[发明专利]一种用于模拟水下采煤的模拟试验装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及矿山机械及教育领域，特别是涉及一种用于模拟水下采煤的模拟试验装置及其使用方法。

背景技术

承压含水层广泛存在于我国煤系地层当中，国内外发生了多起承压含水层下采煤的工作面压架致灾事故，造成了大量人员伤亡和巨大经济损失。因此在采动影响、矿山压力以及承压水的共同作用下，弄清承压水的载荷传递、水岩共同作用下矿山压力及工作面压架致灾的机理，变得尤为重要。

针对上述问题，目前主要是利用理论分析，结合相似模拟实验等手段论证开采参数可靠性，但是相似实验目前存在以下不足：

首先，开挖过程为人工拿细铁棍开挖，一般为每隔两个小时开挖一定距离煤层(如50mm左右)，这种方法不符合相似模拟的相似推采速度(按照100:1的相似比，这就意味着煤炭一下往前推采5m，这是不科学的)，即按照一定的速度开挖，且一般一个模型需要三天三夜以上时间连续开挖，这又要求实验人员在晚上还需要每隔两个小时开挖一次，一个实验一般需要3-5名开挖人员，工作量非常大，非常不便。

第二，工作人员在开挖时，由于相似模型装置一般宽300mm，在中间部位模型相对坚硬且看不清，经常挖错顶板或者底板等，对于实验的结果影响较大。

第三，有时候模型相对坚硬，需要使用很大的力气才能挖动，在模型中间部位，甚至需要敲打才能挖动，这种震动、敲打或者无意识的触碰到顶板，都相当于实际生产中很大的冲击地压的影响，因此对于某些研究顶板结构的实验等结果影响较大。

最后，相似模拟目前主要研究顶底板的应力特征，顶板的垮落特征等，但是目前还没有能够模拟工作面采场支架模拟装置以及它的运移和应力监测系统和方法，对于相似模拟实验的结果影响较大。

因此提高相似模拟实验仿真度，确保实验数据科学可靠尤为重要；

同时，针对相似模拟实验含水层的模拟，中国矿业大学许家林教授展开了大量的理论分析和试验研究，设计了松散承压含水层载荷传递作用的实验装置和松散承压含水层采动水位变化规律的实验装置及方法(申请号：200720037001.9)，但是上述试验装置及方法，存在以下不足：

⑴上述方法中用到了一整体的、全长承压水袋来近似模拟煤系地层中的承压含水层，然而作为水袋这种材料本身的特殊性，它存在一定的强度和曲率，一旦采用全长铺设水袋(如3m长的试验架就选用3m长的水袋)，由于一般需要模拟的承压水的水压较大，所设计水袋必须能承受一定的水压力，这样水袋本身的强度就不能太低，其曲率自然就变小，加之水袋在上覆岩层移动变形的两端会被岩层压紧，而覆岩的移动变形区域又很大，就会造成水袋在煤层开采后不能随着岩层移动而同步下沉运动，造成岩层与水袋的离层，承压含水层载荷就无法向下传递，造成试验失真甚至失败。

⑵上述实验方法中，也无法做到在煤层开采过程中，对含水层中受采动影响部分的水的流动及补给规律进行模拟及监控，进而也就无法做到对采煤工作面推进距离、推进速度等因素与承压水内部水流的补给方向的变化之间建立联系，做出定性及定量的判断，自然就无法得出规律性认识。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，提高相似模拟实验仿真度，确保实验数据科学可靠，本发明提供了一种结构简单、效果好的承压水下自动采煤和压力监测的用于模拟水下采煤的模拟试验装置。

一种用于模拟水下采煤的模拟试验装置，包括架体、设置在所述架体上的承压含水层、煤层、设置在所述煤层两侧的支撑杆、以及其他岩层；

所述承压含水层由多个小水袋连接而成，所述小水袋是由水袋顶板、水袋底板、前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁围合而成的长方体结构，其内部为充水空间，在所述小水袋的左侧壁上设置有入水口，右侧壁上设置有出水口，后一个所述小水袋的入水口通过输水管与前一个所述小水袋的出水口相连，第一个所述小水袋的入水口与水供应装置相连，最后一个所述小水袋只设置有入水口；

所述输水管包括第一管体、第二管体和第三管体，所述第一管体的一端通过弹性软管和接头与前一个所述小水袋的出水口连接，所述第二管体的一端通过弹性软管与所述第一管体的另一端相连，所述第三管体的一端通过弹性软管与所述第二管体的另一端相连，所述第三管体的另一端通过弹性软管和接头与后一个所述小水袋的入水口连接；所述第一管体与所述第二管体之间形成的角度以及所述第二管体与所述第三管体之间形成的角度均为锐角；在所述第二管体外侧的中部设置有水流量传感器；

所述第一管体和第三管体的长度为25mm，所述第二管体的长度为40mm，用于连接的弹性软管的长度均为10mm；