[发明专利]一种煤矿井下水闸墙挡水模拟试验系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿水闸墙防治水工程的参数采集、监测技术领域，具体是一种水闸墙挡水模拟装置。

背景技术

我国采煤历时悠久，煤田水文地质条件复杂多变，矿井水害构成了我国煤矿主要的灾害之一。矿井水害事故轻者冲垮工作面、淹没设备、增加矿井排水负担，严重者造成人员伤亡、淹井，造成重大经济损失，严重威胁矿工生命安全。目前，我国成熟的矿井防治水方法有很多，水闸墙作为一种工程措施目前已应用十分广泛，尤其是在水文地质条件复杂、水患威胁严重的大水矿井，若遇充水小窑或老空积水、充水溶洞或断层、充水工作面或采矿场、出水的掘进头、与地表水体相连的巷道，甚至是已淹水的采掘工作面或是即将关停的小煤矿等，采用水闸墙隔绝并防治井下高压水是行之有效的重要措施，也是目前我国煤炭行业的安全管理规定。

目前，工程领域对水闸墙的研究已经展开，但对水闸墙的工作原理与挡水效果的研究还不够深入。现有的研究方法通常有理论分析、现场实测和模型试验三种。然而，理论分析涉及工程力学、岩体力学、流体力学、结构力学等多个学科，条件简化和概化过程复杂，理论计算结果也存在一定的偏差。工程实测虽然可作为研究手段，但实施难度大，因为矿井突水成因受多重因素的影响，灾害发生后抢险救灾时间紧迫，被封堵水体无法再次揭露，虽然有的煤矿会埋设测压管监测封堵水体的水压，但获得的信息较为单一，无法总结出规律性的认识。再加上，水闸墙作为一种工程措施，一旦施工建成就无法再修改，运行期间可能发生的问题难以预测。

相比之下，在室内构建实物模型，变换水闸墙需抵挡的水压、围岩岩性和力学强度、水闸墙的材料特性、尺寸和形状等条件，模拟水闸墙在不同工况下的工作过程，可直观而有效地监测围岩和墙体各项指标，并预测水闸墙挡水后的工程问题，从而获得试验中大量应力场和渗流场的实测数据，分析规律、调整和求取参数，用于水闸墙挡水机理的分析与研究，并用于煤矿水闸墙防治水的工程实践的改进和优化，在科学研究、生产建设和保障安全等方面有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于解决现有煤矿井下水闸墙研究技术的不足，提供一种在实验室内易于实现、结构简单、操作方便的水闸墙挡水模拟试验系统。

本发明按以下技术方案实现：

一种煤矿井下水闸墙挡水模拟试验系统，该系统包括供水加压系统、水闸墙挡水围岩渗透装置、围岩荷载装置、流量测试系统、数据采集系统、数据存储系统和供电系统；所述围岩荷载装置设置在水闸墙挡水围岩渗透装置内，用于模拟地层的上覆补偿荷载，所述供水加压系统连接水闸墙挡水围岩渗透装置，用于模拟被水闸墙封堵的水体，所述流量测试系统连接水闸墙挡水围岩渗透装置，用于测试巷道排水的瞬时流量和累计体积，所述数据采集系统通过传感器采集围岩压力和孔隙水压力，并将采集到的数据通过数据存储系统存入到电脑中，所述供电系统连接数据采集系统，并根据需要确定供电电源的形式及大小。

优选的是，所述水闸墙挡水围岩渗透装置为一个顶面开口、中空的箱体，所述水闸墙挡水围岩渗透装置的左侧面的中间处设置有能够观察到内部的观察窗，所述观察窗中央偏下位置设置有排水管，所述排水管外接流量测试系统；所述水闸墙挡水围岩渗透装置的右侧面的中间处设置有供水管，所述供水管外接供水加压系统；所述水闸墙挡水围岩渗透装置的前表面和后表面上各设置有多个接口，水闸墙挡水围岩渗透装置内安装有多个孔隙水压力传感器和围岩压力传感器，所述孔隙水压力传感器和围岩压力传感器通过数据线穿过接口与水闸墙挡水围岩渗透装置外的数据采集系统相连接；所述水闸墙挡水围岩渗透装置内设置有顶板围岩和底板围岩，在顶板围岩和底板围岩之间形成一个巷道，在巷道之间设置有水闸墙。

优选的是，所述巷道的背水侧的底板围岩上设置有导水槽，形成坡度将水引导至排水管。

优选的是，所述围岩荷载装置由多个尺寸面积相等的活动钢板组成，钢板上一定高度处，经地面架上千斤顶反力支架，在钢板和反力支架之间架上与钢板数相等的液压千斤顶，通过液压千斤顶向围岩顶面施加分布均匀的外力，用于模拟地层的上覆补偿荷载。

优选的是，所述流量测试系统包括流量积算仪、量水箱、排水阀门和瞬时流量计，所述排水管通过流量积算仪后连接量水箱。

优选的是，所述供水加压系统包括供水箱、供水阀门和水压表。

一种煤矿井下水闸墙挡水模拟试验系统的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，配料及准备：根据煤矿水闸墙实际工况，确定试验模拟水闸墙和围岩的材料及其配比，准备巷道支护材料，预先用相似材料浇筑水闸墙模型并定型。