半空间瞬变电磁煤矿采空区模拟实验装置及方法
阅读说明：本技术 半空间瞬变电磁煤矿采空区模拟实验装置及方法 (Semi-space transient electromagnetic coal mine goaf simulation experiment device and method ) 是由 戚庭野 张帆 冯国瑞 卫潇雅 白锦文 崔家庆 牛小红 崔博强 王昊晨 于 2021-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种半空间瞬变电磁煤矿采空区模拟实验装置及方法,属于煤矿开采技术领域。该装置包括外部支撑架体、内部隔板和检测部件；外部支撑架体由四块板拼接而成,其内侧设置有多组支撑内部隔板的支撑柱,并且外部支撑架体的左右两侧板、后侧板均留有用于注水的小孔；内部隔板放置在外部支撑架体的支撑柱上,隔板内部填充模拟煤矿采空区的土体和水,在隔板的端部设有用于注水的小孔,并且小孔的位置和外部支撑架体的小孔位置相重合。本发明结构简单,可以模拟不同范围、不同埋深的煤矿采空区,采用非金属材料制作,对瞬变电磁干扰小,非常有利于开展半空间瞬变电磁勘探煤矿采空区模拟实验。(The invention discloses a half-space transient electromagnetic coal mine goaf simulation experiment device and method, and belongs to the technical field of coal mining. The device comprises an external support frame body, an internal clapboard and a detection part; the external support frame body is formed by splicing four plates, a plurality of groups of support columns for supporting the internal partition plate are arranged on the inner side of the external support frame body, and small holes for water injection are reserved in the left side plate, the right side plate and the rear side plate of the external support frame body; the inside baffle is placed on the support column of outside support body, and the inside soil body and the water of filling simulation coal mine collecting space area of baffle are equipped with the aperture that is used for the water injection at the tip of baffle to the aperture position coincides mutually with the aperture position of outside support body. The simulation device has a simple structure, can simulate coal mine goafs in different ranges and different burial depths, is made of non-metal materials, has small transient electromagnetic interference, and is very favorable for developing a simulation experiment of semi-space transient electromagnetic exploration coal mine goafs.)
技术领域
本发明涉及一种半空间瞬变电磁煤矿采空区模拟实验装置及方法，属于煤矿开采技术领域。
背景技术
煤炭资源是一种重要的自然资源，随着煤炭的开采利用，地下形成越来越多的采空区。由于煤矿开发利用过程中地下地质体比较复杂，如果没有充分考虑复杂地质情况对于煤矿开采工作的影响就容易发生煤矿事故。煤矿采空区引起的煤矿事故主要有矿井突水，一旦发生矿井突水事故，工作面上的人员和设备都会受到威胁。因此，为了降低在煤矿开采过程中遭遇突水事故的风险，最有效的办法是利用瞬变电磁法提前探明煤矿采空区的分布情况，并根据下方的地质情况预先制定合理的处理措施和施工方案。
如何探明地下采空区，提前规避及早预防因采空区而导致的矿井突水事故如今受到了越来越多的重视。
目前用于对实际煤矿采空区进行研究的主要手段有实地探测、数值模拟和模型实验三类。实地探测是最直接的研究方法，作业人员直接在地表布置测线对下方进行探测，但受到周围生活生产用电设施的影响，测线有时难以布置，探测效果也不理想。数值模拟是一种抽象出来的数值模型，只能得出一般规律，但是，由于数值模拟是处于完全理想的状态下进行的演算，导致数值模拟的结果和实际情况相差甚远。模型实验是按照一定的比例对实际地层进行模拟，可以实现避免干扰并且贴近实际，既可以得到更好的实验结果又可以缩短试验周期。
目前用于模拟煤矿采空区的物探实验装置尚未开发出，而现有的一些装置，只能实现单一工况下的模拟实验，不能实现煤矿采空区在各种不同工况下的灵活模拟。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种用于煤矿采空区勘探的半空间瞬变电磁煤矿采空区模拟实验装置及方法，本发明可以灵活模拟多种工况下的煤矿采空区，更加方便高效。
本发明提供了一种用于煤矿采空区勘探的半空间瞬变电磁煤矿采空区模拟实验装置，包括外部的支撑架体、内部隔板和检测部件；外部支撑架体由四块板拼接而成，分别为底板、左、右侧板、后侧板，其内侧设置有多组支撑内部隔板的支撑柱，并且外部支撑架体的左、右侧板、后侧板均留有用于注水的小孔，内部隔板放置在外部支撑架体的支撑柱上，隔板内部填充模拟煤矿采空区的土体和水，并且内部隔板分为两类，第一类为竖向隔板，第二类为横向槽型隔板，分别实现采空区土体和水的横向、纵向侧线检测；内部隔板上留有用于注水的小孔，并且小孔的位置和外部支撑架体的小孔位置相对应。
检测部件包括：蓄电池、滑动变阻器、发射机、接收装置、以及发射线框和接收线框；蓄电池通过滑动变阻器和发射机相连，滑动变阻器用于控制电流大小。发射线框和发射机的正负接线柱相连，发射机给发射线框输送电流。接收线框和接收装置相连接，接收线框用于接收地层的电磁感应。发射线框和接收线框由多根多芯漆包线组成，这种线电阻率高且线径小能有效的增加信号噪声比率，能最大程度的抑制自耦合效应。
所述的发射线框以及接收线框，在顶部测线为左右方向布置，测线上有若干测点，具体的测点数由探测精度要求决定。发射线框和接收线框重合放置并且所观测的测点位于发射线框和接收线框的中心，当观测完一个测点后，挪动发射线框和接收线框使下一个测点位于发射线框和接收线框的中心。
进一步地，支撑架体的左右两侧板内壁分别设有支撑柱，支撑柱为左右对称的圆柱体，且支撑柱之间均匀间隔开。所述内部隔板水槽通过支撑架体上的支撑柱放置在支撑架体上。
进一步地，所述内部隔板设有两类：第一类为用于前后隔断的竖向隔板，第二类为用于上下隔断的槽型隔板，槽型隔板为由底板及侧向四块板组成的方形槽结构，且第二类隔板包括以下任一种：①槽型隔板内部设有若干条纵向分隔板，形成若干长条形槽结构，且其前后两侧与支撑架体对应位置设有通孔；②槽型隔板内部设有若干条横向分隔板，形成若干长条形槽结构，且其左右两侧与支撑架体对应位置设有通孔；③槽型隔板内部设有若干条横向和纵向的分隔板，形成若干小块方形槽结构，且其前后、左右侧与支撑架体对应位置均设有通孔。上述第二类隔板中①、②、③的功能都是为了容纳土体和水，同时可以在同一埋深上将土体和水分隔开，就好像在同一埋深的煤层中有积水的采空区也有煤层一样。之所以分三类是考虑了模拟相对于地层不同开采方向的煤层而形成的采空区，这是因为不同的方向对于地面相应特征会有影响，就好像采空区是一个长方形，而长方形的长边与地面测线是垂直还是平行对探测效果会有影响。
上述装置中，外部支撑架体和内部隔板的左右两侧和后侧均留有用于注水的小孔，并且小孔位置要相重合。进一步地，用于注水的小孔有上下多层多列，并且小孔为圆形。
上述装置中，所述外部支撑架体和内部隔板均采用钢化玻璃材料制作。本发明实验装置为了减少对瞬变电磁场的干扰，均采用非金属材料。
本发明提供了一种用于煤矿采空区勘探的半空间瞬变电磁煤矿采空区模拟实验方法，对于不同范围，不同走向，不同埋深的煤矿采空区，通过不同内部隔板的组合和在不同位置处注水可以实现物理模拟。上述实验方法具体包括以下步骤：
第一，根据实际的煤矿采空区埋深，范围，按照相似比确定模型中的采空区的位置；
第二，根据采空区的位置和范围选取合适的内部隔板；
第三，将选定的内部隔板通过支撑柱放置在外部支撑架体上；
第四，将内部隔板的相应位置处，即用于模拟积水采空区的位置注入水，其它位置填充土体；
第五，将装置的相应位置处，即模拟积水采空区的位置填土注水后，在顶部土层进行标记，标明注水位置，并且标记测线及测点位置，在顶部布设发射线框以及接收线框，将发射线框连接发射机，接收线框连接接收机，进行半空间瞬变电磁模拟实验研究；
实验时，只需将隔板填充好土体后再将其放置在支撑架体的支撑柱上，通过预留小孔向水槽中注水，便可以在支撑架体的顶部放置发射线框和接收线框进行模拟实验研究。本发明结构简单，可以模拟不同范围、不同埋深的煤矿采空区，对瞬变电磁干扰小。本发明的实际应用过程操作简单，使用前根据实际相似情况选取合适的隔板水槽放置在合适的位置，同时在内部隔板水槽的相应位置填充土体和水。绝大多数情况只用第二类隔板进行模拟即可，当采空区的前后方向尺寸大于左右方向尺寸时用①隔板，当采空区的左右方向尺寸大于前后方向尺寸时用②隔板，当采空区的前后方向尺寸和左右方向尺寸近似时用③隔板。
本发明的有益效果：
（1）结构简单，操作方便，采用非金属材料制作，对于瞬变电磁的干扰小，有利于开展半空间瞬变电磁勘探煤矿采空区模拟实验；
（2）利用该实验装置进行模拟实验时，通过变换不同的水槽隔板组合，可以方便灵活的实现不同埋深、不同范围的煤矿采空区进行有效的模拟研究。
附图说明
图1是本发明外部支撑架体的结构图。
图2是在外部支撑架体中插入第一类隔板后的结构图。
图3是在外部支撑架体中插入第二类隔板①的结构图。
图4是在外部支撑架体中插入第二类隔板②的结构图。
图5是在外部支撑架体中插入第二类隔板③的结构图。
图6是第一类隔板的结构示意图。
图7是第二类隔板①的结构示意图。
图8是第二类隔板②的结构示意图。
图9是第二类隔板③的结构示意图。
图10为使用状态示意图。
图中，1、支撑架体，2、支撑柱，3、孔，4、竖向隔板，5、槽型隔板，6、分隔板，7、蓄电池，8、滑动变阻器，9、发射机,10、接收装置，11、发射线框，12、接收线框，13、采空区，14、泥岩、15、均匀半空间。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
如图1~9所示，一种用于煤矿采空区勘探的半空间瞬变电磁煤矿采空区模拟实验装置，包括外部的支撑架体1、内部隔板和检测部件；外部支撑架体1由四块板拼接而成，分别为底板、左、右侧板、后侧板，其内侧设置有多组支撑内部隔板的支撑柱2，并且外部支撑架体1的左、右侧板、后侧板均留有用于注水的小孔，内部隔板放置在外部支撑架体的支撑柱2上，隔板内部填充模拟煤矿采空区的土体和水，并且内部隔板分为两类，第一类为竖向隔板4，第二类为横向槽型隔板5，分别实现采空区土体和水的横向、纵向侧线检测；内部隔板上留有用于注水的小孔3，并且小孔的位置和外部支撑架体的小孔位置相对应。
检测部件包括：蓄电池7、滑动变阻器8、发射机9、接收装置10、以及发射线框11和接收线框12；蓄电池通过滑动变阻器和发射机相连，滑动变阻器用于控制电流大小。发射线框和发射机的正负接线柱相连，发射机给发射线框输送电流。接收线框和接收装置相连接，接收线框用于接收地层的电磁感应。发射线框和接收线框由多根多芯漆包线组成，这种线电阻率高且线径小能有效的增加信号噪声比率，能最大程度的抑制自耦合效应。
进一步地，支撑架体1的左右两侧板内壁分别设有支撑柱2，支撑柱2为左右对称的圆柱体，且支撑柱之间均匀间隔开。所述内部隔板通过支撑架体上的支撑柱2放置在支撑架体1上。
进一步地，所述内部隔板设有两类：第一类为用于前后隔断的竖向隔板4，第二类为用于上下隔断的槽型隔板5，槽型隔板为由底板及侧向四块板组成的方形槽结构，且第二类隔板包括以下任一种：①槽型隔板内部设有若干条纵向分隔板6，形成若干长条形槽结构，且其前后两侧与支撑架体对应位置设有通孔；②槽型隔板内部设有若干条横向分隔板6，形成若干长条形槽结构，且其左右两侧与支撑架体对应位置设有通孔；③槽型隔板内部设有若干条横向和纵向的分隔板，形成若干小块方形槽结构，且其前后、左右侧与支撑架体对应位置均设有通孔；①、②、③的功能都是为了容纳土体和水，同时可以在同一埋深上将土体和水分隔开，就好像在同一埋深的煤层中有积水的采空区也有煤层一样。之所以分三类是考虑了模拟相对于地层不同开采方向的煤层而形成的采空区，这是因为不同的方向对于地面相应特征会有影响，就好像采空区是一个长方形，而长方形的长边与地面测线是垂直还是平行对探测效果会有影响。
上述装置中，外部支撑架体1和内部隔板的左右两侧和后侧均留有用于注水的小孔3，并且小孔位置要相重合。进一步地，用于注水的小孔有上下多层多列，并且小孔为圆形。
上述装置中，所述外部支撑架体1和内部隔板均采用钢化玻璃材料制作。本发明实验装置为了减少对瞬变电磁场的干扰，均采用非金属材料。
本发明提供了一种用于煤矿采空区勘探的半空间瞬变电磁煤矿采空区模拟实验方法，对于不同范围，不同走向，不同埋深的煤矿采空区，通过不同内部隔板的组合和在不同位置处注水可以实现物理模拟。上述实验方法具体包括以下步骤：
第一，根据实际的煤矿采空区埋深，范围，按照相似比确定模型中的采空区的位置；
第二，根据采空区的位置和范围选取合适的内部隔板；
第三，将选定的内部隔板通过支撑柱放置在外部支撑架体上；
第四，将内部隔板的相应位置处是指用于模拟积水采空区的位置注入水，其它位置填充土体；
第五，将装置的相应位置处是指用于模拟积水采空区的位置填土注水后，在顶部土层进行标记，标明注水位置，并且标记测线及测点位置，在顶部布设，将发射线框连接发射机，接收线框连接接收机，进行半空间瞬变电磁模拟实验研究；发射线框以及接收线框在顶部测线为左右方向布置，测线上有若干测点，具体的测点数由探测精度要求决定。发射线框和接收线框重合放置并且所观测的测点位于发射线框和接收线框的中心，当观测完一个测点后，挪动发射线框和接收线框使下一个测点位于发射线框和接收线框的中心；
实验时，只需将隔板填充好土体后再将其放置在支撑架体的支撑柱上，通过预留小孔向水槽中注水，便可以在支撑架体的顶部放置发射线框和接收线框进行模拟实验研究。本发明结构简单，可以模拟不同范围，不同埋深的煤矿采空区，对瞬变电磁干扰小。本发明的实际应用过程操作简单，使用前根据实际相似情况选取合适的隔板水槽放置在合适的位置，同时在内部隔板水槽的相应位置填充土体和水。绝大多数情况只用第二类隔板进行模拟即可，当采空区的前后方向尺寸大于左右方向尺寸时用①隔板，当采空区的左右方向尺寸大于前后方向尺寸时用②隔板，当采空区的前后方向尺寸和左右方向尺寸近似时用③隔板。
模拟试验部分：按照如图所示位置关系布置地层、煤层以及采空区，测线以及发射线框和接收线框。将蓄电池、发射机、发射线框用导线相连接，将接收线框和接收装置用导线相连接，对每个测点依次观测。
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