厚表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置及方法

1.一种厚表土薄基岩底部含水层疏水规律模型试验装置，其特征在于，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；所述模拟地层内的土体均为实际地层的相似材料，所述底板、所述煤层、所述薄基岩层和所述厚表土层内的所述相似材料由砂、石灰、石膏和水按照不同配置比制成；每个所述承压水袋的厚度为200mm~400mm、宽度与所述模型架的宽度相同、长度为200mm~400mm，所述承压水袋的个数为所述模型架的有效模拟长度/所述承压水袋的长度；所述承压水袋内还填充有细砂、粗砂和砾石，所述细砂的粒径为0.25mm~0.35mm，所述粗砂的粒径为0.5mm~2mm，所述砾石的粒径为2mm~10mm；在所述承压水袋内，所述细砂、所述粗砂和所述砾石的体积之和与水的体积比为1∶1，所述细砂、所述粗砂和所述砾石的质量比为2∶2∶1；所述承压水袋的后侧壁设置有疏水口，所述疏水口连通有疏水管的一端，所述疏水管能够将所述承压水袋内的水排出至所述模型架外；所述疏水管上设置有球阀，所述球阀可控制所述承压水袋的疏水时间、疏水速度和疏水量；所述疏水管的另一端连通有量杯桶，所述承压水袋的疏水量能够通过所述量杯桶进行测量；相邻的两个所述承压水袋之间通过导管连接，所述承压水袋的左右两侧壁均连通有所述导管，相邻的两个所述承压水袋的两个所述导管通过水袋连接阀连通；在所述底部含水层内，若干所述承压水袋由所述模型架的左端依次横向铺设至所述模型架的右端，每个所述承压水袋均可独立放水卸压用以模拟所述实际地层的底部含水层的疏水过程。 2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，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；所述模型架的前表面自下而上铺设有若干前护板，每块所述前护板的两端均与两块所述侧挡板连接，所述模型架的后表面自下而上铺设有若干后护板，每块所述后护板的两端均与两块所述侧挡板连接；每块所述后护板上均设置有多个孔。 3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，所述底挡板、所述顶挡板、所述侧挡板、所述前护板和所述后护板均分别由U型钢制成。 4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述底板的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏=6∶6∶4，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10%；所述煤层的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏=6∶7∶3，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10%；所述薄基岩层的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏=4∶5∶5，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10%；所述厚表土层的相似材料按质量配置比为：砂∶石灰∶石膏=6∶9∶1，水的质量为砂、石灰和石膏质量之和的10%。 5.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于，在所述底板、所述煤层、所述薄基岩层和所述厚表土层内的所述相似材料在所述模型架内由下至上分层铺设，每层所述相似材料的厚度为20mm~30mm，相邻的两层所述相似材料之间均铺设有云母粉。 6.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述模拟地层的长度与所述实际地层之间的几何相似比为1/（100~200），所述实际地层的密度与所述相似材料的密度相似比为1.67、时间相似比为10~14.14、应力相似比为167~334。 7.根据权利要求6所述的试验装置，其特征在于，所述承压水袋为立方体结构。 8.根据权利要求6所述的试验装置，其特征在于，所述承压水袋上表面开有填料口，所述填料口用于向所述承压水袋内填充水、所述细砂、所述粗砂和所述砾石，所述填料口采用填料口盖密封，所述填料口与所述填料口盖之间为螺纹连接。 9.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述横向光纤在所述底板设置有1条、在所述薄基岩层和所述厚表土层内分别布置1~3条，每条所述横向光纤均横向布置，所述竖向光纤由左到右布置6-10条，每条所述竖向光纤均竖向布置；当所述薄基岩层和所述厚表土层内所述横向光纤的数量大于1条时，所述薄基岩层或所述厚表土层内相邻的两条所述横向光纤之间的垂直距离为200mm~500mm；相邻的两条所述竖向光纤之间的垂直距离为200mm~500mm；在所述模拟地层内，所述横向光纤和所述竖向光纤为一整根分布式光纤，所述分布式光纤通过折线形式布置；所述分布式光纤在转角处均采用圆弧形过渡，所述圆弧的角度为90度，所述圆弧的半径为50mm~100mm；所有所述横向光纤和所述竖向光纤的轴线位于一个竖向的平面内。 10.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，在所述模型架的上部设置有光纤悬挂绳，所述光纤悬挂绳用于固定所述竖向光纤的顶端；在所述模型架的底部设置有若干固定砖，所述固定砖用于固定所述竖向光纤的底端；所述固定砖的长度与相邻的两条所述竖向光纤之间的垂直距离相同，所述固定砖的两端采用软泡沫包裹。 11.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述数据监测系统还包括若干应变片，若干所述应变片均布置在所述模拟地层内，若干所述应变片均与所述数据采集器通讯连接；所述应变片在底板内布置有1排，应变片在所述薄基岩层和所述厚表土层内分别布置1~2排，每排应变片均是横向布置，每排内相邻的两个所述应变片之间的距离为200mm~400mm，当薄基岩层和厚表土层内布置有两排应变片时，两排所述应变片之间的垂直距离为300mm~600mm；所述应变片为康铜丝应变片；所有所述应变片的中心位于一个竖向的平面内。 12.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述数据监测系统还包括若干土压力盒，若干所述土压力盒均布置在所述模拟地层内，若干所述土压力盒均与所述数据采集器通讯连接；在所述底板、所述薄基岩层、所述厚表土层内分别布置1排所述土压力盒，每排所述土压力盒均横向布置，每排内相邻的两个所述土压力盒之间的距离为200mm~400mm；所述土压力盒的直径为15mm~20mm、高度为6mm~10mm、量程为0.1MPa~1MPa；所有所述土压力盒的中心位于一个竖向的平面内。 13.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，还包括变形监测系统，所述变形监测系统包括若干条表面监测线，若干条所述表面监测线均匀布置在所述模拟地层的前表面，其中，部分所述表面监测线横向布置、其他所述表面监测线竖向布置，横向布置的所述表面监测线与竖向布置的所述表面监测线的交点处均设置有表面监测点，每个所述表面监测点设置有一个测标；横向布置的所述表面监测线与竖向布置的所述表面监测线均正交设置；相邻的两条横向布置的所述表面监测线之间的垂直距离为50mm~100mm，相邻的两条竖向布置的所述表面监测线之间的垂直距离为50mm~100mm；所述变形监测系统还包括数字相机，所述数字相机能够对所述表面监测点和所述表面监测线进行拍摄，通过若干所述测标的移动监测试验过程中所述模拟地层的移动变形，通过所述表面监测线的变形和断裂监测试验过程中所述模拟地层的土体垮落和裂隙扩展。 14.利用权利要求1至13中的任一项所述的模型试验装置进行厚表土薄基岩底部含水层疏水规律试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）确定相似比：采用方程分析法和量纲分析法推导厚表土薄基岩底部含水层疏水规律试验的相似准则；（2）选择模型架：选择并安装模型架，模型架的规格根据实际地层尺寸及几何相似比确定；（3）配料：根据相似准则和实际地质条件配制模拟地层的相似材料；（4）布置竖向光纤：借助光纤悬挂绳和固定砖在模型架内布置竖向光纤；（5）安装前护板和后护板：清理底挡板、侧挡板、前护板和后护板，在前护板和后护板内侧涂刷润滑油防止护板与模拟地层粘结，首先在模型架前表面安装一块前护板，在模型架的后表面安装一块后护板；（6）填料：在模型架内由下至上依次铺设底板的相似材料、煤层的相似材料和薄基岩层的相似材料，在薄基岩层的上方由左至右安装底部含水层的承压水袋，相邻的两条竖向光纤之间安装一个承压水袋，若干承压水袋覆盖在薄基岩层的相似材料之上，然后在底部含水层的上方铺设厚表土层的相似材料至模型设计高度并压实、压平；在填料过程中，随着模拟地层相似材料的铺设，由下至上依次安装前护板和后护板；在铺设相似材料和承压水袋的同时铺设横向光纤、应变片和土压力盒，竖向光纤、横向光纤、应变片和土压力盒均为监测元件，所有监测元件的引线经后护板上的传感器出线孔引出并与数据采集器连接，承压水袋的疏水管经后护板上的疏水管引出孔引出并在疏水管的末端接上球阀；（7）加重：待模拟地层的相似材料铺设到模型设定高度后，在相似材料的上面覆盖胶皮，然后在胶皮上方铺设配重块，通过配重块对模拟地层施加自重应力；（8）养护：完成步骤（7）后养护7~14天，期间应记录每天的温度、湿度；（9）拆模：在完成步骤（8）后由上至下每天拆除一块前护板和一块后护板，与配重块和底部含水层对应的前护板和后护板不可拆除；（10）风干：在完成步骤（9）后继续风干3~5天至模型的相似材料达到设计强度；（11）监测点的布设：在模拟地层的前表面刷白色碳酸钙，然后在模拟地层的前表面布设表面监测线并设置监测点，在监测点上设置测标，在模型架的底挡板、顶挡板和侧挡板上分别粘贴若干参考点，在试验前利用数字相机对所有测标进行拍摄，并采集两次各监测点的位置数据；（12）煤层开采试验：根据实际煤层工作面开采尺寸确定模拟地层中煤层的开采范围，从煤层开切眼处开始将煤层掏出，每两小时开采一次，每次开采50mm~100mm，每次的开采速度由实际开采速度与时间相似比确定，每次开采完后利用数字相机对所有测标和表面监测线进行拍摄，直至工作面全部采完，最后等煤层上方的土体移动稳定后再观测其整体移动变形情况；（13）底含疏水试验：在进行步骤（12）过程中，当薄基岩层的竖向裂纹扩展到承压水袋位置时，将下方出现竖向裂纹的承压水袋的球阀打开进行疏水，通过对承压水袋的非均匀放水模拟承压水疏水过程，直至模拟地层移动完全；（14）拆模：待模型煤层开采和底含疏水试验结束，继续监测3~5天直至模拟地层移动完全，然后拆卸配重块，由上至下依次按层剥离模拟地层，每次剥离100mm，每次剥离后观测剥离面内的裂隙分布，确定该层的裂隙分布范围和裂隙宽度，以研究煤层开采和底含疏水过程中的地层裂隙演化规律；试验过程中各监测元件实时获取相应监测数据。 15.根据权利要求14所述的模型试验装置进行厚表土薄基岩底部含水层疏水规律试验的方法，其特征在于，在所述步骤（6）中，相似材料填入模型架的时候从下往上分层依次填入，填入的时候每层填20mm~30mm，每层土体铺设后进行找平压密，相邻的两层相似材料之间加入云母粉，每一层相似材料的制作工作在15min内完成，直到模型架全部填满相似材料。 16.根据权利要求14所述的模型试验装置进行厚表土薄基岩底部含水层疏水规律试验的方法，其特征在于，在所述步骤（11）中，相邻的两个监测点之间的距离为50mm ~100mm。 17.根据权利要求14所述的模型试验装置进行厚表土薄基岩底部含水层疏水规律试验的方法，其特征在于，在所述步骤（13）中，承压水袋按照1000ml/h~2000ml/h的流速进行疏水。