一种承压水下开采煤炭的模拟试验装置及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及矿山机械及教育领域，特别是涉及一种用于承压水下开采煤炭的模拟试验装置及其使用方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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:
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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；
[0009]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:
[0010]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。
[0011]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】
[0012]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承压水下开采煤炭的模拟试验装置。
[0013]—种承压水下开采煤炭的模拟试验装置，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；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]所述输水管还包括第一支撑管和第二支撑管，所述第一支撑管的一端固定在所述第一管体的中部，另一端固定在前一个小水袋的右侧壁上，所述第一支撑管、第一管体和右侧壁之间形成一个稳定的等边三角形的空间；所述第二支撑管的一端固定在所述第三管体的中部，另一端固定在后一个小水袋的左侧壁上，所述第二支撑管、第三管体和左侧壁之间形成一个稳定的等边三角形的空间；
[0017]在所述煤层中设置有采煤支护模拟系统，在所述支撑杆上运行，所述采煤支护模拟系统包括采煤模拟装置和位于其后侧的液压支架模拟装置，所述液压支架模拟装置包括底板、顶板、应力计量器、驱动装置和挡板，其中，所述应力计量器的顶部和底部分别与所述顶板和底板连接，所述挡板的上端与所述顶板的后端相连，所述挡板与所述顶板之间的角度为钝角，驱动装置驱动所述液压支架模拟装置移动。
[0018]本发明所述的承压水下开采煤炭的模拟试验装置，其中，所述承压含水层包括10个所述小水袋，从第1个?第5个小水袋的入水口设置在所述左侧壁的中部，处于靠近所述前侧壁的位置，出水口设置在所述右侧壁的下部，处于靠近所述后侧壁的位置；从第6个到10个小水袋的入水口设置在所述左侧壁的下部，处于靠近所述前侧壁的位置；从第6个到9个小水袋的出水口设置在所述右侧壁的中部，处于靠近所述后侧壁的位置。
[0019]本发明所述的承压水下开采煤炭的模拟试验装置，其中，在所述水袋顶板和所述水袋底板的左右两侧还分别设置有保护板，由所述水袋顶板和水袋底板向左右两侧延伸而成，将所有所述小水袋的所述保护板依次相连，在相邻的两个所述小水袋间形成保护所述输水管的置物空间；所述水袋顶板和所述水袋底板为PVC板，所述前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁的截面为可折叠伸缩的齿形结构，由丁基橡胶制成。
[0020]本发明所述的承压水下开采煤炭的模拟试验装置，其中，所述小水袋的长度为270mm,宽度为300_，所述前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁的最大拉伸高度为60_ ;所述保护板的长度为15mm，宽度为300mm ;所述水袋顶板和水袋底板的厚度为4mm，所述前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁的厚度为2.2mm ;所述弹性软管为聚丙烯材料制成，外直径为70mm,内直径为50_ ;所述小水袋在使用前其内部处于完全压缩状态。
[0021]本发明所述的承压水下开采煤炭的模拟试验装置，其中，所述水供应装置包括多个相同规格的水箱，所述水箱从上至下包括依次连通的上管体、上箱体、下管体和下箱体，所述上管体的上端为管口，所述上管体的上部为无刻度区，下部为有刻度区，所述下管体的上部为有刻度区，下部为无刻度区，在所述有刻度区的管壁上设置有刻度；在所述水箱的底部设置有水箱出水口；
[0022]所述水箱由非透明材料制成，在所述上管体和所述下管体的一侧设置长条形的由透明材料制成的液位显示区，在所述液位显示区上设置刻度；
[0023]所述水箱为3个，所述水供应装置还包括接头和压力表，所述3个水箱的水箱出水口分别通过管路与所述压力表连接，所述接头的一端通过管路与所述压力表连接，另一端与第一个所述小水袋的入水口连接，在每个水箱和所述压力表之间的管路上设置有阀门。
[0024]本发明所述的承压水下开采煤炭的模拟试验装置，其中，所述上管体和所述下管体的横截面为边长为80mm的正方形，所述上管体的总高度为150mm，其中，上部的无刻度区高度为81.25mm，下部的有刻度区的高度为68.75mm，所述下管体的总高度为1000mm，上部的有刻度区高度为900mm，下部的无刻度区高度为100mm ;所述上箱体和下箱体的横截面为边长为250mm的正方形，所述上箱体的高度为160mm，所述下箱体的高度为100mm ;所述水箱的有刻度区的刻度值由上至下依次增大。
[0025]本发明所述的承压水下开采煤炭的模拟试验装置，其中，所述应力计量器包括第一壳体和设置在其内部的内柱，所述内柱可在所述第一壳体内自由上下滑动，所述内柱的顶部与所述顶板固定连接，在所述第一壳体的底端连接有应变膜，并且所述应变膜覆盖所述第一壳体的底端，所述应变膜、所述第一壳体和所述内柱之间形成气腔，在所述气腔内设置有气囊，所述气囊由塑胶膜密封而成，所述应变膜通过数据线与应变仪连接，所述应变仪与计算机连接；
[0026]所述第一壳体的底端连接第二壳体，所述第二壳体的厚度小于所述第一壳体的厚度，所述第二壳体的底端连接支撑板；
[0027]所述内柱、所述第一壳体、所述第二壳体均为圆柱形，所述数据线的一端接头设置在所述第一壳体的底端上的所述应变膜上，所述第二壳体上设置有通孔，所述数据线的另一端从所述通孔中穿出，与所述应变仪相连；在所述第二壳体上均匀设置有多个透气孔。
[0028]本发明所述的承压水下开采煤炭的模拟试验装置，其中，所述应力计量器还包括高度调节装置，所述高度调节装置由螺纹连接的外螺旋杆和内螺旋杆构成，所述内螺旋杆的下端固定在所述底板上，所述外螺旋杆的上端与所述支撑板相连，在所述支撑板的边缘设置有卡槽，所述外螺旋杆的顶部固定有与所述卡槽相配合的卡片，所述卡片设置在所述卡槽内，并可在所述卡槽内自由转动；
[0029]所述顶板与水平面之间的角度为3°，所述顶板的后端高于前端，所述挡板与所述顶板之间的角度为120°，所述内柱的前端与所述顶板的前端之间的距离为40mm，所述挡板的底端距离所述底板的后端之间的水平距离为15mm ;
[0030]在自由状态下，所述内柱的顶端与所述第一壳体的顶端之间的距离为7_，所述内柱的直径为8mm，高度为15mm，所述第一壳体的厚度为5mm，所述第二壳体的厚度为1.5mm，外径与所述第一壳体的外径一致，所述高度调节装置的高度为15mm，所述底板的长度为60mm，所述顶板的长度为70mm，所述挡板的长度为50mm，在所述底板的底部设置有轮体，所述