采矿三维模拟实验模型实验方法

1.本发明涉及煤矿相关技术领域，特别是一种采矿三维模拟实验模型实验方法。


背景技术：

2.煤炭是我国最主要的能源，随着东部煤炭资源的衰竭，西部煤炭产量在总的煤炭产量占比中越来越大，而且西部地区也拥有大量的煤炭资源储量，但西部地区严重缺水，国内专家学者以神东矿区为基地开展了系列的研究工作，针对我国西部区域典型类型的生态环境和煤炭开采工艺特点，揭示了“三水”(地表水、土壤水和地下水)转化规律，但因环境和时间周期等因素，无法有效大规模现场实施；其次是针对西部典型类型采煤沉陷区生态环境特点，对煤炭开采“减损”理论与控制关键技术的研究难以在现实中找到并监测相同或类似地质生产条件下不同开采参数的工作面进行对照；针对上述研究工作的不足，需要在结合煤炭开采及现场监测的基础上，在室内建设大型模拟试验平台。
3.然而，现有的开采模拟技术，对于含水层的铺设，是使用水袋装水模拟含水层，即：先从下至上铺设其他模拟岩层，在铺设含水层时使用水袋装水，之后在水袋上继续铺设模拟岩层。而水位动态监测法在采矿物理模拟中还未见到。
4.使用水袋装水模拟含水层，水袋密封之后，水不会流出，无法模拟含水层水位变化。此外水袋与隔水层的物理力学性质相差甚远，水袋无法模拟隔水层力学性质；水袋模拟含水层无法模拟含水层内水受采矿影响之后的水位变化；水袋无法模拟含水层内水被采矿扰动后如何通过裂缝带到达采矿工作面。
5.另外一种模型铺设方法是模拟松散含水层时使用的，即：先从下至上铺设其他模拟岩层，在铺设含水层时，铺设带微孔的渗流管道，在管道上继续铺设模拟岩层，铺设完所有岩层之后，向预留管道注水，水通过微孔流出，以此模拟含水层。
6.然而，模拟松散含水层时使用的方法则只能模拟松散含水层，不能模拟其他状态的含水层，而且没有模拟隔水层，只能做渗流实验，不能做其他模拟实验。
7.因此，现有的开采模拟技术无法在大型模拟实验设备上模拟采矿对含水层的影响，更无法监测含水层内水位的变化，含水层破坏后水的流向。


技术实现要素：

8.基于此，有必要针对现有技术无法直接模拟采矿对含水层影响全过程的技术问题，提供一种采矿三维模拟实验模型实验方法。
9.本发明提供一种采矿三维模拟实验模型实验方法，包括：
10.铺设模拟煤层；
11.在模拟煤层上铺设模拟岩层、铺设模拟隔水层以及铺设模拟含水层，以进行采矿三维模拟实验模型铺设，所述模拟含水层的含水层模拟材料在铺设时为固态，经过加热后为液态；
12.铺设模拟地表岩层，对所述模拟含水层加热或者等待所述含水层模拟材料转化为
液态，以完成所述采矿三维模拟实验模型铺设后，对所述采矿三维模拟实验模型进行模拟实验，并在模拟实验中对模拟含水层进行监测。
13.进一步地，所述模拟含水层材料为纯水冰块、含有含水层杂质材料的混合冰块、凝固酒精、或者含有含水层材料的混合凝固酒精。
14.进一步地，在铺设模拟含水层时，在所述含水层模拟材料内预留补水管道或者加热装置。
15.进一步地，所述铺设模拟隔水层，具体包括：
16.用防水涂料涂抹隔水层模拟材料；
17.铺设所述隔水层模拟材料。
18.进一步地，所述铺设模拟含水层，具体包括：
19.铺设含水层模拟材料；
20.在含水层模拟材料底部铺设压力装置。
21.更进一步地，所述在模拟实验中对模拟含水层进行监测，具体包括：
22.在模拟实验过程中，获取压力装置的压力值，根据压力值确定测量水位。
23.进一步地，还包括：
24.在所述模拟含水层下部的模拟岩层中铺设多段裸露导电金属丝。
25.更进一步地，所述在模拟实验中对模拟含水层进行监测，具体包括：
26.检测每段裸露导电金属丝的电阻，根据每段裸露导电金属丝的电阻监测水流动向。
27.进一步地，所述含水层模拟材料中含有染料。
28.更进一步地，还包括：
29.对所述三维模拟实验模型进行模拟实验；
30.在模拟实验结束后，挖开模型，根据模型中被染色的部分，确定水流路径。
31.本发明通过含水层模拟材料模拟含水层，实现含水层铺设，并在模拟实验时对模拟含水层进行监测，解决了传统采矿模拟技术无法直接模拟采矿对含水层影响全过程的技术难题以及无法在模拟实验中监测含水层破坏后水位动态的技术难题，使模拟实验的真实性和准确性都有了极大的改善和提高，使模拟实验更接近自然界真实情况，直观的了解到采矿行为对含水层的影响，以快速、经济的验证现有研究成果，对保护西部生态脆弱地区具有极大意义。
附图说明
32.图1为本发明一种采矿三维模拟实验模型实验方法的工作流程图；
33.图2为本发明一实施例中一种采矿三维模拟实验模型实验方法的工作流程图；
34.图3为本发明最佳实施例中一种采矿三维模拟实验模型实验方法进行铺设的采矿三维模拟实验模型；
35.图4为本发明最佳实施例采矿三维模拟实验模型实验方法的采矿三维模拟实验模型铺设工作流程图；
36.图5为本发明最佳实施例采矿三维模拟实验模型实验方法的水位动态监测工作流程图。
37.附图标记
38.1-模拟煤层；2-第一模拟岩层(垮落带)；3-第二模拟岩层(裂缝带)；4-模拟隔水层；5-模拟含水层；6-模拟地表岩层；7-铜丝；8-电阻率测试仪；9-导线。
具体实施方式
39.下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
40.实施例一
41.如图1所示为本发明一种采矿三维模拟实验模型实验方法的工作流程图，包括：
42.步骤s101，铺设模拟煤层；
43.步骤s102，在模拟煤层上铺设模拟岩层、铺设模拟隔水层以及铺设模拟含水层，以进行采矿三维模拟实验模型铺设，所述模拟含水层的含水层模拟材料在铺设时为固态，经过加热后为液态；
44.步骤s103，铺设模拟地表岩层，对所述模拟含水层加热或者等待所述含水层模拟材料转化为液态，以完成所述采矿三维模拟实验模型铺设后，对所述采矿三维模拟实验模型进行模拟实验，并在模拟实验中对模拟含水层进行监测。
45.具体来说，步骤s101铺设模拟煤层，模拟煤层与实际煤层性质相似。然后步骤s102，在模拟煤层上铺设模拟岩层、铺设模拟隔水层以及铺设模拟含水层，其中，根据实际需要可以在模拟岩层上铺设模拟隔水层，然后在模拟隔水层上铺设模拟含水层。根据实际需要，可以在模拟含水层上继续铺设模拟岩层，也可以不铺设模拟岩层。模拟含水层的含水层模拟材料在铺设时为固态，从而方便铺设。然后执行步骤s103,在铺设模拟地表岩层后，等待含水层模拟材料自行液化为液态，完成对含水层的模拟，完成采矿三维模拟实验模型铺设。另外也可以对模拟含水层进行加热，以使得含水层模拟材料加速液化成为液体。含水层模拟材料可以为冰块或者凝固酒精。最后，开展模拟实验。具体的模拟实验根据实验需要设计。在模拟实验中对模拟含水层进行监测。
46.本发明通过含水层模拟材料模拟含水层，实现含水层铺设，并在模拟实验时对模拟含水层进行监测，解决了传统采矿模拟技术无法直接模拟采矿对含水层影响全过程的技术难题以及无法在模拟实验中监测含水层破坏后水位动态的技术难题，使模拟实验的真实性和准确性都有了极大的改善和提高，使模拟实验更接近自然界真实情况，直观的了解到采矿行为对含水层的影响，以快速、经济的验证现有研究成果，对保护西部生态脆弱地区具有极大意义。
47.实施例二
48.如图2所示为本发明一实施例中一种采矿三维模拟实验模型实验方法的工作流程图，包括：
49.步骤s201，铺设模拟煤层；
50.步骤s202，在模拟煤层上铺设模拟岩层、铺设模拟隔水层以及铺设模拟含水层，以进行采矿三维模拟实验模型铺设，所述模拟含水层的含水层模拟材料在铺设时为固态，经过加热后为液态，所述模拟含水层材料为纯水冰块、含有含水层杂质材料的混合冰块、凝固
酒精、或者含有含水层材料的混合凝固酒精，所述模拟含水层材料中含有染料，在铺设模拟含水层时，在所述模拟含水层材料内预留补水管道或者加热装置，在模拟含水层材料底部铺设压力装置，在所述模拟含水层下部的模拟岩层中铺设多段裸露导电金属丝；
51.步骤s203，铺设模拟地表岩层，对所述模拟含水层加热或者等待所述含水层模拟材料转化为液态，以完成所述采矿三维模拟实验模型铺设后，对所述采矿三维模拟实验模型进行模拟实验，并在模拟实验过程中，获取压力装置的压力值，根据压力值确定测量水位，检测每段裸露导电金属丝的电阻，根据每段裸露导电金属丝的电阻监测水流动向；
52.步骤s204，在模拟实验结束后，挖开模型，根据模型中被染色的部分，确定水流路径。
53.具体来说，本发明的采矿三维模拟实验模型实验方法包括三维模拟试验中的含水层铺设方法以及模拟含水层水位动态监测方法。
54.其中，步骤s201至步骤s202完成三维模拟试验中的含水层铺设。在铺设含水层必然离不开铺设隔水层，因此铺设隔水层与铺设含水层方法共同构成第一大部分。
55.铺设模拟隔水层时用防水涂料涂抹与实际隔水层性质相类似的模拟材料，防水涂料涂抹的多少取决于要模拟的隔水层的渗透性，实验者可以改变涂抹防水涂料的量来改变模拟隔水层的渗透性；
56.以冰块作为模拟含水层材料为例，铺设含水层时直接铺设冰块，在冰块上铺设其他模拟岩层，冰块融化之后是含水层，铺设的冰块可以是纯水，也可以含有其他模拟材料(把水和其他材料一起冻住就可以含有其他材料，也可以时分别放冰块和其他模拟材料)，铺设含水层时可预留直达地表的管道,用来模拟补水路径，也可不留，以上具体由实验者自行选择。
57.提供以下办法加快冰块的融化：可以由预留管道加热水，还可以在冰块中预留金属丝，给金属丝通电加热可快速融化冰块，也可等整体加热模拟装置；
58.步骤s203和步骤s204对模拟含水层水位进行动态监测。
59.水位动态检测方法由两部分组成，一部分为监测水位，另一部分为监测水流动向。
60.监测水位采用在冰块底部铺设压力装置的办法，当采矿行为对含水层造成破坏时，水会沿着流出，水底部的压力装置就会改变示数,以此得知水位变化情况。
61.监测水流动向是在与含水层下部模拟岩层中铺设裸露的导电金属丝。导电金属丝优选为铜丝，优选地铜丝每间隔预设距离铺设，形成铜丝网络空间。铜线每隔5厘米铺设不会影响到模拟实验，铜线每隔5厘米铺设不会影响到模拟实验，通电导电金属丝自身有电阻，通电导电金属丝和水接触后电阻会发生变化，当进行采矿行为时会产生裂隙带，裂隙带如果破坏了隔水层，含水层中的水就将沿裂缝流动，当水流动到铺设导电金属丝的位置，通电导电金属丝的电阻也会变化，根据电阻的变化测量水是否贯通含水层。最后冰块中可以添加染料，水顺着裂缝流动的时候就会给流动过的位置染色，这样可以在实验结束后挖开模拟岩层，观察水的流向。
62.本实施例的采矿三维模拟实验模型实验方法，包括了三维模拟试验中的含水层铺设与水位动态监测方法，用以模拟采矿行为对含水层的影响。模拟含水层铺设办法包括模拟隔水层铺设方法与模拟含水层铺设方法，水位动态监测方法包括水位监测方法与水流动态监测方法。
63.本实施例模拟隔水层铺设方法通过对模拟材料涂防水涂料的方法，实现了对隔水层的模拟，从而大达到了可以在大型模拟实验设备上模拟采矿对含水层的影响的目的。模拟含水层铺设方法通过在涂防水材料的模拟隔水层上铺设冰块，在冰块上继续铺设其他模拟材料的方法，规避了在水上铺设材料的困难。水位动态监测方法通过铺设裸露导电金属丝的方法，实现了对水位的监测，从而达到了实时了解水位变化目的。水流动态监测方法通过在在冰块中添加染料的方法，实现了对水流动态的监测，从而达到了明确含水层破坏后水流动态的目的。
64.如图4所示为本发明最佳实施例采矿三维模拟实验模型实验方法的采矿三维模拟实验模型铺设工作流程图，以图3为例子说明具体步骤，包括：
65.步骤s401，铺设模拟煤层1，模拟煤层1应与实际煤层性质相似。
66.步骤s402，铺设模拟岩层，具体为：
67.在模拟煤层1之上铺设第一模拟岩层2(垮落带)，在第一模拟岩层2(垮落带)之上铺设第二模拟岩层3(裂缝带)，铺设第二模拟岩层3(裂缝带)时需要铺设铜丝7，铜丝7铺设方式如图3所示，铜丝7长度超过模拟台宽度，铜丝7与铜丝7间隔5厘米，形成铜丝网络空间。铜丝7与电阻率测试仪8通过导线9相连，电阻率测试仪8显示电阻率变化以检测水的流向。
68.步骤s403，如果模拟岩层之上为模拟隔水层，则执行步骤s404，否则执行步骤s402；
69.步骤s404，铺设模拟隔水层，具体为：
70.在第二模拟岩层3(裂缝带)上铺设模拟隔水层4，模拟隔水层4用与实际隔水层物理力学性质相似的材料铺设，铺设后用防水涂料涂抹相似材料，防水涂料涂抹多少取决于实际隔水层的隔水能力，隔水能力好涂抹多一些，隔水能力差涂抹少一些，需要实验者自行决定；
71.步骤s405，如果模拟隔水层之上为模拟岩层，则执行步骤s402，否则执行步骤s406；
72.步骤s406，铺设模拟含水层，具体为：
73.在铺设模拟隔水层4上铺设模拟含水层5，模拟含水层5铺设冰块(冰块中有染料)，冰块可以是纯水，也可以含有其他模拟材料，具体怎么铺设取决于实际含水层，在模拟含水层中5冰块底部安放压力装置，压力通过导线与外部元件相连，通过外部原件读数测量水位，在模拟含水层5预留直立通达模拟地表的管道，管道底部插到冰块上部用来加水加压，若想使冰块快速融化，也可以向预留粗管道加热水。还可以在冰块中预留金属丝，给金属丝通电加热可快速融化冰块，也可等待冰块自然融化；
74.步骤s407，如果模拟含水层之上有模拟隔水层，在执行步骤s404，否则在模拟含水层5上铺设模拟地表岩层6。
75.如图5所示为本发明最佳实施例采矿三维模拟实验模型实验方法的水位动态监测工作流程图，包括：
76.步骤s501，采用采矿三维模拟实验模型铺设方法铺设的岩层模拟装置，即采矿三维模拟实验模型；
77.步骤s502，对岩层模拟装置进行水位监测；
78.步骤s503，对岩层模拟装置进行水流动态监测；
79.步骤s504，实验结束，挖开观察，具体为：
80.模拟实验结束后挖开模型，观察水流过的详细位置。由于水中有染料，水流过的位置会被颜料染色，观察模型中被染色的部分，以此得知详细的水流路径。
81.铺设模拟隔水层时用防水涂料涂抹与实际隔水层性质相类似的模拟材料，可以模拟真实隔水层的物理力学性质，而水袋模拟含水层法，水袋与隔水层的物理力学性质相差甚远，水袋无法模拟隔水层力学性质；
82.铺设含水层时直接铺设冰块，冰块起到支撑作用，不需要专用的支撑结构，继续铺设其他模拟岩层时冰块还未融化，其他岩层可以直接铺设在冰块上，所有模拟岩层铺设完成后，使冰块融化形成含水层，铺设纯水冰块可以与模拟隔水层共同模拟承压水含水层，铺设含有其他模拟材料的冰块，其他模拟材料是指细沙等，可以模拟其他形态的含水层，以上均属首创方法，方法简单实用，模拟真实性极高；
83.以上叙述共同构成一种含水层铺设方法，此方法克服了水袋不能破裂，水无法从水袋中流出的缺点；克服了水袋装满水之后模拟的含水层无法模拟真实含水层内水受采矿影响之后发生水位变化这一缺点；
84.针对采矿影响含水层之后含水层水位会发生变化，水将顺着裂隙流出的这一特征，本方法在采矿模拟实验中首创了水位动态观察法，可以实时测量模拟实验中的含水层水位，在非透明岩石模拟材料中也可以得知水位变化，通过水位变化了解采矿行为是否影响到了含水层。
85.为了有效利用模型，冰块中可添加染料，当采矿行为产生裂隙影响含水层之后，含有染料的水流过裂隙，裂隙将被染色，实验整体结束后可挖开模型，观察具体染色位置做出更加精准的判断。
86.本实施例中，模拟隔水层是在模拟材料上涂抹防水材料，本方法中使用非固化橡胶沥青防水涂料作为防水材料，使用其他类型防水水材料与岩层混合都应该视为本发明的延申。模拟含水层是直接采用冰块铺设，冰块未融化时可以继续铺设其他模拟岩层，融化了就是含水层，使用其他可以改变液态与固态性质的采矿模拟方法应该视为本发明的延申。冰块中可以包含其他模拟材料；本方法中使用细砂作为其他模拟材料，细砂是指细度模数为2.2ˉ1.6，粒径大于0.075mm的颗粒超过全重85％，平均粒径为0.25mmˉ0.125mm的砂石，冰块中包含细砂，冰块融化后可模拟空隙含水层。冰块中包含其他模拟材料，都应视为本方法的延申。铺设在模拟裂缝带中的铜线与模拟含水层中流出来的水相接触会增大电阻，测量电阻率来得到模拟含水层中流出来的水流动到什么位置。在冰块下方安放压力装置，通过压力装置示数测量水位。冰块中加染料，模拟实验后挖开模型，观察详细水流路径。本方法中使用的染料是红墨水，使用其他可以染色的染料都应视为本发明的延申。
87.另外，模拟隔水层是在模拟材料上涂抹防水材料，防水材料有很多种，本方法中使用非固化橡胶沥青防水涂料，还有纯丙烯酸聚合物乳液等等，都可以使用，作为防水材料还可以把防水薄膜扎漏铺在模拟材料上，用扎漏的防水薄膜和相似材料共同模拟含水层。模拟含水层是直接采用冰块铺设，比如使用凝固酒精铺设代替冰块铺设，之后使得凝固酒精变成液态酒精，使用其他可以改变液态与固态性质的采矿模拟方法应该视为本发明的延申。冰块中可以包含其他模拟材料；也可以是凝固酒精块中包含其他模拟材料，使用其他可以改变液态与固态性质的采矿模拟方法应该视为本发明的延申。铺设在模拟裂缝带中的铜
线与模拟含水层中流出来的水相接触会增大电阻，测量电阻率来得到模拟含水层中流出来的水流动到什么位置；也可以把铜丝换成铁丝等等裸露的导电金属丝。在冰块下方安放压力装置，压力装置可以为压力机。通过压力计示数测量水位；压力装置也可以为其他敏感度高的称。冰块中加染料，模拟实验后挖开模型，观察详细水流路径。加染料可以加各种颜色各种品牌的染料，比如加蓝色墨水，加只要可以染色。
88.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。