本發(fā)明屬于礦井水害防治技術領域，具體涉及一種基于礦井地表溝道流水潰水量實驗平臺的實驗方法。

背景技術：

煤層在開采過程中，煤層頂板基巖發(fā)生垮落破壞，并伴隨裂隙向地表發(fā)展。一些煤層由于其自身埋藏深度淺，煤層開采形成的冒落帶、裂隙帶容易發(fā)育至地表，在一些溝谷地區(qū)，裂隙更易發(fā)育至地表形成貫通裂縫。同時，由于溝道利于流水匯集，容易在雨季形成規(guī)模較大的地表洪流，因此在開采工作面通過溝谷地區(qū)時，地表貫通裂縫易引起地表流水下灌，引起溝道流水潰入井下，造成突水事故的發(fā)生。

但是溝道流水潰入井下的潰水量受溝道的水力坡度、裂縫寬度、水流流量、流速等多種因素控制。而目前尚未有此類關于貫通裂縫引起的地表流水潰水量的實驗方法。因此急需一種利用相關的實驗裝置對地表溝道流水潰水量進行準確預計的實驗方法，模擬研究巖質溝道裂縫在不同影響因素下的潰水問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種基于礦井地表溝道流水潰水量實驗平臺的實驗方法，其步驟簡單，可通過調節(jié)漏水水槽的裂縫張度和漏水水槽的水流流量，改變單一變量，進行多次實驗，觀測不同坡降程度下的漏水水槽的潰水量，比較不同條件下實際潰水量之間的差異，獲取影響礦井地表溝道流水潰水量變化的因素，功能完備。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：基于礦井地表溝道流水潰水量實驗平臺的實驗方法，所述實驗平臺包括蓄水裝置、與所述蓄水裝置連通且具有坡降的漏水水槽和與所述漏水水槽配合的主排水渠，所述蓄水裝置和所述主排水渠之間且位于所述漏水水槽的下側設置有多個輔助排水渠，所述漏水水槽的底部設置有多條張度可調且與多個輔助排水渠配合的裂縫，所述漏水水槽的兩端均設置有活動擋板，所述漏水水槽上設置有用于測量所述漏水水槽水位的活動測針和用于測量所述漏水水槽水流速度的畢托管，輔助排水渠末端位置安裝有三角量水堰，主排水渠末端位置安裝有矩形量水堰，輔助排水渠和主排水渠上均安裝有固定測針；所述蓄水裝置包括蓄水池、為蓄水池供水的供水管和設置在蓄水池內且用于穩(wěn)定供水管出水的穩(wěn)水格柵，所述供水管的進水端安裝有水泵，供水管上安裝有控制水量大小的閥門；其特征在于，該實驗方法包括以下步驟：

步驟一、確定礦井地表溝道對象并搭建實驗平臺：首先，確定實際礦井地表溝道與漏水水槽的模型比例；然后，根據(jù)實際礦井地表溝道的斷面尺寸、水力坡度、歷史水流流量以及實際裂縫位置，確定漏水水槽的斷面尺寸、水力坡度、水流流量以及裂縫位置，其中，所述漏水水槽的斷面尺寸包括漏水水槽渠底寬度和漏水水槽的槽壁高度；

步驟二、控制漏水水槽的裂縫張度和水流流量并觀測漏水水槽的潰水量：通過開啟水泵、調節(jié)閥門開度控制所述漏水水槽的水流流量，當固定所述漏水水槽的裂縫張度，固定所述漏水水槽的水流流量時，執(zhí)行步驟201；當固定所述漏水水槽的裂縫張度，調節(jié)所述漏水水槽的水流流量時，執(zhí)行步驟202；當固定所述漏水水槽的水流流量，調節(jié)所述漏水水槽的裂縫張度時，執(zhí)行步驟203；

步驟201、調節(jié)所述漏水水槽上的活動擋板高度改變所述漏水水槽中水流流速，測量各水流流速對應的所述漏水水槽中的各裂縫前的水深，分別獲取各水流流速下主排水渠上的水流流量和多個輔助排水渠上的水流流量之和，所述漏水水槽中水流流速通過畢托管測得，所述漏水水槽中的首個裂縫前的水深通過活動測針測得，多個輔助排水渠上的水流流量之和為漏水水槽的潰水量；

步驟202、調節(jié)所述漏水水槽上的活動擋板高度，開啟水泵并控制閥門的開度調節(jié)所述漏水水槽的水流流量，測量所述漏水水槽中水流流速，并測量所述漏水水槽中的首個裂縫前的水深，獲取主排水渠上的水流流量和多個輔助排水渠上的水流流量之和；

步驟203、調節(jié)所述漏水水槽的裂縫張度，針對各裂縫張度調節(jié)所述漏水水槽上的活動擋板高度改變所述漏水水槽中水流流速，并測量各水流流速對應的所述漏水水槽中的首個裂縫前的水深，分別獲取各水流流速下主排水渠上的水流流量和多個輔助排水渠上的水流流量之和；

步驟三、計算實際潰水量比重確定各因素對實際潰水量的影響程度：通過漏水水槽的潰水量與所述漏水水槽中的首個裂縫前的水流流量之比計算步驟二中各條件下的實際潰水量比重，得出各因素對實際潰水量的影響程度。

上述的基于礦井地表溝道流水潰水量實驗平臺的實驗方法，其特征在于：步驟201至步驟203中通過矩形量水堰獲取主排水渠上的水流流量，步驟201至步驟203中通過三角量水堰獲取輔助排水渠上的水流流量。

上述的基于礦井地表溝道流水潰水量實驗平臺的實驗方法，其特征在于：所述輔助排水渠和主排水渠的末端設置有回流池，水泵設置在回流池內。

上述的基于礦井地表溝道流水潰水量實驗平臺的實驗方法，其特征在于：所述漏水水槽的數(shù)量為多個，多個所述漏水水槽的坡降各不相同。

上述的基于礦井地表溝道流水潰水量實驗平臺的實驗方法，其特征在于：所述漏水水槽的數(shù)量為兩個，兩個所述漏水水槽分別為第一漏水水槽和第二漏水水槽，所述第一漏水水槽的坡降為5‰～8‰，第二漏水水槽的坡降為5％～8％。

上述的基于礦井地表溝道流水潰水量實驗平臺的實驗方法，其特征在于：所述第一漏水水槽和第二漏水水槽的內壁均通過附著粗顆粒砂石的方式進行人工加糙。

上述的基于礦井地表溝道流水潰水量實驗平臺的實驗方法，其特征在于：所述閥門通過法蘭盤與供水管相連。

上述的基于礦井地表溝道流水潰水量實驗平臺的實驗方法，其特征在于：所述蓄水池上開有梯形開口，蓄水池通過所述梯形開口與所述漏水水槽配合連接。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明采用的實驗方法進行實際潰水量獲取時，首先確定對實際潰水量產(chǎn)生影響的變量，對實際潰水量產(chǎn)生影響的變量包括漏水水槽坡降、漏水水槽的裂縫張度和漏水水槽的水流流量；通過固定水水槽的水流流量改變漏水水槽的裂縫張度測量實際潰水量；當漏水水槽的水流流量固定時，漏水水槽的水流流速影響漏水水槽中水深，且漏水水槽的水流流速與漏水水槽中水深成反比，測量實際潰水量；當漏水水槽的水流流量不固定時，通過上下移動漏水水槽上的活動擋板改變漏水水槽的水流流速同時測量漏水水槽中水深變化，測量實際潰水量，功能完備，使用效果好。

2、本發(fā)明采用的實驗方法可適用于巖質溝道裂縫的潰水量的實驗工作，亦可進行多種變量關系組合實驗，操作簡單，能夠科學的對巖質溝道裂縫潰水量大小進行研究。

3、本發(fā)明采用的實驗方法可通過活動測針和畢托管獲取漏水水槽的水位和流速；可通過固定測針和矩形量水堰獲取主排水渠的水位和流量；可通過固定測針和三角量水堰直接獲取輔助排水渠的水位和流量；觀測漏水水槽的潰水量快捷可靠。

4、本發(fā)明設計新穎合理，步驟簡單，可比較不同條件下實際潰水量之間的差異，獲取影響礦井地表溝道流水潰水量變化的因素，功能完備，便于推廣使用。

綜上所述，本發(fā)明步驟簡單，通過確定實際礦井地表溝道與實驗平臺的模型比例搭建實驗平臺，可通過調節(jié)漏水水槽的裂縫張度和漏水水槽的水流流量，改變單一變量，進行多次實驗，觀測不同坡降程度下的漏水水槽的潰水量，比較不同條件下實際潰水量之間的差異，獲取影響礦井地表溝道流水潰水量變化的因素，功能完備。

下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所采用的實驗平臺的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明所采用的實驗平臺中漏水水槽與輔助排水渠的安裝關系示意圖。

圖3為本發(fā)明所采用的實驗平臺中蓄水裝置的結構示意圖。

圖4為本發(fā)明基于實驗平臺的實驗方法的流程圖。

附圖標記說明:

1—蓄水池； 2—供水管； 3—法蘭盤；

4—閥門； 5—水泵； 6—回流池；

7—第一漏水水槽； 8—第二漏水水槽； 9—活動擋板；

10—畢托管； 11—活動測針； 12—裂縫；

13—固定測針； 14—輔助排水渠； 15—三角量水堰；

16—矩形量水堰； 17—主排水渠； 18—穩(wěn)水格柵。

具體實施方式

如圖1、圖2和圖4所示，本發(fā)明基于礦井地表溝道流水潰水量實驗平臺的實驗方法，所述實驗平臺包括蓄水裝置、與所述蓄水裝置連通且具有坡降的漏水水槽和與所述漏水水槽配合的主排水渠17，所述蓄水裝置和所述主排水渠17之間且位于所述漏水水槽的下側設置有多個輔助排水渠14，所述漏水水槽的底部設置有多條張度可調且與多個輔助排水渠14配合的裂縫12，所述漏水水槽的兩端均設置有活動擋板9，所述漏水水槽上設置有用于測量所述漏水水槽水位的活動測針11和用于測量所述漏水水槽水流速度的畢托管10，輔助排水渠14末端位置安裝有三角量水堰15，主排水渠17末端位置安裝有矩形量水堰16，輔助排水渠14和主排水渠17上均安裝有固定測針13；所述蓄水裝置包括蓄水池1、為蓄水池1供水的供水管2和設置在蓄水池1內且用于穩(wěn)定供水管2出水的穩(wěn)水格柵18，所述供水管2的進水端安裝有水泵5，供水管2上安裝有控制水量大小的閥門4；

本實施例中，供水管2采用水泵5將水引致至蓄水池1中，供水管2的出水通過穩(wěn)水格柵18使水流趨于穩(wěn)定；

該實驗方法包括以下步驟：

步驟一、確定礦井地表溝道對象并搭建實驗平臺：首先，確定實際礦井地表溝道與漏水水槽的模型比例；然后，根據(jù)實際礦井地表溝道的斷面尺寸、水力坡度、歷史水流流量以及實際裂縫位置，確定漏水水槽的斷面尺寸、水力坡度、水流流量以及裂縫12位置，其中，所述漏水水槽的斷面尺寸包括漏水水槽渠底寬度和漏水水槽的槽壁高度；

步驟二、控制漏水水槽的裂縫張度和水流流量并觀測漏水水槽的潰水量：通過開啟水泵5、調節(jié)閥門4開度控制所述漏水水槽的水流流量，當固定所述漏水水槽的裂縫張度，固定所述漏水水槽的水流流量時，執(zhí)行步驟201；當固定所述漏水水槽的裂縫張度，調節(jié)所述漏水水槽的水流流量時，執(zhí)行步驟202；當固定所述漏水水槽的水流流量，調節(jié)所述漏水水槽的裂縫張度時，執(zhí)行步驟203；

需要說明的是，根據(jù)公式Q＝bhv可知，漏水水槽的水流流量Q固定時，漏水水槽的水流流速v影響漏水水槽中水深h且漏水水槽的水流流速v與漏水水槽中水深h成反比，不同的漏水水槽的水流流速v影響觀測漏水水槽的潰水量，其中，b為漏水水槽渠底寬度；

步驟201、調節(jié)所述漏水水槽上的活動擋板9高度改變所述漏水水槽中水流流速，測量各水流流速對應的所述漏水水槽中的各裂縫12前的水深，分別獲取各水流流速下主排水渠17上的水流流量和多個輔助排水渠14上的水流流量之和，所述漏水水槽中水流流速通過畢托管10測得，所述漏水水槽中的首個裂縫12前的水深通過活動測針11測得，多個輔助排水渠14上的水流流量之和為漏水水槽的潰水量；

步驟202、調節(jié)所述漏水水槽上的活動擋板9高度，開啟水泵并控制閥門的開度調節(jié)所述漏水水槽的水流流量，測量所述漏水水槽中水流流速，并測量所述漏水水槽中的首個裂縫12前的水深，獲取主排水渠17上的水流流量和多個輔助排水渠14上的水流流量之和；

步驟203、調節(jié)所述漏水水槽的裂縫張度，針對各裂縫張度調節(jié)所述漏水水槽上的活動擋板9高度改變所述漏水水槽中水流流速，并測量各水流流速對應的所述漏水水槽中的首個裂縫12前的水深，分別獲取各水流流速下主排水渠17上的水流流量和多個輔助排水渠14上的水流流量之和；

步驟三、計算實際潰水量比重確定各因素對實際潰水量的影響程度：通過漏水水槽的潰水量與所述漏水水槽中的首個裂縫12前的水流流量之比計算步驟二中各條件下的實際潰水量比重，得出各因素對實際潰水量的影響程度。

需要說明的是，根據(jù)不同的實驗條件，分別計算各自的實際潰水量。

本實施例中，步驟201至步驟203中通過矩形量水堰16獲取主排水渠17上的水流流量，步驟201至步驟203中通過三角量水堰15獲取輔助排水渠14上的水流流量。

本實施例中，矩形量水堰16獲取主排水渠17上的水流流量q采用公式其中，B為主排水渠17的水渠寬度，H為固定測針13獲取的矩形量水堰16的堰上水深，g為重力加速度。

本實施例中，三角量水堰15獲取輔助排水渠14上的水流流量q'采用公式其中，α為三角量水堰15的堰頂夾角，H'為固定測針13獲取的三角量水堰15的堰上水深。

如圖1所示，本實施例中，所述輔助排水渠14和主排水渠17的末端設置有回流池6，水泵5設置在回流池6內，本實施例中，采用回流池6將蓄水池1、主排水渠17和多個輔助排水渠14連通，通過回流池6為蓄水池1供水，蓄水池1經(jīng)漏水水槽流向主排水渠17和多個輔助排水渠14的水流流回至回流池6，實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用，節(jié)約能源。

本實施例中，所述漏水水槽的數(shù)量為多個，多個所述漏水水槽的坡降各不相同。

需要說明的是，所述漏水水槽的底部設置的裂縫12的數(shù)量與輔助排水渠14的數(shù)量相等，根據(jù)實際需求在蓄水池1上設置多個所述漏水水槽，多個所述漏水水槽的坡降各不相同，滿足不同的水力坡度對溝道裂縫潰水量的影響，每個所述漏水水槽的末端設置在主排水渠17上，每個所述漏水水槽的兩端均設置有活動擋板9，兩個活動擋板9中的一個活動擋板9安裝在所述漏水水槽與蓄水池1連接位置處，兩個活動擋板9中的另一個活動擋板9安裝在所述漏水水槽的末端，兩個活動擋板9均可上下調節(jié)，用于調節(jié)水流流速，滿足不同的流速要求。

如圖1所示，本實施例中，所述漏水水槽的數(shù)量為兩個，兩個所述漏水水槽分別為第一漏水水槽7和第二漏水水槽8，所述第一漏水水槽7的坡降為5‰～8‰，第二漏水水槽8的坡降為5％～8％。

實際實驗中，首先根據(jù)不同水力坡度選擇使用第一漏水水槽7或第二漏水水槽8，當選擇第一漏水水槽7時，將第二漏水水槽8用安裝在第二漏水水槽8與蓄水池1連接位置處的活動擋板9及玻璃膠密封；打開水泵5，調節(jié)閥門4大小，通過主排水渠17上的固定測針13讀取主排水渠17中的水位高差，確定水流流量，同時，為了測量第一漏水水槽7中的水深，可采用活動測針11測量水位高度，為了測量第一漏水水槽7中的水流速度，可用畢托管10進行測量；同理，當選擇第二漏水水槽8時，將第一漏水水槽7用安裝在第一漏水水槽7與蓄水池1連接位置處的活動擋板9及玻璃膠密封；實際使用中，也可采用可拆卸式的畢托管10和活動測針11，當選擇第一漏水水槽7時，將畢托管10和活動測針11安裝在第一漏水水槽7上，當選擇第二漏水水槽8時，將畢托管10和活動測針11安裝在第二漏水水槽8上，減少成本。

本實施例中，所述漏水水槽的底部設置有三條裂縫12，每條裂縫12的正下方均設置有一個輔助排水渠14，每個所述漏水水槽上均安裝有用于測量該漏水水槽水位的活動測針11和用于測量該漏水水槽水流流量的畢托管10，每個輔助排水渠14上均安裝有用于測量該輔助排水渠14水位的固定測針13和用于測量該輔助排水渠14水流流量的三角量水堰15，主排水渠17末端位置安裝有用于測量主排水渠17水位的固定測針13和用于測量主排水渠17水流流量的矩形量水堰16，實現(xiàn)水流水位與水流流量的實時測量。

通過改變每個裂縫12的張度測量其輔助排水渠14上水深，并計算該裂縫12潰水量，滿足不同的裂縫張度條件下對溝道基巖裂縫潰水量的測量。

本實施例中，所述第一漏水水槽7和第二漏水水槽8的內壁均通過附著粗顆粒砂石的方式進行人工加糙。

需要說明的是，明渠水流運動的流量取決于過水斷面面積、溝道的粗糙系數(shù)、水力半徑和水力坡度，根據(jù)實際情況采用人工加糙的方式?jīng)Q定溝道的粗糙系數(shù)，實際加工中，采用砂石與水泥混合，在水泥凝固之前用清水沖洗砂石與水泥混合面，使粗顆粒砂石突出增加漏水水槽的粗糙度。

如圖1和圖3所示，本實施例中，所述閥門4通過法蘭盤3與供水管2相連，本實施例中，采用水泵5與閥門4配合的方式，通過調節(jié)閥門4的開度確定供水的水流流量。

如圖3所示，本實施例中，所述蓄水池1上開有梯形開口，蓄水池1通過所述梯形開口與所述漏水水槽配合連接，本實施例中，所述漏水水槽采用矩形斷面的漏水水槽，在矩形斷面的漏水水槽與蓄水池1連接位置處采用梯形開口，是為了減少水流的沖擊振蕩，有利于水流的穩(wěn)定。

實施例1

本發(fā)明實際操作中，首先根據(jù)模型比例搭建實驗平臺，根據(jù)不同水力坡度選擇坡降接近的漏水水槽，本實施例中，選擇坡降為5‰～8‰的第一漏水水槽7進行潰水量實驗，根據(jù)第一漏水水槽7的坡降值計算第一漏水水槽7的水力坡度J'，確定歷史水流流量、裂縫12位置和第一漏水水槽7的斷面尺寸，第一漏水水槽7的渠底寬度為b'，人工加工第一漏水水槽7的粗糙系數(shù)n'；

控制第一漏水水槽7的裂縫張度和水流流量并觀測第一漏水水槽7的潰水量，第一漏水水槽7的坡降一定時，第一漏水水槽7的潰水量取決于包括第一漏水水槽7的裂縫張度和水流流量，其中，第一漏水水槽7的水流流量分為固定水流流量和不固定水流流量，當固定第一漏水水槽7的裂縫張度，固定第一漏水水槽7的水流流量Q'時，由于第一漏水水槽7的水流流量一定時，根據(jù)公式Q'＝A'v'＝b'h'v'，可知第一漏水水槽7上的活動測針11測量第一漏水水槽7中的首個裂縫12前水深h'與畢托管10測量第一漏水水槽7中水流流速v'成反比，A'為第一漏水水槽7中水流的斷面面積，調節(jié)第一漏水水槽7上的活動擋板9高度改變第一漏水水槽7中水流流速v'，并采用活動測針11測量各水流流速v'對應的第一漏水水槽7中的首個裂縫12前的水深h'，采用矩形量水堰16分別獲取各水流流速v'下主排水渠17上的水流流量Q′₁，針對各水流流速v'分別采用三個三角量水堰15獲取對應三個輔助排水渠14上的水流流量Q'₂、水流流量Q′₃和水流流量Q'₄，計算各水流流速v'下三個輔助排水渠14上的水流流量之和Q'₂+Q'₃+Q'₄，各水流流速v'下三個輔助排水渠14上的水流流量之和Q'₂+Q'₃+Q'₄為對應條件下第一漏水水槽7的潰水量，計算各水流流速v'下實際潰水量比重

當固定第一漏水水槽7的裂縫張度，調節(jié)第一漏水水槽7的水流流量Q”時，開啟水泵5并控制閥門4的開度調節(jié)第一漏水水槽7的水流流量Q”，由于第一漏水水槽7的水流流量不固定，根據(jù)實際需求調節(jié)第一漏水水槽7上的活動擋板9高度改變第一漏水水槽7中水流流速v”，并采用畢托管10測量第一漏水水槽7中水流流速v”，采用活動測針11測量各水流流速v”對應的第一漏水水槽7中的首個裂縫12前的水深h”，采用矩形量水堰16分別獲取各水流流速v”下主排水渠17上的水流流量Q″₁，針對各水流流速v”分別采用三個三角量水堰15獲取對應三個輔助排水渠14上的水流流量Q″₂、水流流量Q″₃和水流流量Q″₄，計算各水流流速v”下三個輔助排水渠14上的水流流量之和Q″₂+Q″₃+Q″₄，各水流流速v”下三個輔助排水渠14上的水流流量之和Q″₂+Q″₃+Q″₄為對應條件下第一漏水水槽7的潰水量，計算各水流流速v”下實際潰水量比重

當固定第一漏水水槽7的水流流量Q”'，調節(jié)第一漏水水槽7的裂縫張度時，多次調節(jié)第一漏水水槽7的裂縫張度，在不同裂縫張度條件下，針對各裂縫張度調節(jié)第一漏水水槽7上的活動擋板9高度改變第一漏水水槽7中水流流速v”'，并采用畢托管10測量第一漏水水槽7中水流流速v”，采用活動測針11測量各水流流速v”'對應的第一漏水水槽7中的首個裂縫12前的水深h”'，采用矩形量水堰16分別獲取各水流流速v”'下主排水渠17上的水流流量Q₁”'，針對各水流流速v”'分別采用三個三角量水堰15獲取對應三個輔助排水渠14上的水流流量Q″′₂、水流流量Q″′₃和水流流量Q″′₄，計算各水流流速v”'下三個輔助排水渠14上的水流流量之和Q″′₂+Q″′₃+Q″′₄，各水流流速v”'下三個輔助排水渠14上的水流流量之和Q″′₂+Q″′₃+Q″′₄為對應條件下第一漏水水槽7的潰水量，計算各水流流速v”'下實際潰水量比重

根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)，比較分析不同實驗數(shù)據(jù)，總結分析流量、流速、溝道裂縫寬度對于溝道潰水量大小的影響。

實施例2

本實施例與實施例1不同的是：根據(jù)模型比例搭建實驗平臺，根據(jù)不同水力坡度選擇坡降接近的漏水水槽，本實施例中，增加漏水水槽的坡降，選擇坡降為5％～8％的第二漏水水槽8進行潰水量實驗，控制第二漏水水槽8的裂縫張度和水流流量并觀測第二漏水水槽8的潰水量，計算第二漏水水槽8實驗的實際潰水量，比較分析不同坡降實驗數(shù)據(jù)，總結分析坡降數(shù)據(jù)對于溝道潰水量大小的影響，實驗過程與實驗方法均與實施例1相同。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍內。