地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形反演覆巖破斷規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置及方法
【專利摘要】一種地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形反演覆巖破斷規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置及方法，用于實(shí)驗(yàn)室中模擬采煤時(shí)覆巖破斷規(guī)律反演。模擬單一煤層開采條件時(shí)，在鋪設(shè)模型時(shí)利用PVC管預(yù)制多個(gè)模擬地面鉆孔，在開采煤層時(shí)利用微型鉆孔窺視儀對(duì)模擬地面鉆孔的孔壁錯(cuò)動(dòng)破壞動(dòng)態(tài)情況進(jìn)行觀測，同時(shí)記錄覆巖的破斷運(yùn)動(dòng)情況；模擬煤層群開采條件時(shí)，在開采下煤層前需要用充填膠體重塑已采上煤層覆巖鉆孔的破壞孔壁，以模擬重復(fù)采動(dòng)條件下鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形情況。使用方便，成本低，模擬效果好。
【專利說明】
地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形反演覆巖破斷規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種實(shí)驗(yàn)裝置及方法，尤其適用于一種實(shí)驗(yàn)室中模擬采煤時(shí)使用的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，煤層開采后會(huì)導(dǎo)致上覆巖層的變形、破壞與移動(dòng)，由下向上逐步發(fā)展直至地表，造成了頂板垮落、裂隙發(fā)育、瓦斯積聚、突水事故、地表水系破壞等一系列問題，直接影響礦井安全生產(chǎn)及地表生態(tài)環(huán)境?？梢哉f，開采后的覆巖運(yùn)動(dòng)不僅對(duì)礦山壓力產(chǎn)生重大影響，也是研究地表沉陷、礦井地下水、瓦斯治理和地表生態(tài)保護(hù)等問題的基礎(chǔ)。因此，準(zhǔn)確判斷覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律對(duì)于礦井安全生產(chǎn)和礦區(qū)生態(tài)保護(hù)具有重要的意義。
[0003]目前，利用鉆孔電視全景攝像系統(tǒng)，對(duì)地面鉆孔進(jìn)行現(xiàn)場觀測，可以直接有效地掌握地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)破壞動(dòng)態(tài)變化。但受采動(dòng)影響，現(xiàn)場鉆孔容易發(fā)生堵孔，導(dǎo)致鉆孔電視設(shè)備無法下放，堵孔高度以下鉆孔錯(cuò)動(dòng)破壞情況無法觀測。而全面掌握鉆孔錯(cuò)動(dòng)破壞情況可以反演覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律，因此有必要設(shè)置一種實(shí)驗(yàn)方法模擬研究地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形與覆巖破斷運(yùn)移之間的關(guān)系，為覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演提供另外一種實(shí)現(xiàn)方式，從而為煤礦瓦斯治理及地下水保護(hù)等研究提供理論依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]技術(shù)問題:本發(fā)明針對(duì)已有技術(shù)的不足之處，提供一種使用方便，成本低，模擬效果好的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)方法。
[0005]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形反演覆巖破斷規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，包括兩側(cè)面板可以開合的模擬箱和視頻監(jiān)控裝置，模擬箱內(nèi)鋪有多層模擬煤巖層，所述煤巖層包括鋪在模擬箱底部的模擬煤層，模擬煤層上方設(shè)有模擬巖層，模擬煤層試驗(yàn)需要鋪設(shè)，最上方設(shè)有模擬松散層；
[0006]所述煤巖層上方垂直向下設(shè)有多個(gè)深度直至模擬箱最下層的模擬煤層處用于模擬構(gòu)建地面鉆孔的導(dǎo)管；
[0007]所述視頻監(jiān)控裝置包括微型鉆孔窺視儀和通過線路與其連接的上位機(jī)。
[0008]所述模擬煤層和模擬巖層由沙子、碳酸鈣、石膏混合均勻后加水?dāng)嚢柚瞥?，其中模擬巖層包括模擬軟巖層和模擬硬巖層。
[0009]所述模擬煤層和模擬巖層使用的沙子、碳酸鈣、石膏與水質(zhì)量比為7:1?9:1;模擬煤層的沙子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量按相似模擬配比號(hào)773配比，并添加煤粉著色;模擬巖層由沙子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量按相似模擬配比號(hào)573配比模擬軟巖層，由沙子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量按配比號(hào)337配比模擬硬巖層;模擬松散層的沙子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量按相似模擬配比號(hào)773配比；
[0010]當(dāng)進(jìn)行單一煤層開采條件下的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)時(shí)，模擬箱內(nèi)的煤巖層中模擬煤層為單一煤層條件下模擬煤層，并被設(shè)置在最底部，單一煤層條件下模擬煤層上設(shè)有多層模擬巖層；
[0011]此時(shí)導(dǎo)管采用直徑為3cm的PVC管，PVC管埋設(shè)深度直至單一煤層條件下模擬煤層處，PVC管的長度以出露模擬松散層頂界面5cm為宜，孔心位置位于模型寬度中央；
[0012]當(dāng)進(jìn)行煤層群開采條件下的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)時(shí)，模擬箱內(nèi)的煤巖層中模擬煤層分別為設(shè)在底部的模擬下煤層，模擬下煤層上設(shè)有模擬巖層，模擬巖層上設(shè)有模擬上煤層;此時(shí)導(dǎo)管采用直徑為3cm的小孔徑PVC管，小孔徑PVC管外側(cè)埋設(shè)直徑為5cm的大孔徑PVC管，小孔徑PVC管與大孔徑PVC管為同心圓布置狀態(tài)，大孔徑PVC管的長度應(yīng)比上煤層埋深大5cm，小孔徑PVC管長度比下煤層埋深大5cm。
[0013]—種基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)方法，其步驟如下:
[0014]a.利用沙子、碳酸鈣、石膏與水按配比在模擬箱中從下向上鋪設(shè)模擬煤層、模擬巖層和模擬松散層構(gòu)成模擬煤巖層，在鋪設(shè)模擬巖層和模擬松散層過程中，埋設(shè)插入模擬箱底部模擬煤層的導(dǎo)管，導(dǎo)管的頂端出露模擬松散層；
[0015]b.等待煤巖層模型成型干燥之后，拆卸模擬箱兩側(cè)面板，將導(dǎo)管從成型的煤巖層模型中抽出后構(gòu)成模擬地面鉆孔，按照與現(xiàn)場時(shí)間相似比例為I: 10、尺寸相似比例為1:100的相似比例，從左至右留設(shè)一定邊界煤柱開采模擬煤層，開采速度為每15分鐘5cm;
[0016]c.在模擬工作面開采煤層的過程中，每開采一次，就使用帶有標(biāo)尺的微型鉆孔窺視儀深入模擬地面鉆孔，并對(duì)模擬地面鉆孔的孔壁錯(cuò)動(dòng)破壞動(dòng)態(tài)情況進(jìn)行觀測采集，采集模擬地面鉆孔孔壁發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的高度范圍、錯(cuò)動(dòng)量大小；同時(shí)，對(duì)覆巖的破斷運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行記錄，包括覆巖破壞高度、裂隙發(fā)育范圍；
[0017]當(dāng)進(jìn)行單一煤層開采條件下的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)時(shí)，所述步驟a中的模擬地面鉆孔為模擬單一煤層條件下模擬地面鉆孔，使用的導(dǎo)管為直徑3cm的PVC管，PVC管的長度以出露模擬松散層頂界面5cm為宜。
[0018]當(dāng)進(jìn)行煤層群開采條件下的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)時(shí)，所述的模擬地面鉆孔為煤層群條件下模擬地面鉆孔，使用的導(dǎo)管為組合管結(jié)構(gòu)，所述組合管結(jié)構(gòu)包括垂直設(shè)置長度比下煤層埋深大5cm直徑為3cm的小孔徑PVC管，小孔徑PVC管外側(cè)同心圓布置有直徑為5cm的大孔徑PVC管，大孔徑PVC管的長度應(yīng)比上煤層埋深大5cm;
[0019]當(dāng)進(jìn)行煤層群開采條件下的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)時(shí)的步驟c為:
[0020]上煤層采完后，由于上煤層至地表段的煤層群條件下模擬地面鉆孔受采動(dòng)影響產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)及破裂，為避免其對(duì)重復(fù)采動(dòng)條件下鉆孔觀測的影響，采用充填膠體重塑鉆孔壁:[0021 ]首先，用直徑為3cm的小孔徑PVC管從地表插入下煤層頂部，利用注射器在上煤層采動(dòng)覆巖對(duì)應(yīng)小孔徑PVC管與孔壁之間注入充填膠體，直至充填膠體充滿PVC管與孔壁之間的空隙；
[0022]其次，等待充填膠體膠結(jié)成形，將PVC管拔出，從而使通過小孔徑PVC管和大孔徑PVC管模擬構(gòu)成的上大下小的鉆孔修復(fù)為上下孔距都是3cm，孔徑大小和下煤層鉆孔孔徑相同，重塑鉆孔壁要求光滑完整，沒有明顯裂隙，不影響二次觀測；
[0023]所述充填膠體由碳酸鈣、石膏和乳膠混合均勻攪拌制成，碳酸鈣、石膏、乳膠按10g:1Og:3ml比例混合。
[0024]有益效果:本發(fā)明基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)方法，克服了現(xiàn)有研究方法難以實(shí)測得到的鉆孔錯(cuò)動(dòng)破壞情況來進(jìn)行覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演研究的難題。根據(jù)煤層賦存條件不同，針對(duì)單一煤層開采條件和煤層群開采條件下兩種情況進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，可以模擬研究鉆孔在不同開采條件下鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形與覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律之間的聯(lián)系。根據(jù)工作面與鉆孔相對(duì)位置的不同，利用微型鉆孔窺視儀對(duì)模擬地面鉆孔的孔壁錯(cuò)動(dòng)破壞動(dòng)態(tài)情況進(jìn)行觀測，同時(shí)記錄覆巖的破斷運(yùn)動(dòng)情況，可以掌握鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形與覆巖破斷運(yùn)移之間的關(guān)系，為反演覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律提供依據(jù)，對(duì)于礦井安全生產(chǎn)和礦區(qū)生態(tài)保護(hù)具有重要的意義。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明單一煤層條件下的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明單一煤層條件下的地面鉆孔觀測示意圖；
[0027]圖3是本發(fā)明煤層群條件下的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖4是本發(fā)明煤層群條件下的采用充填膠體重塑孔壁示意圖。
[0029]圖中:1-模擬箱;2-單一煤層條件下模擬煤層;3-模擬巖層;4-模擬松散層;5-PVC管；6-單一煤層條件下模擬地面鉆孔;7-微型鉆孔窺視儀;8-模擬工作面;9-模擬下煤層；10-模擬上煤層；11-小孔徑PVC管；12-大孔徑PVC管；13-煤層群條件下模擬地面鉆孔；14-充填膠體;15-注射器。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的I個(gè)實(shí)施例做進(jìn)一步的描述:
[0031]如圖1和圖2所示，本發(fā)明的地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形反演覆巖破斷規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，它包括兩側(cè)面板可以開合的模擬箱I和視頻監(jiān)控裝置，模擬箱I內(nèi)鋪有多層模擬煤巖層，所述煤巖層包括鋪在模擬箱I底部的模擬煤層，模擬煤層上方設(shè)有模擬巖層3，模擬煤層試驗(yàn)需要鋪設(shè)，最上方設(shè)有模擬松散層4，所述模擬煤層和模擬巖層3由沙子、碳酸鈣、石膏混合均勻后加水?dāng)嚢柚瞥?，其中模擬巖層3包括模擬軟巖層和模擬硬巖層，所述模擬煤層和模擬巖層3使用的沙子、碳酸鈣、石膏與水質(zhì)量比為7:1?9:1;模擬煤層的沙子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量按相似模擬配比號(hào)773配比，并添加煤粉著色;模擬巖層3由沙子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量按相似模擬配比號(hào)573配比模擬軟巖層，由沙子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量按配比號(hào)337配比模擬硬巖層；模擬松散層4的沙子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量按相似模擬配比號(hào)773配比；
[0032]所述煤巖層上方垂直向下設(shè)有多個(gè)深度直至模擬箱I最下層的模擬煤層處用于模擬構(gòu)建地面鉆孔的導(dǎo)管；
[0033]所述視頻監(jiān)控裝置包括微型鉆孔窺視儀7和通過線路與其連接的上位機(jī)。
[0034]當(dāng)進(jìn)行單一煤層開采條件下的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)時(shí)，模擬箱I內(nèi)的煤巖層中模擬煤層為單一煤層條件下模擬煤層2，并被設(shè)置在模擬箱I最底部，單一煤層條件下模擬煤層2上設(shè)有多層模擬巖層3;此時(shí)所述導(dǎo)管采用直徑為3cm的PVC管5，PVC管5埋設(shè)深度直至單一煤層條件下模擬煤層2處，PVC管5的長度以出露模擬松散層4頂界面5cm為宜，孔心位置位于模型寬度中央。
[0035]當(dāng)進(jìn)行煤層群開采條件下的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)時(shí)，模擬箱I內(nèi)的煤巖層中模擬煤層分別為設(shè)在底部的模擬下煤層9，模擬下煤層9上設(shè)有模擬巖層3，模擬巖層3上設(shè)有模擬上煤層10;此時(shí)導(dǎo)管采用直徑為3cm的小孔徑PVC管11，小孔徑PVC管11外側(cè)埋設(shè)直徑為5cm的大孔徑PVC管12，小孔徑PVC管11與大孔徑PVC管12為同心圓布置狀態(tài)，大孔徑PVC管12的長度應(yīng)比上煤層10埋深大5cm，小孔徑PVC管11長度比下煤層埋深大5cm ο
[0036]—種基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)方法，其步驟如下:
[0037]a.利用沙子、碳酸鈣、石膏與水按配比在模擬箱I中從下向上鋪設(shè)模擬煤層、模擬巖層3和模擬松散層4構(gòu)成模擬煤巖層，在鋪設(shè)模擬巖層3和模擬松散層4過程中，埋設(shè)插入模擬箱I底部模擬煤層的導(dǎo)管，導(dǎo)管的頂端出露模擬松散層4;
[0038]b.等待煤巖層模型成型干燥之后，拆卸模擬箱I兩側(cè)面板，將導(dǎo)管從成型的煤巖層模型中抽出后構(gòu)成模擬地面鉆孔，按照與現(xiàn)場時(shí)間相似比例為I: 10、尺寸相似比例為1:100的相似比例，從左至右留設(shè)一定邊界煤柱開采模擬煤層，開采速度為每15分鐘5cm;
[0039]c.在模擬工作面8開采煤層的過程中，每開采一次，即前進(jìn)5cm，就使用帶有標(biāo)尺的微型鉆孔窺視儀7深入模擬地面鉆孔，并對(duì)模擬地面鉆孔的孔壁錯(cuò)動(dòng)破壞動(dòng)態(tài)情況進(jìn)行觀測采集，采集模擬地面鉆孔孔壁發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的高度范圍、錯(cuò)動(dòng)量大小；同時(shí)，對(duì)覆巖的破斷運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行記錄，包括覆巖破壞高度、裂隙發(fā)育范圍。
[0040]當(dāng)進(jìn)行單一煤層開采條件下的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)時(shí)，所述步驟a中的模擬地面鉆孔為模擬單一煤層條件下模擬地面鉆孔6，使用的導(dǎo)管為直徑3cm的PVC管5，PVC管5的長度以出露模擬松散層4頂界面5cm為宜。
[0041]當(dāng)進(jìn)行煤層群開采條件下的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)時(shí)，所述的模擬地面鉆孔為煤層群條件下模擬地面鉆孔13，使用的導(dǎo)管為組合管結(jié)構(gòu)，所述組合管結(jié)構(gòu)包括垂直設(shè)置長度比下煤層9埋深大5cm直徑為3cm的小孔徑PVC管11，小孔徑PVC管11外側(cè)同心圓布置有直徑為5cm的大孔徑PVC管12，大孔徑PVC管12的長度應(yīng)比上煤層1埋深大5cm;
[0042]當(dāng)進(jìn)行煤層群開采條件下的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)時(shí)的步驟c為:
[0043]上煤層10采完后，由于上煤層10至地表段的煤層群條件下模擬地面鉆孔13受采動(dòng)影響產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)及破裂，為避免其對(duì)重復(fù)采動(dòng)條件下鉆孔觀測的影響，采用充填膠體14重塑鉆孔壁:
[0044]首先，用直徑為3cm的小孔徑PVC管11從地表插入下煤層9頂部，利用注射器15在上煤層采動(dòng)覆巖對(duì)應(yīng)小孔徑PVC管11與孔壁之間注入充填膠體14，直至充填膠體14充滿PVC管11與孔壁之間的空隙，所述充填膠體14由碳酸鈣、石膏和乳膠混合均勻攪拌制成，碳酸鈣、石膏、乳膠按1g:1Og:3ml比例混合；
[0045]其次，等待充填膠體14膠結(jié)成形，將PVC管11拔出，從而使通過小孔徑PVC管11和大孔徑PVC管12模擬構(gòu)成的上大下小的鉆孔修復(fù)為上下孔距都是3cm，孔徑大小和下煤層鉆孔孔徑相同，重塑鉆孔壁要求光滑完整，沒有明顯裂隙，不影響二次觀測。
[0046]所述充填膠體14由碳酸鈣、石膏和乳膠混合均勻攪拌制成，碳酸鈣、石膏、乳膠按10g:1Og:3ml比例混合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形反演覆巖破斷規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:它包括兩側(cè)面板可以開合的模擬箱(I)和視頻監(jiān)控裝置，模擬箱(I)內(nèi)鋪有多層模擬煤巖層，所述煤巖層包括鋪在模擬箱(I)底部的模擬煤層，模擬煤層上方設(shè)有模擬巖層(3)，模擬煤層根據(jù)試驗(yàn)需要設(shè)定鋪設(shè)，最上方設(shè)有模擬松散層(4); 所述煤巖層上方垂直向下設(shè)有多個(gè)深度直至模擬箱(I)最下層的模擬煤層處用于模擬構(gòu)建地面鉆孔的導(dǎo)管； 所述視頻監(jiān)控裝置包括微型鉆孔窺視儀(7)和通過線路與其連接的上位機(jī)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形反演覆巖破斷規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述模擬煤層和模擬巖層(3)由沙子、碳酸鈣、石膏混合均勻后加水?dāng)嚢柚瞥?，其中模擬巖層(3)包括模擬軟巖層和模擬硬巖層。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形反演覆巖破斷規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述模擬煤層和模擬巖層(3)使用的沙子、碳酸鈣、石膏與水質(zhì)量比為7:1?9:1;模擬煤層的沙子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量按相似模擬配比號(hào)773配比，并添加煤粉著色;模擬巖層(3)由沙子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量按相似模擬配比號(hào)573配比模擬軟巖層，由沙子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量按配比號(hào)337配比模擬硬巖層;模擬松散層(4)的沙子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量按相似模擬配比號(hào)773配比。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形反演覆巖破斷規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:當(dāng)進(jìn)行單一煤層開采條件下的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)時(shí)，模擬箱(I)內(nèi)的煤巖層中模擬煤層為單一煤層條件下模擬煤層(2)，并被設(shè)置在模擬箱(I)最底部，單一煤層條件下模擬煤層(2)上設(shè)有多層模擬巖層(3);此時(shí)所述導(dǎo)管采用直徑為3cm的PVC管(5)，PVC管(5)埋設(shè)深度直至單一煤層條件下模擬煤層(2)處，PVC管(5)的長度以出露模擬松散層(4)頂界面5cm為宜，孔心位置位于模型寬度中央。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形反演覆巖破斷規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:當(dāng)進(jìn)行煤層群開采條件下的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)時(shí)，模擬箱(I)內(nèi)的煤巖層中模擬煤層分別為設(shè)在底部的模擬下煤層(9)，模擬下煤層(9)上設(shè)有模擬巖層(3)，模擬巖層(3)上設(shè)有模擬上煤層(10);此時(shí)導(dǎo)管采用直徑為3cm的小孔徑PVC管(11)，小孔徑PVC管(11)外側(cè)埋設(shè)直徑為5cm的大孔徑PVC管(12)，小孔徑PVC管(11)與大孔徑PVC管(12)為同心圓布置狀態(tài)，大孔徑PVC管(12)的長度應(yīng)比上煤層(1)埋深大5cm，小孔徑PVC管(11)長度比下煤層埋深大5cmο6.—種使用權(quán)利要求1、4或5所述實(shí)驗(yàn)裝置的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于步驟如下: a.利用沙子、碳酸鈣、石膏與水按配比在模擬箱(I)中從下向上鋪設(shè)模擬煤層、模擬巖層(3)和模擬松散層(4)構(gòu)成模擬煤巖層，在鋪設(shè)模擬巖層(3)和模擬松散層(4)過程中，埋設(shè)插入模擬箱(I)底部模擬煤層的導(dǎo)管，導(dǎo)管的頂端出露模擬松散層(4); b.等待煤巖層模型成型干燥之后，拆卸模擬箱(I)兩側(cè)面板，將導(dǎo)管從成型的煤巖層模型中抽出后構(gòu)成模擬地面鉆孔，按照與現(xiàn)場時(shí)間相似比例為1:10、尺寸相似比例為1:100的相似比例，從左至右留設(shè)一定邊界煤柱開采模擬煤層，開采速度為每15分鐘5cm; c.在模擬工作面(8)開采煤層的過程中，每開采一次，就使用帶有標(biāo)尺的微型鉆孔窺視儀(7)深入模擬地面鉆孔，并對(duì)模擬地面鉆孔的孔壁錯(cuò)動(dòng)破壞動(dòng)態(tài)情況進(jìn)行觀測采集，采集模擬地面鉆孔孔壁發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的高度范圍、錯(cuò)動(dòng)量大?。煌瑫r(shí)，對(duì)覆巖的破斷運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行記錄，包括覆巖破壞高度、裂隙發(fā)育范圍。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形反演覆巖破斷規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:當(dāng)進(jìn)行單一煤層開采條件下的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)時(shí)，所述步驟a中的模擬地面鉆孔為模擬單一煤層條件下模擬地面鉆孔(6)，使用的導(dǎo)管為直徑3cm的PVC管(5)，PVC管(5)的長度以出露模擬松散層(4)頂界面5cm為宜。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形反演覆巖破斷規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:當(dāng)進(jìn)行煤層群開采條件下的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)時(shí)，所述的模擬地面鉆孔為煤層群條件下模擬地面鉆孔(13)，使用的導(dǎo)管為組合管結(jié)構(gòu)，所述組合管結(jié)構(gòu)包括垂直設(shè)置長度比下煤層(9)埋深大5cm直徑為3cm的小孔徑PVC管(11)，小孔徑PVC管(11)外側(cè)同心圓布置有直徑為5cm的大孔徑PVC管(12)，大孔徑PVC管(12)的長度應(yīng)比上煤層(10)埋深大5cm。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形反演覆巖破斷規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:當(dāng)進(jìn)行煤層群開采條件下的基于地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形的覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律反演實(shí)驗(yàn)時(shí)的步驟c為: 上煤層(10)采完后，由于上煤層(10)至地表段的煤層群條件下模擬地面鉆孔(13)受采動(dòng)影響產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)及破裂，為避免其對(duì)重復(fù)采動(dòng)條件下鉆孔觀測的影響，采用充填膠體(14)重塑鉆孔壁: 首先，用直徑為3cm的小孔徑PVC管(11)從地表插入下煤層(9)頂部，利用注射器(15)在上煤層采動(dòng)覆巖對(duì)應(yīng)小孔徑PVC管(11)與孔壁之間注入充填膠體(14)，直至充填膠體(14)充滿PVC管(11)與孔壁之間的空隙； 其次，等待充填膠體(14)膠結(jié)成形，將PVC管(11)拔出，從而使通過小孔徑PVC管(11)和大孔徑PVC管(12)模擬構(gòu)成的上大下小的鉆孔修復(fù)為上下孔距都是3cm，孔徑大小和下煤層鉆孔孔徑相同，重塑鉆孔壁要求光滑完整，沒有明顯裂隙，不影響二次觀測。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的地面鉆孔錯(cuò)動(dòng)變形反演覆巖破斷規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:所述充填膠體(14)由碳酸鈣、石膏和乳膠混合均勻攪拌制成，碳酸鈣、石膏、乳膠按1g:1Og:3ml比例混合。
【文檔編號(hào)】G01N33/24GK106093341SQ201610372651
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】鞠金峰, 朱衛(wèi)兵, 張廣磊, 李竹, 溫嘉輝
【申請(qǐng)人】中國礦業(yè)大學(xué)