一種煤礦地下水庫儲水系數測定裝置的制作方法

本發明涉及煤礦參數測定技術領域，特別是涉及一種煤礦地下水庫儲水系數測定裝置。

背景技術：

伴隨我國實施煤炭開采西移戰略，陜北榆神府礦區已逐漸發展成我國特大型煤田開發基地，但礦區地處毛烏素沙漠與黃土高原接壤地帶，屬典型半干旱、半沙漠高原大陸性氣候，水資源極度匱乏。為此，針對礦區煤炭大規模、高強度開采產生大面積采空區和大量礦井水的普遍條件，提出礦井水煤礦地下水庫儲用技術方案，即利用采空區垮落巖體空隙儲存礦井水，實現礦井水循環利用。其中，儲水量預測作為礦井水煤礦地下水庫儲用技術體系中較為重要的技術組成部分，引起了國內外專家和學者的廣泛關注。

國外，1979年，b.m.sahni基于簡化瞬態地下水流動方程成有限差分形式，提出一種運用壓力等值線圖測定地下含水層儲水系數的方法。1983年，波蘭學者m.諾勾茲對采空區積水量進行了研究，認為采空區積水量等于采出煤層原始體積與單位積水系數的乘積。而積水系數主要取決于礦山壓力與垮落巖體性質，并建立積水系數計算公式；2006年，v.n.sharda運用水面波動法和氯離子質量平衡法對印度西部干旱-半干旱地區地水庫補給地下水量進行了預測；2012年，p.arlai充分考慮了能夠反映地下水發展的相關參數，提出一種適用于泰國地下含水層動態儲水量計算的新方法；2015年，a.根據阿斯圖里亞斯中部煤盆地水文及地質特征，建立了關于河流對礦井采空區儲水補給量的預測模型。國內，1994年，彭新寧認為采空區儲水率對預測水位上漲速度與時間起關鍵作用，其大小等于空隙率與吸水率之和，很好地解決了采空區儲水空間難以量化的問題；2010年，羅立平根據淮南煤田采空區積水實際數據，采用非線性理論建立了采空區積水系數預測模型，結合工程應用驗證了模型的合理性；2012年，張革委分析了神南礦區采空區儲水條件、過程及機理，預測了采空區儲水量，提出了風沙灘區有利于形成采空區儲水盆地的觀點；2014年，常金源以陜北神南礦區為例，開展了潛水漏失程度評價、采空區水質分析以及儲水量預測等工作，提出了干旱礦區“保水采煤”效果評價標準。

鑒于已有的研究方法大部分是采用規則幾何體代替復雜、不規則采空區垮落巖體空隙結構，并不能完全反映出真實巖體空隙的復雜性和非均勻性，具有較大的局限性。因此，有必要設計一種煤礦地下水庫儲水系數測定裝置，以解決上述問題。

技術實現要素：

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種煤礦地下水庫儲水系數測定裝置，該裝置能夠真實模擬儲水采空區頂板壓力環境和垮落巖體空隙空間分布特征，通過儲水系數的準確測定大大提高了煤礦地下水庫儲水量預測的可靠性，而且結構簡單，操作方便，且具有實時監測功能，可以對頂板壓力、位移變化，儲水系數進行實時監測。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種煤礦地下水庫儲水系數測定裝置，包括內裝有相似模擬材料巖體的試驗箱，所述試驗箱的一側連接有輸水管，另一側連接有出水管，所述輸水管連接于儲水倉，所述輸水管上設有電控自動化止水閥，所述出水管連接于儲水量監測設備，所述試驗箱的頂部放置有加壓板，所述加壓板上連接有加壓桿，所述加壓桿鉸接于杠桿，所述杠桿的一端鉸接于所述試驗箱上方的支撐架上，另一端連接于加壓設備，所述加壓設備上設有壓力監測設備，所述支撐架上設有位移監測設備，用于監測所述加壓板的位移量，所述電控自動化止水閥、所述儲水量監測設備、所述壓力監測設備及所述位移監測設備均連接于計算機。

進一步，所述儲水倉的頂部連接有進水管，所述輸水管設置于所述儲水倉的底部。

進一步，所述儲水倉設置于支架上，所述支架的底部設有滾輪。

進一步，所述加壓設備為電動液壓千斤頂，所述電動液壓千斤頂的輸出端通過鋼繩與所述杠桿連接。

進一步，所述壓力監測設備為壓力傳感器，所述壓力傳感器設置于所述電動液壓千斤頂的輸出端，用于監測所述電動液壓千斤頂施加的壓力。

進一步，所述試驗箱底部設有鋼墊板，周圍設有加勁肋。

進一步，所述加壓板上設有螺旋套筒，所述加壓桿的底部設有螺旋部，所述螺旋部旋緊在所述螺旋套筒內。

進一步，所述儲水量監測設備包括連接于所述出水管的水箱，以及設置于所述水箱內的電控水位計。

進一步，所述加壓板包括位于中間呈矩形的第一加壓板，以及環繞于所述第一加壓板周圍呈回形的第二加壓板，所述第一加壓板上均勻分布有四個所述加壓桿，所述第二加壓板上設有兩個所述加壓桿，分別位于所述第一加壓板橫向兩側的中部。

進一步，所述位移監測設備為激光位移傳感器，所述激光位移傳感器設有兩個，位于所述支撐架縱向的兩側。

本發明的有益效果：

本發明在試驗箱內裝有相似模擬材料巖體，真實模擬儲水采空區頂板壓力環境和垮落巖體空隙空間分布特征，通過儲水倉和電控自動化止水閥向試驗箱內自動注水，注水量可控且可被監測，加壓設備通過杠桿和加壓桿對加壓板進行加壓，模擬采空區頂板壓力，同時監測試驗箱儲水量，算得頂板壓力作用下的儲水系數，通過儲水系數的準確測定大大提高了煤礦地下水庫儲水量預測的可靠性，本發明測定裝置結構簡單，操作方便，且具有實時監測功能，實現對頂板壓力、位移變化，儲水系數的實時監測，通過改變加壓板大小，完成不同尺寸的頂板壓力下的儲水系數的測定試驗。

附圖說明

圖1為本發明煤礦地下水庫儲水系數測定裝置的結構示意圖；

圖中，1—進水管、2—儲水倉、3—支架、4—輸水管、5—電控自動化止水閥、6—支撐架、7—試驗箱、8—第一加壓板、9—第二加壓板、10—螺旋套筒、11—加壓桿、12—杠桿、13—出水管、14—水箱、15—激光位移傳感器、16—電動液壓千斤頂、17—壓力傳感器、18—計算機。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

需要說明，本發明實施例中所有方向性指示(諸如上、下、左、右、前、后……)僅用于解釋在某一特定姿態(如附圖所示)下各部件之間的相對位置關系、運動情況等，如果該特定姿態發生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。

如圖1，本發明提供一種煤礦地下水庫儲水系數測定裝置，包括內裝有相似模擬材料巖體的試驗箱7，在試驗箱7內裝設相似模擬材料巖體，可以真實模擬儲水采空區頂板壓力環境和垮落巖體空隙空間分布特征。

試驗箱7的一側連接有輸水管4，輸水管4的一端連接于儲水倉2，儲水倉2的頂部連接有進水管1，輸水管4設置于儲水倉2的底部，輸水管4上設有電控自動化止水閥5，通過電控自動化止水閥5控制進入試驗箱7內的水量，使得注水量可控，且可被監測。儲水倉2設置于支架3上，支架3的底部設有滾輪，方便移動支架3及儲水倉2。

試驗箱7的頂部放置有加壓板，加壓板可以使試驗箱7內巖體受到的壓力均勻連續變化。加壓板上連接有加壓桿11，加壓桿11鉸接于杠桿12，杠桿12的一端鉸接于試驗箱7上方的支撐架6上，另一端連接于加壓設備。加壓板上設有螺旋套筒10，加壓桿11的底部設有螺旋部，螺旋部旋緊在螺旋套筒10內，從而將加壓桿11與加壓板固定連接起來，通過螺旋套筒10與螺旋部旋緊，可以升高或降低加壓桿11。在本實施例中，根據應力分區計算設計，加壓板包括位于中間呈矩形的第一加壓板8，以及環繞于第一加壓板8周圍呈回形的第二加壓板9，第一加壓板8上均勻分布有四個加壓桿11，第二加壓板9上設有兩個加壓桿11，分別位于第一加壓板8橫向兩側的中部。加壓設備采用電動液壓千斤頂16，電動液壓千斤頂16的輸出端通過鋼繩與杠桿12連接，在本實施例中，采用型號為dyg-320t的電動液壓千斤頂16，接通電源后，可以調節壓力以及位移，控制加壓速率，采用電動液壓千斤頂16，壓力穩定，操作方便。杠桿12采用省力杠桿，便于減少千斤頂施加壓力，方便操作。加壓設備上設有壓力監測設備，在本實施例中，壓力監測設備為壓力傳感器17，壓力傳感器17設置于電動液壓千斤頂16的輸出端，用于監測電動液壓千斤頂16施加的壓力。

支撐架6上還設有位移監測設備，用于監測加壓板的位移量，在本實施例中，位移監測設備為激光位移傳感器15，激光位移傳感器15設有兩個，位于支撐架6縱向的兩側，采用激光位移傳感器15，對試驗箱7的試驗不產生干擾，測量準確。在本實施例中，采用型號為q50avuq的激光位移傳感器15，接通電源可自動化監測。

試驗箱7的另一側連接有出水管13，出水管13連接于儲水量監測設備，儲水量監測設備包括連接于出水管13的水箱14，以及設置于水箱14內的電控水位計，在本實施例中，電控水位計采用型號為risen-rpe的電控水位計，接通電源可實現自動化監測。

電控自動化止水閥5、電動液壓千斤頂16、電控水位計、壓力傳感器17及激光位移傳感器15均連接于計算機18，通過計算機18自動控制注水量、電動液壓千斤頂16的施加壓力，并能夠實時監測電控水位計、壓力傳感器17及激光位移傳感器15的監測數據。

優選的，試驗箱7底部設有鋼墊板，防止壓力過大導致試驗箱底部應力集中產生破裂。試驗箱7的周圍設有橫向或縱向延伸的加勁肋，防止壓力過大導致試驗箱側向產生位移。

本發明煤礦地下水庫儲水系數測定裝置的一次試驗過程為：首先在試驗箱7內填充好配制好的相似模擬材料巖體，按所需實驗時間進行模型干燥，干燥完成后，通過進水管1，向儲水倉2內注滿水，打開電控自動化止水閥5通過輸水管4，向試驗箱7內注水，當水位達到實驗水位時停止加水，并將加水量傳遞給電控自動化止水閥5，停止注水。經研究分析，選擇適合的加壓板，通過螺旋套筒10與加壓桿11連接，并通過杠桿12與電動液壓千斤頂16相連。然后開啟壓力傳感器17，電控水位計，激光位移傳感器15，確保出水管通暢，通過計算機18將其對應數據調零，為加壓實驗做好準備。

開啟電動液壓千斤頂16，通過計算機18輸入相應的實驗進程，計算機18自動記錄壓力傳感器17，電控水位計，激光位移傳感器15的實驗數據。最終，利用監測儲水量與試驗箱7體積計算出頂板壓力作用下的儲水系數。

本發明通過更換不同尺寸的加壓板，模擬不同頂板，完成不同尺寸的頂板壓力下的儲水系數的測定試驗。通過電動液壓千斤頂16可以實現壓力穩定、連續變化的加壓，完成不同壓力下的儲水系數測定試驗，采用加壓板使壓力均勻連續變化。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍內。