[发明专利]厚表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置及方法

说明书

本发明提供一种厚表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置及方法，模型试验装置包括模型架、模拟地层、配重块和数据监测系统，所述模拟地层自下而上依次包括底板、煤层、薄基岩层、底部含水层和厚表土层，所述配重块位于所述模拟地层的上方；所述底部含水层由若干承压水袋组成，所述数据监测系统包括竖向光纤、横向光纤和数据采集器，所述竖向光纤和所述横向光纤均布置在所述模拟地层内，所述竖向光纤和所述横向光纤均与所述数据采集器通讯连接。利用该试验装置及方法能够对煤层开采效应和底含疏水效应两者共同作用下地层沉陷规律进行试验，探究采煤诱发的薄基岩裂隙演化与分布规律，揭示厚表土底部承压含水层疏水规律及其渗流场演化机理。

技术领域

本发明涉及矿山建设领域，特别涉及一种厚表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置及方法。

背景技术

近年来，随着我国的煤炭资源逐步进入深部开采，黄淮地区煤炭资源普遍出现厚表土薄基岩的赋存条件。随着大中型矿井对地下煤炭资源的大量开采，形成采空区，地下岩体结构和应力状态发生很大变化。经研究分析表明，随着厚表土薄基岩下煤炭资源的大量开采，采空区上覆岩层导水裂隙带导通厚表土底部含水层时，底含水极易通过基岩导水裂隙带大量疏降，造成底含水资源大量流失，形成地下水运移，水位显著降低，发生二次固结沉降，这种由于采煤作用引起的底含疏水沉降，进而对地表产生的附加沉降变形已无法忽视。上世纪80年代后期至今，国内外学者针对煤矿开采对上覆基岩地下水渗流场影响开展了研究，取得了一定成果，但有关厚表土薄基岩下煤层开采对厚表土底部承压含水层疏水及厚表土与薄基岩地下水渗流场间的水力联系方面研究较少。

在开采沉陷研究方面，现有研究常局限在单独煤层开采对地表沉陷的影响，虽然部分学者也考虑了表土层变形与基岩层变形的差异性，但这些研究也仅从参数选取上将表土层与基岩进行区别处理，未考虑表土层受采煤活动影响，在其沉陷变形过程中产生的水土耦合作用，忽略了厚表土薄基岩多种介质和多场耦合作用的特征。现有煤层开采沉陷模型试验主要研究煤层开采对上覆地层三带分布及其地层沉陷规律的影响，均未考虑开采效应对厚表土底部含水层疏水及其渗流场演化的影响。

考虑到厚表土底部含水层属于承压含水层，其疏水固结沉降特性与浅部潜水地层的疏水显著不同。鉴于目前针对厚表土薄基岩底部含水层疏水规律研究方面尚无模型试验装置及有效可行的试验方法，为揭示厚表土层底含疏水规律与渗流场演化机理及其在沉陷变形过程中水土耦合作用机制，并进一步完善厚表土薄基岩地层沉陷机理研究，搭建厚表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置并确定试验方法迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种厚表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置及方法，利用该试验装置及方法能够对煤层开采效应和底含疏水效应两者共同作用下地层沉陷移动变形规律进行试验，探究厚表土薄基岩下煤层开采诱发的薄基岩裂隙分布特性和演化规律，进一步揭示厚表土底部承压含水层疏水规律及其渗流场演化机理。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种厚表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置，包括模型架、模拟地层、配重块和数据监测系统，其中，所述模型架用于容纳所述模拟地层和所述配重块；所述模拟地层自下而上依次包括底板、煤层、薄基岩层、底部含水层和厚表土层，所述配重块位于所述模拟地层的上方，所述配重块能够为所述模拟地层提供压力；所述底部含水层由若干承压水袋组成，所述承压水袋内填充有水，所述承压水袋的放水能够模拟实际地层中的底部含水层的疏水；所述数据监测系统包括竖向光纤、横向光纤和数据采集器，所述竖向光纤和所述横向光纤均布置在所述模拟地层内，所述竖向光纤和所述横向光纤均与所述数据采集器通讯连接。

进一步地，在上述的试验装置中，所述模型架为立方体的框架结构，所述模型架包括底挡板、顶挡板和两块侧挡板，所述底挡板的两端分别与两块所述侧挡板的底端连接，所述顶挡板的两端分别与两块所述侧挡板的顶端连接；