14为其提供水源；增压水泵12下设流量计13，对采动影响下渗流水量进行监控；止回阀15的设置有效防止水流倒流；压力传感器16设置在水源输送管路上，实现对透明柔性水箱内水压的实施监控。
(5)透水组合孔装置9设置在透明柔性水箱下部，透明柔性水箱内的水经其向下渗透；在透明柔性水箱下部共设置3排11列共33个透水组合孔装置9，每个透水组合孔装置9共设4个不同大小的透水孔，按孔径由小到大排序依次为透水组合孔一号孔17，透水组合孔二号孔18，透水组合孔三号孔19，透水组合孔四号孔20，孔径依次为4mm、10mm、14mm与20mm；透水组合孔控制装置21的内凹缺口沿圆形盖片直径对称设置，内凹缺口尺寸满足最大最小透水要求。通过图3所示孔径为620mm的透水组合孔控制装置21的不同旋转角度可实现对开孔情况的控制；如图3(a)状态为只开启透水组合孔一号孔17，如图3(b)状态为只开启透水组合孔二号孔18，如图3(c)状态为只开启透水组合孔三号孔19，如图3(d)状态为只开启透水组合孔四号孔20，当将透水组合孔控制装置21调节至如图3(e)所示角度时，可以实现对透水孔的关闭。
(6)相似模拟实验中煤层开挖方向为自始采线7起，至停采线8终，充填开采煤层5每步开挖后应及时填充充填体相似模拟材料4。
(7)根据设计开挖步数及每步开挖长度进行煤层开挖，在煤层开挖后应及时填充充填体相似模拟材料。在煤层开挖及充填过程中，对上覆岩层尤其是隔水关键层和含水层的变形破坏与渗流突水过程进行观察和记录，同时应记录增压水泵下设流量计数值变化和水源输送管路上的压力传感器的数值变化。
Claims (5)
1.一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试***，其特征在于：包括相似模拟实验架（10）及其框架内部自上而下依次设置的岩层相似模拟材料（1）、含水层相似模拟材料（2）、隔水关键层相似模拟材料（3）和充填体相似模拟材料（4）及煤层相似模拟材料（5）；所述相似模拟实验架（10）的上部安设竖直加压油缸（11），用以模拟上覆岩层自重；
所述含水层相似模拟材料（2）为装有粗、细骨料的透明柔性水箱，下部均匀间隔设置若干透水组合孔装置（9），透明柔性水箱的一侧连接有水源补给装置（6），通过增压水泵（12）为其提供稳定渗透压力；
所述隔水关键层相似模拟材料（3）由骨料与抗渗防水材料及辅助胶结材料按照渗透相似比配制；
所述充填体相似模拟材料（4）为包括海绵、塑料泡沫、普通纸张、薄三合板在内的制备材料配置而成的相似充填体；
所述岩层相似模拟材料（1）为由沙子、碳酸钙与石膏组成的混合物；
每个所述透水组合孔装置（9）为在透明柔性水箱底部开设的4个透水孔和其上覆盖的透水组合孔控制装置（21）；所述透水组合孔控制装置（21）为一内凹型的圆形盖片，所述4个透水孔以圆心均匀间隔设置，按孔径由小到大排序依次为透水组合孔一号孔（17）、透水组合孔二号孔（18）、透水组合孔三号孔（19）、透水组合孔四号孔（20），孔径比为2:5:7:10；所述4个透水孔所在的圆心环与透水组合孔四号孔（20）的半径之和小于所述透水组合孔控制装置（21）的半径，且所述透水组合孔控制装置（21）的内凹缺口沿圆形盖片直径对称设置；通过透水组合孔控制装置（21）的不同旋转角度控制开孔情况。
2.根据权利要求1所述的一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试***，其特征在于：所述含水层的透明柔性水箱相似材料满足应力应变相似理论，其内部装有粗、细骨架颗粒分别为5~40mm粒径的光滑鹅卵石与2~8mm粒径的细砂。
3.根据权利要求1所述的一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试***，其特征在于：所述的隔水关键层相似模拟材料（3）使用石蜡与凡士林作为抗渗防水材料，使用碳酸钙与石膏作为辅助胶结材料，使用沙子作为骨料，按照水理性相似理论配制而成。
4.据权利要求1所述的一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试***，其特征在于：所述水源补给装置（6）为安设在透明柔性水箱右侧的输水管，通过与其连接的增压水泵（12）实现对渗透压力的控制；增压水泵（12）下设流量计（13），水源输送管路上设有止回阀（15）及压力传感器（16）。
5.据权利要求1所述的一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试***的工作方法，其特征在于：通过模拟煤层充填开采，实现隔水关键层、含水层变形与渗流突水响应的破坏过程，具体包括以下步骤：
1）构建相似模拟模型：参照煤矿实际地质资料，确定模拟对象的岩层属性，结合相似模拟比确定模拟材料的几何参数、各岩层模拟特性参数，配制各岩层相似材料；
2）根据构建的相似模拟模型参数进行各岩层相似模拟材料的铺设：透明柔性水箱的上覆岩层铺设好后，向透明柔性水箱中注水，根据矿井实际条件及相似比确定稳定水源渗透压力；注水过程中启动竖直加压油缸模拟覆岩初始应力；
3）根据设计开挖步数及每步开挖长度进行煤层开挖：并在煤层开挖后及时填充充填体相似模拟材料；在煤层开挖及充填过程中，对上覆岩层尤其是隔水关键层和含水层的变形破坏与渗流突水过程进行观察和记录，同时记录增压水泵下设流量计数值变化和水源输送管路上的压力传感器的数值变化；
4）重复同样实验流程，通过对充填体相似模拟材料的不同配比，制作出不同模拟充实率的相似充填体，实现对不同充实率下的充填开采流固耦合中隔水关键层、含水层变形破坏与渗流突水过程的模拟。
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