[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验装置及方法，尤其适用于一种实验室中模拟采煤时使用的基于地面钻孔错动变形的覆岩破断运移规律反演实验装置及方法。

背景技术

众所周知，煤层开采后会导致上覆岩层的变形、破坏与移动，由下向上逐步发展直至地表，造成了顶板垮落、裂隙发育、瓦斯积聚、突水事故、地表水系破坏等一系列问题，直接影响矿井安全生产及地表生态环境。可以说，开采后的覆岩运动不仅对矿山压力产生重大影响，也是研究地表沉陷、矿井地下水、瓦斯治理和地表生态保护等问题的基础。因此，准确判断覆岩破断运移规律对于矿井安全生产和矿区生态保护具有重要的意义。

目前，利用钻孔电视全景摄像系统，对地面钻孔进行现场观测，可以直接有效地掌握地面钻孔错动破坏动态变化。但受采动影响，现场钻孔容易发生堵孔，导致钻孔电视设备无法下放，堵孔高度以下钻孔错动破坏情况无法观测。而全面掌握钻孔错动破坏情况可以反演覆岩破断运移规律，因此有必要设置一种实验方法模拟研究地面钻孔错动变形与覆岩破断运移之间的关系，为覆岩破断运移规律反演提供另外一种实现方式，从而为煤矿瓦斯治理及地下水保护等研究提供理论依据。

发明内容

技术问题：本发明针对已有技术的不足之处，提供一种使用方便，成本低，模拟效果好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。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的地面钻孔错动变形反演覆岩破断规律的实验装置，包括两侧面板可以开合的模拟箱和视频监控装置，模拟箱内铺有多层模拟煤岩层，所述煤岩层包括铺在模拟箱底部的模拟煤层，模拟煤层上方设有模拟岩层，模拟煤层试验需要铺设，最上方设有模拟松散层；

所述煤岩层上方垂直向下设有多个深度直至模拟箱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和通过线路与其连接的上位机。

所述模拟煤层和模拟岩层由沙子、碳酸钙、石膏混合均匀后加水搅拌制成，其中模拟岩层包括模拟软岩层和模拟硬岩层。

所述模拟煤层和模拟岩层使用的沙子、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；模拟松散层的沙子、碳酸钙、石膏质量按相似模拟配比号773配比；

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，模拟箱内的煤岩层中模拟煤层为单一煤层条件下模拟煤层，并被设置在最底部，单一煤层条件下模拟煤层上设有多层模拟岩层；

此时导管采用直径为3cm的PVC管，PVC管埋设深度直至单一煤层条件下模拟煤层处，PVC管的长度以出露模拟松散层顶界面5cm为宜，孔心位置位于模型宽度中央；

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，模拟箱内的煤岩层中模拟煤层分别为设在底部的模拟下煤层，模拟下煤层上设有模拟岩层，模拟岩层上设有模拟上煤层；此时导管采用直径为3cm的小孔径PVC管，小孔径PVC管外侧埋设直径为5cm的大孔径PVC管，小孔径PVC管与大孔径PVC管为同心圆布置状态，大孔径PVC管的长度应比上煤层埋深大5cm，小孔径PVC管长度比下煤层埋深大5cm。

一种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，其步骤如下：

a.利用沙子、碳酸钙、石膏与水按配比在模拟箱中从下向上铺设模拟煤层、模拟岩层和模拟松散层构成模拟煤岩层，在铺设模拟岩层和模拟松散层过程中，埋设插入模拟箱底部模拟煤层的导管，导管的顶端出露模拟松散层；

b.等待煤岩层模型成型干燥之后，拆卸模拟箱两侧面板，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；