CN110501473B - 一种采空区探放水实验装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了矿井水文地质技术领域的一种采空区探放水实验装置及其工作方法，包括探放水***、采空区***和采空区补给***，探放水***由采煤工作面模型、钻场模型、探放水钻孔模型、流量计和过滤器构成，采空区***由采空区模型、矸石模型和悬浮物构成，采空区补给***由富水海绵体、加压装置、渗水管路、电源、涌水管路和高位水箱构成，本实验装置为采空区积水探放情况提供合理的评价，不需要在现场开展大量的工程，简单易实施，可以对不同的钻孔设计及采空区条件下的疏放水效果进行评价，使用范围广；而且实验的时间短，效率高，实验装置大部分可以重复利用，费用低，实验结果可以直观的观测，效果好。
Description
技术领域
本发明涉及矿井水文地质技术领域，具体为一种采空区探放水实验装置及其工作方法。
背景技术
煤炭是人类赖以生存的主要能源，我国煤炭开采历史悠久，形成了大量采空区，采空区积水对周边煤炭开采构成了巨大的威胁。因此，需要对周边采空区探放水。但采空区形状不规则、水量不明、矸石较多、补给性复杂，探放水工程设计是否合理难以评估。另外，探放水工程成效现场显现不直观，需要开展室内实验。传统的实验装置结构复杂且不易实施，不可以直观的看到采空区积水在设计的探放水工程下的演化规律，不能对研究不同条件采空区探放水内在机理等提供了实验手段，故亟需设计一种摒弃传统实验装置缺陷的新式实验设备，基于此，本发明设计了一种采空区探放水实验装置及其工作方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采空区探放水实验装置及其工作方法，以解决上述背景技术中提出的亟需设计一种摒弃传统实验装置缺陷的新式实验设备的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种采空区探放水实验装置，包括探放水***、采空区***和采空区补给***，所述探放水***由采煤工作面模型、钻场模型、探放水钻孔模型、流量计和过滤器构成，所述采空区***由采空区模型、矸石模型和悬浮物构成，所述采空区补给***由富水海绵体、加压装置、渗水管路、电源、涌水管路和高位水箱构成。
进一步的，所述采煤工作面模型为中空设计且位于采空区模型下方，所述采煤工作面模型的两边突出位置连通设置有可移动的钻场模型。
进一步的，所述富水海绵***于加压装置容腔内，所述加压装置容腔与采空区模型之间通过渗水管路连通，所述加压装置与电源通过开关和导线电连接，所述加压装置为可调加压装置。
进一步的，所述高位水箱通过涌水管路与采空区模型连通，所述高位水箱的高度可调节。
进一步的，所述探放水钻孔模型分别与采空区模型和钻场模型连通，所述采空区模型为透明设计且形状可调，并在垂向上固定有标尺，所述采空区模型底部形状可调且内部充填有水、矸石模型和悬浮物，所述矸石模型大小和形状可调，所述悬浮物数量和大小可调。
进一步的，所述探放水钻孔模型中部设置有流量计，所述探放水钻孔模型前端部设置有过滤器，所述探放水钻孔模型为中空设计，所述探放水钻孔模型长度、孔径和位置可调。
一种采空区探放水实验装置工作方法，包括如下步骤：
步骤一：采空区***设计，采空区***由采空区模型、矸石模型和悬浮物构成，其中，采空区模型通过现场的电法、地质雷达及瞬变电磁等地球物理勘探手段获取采空区实际范围；然后，按照一个几何比n缩小；最后，依据缩小后的模型尺寸，依据拐点设计出采空区模型，此时固定采空区模型让其不再变形，矸石模型则通过采空区的资料进行数值模拟实验，获取冒落区的矸石形状和大小，从钻孔柱状图中获取矸石的岩性，按照几何比n缩小，并放置相同岩性的矸石在采空区模型中，此外，通过在现场实施钻孔获取采空区积水的水样，通过室内激光粒度分析仪测试分析水样中5μm以下，5μm-10μm之间，10μm以上颗粒所占的百分比，按照相应的几何比n缩小，并放置相同岩性的悬浮物在采空区模型中；最后，依据现场钻孔的水位观测，按照几何比n缩小后，对采空区模型注入相同的水位的积水；
步骤二：采空区补给***设计，依据步骤一中的数值模拟实验，确定采空区的充水含水层，采用水文地质比拟法，得到含水层管道流的流量Q1，设计时间比为m，则高位水箱通过涌水管的补给量Q2＝Q1╳m/n3，通过调整高位水箱高度来达到补给量Q2，通过采空区现场涌水量观测得到总涌水量Q3，采空区实际透水层持续补给量Q4＝Q3-Q1，则富水海绵体持续补给量Q5＝Q4╳m/n3；通过调试加压装置的加压速率达到这一补给量，另外，通过现场对弱透水层的抽水实验获取弱含水层的总的补给量Q6，则富水海绵体的总的排出水量Q7＝Q6/n3；
步骤三：采空区探放水***设计，依据现场实际钻孔揭露情况，确定工作面与采空区的空间位置关系即距离，然后依据几何比n缩小后设置采煤工作面模型；在采煤工作面模型的两边突出位置设计2个以上的钻场模型，其起点位置在安全距离范围内，这里安全距离范围是指距离采空区距离D以上，D＝60米～100米，然后缩小n后即为模型的安全距离D1＝D/n，然后设计一组钻孔直径、长度、数量；
步骤四：通过探放水***进行探放水实验，通过透明的采空区模型，从模型读数中查看水位变化，从探放水钻孔模型上的流量观测排水量；在实验10小时内，将单一探放水钻孔模型总排水量小于所有钻场模型总排水量5％的记录为低效率钻孔；对低效率钻孔进行调整参数即钻孔直径、长度、数量任意一个或多个，或者去除该低效率钻孔；
步骤五：重复步骤三和四，直至所有钻孔均不是低效率钻孔，并记录排水完成后采空区模型的积水量Q8，并依据比例反演采空区实际残余积水量Q9＝Q8╳n3；
步骤六：煤炭安全开采过程中没有发生水害，依据步骤五最终确定的探放水设计进行探放水；并在煤炭开采前设置井下排水能力达到Q11＝Q9+Q10，其中Q10为其他涌水量，依据既定的水文地质比拟法计算获得，煤炭安全开采，没有发生采空区水害。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用三个***共同组成了采空区探放水实验装置，通过现场调查获取的采空区和补给情况，设计不同的探放水方案，可以通过透明的采空区模型观测到水位和存储水量变化情况，水位和水量不足以威胁煤矿开采时采空区探放水是有效的，否则需要更改设计方案，本实验装置为采空区积水探放情况提供合理的评价，不需要在现场开展大量的工程，简单易实施，可以对不同的钻孔设计及采空区条件下的疏放水效果进行评价，使用范围广；而且实验的时间短，效率高，实验装置大部分可以重复利用，费用低，实验结果可以直观的观测，效果好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明平面示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-采煤工作面模型，2-钻场模型，3-采空区模型，4-矸石模型，5-富水海绵体，6-加压装置，7-渗水管路，8-悬浮物，9-电源，10-涌水管路，11-高位水箱，12-探放水钻孔模型，13-流量计，14-过滤器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种采空区探放水实验装置，包括探放水***、采空区***和采空区补给***，探放水***由采煤工作面模型1、钻场模型2、探放水钻孔模型12、流量计13和过滤器14构成，采空区***由采空区模型3、矸石模型4和悬浮物8构成，采空区补给***由富水海绵体5、加压装置6、渗水管路7、电源9、涌水管路10和高位水箱11构成。
其中，采煤工作面模型1为中空设计且位于采空区模型3下方，采煤工作面模型1的两边突出位置连通设置有可移动的钻场模型2。
富水海绵体5位于加压装置6容腔内，加压装置6容腔与采空区模型3之间通过渗水管路7连通，加压装置6与电源9通过开关和导线电连接，加压装置6为可调加压装置，富水海绵体5主要模拟采空区模型3受弱透水层持续补给的情况。
高位水箱11通过涌水管路10与采空区模型3连通，高位水箱11的高度可调节，高位水箱11主要模拟采空区模型3受管道流大量补给的情况。
探放水钻孔模型12分别与采空区模型3和钻场模型2连通，采空区模型3为透明设计且形状可调，并在垂向上固定有标尺，采空区模型3底部形状可调且内部充填有水、矸石模型4和悬浮物8，矸石模型4大小和形状可调，悬浮物8数量和大小可调。
探放水钻孔模型12中部设置有流量计13，探放水钻孔模型12前端部设置有过滤器14，探放水钻孔模型12为中空设计，除两个端部外是密封的，探放水钻孔模型12长度、孔径和位置可调。
探放水***还原了现场探放水工程的设计，且这一过程是可以直接观察到探放水钻孔模型12空间位置、进入采空区模型3的空间体态、过滤器14被堵塞的情况及探放水钻孔模型12流量随各因素变化的响应情况。
采空区***还原了现场采空区的各类杂质特征即通过悬浮物8和矸石模型4还原、水岩相互作用关系和采空区空间起伏。
采空区补给***还原了现场采空区的弱含水层缓慢释水即通过加压装置6对富水海绵体5加压后，缓慢释放水和管道流快速补给即通过高位水箱11快速补水给采空区模型3的情况。
三个***共同组成了采空区探放水实验装置，通过现场调查获取的采空区和补给情况，设计不同的探放水方案，可以通过透明的采空区模型3观测到水位和存储水量变化情况，水位和水量不足以威胁煤矿开采时采空区探放水是有效的，否则需要更改设计方案，本实验装置为采空区积水探放情况提供合理的评价。
本专利申请的具体使用方法如下：
步骤一：采空区***设计，采空区***由采空区模型3、矸石模型4和悬浮物8构成，其中，采空区模型通过现场的电法、地质雷达及瞬变电磁等地球物理勘探手段获取采空区实际范围；然后，按照一个几何比n缩小；最后，依据缩小后的模型尺寸，依据拐点设计出采空区模型3，此时固定采空区模型3让其不再变形，矸石模型4则通过采空区的资料进行数值模拟实验，获取冒落区的矸石形状和大小，从钻孔柱状图中获取矸石的岩性，按照几何比n缩小，并放置相同岩性的矸石在采空区模型3中，此外，通过在现场实施钻孔获取采空区积水的水样，通过室内激光粒度分析仪测试分析水样中5μm以下，5μm-10μm之间，10μm以上颗粒所占的百分比，按照相应的几何比n缩小，并放置相同岩性的悬浮物在采空区模型3中；最后，依据现场钻孔的水位观测，按照几何比n缩小后，对采空区模型3注入相同的水位的积水；
步骤二：采空区补给***设计，依据步骤一中的数值模拟实验，确定采空区的充水含水层，采用水文地质比拟法，得到含水层管道流的流量Q1，设计时间比为m，则高位水箱11通过涌水管的补给量Q2＝Q1╳m/n3，通过调整高位水箱11高度来达到补给量Q2，通过采空区现场涌水量观测得到总涌水量Q3，采空区实际透水层持续补给量Q4＝Q3-Q1，则富水海绵体5持续补给量Q5＝Q4╳m/n3；通过调试加压装置6的加压速率达到这一补给量，另外，通过现场对弱透水层的抽水实验获取弱含水层的总的补给量Q6，则富水海绵体的总的排出水量Q7＝Q6/n3；
步骤三：采空区探放水***设计，依据现场实际钻孔揭露情况，确定工作面与采空区的空间位置关系即距离，然后依据几何比n缩小后设置采煤工作面模型1；在采煤工作面模型1的两边突出位置设计2个以上的钻场模型2，其起点位置在安全距离范围内，这里安全距离范围是指距离采空区距离D以上，D＝60米～100米，然后缩小n后即为模型的安全距离D1＝D/n，然后设计一组钻孔直径、长度、数量；
步骤四：通过探放水***进行探放水实验，通过透明的采空区模型3，从模型读数中查看水位变化，从探放水钻孔模型12上的流量观测排水量；在实验10小时内，将单一探放水钻孔模型12总排水量小于所有钻场模型2总排水量5％的记录为低效率钻孔；对低效率钻孔进行调整参数即钻孔直径、长度、数量任意一个或多个，或者去除该低效率钻孔；
步骤五：重复步骤三和四，直至所有钻孔均不是低效率钻孔，并记录排水完成后采空区模型3的积水量Q8，并依据比例反演采空区实际残余积水量Q9＝Q8╳n3；
步骤六：煤炭安全开采过程中没有发生水害，依据步骤五最终确定的探放水设计进行探放水；并在煤炭开采前设置井下排水能力达到Q11＝Q9+Q10，其中Q10为其他涌水量，依据既定的水文地质比拟法计算获得，煤炭安全开采，没有发生采空区水害。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (2)
1.一种采空区探放水实验装置，包括探放水***、采空区***和采空区补给***，其特征在于：所述探放水***由采煤工作面模型（1）、钻场模型（2）、探放水钻孔模型（12）、流量计（13）和过滤器（14）构成，所述采空区***由采空区模型（3）、矸石模型（4）和悬浮物（8）构成，所述采空区补给***由富水海绵体（5）、加压装置（6）、渗水管路（7）、电源（9）、涌水管路（10）和高位水箱（11）构成；
所述采煤工作面模型（1）为中空设计且位于采空区模型（3）下方，所述采煤工作面模型（1）的两边突出位置连通设置有可移动的钻场模型（2）；
所述富水海绵体（5）位于加压装置（6）容腔内，所述加压装置（6）容腔与采空区模型（3）之间通过渗水管路（7）连通，所述加压装置（6）与电源（9）通过开关和导线电连接，所述加压装置（6）为可调加压装置；
所述高位水箱（11）通过涌水管路（10）与采空区模型（3）连通，所述高位水箱（11）的高度可调节；
所述探放水钻孔模型（12）分别与采空区模型（3）和钻场模型（2）连通，所述采空区模型（3）为透明设计且形状可调，并在垂向上固定有标尺，所述采空区模型（3）底部形状可调且内部充填有水、矸石模型（4）和悬浮物（8），所述矸石模型（4）大小和形状可调，所述悬浮物（8）数量和大小可调；
所述探放水钻孔模型（12）中部设置有流量计（13），所述探放水钻孔模型（12）前端部设置有过滤器（14），所述探放水钻孔模型（12）为中空设计，所述探放水钻孔模型（12）长度、孔径和位置可调。
2.根据权利要求1所述的采空区探放水实验装置的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：采空区***设计，采空区***由采空区模型（3）、矸石模型（4）和悬浮物（8）构成，其中，采空区模型通过现场的电法、地质雷达及瞬变电磁地球物理勘探手段获取采空区实际范围；然后，按照一个几何比n缩小；最后，依据缩小后的模型尺寸，依据拐点设计出采空区模型（3），此时固定采空区模型（3）让其不再变形，矸石模型（4）则通过采空区的资料进行数值模拟实验，获取冒落区的矸石形状和大小，从钻孔柱状图中获取矸石的岩性，按照几何比n缩小，并放置相同岩性的矸石在采空区模型（3）中，此外，通过在现场实施钻孔获取采空区积水的水样，通过室内激光粒度分析仪测试分析水样中5μm以下，5μm-10μm之间，10μm以上颗粒所占的百分比，按照相应的几何比n缩小，并放置相同岩性的悬浮物在采空区模型（3）中；最后，依据现场钻孔的水位观测，按照几何比n缩小后，对采空区模型（3）注入相同的水位的积水；
步骤二：采空区补给***设计，依据步骤一中的数值模拟实验，确定采空区的充水含水层，采用水文地质比拟法，得到含水层管道流的流量Q1，设计时间比为m，则高位水箱（11）通过涌水管的补给量Q2=Q1╳m / n，通过调整高位水箱（11）高度来达到补给量Q2，通过采空区现场涌水量观测得到总涌水量Q3，采空区实际透水层持续补给量Q4=Q3-Q1，则富水海绵体（5）持续补给量Q5= Q4╳m / n/>；通过调试加压装置（6）的加压速率达到这一补给量，另外，通过现场对弱透水层的抽水实验获取弱含水层的总的补给量Q6，则富水海绵体的总的排出水量Q7= Q6 / n/>；
步骤三：采空区探放水***设计，依据现场实际钻孔揭露情况，确定工作面与采空区的空间位置关系即距离，然后依据几何比n缩小后设置采煤工作面模型（1）；在采煤工作面模型（1）的两边突出位置设计2个以上的钻场模型（2），其起点位置在安全距离范围内，这里安全距离范围是指距离采空区距离D以上，D=60米~100米，然后缩小n后即为模型的安全距离D1=D/n，然后设计一组钻孔直径、长度、数量；
步骤四：通过探放水***进行探放水实验，通过透明的采空区模型（3），从模型读数中查看水位变化，从探放水钻孔模型（12）上的流量观测排水量；在实验10小时内，将单一探放水钻孔模型（12）总排水量小于所有钻场模型（2）总排水量5%的记录为低效率钻孔；对低效率钻孔进行调整参数即钻孔直径、长度、数量任意一个或多个，或者去除该低效率钻孔；
步骤五：重复步骤三和四，直至所有钻孔均不是低效率钻孔，并记录排水完成后采空区模型（3）的积水量Q8，并依据比例反演采空区实际残余积水量Q9=Q8╳n；
步骤六：煤炭安全开采过程中没有发生水害，依据步骤五最终确定的探放水设计进行探放水；并在煤炭开采前设置井下排水能力达到Q11=Q9+Q10，其中Q10为其他涌水量，依据既定的水文地质比拟法计算获得，煤炭安全开采，没有发生采空区水害。
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- 2019-09-19 CN CN201910885024.2A patent/CN110501473B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN110501473A (zh) | 2019-11-26 |
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