CN116183465A - 矿井透水相似模拟实验装置及方法 - Google Patents

矿井透水相似模拟实验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供矿井透水相似模拟实验装置及方法，涉及矿井透水演变过程相似模拟领域，该***包括煤矿物理模拟模块、上覆岩层加载模块、底板水压加载模块、水源控制模块、水流速度监测模块、压力监测模块、实验数据采集模块，其中，煤矿物理模拟模块，用于模拟岩层；上覆岩层加载模块，用于对所述煤矿物理模拟模块产生压力；底板水压加载模块，用于对所述煤矿物理模拟模块相对的产生压力并且传递压力数值；该设计能够通过物理装置对矿井进行透水相似模拟，并能够建立以矿井透水相似模拟实验装置为基础的实验方法，这对于探究矿井透水影响因素和机理具有重要意义。因此借助相似模拟试验能够比较直观形象地模拟出各种破坏问题。

Description

矿井透水相似模拟实验装置及方法
技术领域
本申请涉及矿井透水演变过程相似模拟领域，尤其涉及矿井透水相似模拟实验装置及方法。
背景技术
目前存在的技术中，针对矿井透水过程的研究，大多数是依靠理论分析和数值模拟。然而理论分析和数值模拟缺乏关键性参数，两者都是基于某个理论框架或者某些假设的，都是比较抽象的，都不能代替实验的作用。就数值模拟和物理实验的结果可靠性而言：数值模拟方法在模拟分析过程中，往往要对边界条件和材料属性进行简化，不但对分析结果产生影响，而且结构离散化的形式不同，得到的结果和精度也不同，随机性比较大，可信度降低。由于以上理论分析和数值模拟的局限性，就导致对矿井透水问题不能够进行较为全面的分析和研究。
发明内容
本申请提供了一种矿井透水相似模拟实验装置及方法，能够对矿井透水情况进行准确模拟。
本申请的实施例提供了矿井透水相似模拟实验装置，包括:
煤矿物理模拟模块，用于模拟岩层；
上覆岩层加载模块，与所述煤矿物理模拟模块连接，用于对所述煤矿物理模拟模块产生压力；
底板水压加载模块，与所述煤矿物理模拟模块连接，用于对所述煤矿物理模拟模块相对的产生压力并且传递压力数值；
水源控制模块，与所述煤矿物理模拟模块连接，用于向所述煤矿物理模拟模块输水，并控制向所述煤矿物理模拟模块输水时的水量以及输水压强；
水流速度监测模块，设置在所述煤矿物理模拟模块侧方，用于检测所述煤矿物理模拟模块中的水流速度；
压力监测模块，设置在所述煤矿物理模拟模块上，用于监测所述煤矿物理模拟模块的压力变化；
实验数据采集模块，与所述水流速度监测模块、所述压力检测模块相连接，用于采集所述水流速度监测模块、所述压力检测模块监测到的数据。
在本申请提供的矿井透水相似模拟实验装置中，所述煤矿物理模拟模块包括顶部岩层、粉砂岩层、石灰岩层、砂质泥岩、煤层、底部岩石层、熔岩水层、钢化玻璃和设置在两侧的加压装置，所述顶部岩层、所述粉砂岩层、所述石灰岩层、所述砂质泥岩、所述煤层、所述底部岩石层、所述熔岩水层由上到下依次叠设，所述钢化玻璃设置在岩层的两侧。
在本申请提供的矿井透水相似模拟实验装置中，所述上覆岩层加载模块包括采用设定质量的负重物体，所述负重物体设置在所述煤矿物理模拟模块的顶部。
在本申请提供的矿井透水相似模拟实验装置中，所述底板水压加载模块包括：抬升机构、第一压力控制器、钢板，所述抬升机构上连接有所述钢板，平行放置在底板处，所述抬升机构与所述第一压力控制器电连接，所述第一压力控制器能够调节所述抬升机构的输出压力大小，所述抬升机构能够将实时压力传给所述第一压力控制器。
在本申请提供的矿井透水相似模拟实验装置中，所述水源控制模块包括：水泵、水袋以及水流量控制台，所述水泵与所述水袋连接，所述水泵与所述水流量控制台电连接，所述水流量控制台能够控制水泵的流量。
在本申请提供的矿井透水相似模拟实验装置中，所述水流速度监测模块包括：双脉冲激光器、柱面镜、示踪粒子、CCD摄像机、图像收集器、图像分析仪，所述CCD摄像机与所述图像收集器相连，所述图像收集器与所述图像分析仪相连，所述示踪粒子散布在水流中，所述柱面镜安装在所述双脉冲激光器下方，所述双脉冲激光器通过所述柱面镜能够在水流中形成待测区域，所述CCD摄像机用于拍摄水流中的示踪粒子。
本申请还提供一种基于上述任一项所述的矿井透水相似模拟实验装置的矿井透水相似模拟实验方法，所述矿井透水相似模拟实验方法包括：
获取模拟实验***发生透水时的模拟矿井巷道的水流蔓延时间、水流速度、岩层重力、底板岩层受到的压力、能量损失，将所述水流速度与所述模拟矿井巷道的截面积相乘，得到模拟矿井巷道透水量；
获取所述模拟矿井巷道与所述相似模拟实验装置的几何相似比；
根据所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的水流蔓延时间、水流速度、岩层重力、底板岩层受到的压力、能量损失、所述模拟矿井巷道透水量，计算得到实际矿井巷道的水流蔓延时间、水流速度、岩层重力、底板岩层受到的压力、能量损失以及所述实际矿井巷道透水量。
在本申请提供的一种矿井透水相似模拟实验方法中，所述计算得到实际矿井巷道的水流蔓延时间、水流速度、岩层重力、底板岩层受到的压力、能量损失以及所述实际矿井巷道透水量，包括：
将所述模拟矿井巷道的水流蔓延时间乘以时间比尺的二分之一次方，得到所述实际矿井巷道的水流蔓延时间；
根据所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的水流速度，计算所述实际矿井巷道的水流速度；
将所述模拟矿井巷道透水量乘以所述几何相似比的二分之五次方，得到所述实际矿井巷道透水量；
将所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的岩层重力进行计算，得到所述实际矿井巷道的岩层重力；
将所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的底板岩层受到的压力进行计算，得到所述实际矿井巷道的底板岩层受到的压力；
将所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的能量损失进行计算，得到所述实际矿井巷道的能量损失。
在本申请提供的一种矿井透水相似模拟实验方法中，所述获取所述模拟矿井巷道与所述相似模拟实验装置的几何相似比，包括：
设所述实际矿井巷道的宽为A，高为H，长为L，所述模拟矿井巷道的宽为a，高为h，长为l，则所述几何相似比尺
Figure SMS_1
。
在本申请提供的一种矿井透水相似模拟实验方法中，所述根据所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的水流速度，计算所述实际矿井巷道的水流速度，包括：
经过CCD摄像机两次曝光后，得到两张相邻图像，设m(x1，y1)为其中一个图像上的示踪粒子，n(x2，y2)为另外一个图像上的示踪粒子；
通过图像分析仪对两个所述图像分别进行处理，其中，对所述图像进行处理的方法包括：设两个所述图像的曝光时间差为
Figure SMS_2
t1-t2，进而根据下列公式得到模拟矿井巷道示踪粒子的平均速度vm；
Figure SMS_3
通过下列公式计算得出实际矿井巷道透水水流速度vp ，
Figure SMS_4
。，在公式中，/>
Figure SMS_5
是几何相似比。
本申请提出矿井透水相似模拟实验装置，主要由煤矿物理模拟模块，上覆岩层加载模块，底板水压加载模块，水源控制模块，水流速度监测模块，压力监测模块，实验数据采集模块，其中，煤矿物理模拟模块，用于模拟岩层；上覆岩层加载模块，用于对所述煤矿物理模拟模块产生压力；底板水压加载模块，用于对所述煤矿物理模拟模块相对的产生压力并且传递压力数值；水源控制模块，用于向所述煤矿物理模拟模块输水，并控制向所述煤矿物理模拟模块输水时的水量以及输水压强；水流速度监测模块，用于检测所述煤矿物理模拟模块中的水流速度；压力监测模块，用于监测所述煤矿物理模拟模块的压力变化；实验数据采集模块，用于采集所述水流速度监测模块、所述压力检测模块监测到的数据。该设计能够通过物理装置对矿井进行透水相似模拟，并能够建立以矿井透水相似模拟实验装置为基础的实验方法，这对于探究矿井透水影响因素和机理具有重要意义。因此借助相似模拟试验能够比较直观形象地模拟出各种破坏问题。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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是本申请实施例提供的矿井透水相似模拟实验装置结构图；
图2为本申请实施例提供的煤矿物理模拟岩层分布图；
图3为本申请实施例提供的水流速度监测模块图；
图4为本申请实施例提供的图像分析仪处理流程图;
图5为本申请实施例矿井透水相似模拟实验方法流程示意图。
主要元件及符号说明：
1a、煤矿分布位置；2b、钢化玻璃；3c、两侧加压设施；4d、上覆岩层加压设施；5e、第一压力控制器；6f、第一压力监测器；7g、第二压力控制器；8h、压力传感线；9i、钢板；10j、水泵；11k、水袋；12l、水流量控制台；13m、第二压力监测器；14n、多路数据收集器；15o、数据处理器；16p、计算机；17r、顶部岩层；18s、粉砂岩层；19t、石灰岩层；20u、砂质岩层；21v、煤层；22w、底部岩层；23x、水袋；24y、CCD摄像机；25A、双脉冲激光器；26B、柱面镜；27C、示踪粒子；28D、图像收集器；29E、图像分析仪。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
应当理解，为了便于清楚描述本申请实施例的技术方案，在本申请的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一凹槽和第二凹槽仅仅是为了区分不同的凹槽，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
本申请提出一种矿井透水相似模拟实验装置及方法，矿井透水相似模拟实验装置包括煤矿物理模拟模块、上覆岩层加载模块、底板水压加载模块、水源控制模块、水流速度监测模块、压力监测模块、实验数据采集模块，其中，煤矿物理模拟模块用于模拟岩层；上覆岩层加载模块用于对所述煤矿物理模拟模块产生压力；底板水压加载模块用于对所述煤矿物理模拟模块相对的产生压力并且传递压力数值；水源控制模块用于向所述煤矿物理模拟模块输水，并控制向所述煤矿物理模拟模块输水时的水量以及输水压强；水流速度监测模块用于检测所述煤矿物理模拟模块中的水流速度；压力监测模块用于监测所述煤矿物理模拟模块的压力变化；实验数据采集模块用于采集所述水流速度监测模块、所述压力检测模块监测到的数据。该设计能够通过物理装置对矿井进行透水相似模拟，并能够建立以矿井透水相似模拟实验装置为基础的实验方法，可以通过监测模块确定模型中的透水水流速度、透水蔓延时间、流量大小、底板压力、各岩层的重力、底板压力、能量损失等，然后根据相似原理能够知道真实矿井相应的透水水流速度、透水蔓延时间、流量大小、底板压力、各岩层的重力、底板压力、能量损失等关键参数，这对矿井发生透水时关键参数的研究具有重要意义。
参考图1-图4，本申请的实施例提供了矿井透水相似模拟实验装置，包括:
煤矿物理模拟模块，用于模拟岩层；
上覆岩层加载模块，与所述煤矿物理模拟模块连接，用于对所述煤矿物理模拟模块产生压力；
底板水压加载模块，与所述煤矿物理模拟模块连接，用于对所述煤矿物理模拟模块相对的产生压力并且传递压力数值；
水源控制模块，与所述煤矿物理模拟模块连接，用于向所述煤矿物理模拟模块输水，并控制向所述煤矿物理模拟模块输水时的水量以及输水压强；
水流速度监测模块，设置在所述煤矿物理模拟模块侧方，用于检测所述煤矿物理模拟模块中的水流速度；
压力监测模块，设置在所述煤矿物理模拟模块上，用于监测所述煤矿物理模拟模块的压力变化；
实验数据采集模块，与所述水流速度监测模块、所述压力检测模块相连接，用于采集所述水流速度监测模块、所述压力检测模块监测到的数据。
上述方案中，能够通过物理装置对矿井进行透水相似模拟，并能够建立以矿井透水相似模拟实验装置为基础的实验方法，该矿井透水相似模拟实验装置能够模拟矿井巷道透水时的水流速度大小、流量大小、透水蔓延时间、底板压力等参数。通过相似原理能够确定实际巷道的水流速度大小、流量大小、透水蔓延时间、底板压力等参数，为矿井透水情况提供一种获取多元信息的手段。
在一些实施例中，所述煤矿物理模拟模块包括顶部岩层、粉砂岩层、石灰岩层、砂质泥岩、煤层、底部岩石层、熔岩水层、钢化玻璃和设置在两侧的加压装置，所述顶部岩层、所述粉砂岩层、所述石灰岩层、所述砂质泥岩、所述煤层、所述底部岩石层、所述熔岩水层由上到下依次叠设，所述钢化玻璃设置在岩层的两侧。
本实施例中，各岩层采用小石子、细砂、石灰、石膏四者不同比例的混合物作为模拟岩层，模拟物理实验装置的两侧设置的是横向带刻度的透明钢化玻璃，能够清楚的看到模拟的矿井巷道是否发生透水以及发生透水位置。两侧加压设施设置在模拟物理实验装置的两侧，用来模拟实际矿井巷道中两帮对巷道的压力。本发明具体的煤矿物理模拟岩层分布图见图2所示。
在一些实施例中，所述上覆岩层加载模块包括采用设定质量的负重物体，所述负重物体设置在所述煤矿物理模拟模块的承载部位。在本申请中，该承载部位可以是煤矿物理模拟模块的顶部。
上覆岩层加载模块采用260kg负重物体模拟上覆岩层压力，负重加载直接放在顶部岩层上。
在一些实施例中，所述底板水压加载模块包括：抬升机构、第一压力控制器、钢板，所述抬升机构上连接有所述钢板，平行放置在底板处，所述抬升机构与所述第一压力控制器电连接，所述第一压力控制器能够调节所述抬升机构的输出压力大小，所述抬升机构能够将实时压力传给所述第一压力控制器。
抬升机构可以是千斤顶。
所述底板水压加载模块还包括：压力传感线；所述底板水压加载模块采用24个特定压力抬升机构代替，每3个特定压力抬升机构设定为一组，共设置8组，每组上边焊接一个钢板，每两组平行放置在底板处。压力抬升机构通过压力传感线将实时压力传给第一压力控制器，同时第一压力控制器通过压力传感线调节特制压力抬升机构的输出压力大小。
在本申请提供的矿井透水相似模拟实验装置中，所述水源控制模块包括：水泵、水袋以及水流量控制台，所述水泵与所述水袋连接，所述水泵与所述水流量控制台电连接，所述水流量控制台能够控制水泵的流量。
在底板岩石下边的水层中设置一个水袋模拟底板水源，水泵通过水管连接水袋，水泵通过连接线连接水流量控制台。通过设置的水流量控制台能够控制底板水源透水量的大小以及发生透水时的压强大小。
在本申请提供的矿井透水相似模拟实验装置中，所述水流速度监测模块包括：双脉冲激光器、柱面镜、示踪粒子、CCD摄像机、图像收集器、图像分析仪，所述CCD摄像机与所述图像收集器相连，所述图像收集器与所述图像分析仪相连，所述示踪粒子散布在水流中，所述柱面镜安装在所述双脉冲激光器下方，所述双脉冲激光器通过所述柱面镜能够在水流中形成待测区域，所述CCD摄像机用于拍摄水流中的示踪粒子。
其中，CCD（Charge Coupled Device-电荷耦合器件）摄像机是一种半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点，CCD摄像机可以直接市场上购买得到。
所述水流速度监测模块包括：双脉冲激光器、柱面镜、示踪粒子、CCD摄像机、图像收集器、图像分析仪、计算机。本发明的水流速度监测模块图见图3所示。所述示踪粒子均匀的散布在水流中；将柱面镜安装在双脉冲激光器下方，双脉冲激光器通过柱面镜能够在水流中形成大片的待测区域；所述CCD摄像机放置在矿井巷道的左侧，用于拍摄水流中的示踪粒子，CCD摄像机与图像收集器相连，图像收集器与图像分析仪相连，图像分析仪将分析过的图像传递给数据收集器，传输给计算机并其结果进行输出。
在本申请提供的矿井透水相似模拟实验装置中，所述压力监测模块包括第一压力监测器，用于监测透水前后底板岩层的压力的变化。
所述压力监测模块包括：在底板岩石层中设置12个第一压力监测器，每2个对称分布，每一排放6个。通过第一压力监测器能够知道物理实验装置中发生透水前后底板岩层的压力的变化，然后根据相似原理能够得出真实矿井底板岩层发生透水前后的压力变化。
在本申请提供的矿井透水相似模拟实验装置中，所述实验数据采集模块包括多路数据收集器，所述多路数据收集器分别与所述底板水压加载模块、所述水源控制模块、所述水流速度监测模块电连接，所述水压加载模块、所述水源控制模块、所述水流速度监测模块将收集的数据传输给多路数据收集器。
所述实验数据采集模块包括：多路数据收集器、数据处理器、计算机；所述多路数据收集器分别与第二压力控制器、水流量控制台、图像分析仪相连。第二压力控制器、水流量控制台、图像分析仪将收集的数据传输给多路数据收集器。所述多路数据收集器将收集的数据传送给数据处理器，数据处理器将处理过的数据传输给计算机，最后计算机对其进行结果计算。
参考图5，本申请还提供一种基于矿井透水相似模拟实验装置的矿井透水相似模拟实验方法，所述矿井透水相似模拟实验方法包括：
S10，获取模拟实验***发生透水时的模拟矿井巷道的水流蔓延时间、水流速度、岩层重力、底板岩层受到的压力、能量损失，将所述水流速度与所述模拟矿井巷道的截面积相乘，得到模拟矿井巷道透水量。
本实施例中，模拟矿井巷道的水流蔓延时间通过操作人员观察模拟巷道是否发生透水，在发生透水时，用计时器记录水流流经各个位置时所用的时间tm。
本实施例中，设实际矿井巷道的宽为A，高为H，长为L，相似模拟实验装置的宽为a，高为h，长为l；则几何相似比
Figure SMS_6
，根据公式（1）进行计算：
Figure SMS_7
（1）。
模拟矿井巷道水流速度通过下列步骤获取，经过CCD摄像机两次曝光后，得到两张相邻图像a、b。以图像的左下角点为原点O（0，0），两边分别为x轴、y轴建立直角坐标系。设m(x1，y1)为图像a上的示踪粒子，n(x2，y2)为b图像上的示踪粒子。
图像分析仪对图像a、b进行处理，其处理流程如图4所示。设两个图像曝光时间差为t1-t2，t1为第一个图像曝光的时间，t2为第二个图像曝光的时间，进而根据公式（3）计算出模拟矿井巷道示踪粒子的平均速度vm。
Figure SMS_8
（3）。
矿井巷道透水按照明渠均匀流动，其流动主要以重力为主导。根据设置的几何相似比的大小，得几何相似比与流速比尺的关系为公式（4）：
Figure SMS_9
（4）。
模拟矿井巷道的岩层重力可以在搭建模拟矿井装置的时候进行测量出来。
模拟矿井巷道的底板岩层受到的压力通过设置在模拟矿井底板岩层中第一压力监测器获取。
模拟矿井巷道的能量损失通过监测的水流速度、水流损失系数即可知道模拟矿井巷道发生透水时的能量损失。
S20，获取所述模拟矿井巷道与所述相似模拟实验装置的几何相似比。
本实施例中，设实际矿井巷道的宽为A，高为H，长为L，相似模拟实验装置的宽为a，高为h，长为l；则几何相似比
Figure SMS_10
，根据公式（1）进行计算：
Figure SMS_11
（1）。
S30，根据所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的水流蔓延时间、水流速度、岩层重力、底板岩层受到的压力、能量损失、所述模拟矿井巷道透水量，计算得到实际矿井巷道的水流蔓延时间、水流速度、岩层重力、底板岩层受到的压力、能量损失以及所述实际矿井巷道透水量。
本实施例中，所述计算得到实际矿井巷道的水流蔓延时间、水流速度、岩层重力、底板岩层受到的压力、能量损失以及所述实际矿井巷道透水量，包括：
将所述模拟矿井巷道的水流蔓延时间乘以时间比尺的二分之一次方，得到所述实际矿井巷道的水流蔓延时间；
根据所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的水流速度，计算所述实际矿井巷道的水流速度；
将所述模拟矿井巷道透水量乘以所述几何相似比的二分之五次方，得到所述实际矿井巷道透水量；
将所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的岩层重力进行计算，得到所述实际矿井巷道的岩层重力；
将所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的底板岩层受到的压力进行计算，得到所述实际矿井巷道的底板岩层受到的压力；
将所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的能量损失进行计算，得到所述实际矿井巷道的能量损失。
具体的，设实际矿井巷道的宽为A，高为H，长为L，相似模拟实验装置的宽为a，高为h，长为l；则几何相似比
Figure SMS_12
，根据公式（1）进行计算：
Figure SMS_13
（1）。
用模拟矿井巷道水流蔓延时间乘以时间比尺的二分之一次方作为实际巷道发生透水时水流流经各个位置所用的时间。根据公式（2）即可计算实际巷道发生透水时水流流经各个位置所用的时间。
Figure SMS_14
（2）
式中，
Figure SMS_15
为实际巷道发生透水时水流流经各个位置所用时间；tm为模拟矿井巷道水流蔓延时间；为时间比尺。其中，对于模拟矿井巷道水流蔓延时间tm的求取是根据操作人员观察模拟矿井巷道是否发生透水，在发生透水时，用计时器记录水流流经各个位置时所用的时间tm。
实际矿井巷道透水水流速度的计算包括a-d步骤。
步骤a、经过CCD摄像机两次曝光后，得到两张相邻图像a、b。以图像的左下角点为原点O（0，0），两边分别为x轴、y轴建立直角坐标系。设m(x1，y1)为图像a上的示踪粒子，n(x2，y2)为b图像上的示踪粒子。
步骤b、图像分析仪对图像a、b进行处理，其处理流程如图4所示。设两个图像曝光时间差为
Figure SMS_16
t1-t2，进而根据公式（3）计算出模拟矿井巷道示踪粒子的平均速度vm。/>
Figure SMS_17
（3）
步骤c、矿井巷道透水按照明渠均匀流动，其流动主要以重力为主导。根据设置的几何相似比的大小，得几何相似比与流速比尺的关系为公式（4）：
Figure SMS_18
（4）
步骤d、实际矿井巷道透水水流速度vp，根据公式（5）进行计算：
Figure SMS_19
（5）
用模拟矿井巷道透水水流速度乘以模拟矿井巷道截面积作为模拟矿井巷道透水量。模拟矿井巷道透水量
Figure SMS_20
，可根据公式（6）进行计算：
Figure SMS_21
（6）
根据模拟矿井巷道透水量
Figure SMS_22
乘以几何相似比的二分之五次方作为实际矿井巷道透水量。实际矿井巷道透水量/>
Figure SMS_23
，根据公式（7）进行计算：
Figure SMS_24
(7)
根据公式（8）计算实际矿井巷道各岩层重力
Figure SMS_25
：/>
Figure SMS_26
（8）
式中，n为模拟矿井岩层的宽度；hi为模拟矿井各岩层的厚度；l为模拟岩层的长度；
Figure SMS_27
为模拟矿井各岩层的容重。其中，/>
Figure SMS_28
可以在搭建模拟矿井装置的时候进行测量出来。
当矿井发生底板透水时，底板岩层中的压力也会发生变化，因此通过监测模拟矿井底板岩层中的压力大小可以知道实际矿井发生透水时底板岩层压力变化的大小。在本发明的实施例中，根据公式（9）计算实际底板岩层中的压力F：
Figure SMS_29
（9）
式中，f为模拟矿井巷道底板岩层中的压力。其中，f可以通过设置在模拟矿井底板岩层中第一压力监测器获取。
矿井巷道发生透水时，矿井巷道内的阻头损失和摩擦也是关键的参数，通过监测的水流速度、水流损失系数、几何相似比即可知道实际矿井巷道发生透水时的能量损失。根据公式（10）计算实际矿井巷道能量损失：
Figure SMS_30
（10）
式中，hp为实际矿井巷道能量损失；
Figure SMS_31
为水流损失系数，可通过实验得出；g取9.8m/s2。
在一些实施例中，所述计算得到实际矿井巷道的水流蔓延时间、水流速度、岩层重力、底板岩层受到的压力、能量损失以及所述实际矿井巷道透水量，包括：
将所述模拟矿井巷道的水流蔓延时间乘以时间比尺的二分之一次方，得到所述实际矿井巷道的水流蔓延时间；
根据所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的水流速度，计算所述实际矿井巷道的水流速度；
将所述模拟矿井巷道透水量乘以所述几何相似比的二分之五次方，得到所述实际矿井巷道透水量；
将所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的岩层重力进行计算，得到所述实际矿井巷道的岩层重力；
将所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的底板岩层受到的压力进行计算，得到所述实际矿井巷道的底板岩层受到的压力；
将所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的能量损失进行计算，得到所述实际矿井巷道的能量损失。
在一些实施例中，所述获取所述模拟矿井巷道与所述相似模拟实验装置的几何相似比，包括：
设所述实际矿井巷道的宽为A，高为H，长为L，所述模拟矿井巷道的宽为a，高为h，长为l，则所述几何相似比尺
Figure SMS_32
。
在一些实施例中，所述根据所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的水流速度，计算所述实际矿井巷道的水流速度，包括：
经过CCD摄像机两次曝光后，得到两张相邻图像，设m(x1，y1)为其中一个图像上的示踪粒子，n(x2，y2)为另外一个图像上的示踪粒子；
通过图像分析仪对两个所述图像分别进行处理，其中，对所述图像进行处理的方法包括：设两个所述图像的曝光时间差为
Figure SMS_33
t1-t2，进而根据下列公式得到模拟矿井巷道示踪粒子的平均速度vm；
Figure SMS_34
通过下列公式计算得出实际矿井巷道透水水流速度vp，
Figure SMS_35
，在公式中，/>
Figure SMS_36
是几何相似比。/>
在本申请提供的矿井透水相似模拟实验方法中，通过获取模拟实验***发生透水时的模拟矿井巷道的水流蔓延时间、水流速度、岩层重力、底板岩层受到的压力、能量损失，将所述水流速度与所述模拟矿井巷道的截面积相乘，得到模拟矿井巷道透水量；获取所述模拟矿井巷道与所述相似模拟实验装置的几何相似比；根据所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的水流蔓延时间、水流速度、岩层重力、底板岩层受到的压力、能量损失、所述模拟矿井巷道透水量，计算得到实际矿井巷道的水流蔓延时间、水流速度、岩层重力、底板岩层受到的压力、能量损失以及所述实际矿井巷道透水量。通过上述方法，在物理装置模型中布置各种监测器硬件设施，能够监测矿井水流流速的大小、水流量的大小、底板压力的大小，进而通过上述计算方法能够知道真实矿井巷道中各对应参数的大小，为矿井巷道地板透水获取各参数提供了一种有效的方法。通过模拟矿井巷道底板透水，能够真实反映矿井巷道底板透水的情况。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种矿井透水相似模拟实验装置，其特征在于，包括:
煤矿物理模拟模块，用于模拟岩层；
上覆岩层加载模块，与所述煤矿物理模拟模块连接，用于对所述煤矿物理模拟模块产生压力；
底板水压加载模块，与所述煤矿物理模拟模块连接，用于对所述煤矿物理模拟模块相对的产生压力并且传递压力数值；
水源控制模块，与所述煤矿物理模拟模块连接，用于向所述煤矿物理模拟模块输水，并控制向所述煤矿物理模拟模块输水时的水量以及输水压强；
水流速度监测模块，设置在所述煤矿物理模拟模块侧方，用于检测所述煤矿物理模拟模块中的水流速度；
压力监测模块，设置在所述煤矿物理模拟模块上，用于监测所述煤矿物理模拟模块的压力变化；
实验数据采集模块，与所述水流速度监测模块、所述压力检测模块相连接，用于采集所述水流速度监测模块、所述压力检测模块监测到的数据。
2.根据权利要求1所述的矿井透水相似模拟实验装置，其特征在于，所述煤矿物理模拟模块包括顶部岩层、粉砂岩层、石灰岩层、砂质泥岩、煤层、底部岩石层、熔岩水层、钢化玻璃和设置在两侧的加压装置，所述顶部岩层、所述粉砂岩层、所述石灰岩层、所述砂质泥岩、所述煤层、所述底部岩石层、所述熔岩水层由上到下依次叠设，所述钢化玻璃设置在岩层的两侧。
3.根据权利要求1所述的矿井透水相似模拟实验装置，其特征在于，所述上覆岩层加载模块包括采用设定质量的负重物体，所述负重物体设置在所述煤矿物理模拟模块的顶部。
4.根据权利要求1所述的矿井透水相似模拟实验装置，其特征在于，所述底板水压加载模块包括：抬升机构、第一压力控制器、钢板，所述抬升机构上连接有所述钢板，平行放置在底板处，所述抬升机构与所述第一压力控制器电连接，所述第一压力控制器能够调节所述抬升机构的输出压力大小，所述抬升机构能够将实时压力传给所述第一压力控制器。
5.根据权利要求3所述的矿井透水相似模拟实验装置，其特征在于，所述水源控制模块包括：水泵、水袋以及水流量控制台，所述水泵与所述水袋连接，所述水泵与所述水流量控制台电连接，所述水流量控制台能够控制水泵的流量。
6.根据权利要求5所述的矿井透水相似模拟实验装置，其特征在于，所述水流速度监测模块包括：双脉冲激光器、柱面镜、示踪粒子、CCD摄像机、图像收集器、图像分析仪，所述CCD摄像机与所述图像收集器相连，所述图像收集器与所述图像分析仪相连，所述示踪粒子散布在水流中，所述柱面镜安装在所述双脉冲激光器下方，所述双脉冲激光器通过所述柱面镜能够在水流中形成待测区域，所述CCD摄像机用于拍摄水流中的示踪粒子。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的矿井透水相似模拟实验装置的矿井透水相似模拟实验方法，其特征在于，所述矿井透水相似模拟实验方法包括：
获取模拟实验***发生透水时的模拟矿井巷道的水流蔓延时间、水流速度、岩层重力、底板岩层受到的压力、能量损失，将所述水流速度与所述模拟矿井巷道的截面积相乘，得到模拟矿井巷道透水量；
获取所述模拟矿井巷道与所述相似模拟实验装置的几何相似比；
根据所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的水流蔓延时间、水流速度、岩层重力、底板岩层受到的压力、能量损失、所述模拟矿井巷道透水量，计算得到实际矿井巷道的水流蔓延时间、水流速度、岩层重力、底板岩层受到的压力、能量损失以及所述实际矿井巷道透水量。
8.根据权利要求7所述的矿井透水相似模拟实验方法，其特征在于，所述计算得到实际矿井巷道的水流蔓延时间、水流速度、岩层重力、底板岩层受到的压力、能量损失以及所述实际矿井巷道透水量，包括：
将所述模拟矿井巷道的水流蔓延时间乘以时间比尺的二分之一次方，得到所述实际矿井巷道的水流蔓延时间；
根据所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的水流速度，计算所述实际矿井巷道的水流速度；
将所述模拟矿井巷道透水量乘以所述几何相似比的二分之五次方，得到所述实际矿井巷道透水量；
将所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的岩层重力进行计算，得到所述实际矿井巷道的岩层重力；
将所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的底板岩层受到的压力进行计算，得到所述实际矿井巷道的底板岩层受到的压力；
将所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的能量损失进行计算，得到所述实际矿井巷道的能量损失。
9.根据权利要求7所述的矿井透水相似模拟实验方法，其特征在于，所述获取所述模拟矿井巷道与所述相似模拟实验装置的几何相似比，包括：
设所述实际矿井巷道的宽为A，高为H，长为L，所述模拟矿井巷道的宽为a，高为h，长为l，则所述几何相似比尺
Figure QLYQS_1
。
10.根据权利要求8所述的矿井透水相似模拟实验方法，其特征在于，所述根据所述几何相似比与所述模拟矿井巷道的水流速度，计算所述实际矿井巷道的水流速度，包括：
经过CCD摄像机两次曝光后，得到两张相邻图像，设m(x1，y1)为其中一个图像上的示踪粒子，n(x2，y2)为另外一个图像上的示踪粒子；
通过图像分析仪对两个所述图像分别进行处理，其中，对所述图像进行处理的方法包括：设两个所述图像的曝光时间差为
Figure QLYQS_2
t1-t2，进而根据下列公式得到模拟矿井巷道示踪粒子的平均速度vm； />
Figure QLYQS_3
，
通过下列公式计算得出实际矿井巷道透水水流速度vp，
Figure QLYQS_4
，在公式中，/>
Figure QLYQS_5
是几何相似比。/>
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