承壓水下自動采煤模擬實驗系統設計與探索

龐冬冬， 牛心剛， 李傳明， 陳中琪， 羅肖龍， 林存傲

（1.安徽理工大學a.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室；b.深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽淮南 232001；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

0 引 言

近年來，松散承壓含水層下采煤引發的頂板突水災害問題引起廣泛的關注［1-2］。礦井突水是中國煤礦生產中的重大地質災害之一，煤礦突水事故造成的人員傷亡和經濟損失極為慘重，尤其是深部開采時代的來臨，礦井開采條件越來越復雜，重特大型突水事故愈演愈烈，在發生次數上僅次于瓦斯事故，但造成的直接經濟損失卻一直名列首位［3-4］。承壓含水層廣泛存在于我國煤系地層當中，由于該類含水層水壓及補給作用的存在，給承壓含水層下采煤帶來了威脅。國內外發生了多起承壓含水層下采煤的工作面壓架致災事故，造成了大量人員傷亡和巨大經濟損失［5-6］。而多數工作面壓架致災事故都有一個顯著特點，即開采煤層上部的基巖較?。ū』鶐r），同時存在承壓含水層。因此，弄清承壓水的載荷傳遞、水巖共同作用下礦山壓力顯現規律，顯得尤為重要［7-8］。目前，針對上述問題，國內外學者專家展開了大量的理論分析和試驗，研究了模擬松散承壓含水層采動變化規律、實驗裝置及實驗方法［9-11］，但尚存在以下不足：①采用全長鋪設水袋時，由于模擬的承壓水的水壓較大，要求水袋必須能承受較大的水壓力，其曲率自然就變小，加之水袋在上覆巖層移動變形的兩端會被巖層壓緊，而覆巖的移動變形區域又很大，會造成水袋在煤層開采后不能隨著巖層移動而同步下沉運動，造成巖層與水袋的離層，承壓含水層載荷就無法向下傳遞，造成試驗失真甚至失敗。②未能達到對含水層中受采動影響部分的水的流動及補給規律進行模擬及監控［14-15］。③缺乏模擬工作面開采及支護的模擬實驗裝置以及相應的運移和應力監測系統和方法，對于相似模擬實驗的結果影響較大。

1 相似模擬試驗裝置設計

1.1 承壓含水層模擬設計

為了解決以上存在的問題，本文依據離散元的思路進行設計，既然整體性全長水袋的模擬效果不理想，就把全長水袋分離成一個個尺寸較小的水袋，每個小水袋設有一個進水口和一個出水口，進出水口用彈性軟管連接，并且進出水口交錯布置，使彈性軟管有一定的移動行程，保證其在下覆巖層發生移動時不會影響小水袋的移動；同時在每個彈性軟管上安裝流量監控傳感器，并與主機相連，實現各小水袋中的水流量數據的在線監測與分析；最后配合水壓控制系統實現不同水壓條件下的承壓含水層下采煤相似材料模擬試驗［12-13］。

基于上述思路，在相似模擬巖層中設置承壓含水層，采用多個水袋連接而成的水袋群模擬，每個水袋是由頂板、底板、前側壁、后側壁、左側壁和右側壁圍合而成的長方體結構，其內部為充水空間，如圖1（a）所示。

在水袋的左側壁上設置有入水口，右側壁上設置有出水口，后一個水袋的入水口通過輸水管與前一個所述小水袋的出水口相連，第1個水袋的入水口與水供應裝置相連，如圖1（b）所示，最后一個水袋只設置有入水口。從第1～5個小水袋的入水口設置在所述左側壁的中部，處于靠近前側壁的位置，出水口設置在所述右側壁的下部，處于靠近后側壁的位置；從第6～10個小水袋的入水口設置在左側壁的下部，處于靠近前側壁的位置；從第6～9個小水袋的出水口設置在右側壁的中部，處于靠近后側壁的位置。

圖1 模擬承壓含水層

如圖2所示輸水管為中空圓柱體，其外側的中部設置有水流量傳感器，水流量傳感器通過數據傳輸裝置與數據處理裝置相連，輸水管的兩端接頭和水流量傳感器之間設置有彈性軟管。在頂板和底板的左右兩側還分別設置有保護板，由頂板和底板向左右兩側延伸而成，將所有水袋的保護板依次相連，在相鄰的兩個水袋間形成保護輸水管的置物空間。頂板和底板為PVC板，前側壁、后側壁、左側壁和右側壁的截面為可折疊伸縮的齒形結構，由丁基橡膠制成。上述水袋長270 mm，寬300 mm，前后、左右側壁的最大拉伸高度為60 mm；保護板的長度15 mm，寬度300 mm；頂板和底板的厚度4 mm，前后左右側壁厚2.2 mm；彈性軟管外徑70 mm，內徑50 mm。上下兩平面為4 mm的硬度PVC板，硬度大、強度高，可以抵抗上下方壓力，且達到水袋均勻受力的要求，前后左右四個側面都比上下板相對薄一點，厚度2.2 mm，材質為丁基橡膠，且2.2 mm的厚度保證不易變形，不會擠壓小水袋之間的水管。軟管直徑70 mm，內腔直徑50 mm，20 mm的外殼厚度可以保證軟管有一定外部抗壓強度，且50 mm內腔在完全充水情況下，內部壓力不會壓爆軟管而漏水。

圖2 模擬試驗裝置輸水管結構示意圖

由圖2可見，入水口和出水口的排列為對稱設計，當模型水袋下方的煤層開挖時，水袋中部會率先下沉，且下移的位移最大，這樣的設計可以有效保護水袋和軟管的連接安全，且輸水管為塑料軟管，可以彎曲和拉長，加上這樣的角度設計，不會影響水袋的運動。

如圖3所示，入水口都在前方，出水口都在后方，主要是為了在有限的空間內增加塑料軟管的最大拉伸長度，保證塑料軟管不會拉扯到水袋，從而不會影響小水袋的位移。這種特殊的水袋設計可以保證有較大的滑動和旋轉，同時，傾斜設計可以保證安裝時可以錯開，保證較大的安裝空間。水袋在使用前處于完全壓縮狀態，這樣可以根據煤層厚度，放相對應的水進去，水袋設計為下材質很厚，前后左右4個側面都很薄和齒形結構的側面設計可以保證上下平面水平增高，可以根據需要沖水，來控制其高度。改變了以往每模擬一個試驗，都需要根據含水層厚度定制加工的麻煩，且節約大量成本和時間。只需根據高度和面積壓力之間的關系，控制灌多少水，然后關閉水箱之間的開關，當開采垮落以后，根據開關兩邊兩項壓力值大小，微調水箱，使其等壓時打開開關，模擬含水層透水或者移動時，水源等壓補給，模擬開挖之后，水的厚度下降，代表著泄壓或者是透水時應力變化情況。

圖3 水袋群俯視圖

如圖4所示，水供應裝置包含3個相同規格的水箱，還包含接頭和壓力表，3個水箱的水箱出水口分別通過管路與所述壓力表連接，接頭的一端通過管路與壓力表連接；另一端與第1個水袋的入水口連接，在每個水箱和所述壓力表之間的管路上設置有閥門。水箱包含依次連通的上管體、上箱體、下管體和下箱體，上管體的上端為管口，上部為無刻度區，下部為有刻度區，下管體的上部為有刻度區，下部為無刻度區，在有刻度區的管壁上設置有刻度；在水箱的底部設置有水箱出水口。水箱由透明材料制成，上管體和下管體的橫截面為邊長為80 mm的正方形，上管體的總高度150 mm，其中，上部的無刻度區高度81.25 mm，下部的有刻度區的高度68.75 mm，下管體的總高度1 000 mm，上部的有刻度區高度900 mm，下部的無刻度區高度100 mm；上箱體和下箱體的橫截面為邊長為250 mm的正方形，所述上箱體的高度160 mm，下箱體的高度100 mm；水箱的有刻度區的刻度值由上至下依次增大。下管體和上管體的截面積小，測量準確，保證每次在測量水量時，水面都在下管體內，這也是這個水箱特殊設計的地方。

圖4 水供應裝置的結構示意圖

1.2 采煤支護模擬系統

如圖5（a）所示，在煤層中設置有采煤支護模擬系統，采煤支護模擬系統包括采煤模擬裝置和位于其后側的液壓支架模擬裝置，如圖5（b）所示，液壓支架模擬裝置包括底板、頂板、應力計量器、驅動裝置和擋板。其中，應力計量器的頂部和底部分別與頂板和底板連接，擋板的上端與頂板的后端相連，擋板與頂板之間的角度為鈍角，驅動裝置驅動液壓支架模擬裝置移動；應力計量器為兩個并排設置，應力計量器包括第1殼體和設置在其內部的內柱，內柱可在第1殼體內自由上下滑動，與外圍外殼滑動摩擦，內柱與外殼表面均十分光滑，摩擦力極小，不影響應力測量；內柱的頂部與頂板固定連接，在第1殼體的底端連接有應變膜，應變膜覆蓋第1殼體的底端，應變膜、第1殼體和內柱之間形成氣腔，在氣腔內設置有氣囊，氣囊由塑膠膜密封而成，應變膜通過數據線與應變儀連接，應變儀與計算機連接。根據上方氣腔壓強的大小產生相應的形變，經過數據線傳輸到應變儀上，最終連接到電腦，數據顯示并存儲在計算機上。

圖5 采煤支護模擬系統設計圖

第1殼體的底端連接第2殼體，第2殼體的厚度小于第1殼體的厚度，第2殼體的底端連接支撐板；內柱、第1殼體和第2殼體均為圓柱形，數據線的一端接頭設置在第1殼體的底端上的應變膜上，此設計是防止線頭自身重力影響應變膜變形，從而保證測量精確度；第2殼體上設置有通孔，數據線的另一端從通孔中穿出，與應變儀相連；在第2殼體上均勻設置有多個透氣孔。

如圖5（c）所示，應力計量器可進行高度調節，由螺紋連接的外螺旋桿和內螺旋桿構成，內螺旋桿的下端固定在水袋底板上，外螺旋桿的上端與支撐板相連，在支撐板的邊緣設置有卡槽，外螺旋桿的頂部固定有與卡槽相匹配的卡片，卡片可在卡槽內自由轉動。頂板與水平面之間的角度為3°～5°，頂板的后端高于前端，此設計是為了讓液壓支架模擬裝置能充分模擬支架隨著煤層開采移架的工序，夾角度數太小或者夾角為零，液壓支架頂板可能會碰到煤層頂板，無法推進；夾角度數太大，則造成頂板承壓不平穩，計量器所測壓力值與實際值有偏差。擋板與頂板之間的角度為120°～150°，擋板角度和長度的設計，可以保證破碎砂石可以滑落到煤層底板，或者整塊砂石接觸到擋板上，隨著支架往前移動，均不影響計量器測量。內柱的前端與頂板的前端之間的距離為40～50 mm，可以保證移動支架時，采煤模擬裝置能在頂板之下，起到保護作用。擋板的底端距離底板的后端之間的水平距離為15 mm，可以保證支架內部不會進入砂石，影響使用。

在自由狀態下，內柱的頂端與第1殼體的頂端之間的距離為7 mm，高度差可以保證頂板受到上方壓力時，頂板可以隨著內柱一起下沉，從而達到測量的目的，同時當超過7 mm的下沉量時，此時，壓力值超過0.3 MPa，第1殼體會阻止頂板進一步下降，保護應變膜不受大變形而破壞。內柱的直徑8 mm，高15 mm，第1殼體的厚度為5～6 mm，第2殼體的厚度為1.5～2 mm，外徑與第1殼體的外徑一致，水袋底板長60～70 mm，頂板長70 mm，擋板長50～100 mm，在底板的底部設置有輪體，輪體與驅動裝置相連。使用時，根據實驗煤層的實際模擬高度，旋轉調節外螺旋桿高度，旋轉調節外螺旋桿可以旋轉從而增加或降低液壓支架模擬裝置的高度。支撐板、應變膜和第2殼體之間形成的空間方便應變膜變形，四周有數個透氣孔，用于保持與外界聯通，保證為正常大氣壓壓強。

如圖5（d）所示，采煤機模擬裝置包括滾筒、滾筒驅動裝置、采煤機驅動裝置，其中，滾筒分為左右對稱的兩部分，中間為齒輪螺紋，與滾筒驅動裝置相連，在滾筒上設置有螺旋葉片，在螺旋葉片的邊緣均勻設置有釘齒，釘齒具有銳利的尖部，且尖部方向向外設置，左右兩部分滾筒上的螺旋葉片的旋轉方向反向設置，即相對于齒輪螺紋對稱設置。在滾筒上均勻設置有多個煤刷，煤刷的長與螺旋葉片高為2 mm；采煤機模擬裝置還包括輪體，輪體與采煤機驅動裝置相連。滾筒主要功能為切割煤層，同時將切割的煤運輸到相似模擬裝置以外。采煤機滾筒向下旋轉，齒輪螺紋和滾筒驅動裝置的電機齒輪相連接，螺旋葉片和釘齒一起切割煤層，同時利用螺旋葉片將煤炭向裝置兩邊輸送，煤刷是由塑料組成的多簇塑料細棒，可以將底板的煤渣清理干凈，不讓底煤影響實驗效果。

2 相似模擬實驗技術

圖6所示為模擬實驗的整體結構圖，其實驗方法如下：

圖6 相似模擬實驗裝置的整體結構

（1）第1次使用水箱時，需要對水管進行空氣排放：關閉水供應裝置中第1個水箱的閥門，向水箱中注入干凈水源，平穩加水，水加至下箱體即將注滿時停止，打開水箱閥門，水箱中的水會在壓力下從水管流出，進而將水箱水管中空氣排出，關閉閥門；按照上述方法依次向第2個水箱和第3個水箱加水并進行排放空氣過程。

（2）按照相似原理，分層鋪設需要模擬的煤巖層，確保鋪設的煤巖層層面平直，在需要監測應力的巖層中安設應變片，將應變片數據線都引向一側，從相似模擬實驗裝置兩側圓孔中穿出，同時安裝側護板，鋪設到承壓含水層時暫停，鋪設水袋。

（3）將水袋構成的承壓含水層鋪于巖層上，保證連接緊密，鋪設緊湊、平直，將水流量傳感器數據線都引向一側。

（4）水袋構成的承壓含水層鋪于巖層上之后，需要向排放空氣后的水箱內加水，要根據含水層實際的厚度加水，使水袋充水到模擬厚度，水箱加水之后，用木板蓋住水箱口。

加水量及水袋的充水方法如下：

①當實際含水層厚度＜2 m時，按照相似比100∶1計算，小水袋需要達到的厚度小于20 mm，則水袋中總共需要的水量＜16.2 L，使用一個水箱加水。方法為：將蓋在水箱口的木板拿掉，對第1個水箱加水到剛好零刻度位置時，升高水箱位置，打開水箱閥門，利用水的自身重力，將水注入到小水袋中，最后刻度顯示水箱注入的水的流量之和為810a mL時關閉閥門，其中，a為含水層模擬高度，a＝h／100，單位為mm，h為含水層實際高度，刻度值從下管體的有刻度區中讀出。

②當實際含水層厚度小于4 m大于2 m時，使用兩個水箱。方法為：將蓋在水箱口的木板拿掉，對第1個水箱和第2個水箱加水到剛好零刻度位置時，升高水箱位置，打開第1個水箱的閥門，利用水的自身重力，將水注入到水袋中，水面下降到下管體有刻度區最后刻度時關閉第1個水箱的閥門，再打開第2個水箱的閥門，利用水的自身重力，將水注入到水袋中，最后刻度顯示水箱注入的水的流量之和為（810a－16 200）mL時關閉第2個水箱的閥門，刻度值從下管體的有刻度區中讀出。

③當實際含水層厚度小于6 m大于4 m時，3個水箱水量剛好可以滿足。方法為：將蓋在水箱口的木板拿掉，對3個水箱分別加水到剛好零刻度位置，升高水箱位置，打開第1個水箱的閥門，利用水的自身重力，將水注入到水袋中，水面下降到下管體有刻度區最后刻度時關閉第1個水箱的閥門；再打開第2水箱的閥門，利用水的自身重力，將水注入到水袋中，水面下降到下管體有刻度區的最后刻度時關閉第2個水箱的閥門；再打開第3個水箱的閥門，利用水的自身重力，將水注入到水袋中，當最后刻度顯示水箱注入的水的流量之和為（810a－32 400）mL時關閉第3個水箱的閥門，刻度值從下管體的有刻度區中讀出。

（5）水袋充完水之后，在承壓含水層上方水平壓一塊槽鋼或鐵板，持續3～5 min，各個水袋會逐步調整水量，直到各個高度一致；在承壓含水層上方水平鋪設上覆巖層；風干、養護模型1周，期間將相似模擬裝置的部分側護板卸下；補償缺少的載荷，通過杠桿或者配重鐵塊，加于上覆巖層層面之上以補償缺失的載荷。

（6）在相似模擬裝置上安裝支撐架，支撐架與煤層底板平行，設置在煤層的兩側，兩側支撐架距離采煤支護模擬系統各15 mm。

（7）人工開挖一個130 mm長的切眼，安裝整套裝置，調整螺旋桿高度，使頂板液壓支架模擬裝置頂板與煤層頂板接觸，根據煤礦實際開采速度，移架距離確定裝置參數，連接數據線，接通電源，開挖模型；在煤層開挖過程中，對承壓含水層載荷傳遞規律、含水層移動變形規律及含水層內部隨著工作面的推進水壓補給規律及其流動規律的相似模擬，對頂板壓力和頂板離層數據進行監測、儲存。

3 結 語

承壓水下采煤相似模擬實驗裝置及系統，可實現在相似模擬實驗中，煤層的自動開采及對承壓水下煤層開采的近似模擬，結論如下：

（1）承壓含水層的模擬設計，通過調節水箱高度和調壓閥實現對承壓含水層的水壓力的控制，以及水袋之間的水流量傳感器，實現在采動過程中對含水層中受采動影響部分的水的流動及補給規律進行模擬及監控。

（2）采煤支護模擬系統提高了相似模擬實驗仿真度，確保實驗數據科學的可靠性，實現了承壓水下自動采煤和壓力監測。

（3）采煤支護模擬系統可實現自動開挖模型功能，提高了實驗準確性，大大降低工作強度，使實驗更加智能化。