承压水下自动采煤模拟实验系统设计与探索

庞冬冬， 牛心刚， 李传明， 陈中琪， 罗肖龙， 林存傲

（1.安徽理工大学a.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室；b.深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南 232001；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

0 引 言

近年来，松散承压含水层下采煤引发的顶板突水灾害问题引起广泛的关注［1-2］。矿井突水是中国煤矿生产中的重大地质灾害之一，煤矿突水事故造成的人员伤亡和经济损失极为惨重，尤其是深部开采时代的来临，矿井开采条件越来越复杂，重特大型突水事故愈演愈烈，在发生次数上仅次于瓦斯事故，但造成的直接经济损失却一直名列首位［3-4］。承压含水层广泛存在于我国煤系地层当中，由于该类含水层水压及补给作用的存在，给承压含水层下采煤带来了威胁。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［5-6］。而多数工作面压架致灾事故都有一个显著特点，即开采煤层上部的基岩较薄（薄基岩），同时存在承压含水层。因此，弄清承压水的载荷传递、水岩共同作用下矿山压力显现规律，显得尤为重要［7-8］。目前，针对上述问题，国内外学者专家展开了大量的理论分析和试验，研究了模拟松散承压含水层采动变化规律、实验装置及实验方法［9-11］，但尚存在以下不足：①采用全长铺设水袋时，由于模拟的承压水的水压较大，要求水袋必须能承受较大的水压力，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，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。②未能达到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［14-15］。③缺乏模拟工作面开采及支护的模拟实验装置以及相应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。

1 相似模拟试验装置设计

1.1 承压含水层模拟设计

为了解决以上存在的问题，本文依据离散元的思路进行设计，既然整体性全长水袋的模拟效果不理想，就把全长水袋分离成一个个尺寸较小的水袋，每个小水袋设有一个进水口和一个出水口，进出水口用弹性软管连接，并且进出水口交错布置，使弹性软管有一定的移动行程，保证其在下覆岩层发生移动时不会影响小水袋的移动；同时在每个弹性软管上安装流量监控传感器，并与主机相连，实现各小水袋中的水流量数据的在线监测与分析；最后配合水压控制系统实现不同水压条件下的承压含水层下采煤相似材料模拟试验［12-13］。

基于上述思路，在相似模拟岩层中设置承压含水层，采用多个水袋连接而成的水袋群模拟，每个水袋是由顶板、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，如图1（a）所示。

在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1个水袋的入水口与水供应装置相连，如图1（b）所示，最后一个水袋只设置有入水口。从第1～5个小水袋的入水口设置在所述左侧壁的中部，处于靠近前侧壁的位置，出水口设置在所述右侧壁的下部，处于靠近后侧壁的位置；从第6～10个小水袋的入水口设置在左侧壁的下部，处于靠近前侧壁的位置；从第6～9个小水袋的出水口设置在右侧壁的中部，处于靠近后侧壁的位置。

图1 模拟承压含水层

如图2所示输水管为中空圆柱体，其外侧的中部设置有水流量传感器，水流量传感器通过数据传输装置与数据处理装置相连，输水管的两端接头和水流量传感器之间设置有弹性软管。在顶板和底板的左右两侧还分别设置有保护板，由顶板和底板向左右两侧延伸而成，将所有水袋的保护板依次相连，在相邻的两个水袋间形成保护输水管的置物空间。顶板和底板为PVC板，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。上述水袋长270 mm，宽300 mm，前后、左右侧壁的最大拉伸高度为60 mm；保护板的长度15 mm，宽度300 mm；顶板和底板的厚度4 mm，前后左右侧壁厚2.2 mm；弹性软管外径70 mm，内径50 mm。上下两平面为4 mm的硬度PVC板，硬度大、强度高，可以抵抗上下方压力，且达到水袋均匀受力的要求，前后左右四个侧面都比上下板相对薄一点，厚度2.2 mm，材质为丁基橡胶，且2.2 mm的厚度保证不易变形，不会挤压小水袋之间的水管。软管直径70 mm，内腔直径50 mm，20 mm的外壳厚度可以保证软管有一定外部抗压强度，且50 mm内腔在完全充水情况下，内部压力不会压爆软管而漏水。

图2 模拟试验装置输水管结构示意图

由图2可见，入水口和出水口的排列为对称设计，当模型水袋下方的煤层开挖时，水袋中部会率先下沉，且下移的位移最大，这样的设计可以有效保护水袋和软管的连接安全，且输水管为塑料软管，可以弯曲和拉长，加上这样的角度设计，不会影响水袋的运动。

如图3所示，入水口都在前方，出水口都在后方，主要是为了在有限的空间内增加塑料软管的最大拉伸长度，保证塑料软管不会拉扯到水袋，从而不会影响小水袋的位移。这种特殊的水袋设计可以保证有较大的滑动和旋转，同时，倾斜设计可以保证安装时可以错开，保证较大的安装空间。水袋在使用前处于完全压缩状态，这样可以根据煤层厚度，放相对应的水进去，水袋设计为下材质很厚，前后左右4个侧面都很薄和齿形结构的侧面设计可以保证上下平面水平增高，可以根据需要冲水，来控制其高度。改变了以往每模拟一个试验，都需要根据含水层厚度定制加工的麻烦，且节约大量成本和时间。只需根据高度和面积压力之间的关系，控制灌多少水，然后关闭水箱之间的开关，当开采垮落以后，根据开关两边两项压力值大小，微调水箱，使其等压时打开开关，模拟含水层透水或者移动时，水源等压补给，模拟开挖之后，水的厚度下降，代表着泄压或者是透水时应力变化情况。

图3 水袋群俯视图

如图4所示，水供应装置包含3个相同规格的水箱，还包含接头和压力表，3个水箱的水箱出水口分别通过管路与所述压力表连接，接头的一端通过管路与压力表连接；另一端与第1个水袋的入水口连接，在每个水箱和所述压力表之间的管路上设置有阀门。水箱包含依次连通的上管体、上箱体、下管体和下箱体，上管体的上端为管口，上部为无刻度区，下部为有刻度区，下管体的上部为有刻度区，下部为无刻度区，在有刻度区的管壁上设置有刻度；在水箱的底部设置有水箱出水口。水箱由透明材料制成，上管体和下管体的横截面为边长为80 mm的正方形，上管体的总高度150 mm，其中，上部的无刻度区高度81.25 mm，下部的有刻度区的高度68.75 mm，下管体的总高度1 000 mm，上部的有刻度区高度900 mm，下部的无刻度区高度100 mm；上箱体和下箱体的横截面为边长为250 mm的正方形，所述上箱体的高度160 mm，下箱体的高度100 mm；水箱的有刻度区的刻度值由上至下依次增大。下管体和上管体的截面积小，测量准确，保证每次在测量水量时，水面都在下管体内，这也是这个水箱特殊设计的地方。

图4 水供应装置的结构示意图

1.2 采煤支护模拟系统

如图5（a）所示，在煤层中设置有采煤支护模拟系统，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，如图5（b）所示，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，应力计量器的顶部和底部分别与顶板和底板连接，挡板的上端与顶板的后端相连，挡板与顶板之间的角度为钝角，驱动装置驱动液压支架模拟装置移动；应力计量器为两个并排设置，应力计量器包括第1壳体和设置在其内部的内柱，内柱可在第1壳体内自由上下滑动，与外围外壳滑动摩擦，内柱与外壳表面均十分光滑，摩擦力极小，不影响应力测量；内柱的顶部与顶板固定连接，在第1壳体的底端连接有应变膜，应变膜覆盖第1壳体的底端，应变膜、第1壳体和内柱之间形成气腔，在气腔内设置有气囊，气囊由塑胶膜密封而成，应变膜通过数据线与应变仪连接，应变仪与计算机连接。根据上方气腔压强的大小产生相应的形变，经过数据线传输到应变仪上，最终连接到电脑，数据显示并存储在计算机上。

图5 采煤支护模拟系统设计图

第1壳体的底端连接第2壳体，第2壳体的厚度小于第1壳体的厚度，第2壳体的底端连接支撑板；内柱、第1壳体和第2壳体均为圆柱形，数据线的一端接头设置在第1壳体的底端上的应变膜上，此设计是防止线头自身重力影响应变膜变形，从而保证测量精确度；第2壳体上设置有通孔，数据线的另一端从通孔中穿出，与应变仪相连；在第2壳体上均匀设置有多个透气孔。

如图5（c）所示，应力计量器可进行高度调节，由螺纹连接的外螺旋杆和内螺旋杆构成，内螺旋杆的下端固定在水袋底板上，外螺旋杆的上端与支撑板相连，在支撑板的边缘设置有卡槽，外螺旋杆的顶部固定有与卡槽相匹配的卡片，卡片可在卡槽内自由转动。顶板与水平面之间的角度为3°～5°，顶板的后端高于前端，此设计是为了让液压支架模拟装置能充分模拟支架随着煤层开采移架的工序，夹角度数太小或者夹角为零，液压支架顶板可能会碰到煤层顶板，无法推进；夹角度数太大，则造成顶板承压不平稳，计量器所测压力值与实际值有偏差。挡板与顶板之间的角度为120°～150°，挡板角度和长度的设计，可以保证破碎砂石可以滑落到煤层底板，或者整块砂石接触到挡板上，随着支架往前移动，均不影响计量器测量。内柱的前端与顶板的前端之间的距离为40～50 mm，可以保证移动支架时，采煤模拟装置能在顶板之下，起到保护作用。挡板的底端距离底板的后端之间的水平距离为15 mm，可以保证支架内部不会进入砂石，影响使用。

在自由状态下，内柱的顶端与第1壳体的顶端之间的距离为7 mm，高度差可以保证顶板受到上方压力时，顶板可以随着内柱一起下沉，从而达到测量的目的，同时当超过7 mm的下沉量时，此时，压力值超过0.3 MPa，第1壳体会阻止顶板进一步下降，保护应变膜不受大变形而破坏。内柱的直径8 mm，高15 mm，第1壳体的厚度为5～6 mm，第2壳体的厚度为1.5～2 mm，外径与第1壳体的外径一致，水袋底板长60～70 mm，顶板长70 mm，挡板长50～100 mm，在底板的底部设置有轮体，轮体与驱动装置相连。使用时，根据实验煤层的实际模拟高度，旋转调节外螺旋杆高度，旋转调节外螺旋杆可以旋转从而增加或降低液压支架模拟装置的高度。支撑板、应变膜和第2壳体之间形成的空间方便应变膜变形，四周有数个透气孔，用于保持与外界联通，保证为正常大气压压强。

如图5（d）所示，采煤机模拟装置包括滚筒、滚筒驱动装置、采煤机驱动装置，其中，滚筒分为左右对称的两部分，中间为齿轮螺纹，与滚筒驱动装置相连，在滚筒上设置有螺旋叶片，在螺旋叶片的边缘均匀设置有钉齿，钉齿具有锐利的尖部，且尖部方向向外设置，左右两部分滚筒上的螺旋叶片的旋转方向反向设置，即相对于齿轮螺纹对称设置。在滚筒上均匀设置有多个煤刷，煤刷的长与螺旋叶片高为2 mm；采煤机模拟装置还包括轮体，轮体与采煤机驱动装置相连。滚筒主要功能为切割煤层，同时将切割的煤运输到相似模拟装置以外。采煤机滚筒向下旋转，齿轮螺纹和滚筒驱动装置的电机齿轮相连接，螺旋叶片和钉齿一起切割煤层，同时利用螺旋叶片将煤炭向装置两边输送，煤刷是由塑料组成的多簇塑料细棒，可以将底板的煤渣清理干净，不让底煤影响实验效果。

2 相似模拟实验技术

图6所示为模拟实验的整体结构图，其实验方法如下：

图6 相似模拟实验装置的整体结构

（1）第1次使用水箱时，需要对水管进行空气排放：关闭水供应装置中第1个水箱的阀门，向水箱中注入干净水源，平稳加水，水加至下箱体即将注满时停止，打开水箱阀门，水箱中的水会在压力下从水管流出，进而将水箱水管中空气排出，关闭阀门；按照上述方法依次向第2个水箱和第3个水箱加水并进行排放空气过程。

（2）按照相似原理，分层铺设需要模拟的煤岩层，确保铺设的煤岩层层面平直，在需要监测应力的岩层中安设应变片，将应变片数据线都引向一侧，从相似模拟实验装置两侧圆孔中穿出，同时安装侧护板，铺设到承压含水层时暂停，铺设水袋。

（3）将水袋构成的承压含水层铺于岩层上，保证连接紧密，铺设紧凑、平直，将水流量传感器数据线都引向一侧。

（4）水袋构成的承压含水层铺于岩层上之后，需要向排放空气后的水箱内加水，要根据含水层实际的厚度加水，使水袋充水到模拟厚度，水箱加水之后，用木板盖住水箱口。

加水量及水袋的充水方法如下：

①当实际含水层厚度＜2 m时，按照相似比100∶1计算，小水袋需要达到的厚度小于20 mm，则水袋中总共需要的水量＜16.2 L，使用一个水箱加水。方法为：将盖在水箱口的木板拿掉，对第1个水箱加水到刚好零刻度位置时，升高水箱位置，打开水箱阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为810a mL时关闭阀门，其中，a为含水层模拟高度，a＝h／100，单位为mm，h为含水层实际高度，刻度值从下管体的有刻度区中读出。

②当实际含水层厚度小于4 m大于2 m时，使用两个水箱。方法为：将盖在水箱口的木板拿掉，对第1个水箱和第2个水箱加水到刚好零刻度位置时，升高水箱位置，打开第1个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到水袋中，水面下降到下管体有刻度区最后刻度时关闭第1个水箱的阀门，再打开第2个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到水袋中，最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为（810a－16 200）mL时关闭第2个水箱的阀门，刻度值从下管体的有刻度区中读出。

③当实际含水层厚度小于6 m大于4 m时，3个水箱水量刚好可以满足。方法为：将盖在水箱口的木板拿掉，对3个水箱分别加水到刚好零刻度位置，升高水箱位置，打开第1个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到水袋中，水面下降到下管体有刻度区最后刻度时关闭第1个水箱的阀门；再打开第2水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到水袋中，水面下降到下管体有刻度区的最后刻度时关闭第2个水箱的阀门；再打开第3个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到水袋中，当最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为（810a－32 400）mL时关闭第3个水箱的阀门，刻度值从下管体的有刻度区中读出。

（5）水袋充完水之后，在承压含水层上方水平压一块槽钢或铁板，持续3～5 min，各个水袋会逐步调整水量，直到各个高度一致；在承压含水层上方水平铺设上覆岩层；风干、养护模型1周，期间将相似模拟装置的部分侧护板卸下；补偿缺少的载荷，通过杠杆或者配重铁块，加于上覆岩层层面之上以补偿缺失的载荷。

（6）在相似模拟装置上安装支撑架，支撑架与煤层底板平行，设置在煤层的两侧，两侧支撑架距离采煤支护模拟系统各15 mm。

（7）人工开挖一个130 mm长的切眼，安装整套装置，调整螺旋杆高度，使顶板液压支架模拟装置顶板与煤层顶板接触，根据煤矿实际开采速度，移架距离确定装置参数，连接数据线，接通电源，开挖模型；在煤层开挖过程中，对承压含水层载荷传递规律、含水层移动变形规律及含水层内部随着工作面的推进水压补给规律及其流动规律的相似模拟，对顶板压力和顶板离层数据进行监测、储存。

3 结 语

承压水下采煤相似模拟实验装置及系统，可实现在相似模拟实验中，煤层的自动开采及对承压水下煤层开采的近似模拟，结论如下：

（1）承压含水层的模拟设计，通过调节水箱高度和调压阀实现对承压含水层的水压力的控制，以及水袋之间的水流量传感器，实现在采动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。

（2）采煤支护模拟系统提高了相似模拟实验仿真度，确保实验数据科学的可靠性，实现了承压水下自动采煤和压力监测。

（3）采煤支护模拟系统可实现自动开挖模型功能，提高了实验准确性，大大降低工作强度，使实验更加智能化。