[发明专利]地面钻孔错动变形反演覆岩破断规律的实验装置及方法

权利要求书

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；

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。

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。

5.一种使用权利要求1或4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，埋设插入模拟箱（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；

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。