CN103760087A - 用于岩体渗流试验的可持续加压的渗透装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于岩体渗流试验的可持续加压的渗透装置，该装置利用双作用液压缸，并配套相应的油泵站和水泵，通过一系列管路连接实现了渗透水压力的可控性，及试验中的持续供水，解决了传统的岩体渗流试验中渗透水压力无法调节、控制，以及渗透水压力不稳定等问题，从而实现利用渗透水压力和流量的时间序列计算试样的渗透特性参量，提高了岩体渗流实验的精确性。

Description

用于岩体渗流试验的可持续加压的渗透装置

技术领域

本发明涉及一种适用于颗粒迁移变质量破碎岩体渗流试验的试验渗透装置，具体涉及一种用于岩体渗流试验的可持续加压的渗透装置。

背景技术

研究表明，煤矿陷落柱突水的原因之一是由于在底部承压水压力长期作用下，柱体内可迁移颗粒随水流一起流失，使柱体内孔隙变大，渗透性能提高，引起陷落柱突水。煤矿陷落柱突水机理研究的试验基础之一就是考虑颗粒迁移的变质量破碎岩体渗流试验。现有的考虑颗粒迁移的变质量破碎岩体渗流试验装置是通过水泵、换向阀、溢流阀等直接向开放式的渗透仪缸筒内注水，水流经缸筒内的破碎岩体后，通过活塞和溢水筒流到托盘里，再从托盘口通过软管流到颗粒收集装置，在水流经的管路设置压力传感器、流量传感器和数据采集器等，采集渗透水压力和水流量。其存在两个弊端：(1)通过水泵、溢流阀和压力表直接控制渗透水压力时，发现设备提供的水压力随机性很大，由于水的粘度较低，试图通过溢流阀控制渗透水压力，结果调节溢流阀根本改变不了试样底部的水压，试验时采集的渗透压力要么因为岩样压实度高，水压力一下子达到泵的额定压力，要么因为岩样压得不够密实，水压力调不上去，最终是无法按照既定试验方案调节并控制渗透水压力，以模拟陷落柱底部的承压水压力，对研究工作的进一步开展起到很大的阻碍作用；(2)因为试验装置实现不了预期试验目的，所以前面实验者通过原有装置测得的渗透水压力的数据很不稳定，其结果的随机性较大，对有效分析破碎岩体的渗透性能意义有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于岩体渗流试验的可持续加压的渗透装置，该装置利用双作用液压缸，并配套相应的油泵站和水泵，通过一系列管路连接实现了渗透水压力的可控性，及试验中的持续供水，解决了传统的岩体渗流试验中渗透水压力无法调节、控制，以及渗透水压力不稳定等问题，从而实现利用渗透水压力和流量的时间序列计算试样的渗透特性参量，提高了岩体渗流实验的精确性。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于岩体渗流试验的可持续加压的渗透装置，包括开放式渗透仪，开放式渗透仪与颗粒回收系统连接；所述开放式渗透仪还连接一可持续加压的加压系统，所述加压系统包括一双向液压缸，双向液压缸的缸筒下部由供水管路连接水泵及水箱，供水管路上设有阀门一和阀门二，位于阀门一和阀门二之间的供水管路上连接供水支管，供水支管的出水端连接开放式渗透仪的进水口，供水支管上设有阀门三、水压表及流量表，所述水压表及流量表由数据采集器连接计算机；所述双向液压缸的缸筒上部由供油管路连接油泵和油箱，供油管路上设有油路阀门四和换向阀，位于换向阀和油泵之间的供油管路上连接溢流管路，溢流管路上设有油压表和溢流阀。

进一步地，本发明设有一电控箱，所述阀门一、阀门二、阀门三、阀门四、溢流阀和换向阀均为电动阀门，且分别与电控箱连接；所述电控箱还连接水泵和油泵，实现对加压系统的智能控制。

本发明的使用方法是：步骤一，向双向液压缸内注水：关闭阀门三，打开阀门四、阀门二、阀门一，将换向阀切换至回油状态，开启水泵，水沿着阀门一、阀门二注入双向液压缸缸筒内，同时双向液压缸活塞杆随着注水量的增加而上升，将双向液压缸上部的油通过供油管路送回到油箱，根据活塞杆的行程，直至双向液压缸缸筒内注水量达到需要量，停水泵，换向阀切换至中位；

步骤二，开启并调节渗透水压力：关闭阀门四，开启油泵，将换向阀切换至送油状态，通过旋转溢流阀阀门，调节溢流阀开启压力，并观察油压表读数，此时的溢流阀开启压力实质是油压P，通过双向液压缸缸筒内径d和活塞杆直径d换算出渗透水压力p，换算公式为

$\frac{p}{P}=1-{\left(\frac{d_2}{d_1}\right)}^2$

溢流阀开启压力调节好之后，关闭油泵；

步骤三，渗流试验：打开阀门四、阀门三和阀门一，关闭阀门二，启动油泵，在稳定的油压作用下，双向液压缸的活塞杆向下运动，推动缸筒内的水沿着阀门一、阀门三进入开放式渗透仪，开始渗流试验；在此过程中，实时观察水压表的读数和数据采集器采集到的渗透水压力是否符合步骤二的换算公式，用来标定试验装置及采集系统的准确性；

步骤四，循环前三步，持续向开放式渗透仪输送稳定的渗透水压力；

步骤五，数据采集器将采集到的水流量和水压传给计算机，从而计算出岩体的渗透特性。

本发明的有益效果是：一种用于岩体渗流试验的可持续加压的渗透装置，该装置利用双作用液压缸，并配套相应的油泵站和水泵，通过一系列管路连接实现了渗透水压力的可控性，及试验中的持续供水，解决了传统的岩体渗流试验中渗透水压力无法调节、控制，以及渗透水压力不稳定等问题，从而实现利用渗透水压力和流量的时间序列计算试样的渗透特性参量，提高了岩体渗流实验的精确性。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

附图1是用于岩体渗流试验的可持续加压的渗透装置的结构示意图。

附图2是用一般的渗透装置做岩体渗流试验时所得的渗透压力曲线图。

附图3是用本发明做岩体渗流试验时所得的渗透压力曲线图。

图中，1.开放式渗透仪，2.颗粒回收系统，3.加压系统，3-1.双向液压缸，3-2.供水管路，3-3.水泵，3-4.水箱，3-5.阀门一，3-6.阀门二，3-7.供水支管，3-8.阀门三，3-9.水压表，3-10.流量表，3-11.供油管路，3-12.油泵，3-13.油箱，3-14.阀门四，3-15.换向阀，3-16.溢流管路，3-17.溢流阀，3-18.油压表，4.数据采集器，5.计算机。

具体实施方式

在附图中，一种用于岩体渗流试验的可持续加压的渗透装置，包括开放式渗透仪1，开放式渗透仪1与颗粒回收系统2连接；所述开放式渗透仪1还连接一可持续加压的加压系统3，所述加压系统3包括一双向液压缸3-1，双向液压缸3-1的缸筒下部由供水管路3-2连接水泵3-3及水箱3-4，供水管路3-1上设有阀门一3-5和阀门二3-6，位于阀门一3-5和阀门二3-6之间的供水管路3-2上连接供水支管3-7，供水支管3-7的出水端连接开放式渗透仪1的进水口，供水支管3-7上设有阀门三3-8、水压表3-9及流量表3-10，所述水压表3-9及流量表3-10由数据采集器4连接计算机5；所述双向液压缸3-1的缸筒上部由供油管路3-11连接油泵3-12和油箱3-13，供油管路3-11上设有油路阀门四3-14和换向阀3-15，位于换向阀3-15和油泵3-12之间的供油管路3-11上连接溢流管路3-16，溢流管路3-16上设有油压表3-18和溢流阀3-17。

进一步地，本发明设有一电控箱，所述阀门一3-5、阀门二3-6、阀门三3-8、阀门四3-14、溢流阀3-17和换向阀3-15均为电动阀门，且分别与电控箱连接；所述电控箱还连接水泵3-3和油泵3-12，实现对加压系统3的智能控制。

本发明的使用方法是：步骤一，向双向液压缸1内注水：关闭阀门三3-8，打开阀门四3-14、阀门二3-6、阀门一3-5，将换向阀3-15切换至回油状态，开启水泵3-3，水沿着阀门一3-5、阀门二3-6注入双向液压缸3-1缸筒内，同时双向液压缸3-1活塞杆随着注水量的增加而上升，将双向液压缸3-1上部的油通过供油管路3-11送回到油箱3-13，根据活塞杆的行程，直至双向液压缸3-1缸筒内注水量达到需要量，停水泵3-3，换向阀3-15切换至中位；

步骤二，开启并调节渗透水压力：关闭阀门四3-14，开启油泵3-12，将换向阀3-15切换至送油状态，通过旋转溢流阀3-17阀门，调节溢流阀3-17开启压力，并观察油压表3-18读数，此时的溢流阀3-17开启压力实质是油压P，通过双向液压缸3-1缸筒内径d₁和活塞杆直径d₂换算出渗透水压力p，换算公式为

$\frac{p}{P}=1-{\left(\frac{d_2}{d_1}\right)}^2$

溢流阀3-17开启压力调节好之后，关闭油泵3-12；

步骤三，渗流试验：打开阀门四3-14、阀门三3-8和阀门一3-5，关闭阀门二3-6，启动油泵3-12，在稳定的油压作用下，双向液压缸3-1的活塞杆向下运动，推动缸筒内的水沿着阀门一3-5、阀门三3-8进入开放式渗透仪1，开始渗流试验；在此过程中，实时观察水压表3-9的读数和数据采集器4采集到的渗透水压力是否符合步骤二的换算公式，用来标定试验装置及采集系统的准确性；

步骤四，循环前三步，持续向开放式渗透仪1输送稳定的渗透水压力；

步骤五，数据采集器4将采集到的水流量和水压传给计算机5，从而计算出岩体的渗透特性。

试验数据对比：

如附图2所示，以前测试手段采集到的渗透水压力时变曲线，一般采集不到需要的渗透水压力，即使偶有压力数据采集到，但是其值也不可控，不稳定，误差超过允许范围。

如附图3所示，本发明的试验装置采集到的渗透水压力时变曲线，渗流时段的水压力可控，且稳定。

利用本发明做岩石渗透试验时，渗透特性计算方法为：通过数据采集器4采集到稳定的渗透水压力和流量的数据，并将数据传给计算机5，可以计算得到岩石的渗透性参量，具体计算方法如下：1)通过渗透水压力和流量分别计算出压力梯度和渗流速度；2)根据破碎岩体渗透性参量之间的幂指数关系和Forchheimer关系，建立了每一采样时刻渗透率的代数方程，并利用Newton切线法求得此代数方程的根；3)对渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数的参考值及幂指数进行优化，优化过程为：①分别对渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数进行全区间三节点插值，②利用变步长的四阶Runge-Kutta法计算动量守恒方程的数值解，③计算渗流速度的数值解和试验结果之间的误差是否满足预定要求，④如不满足要求，重新调整渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数的参考值及幂指数，直到满足为止。

Claims (4)

1.一种用于岩体渗流试验的可持续加压的渗透装置，包括开放式渗透仪(1)，开放式渗透仪(1)与颗粒回收系统(2)连接；其特征是，所述开放式渗透仪(1)还连接一可持续加压的加压系统(3)，所述加压系统(3)包括一双向液压缸(3-1)，双向液压缸(3-1)的缸筒下部由供水管路(3-2)连接水泵(3-3)及水箱(3-4)，供水管路(3-1)上设有阀门一(3-5)和阀门二(3-6)，位于阀门一(3-5)和阀门二(3-6)之间的供水管路(3-2)上连接供水支管(3-7)，供水支管(3-7)的出水端连接开放式渗透仪(1)的进水口，供水支管(3-7)上设有阀门三(3-8)、水压表(3-9)及流量表(3-10)，所述水压表(3-9)及流量表(3-10)由数据采集器(4)连接计算机(5)；所述双向液压缸(3-1)的缸筒上部由供油管路(3-11)连接油泵(3-12)和油箱(3-13)，供油管路(3-11)上设有油路阀门四(3-14)和换向阀(3-15)，位于换向阀(3-15)和油泵(3-12)之间的供油管路(3-11)上连接溢流管路(3-16)，溢流管路(3-16)上设有油压表(3-18)和溢流阀(3-17)。

2.根据权利要求1所述一种用于岩体渗流试验的可持续加压的渗透装置，其特征是，本发明设有一电控箱，所述阀门一(3-5)、阀门二(3-6)、阀门三(3-8)、阀门四(3-14)、溢流阀(3-17)和换向阀(3-15)均为电动阀门，且分别与电控箱连接；所述电控箱还连接水泵(3-3)和油泵(3-12)，实现对加压系统(3)的智能控制。

3.根据权利要求1所述一种用于岩体渗流试验的可持续加压的渗透装置，其特征是，本发明的使用方法是：步骤一，向双向液压缸(1)内注水：关闭阀门三(3-8)，打开阀门四(3-14)、阀门二(3-6)、阀门一(3-5)，将换向阀(3-15)切换至回油状态，开启水泵(3-3)，水沿着阀门一(3-5)、阀门二(3-6)注入双向液压缸(3-1)缸筒内，同时双向液压缸(3-1)活塞杆随着注水量的增加而上升，将双向液压缸(3-1)上部的油通过供油管路(3-11)送回到油箱(3-13)，根据活塞杆的行程，直至双向液压缸(3-1)缸筒内注水量达到需要量，停水泵(3-3)，换向阀(3-15)切换至中位；

步骤二，开启并调节渗透水压力：关闭阀门四(3-14)，开启油泵(3-12)，将换向阀(3-15)切换至送油状态，通过旋转溢流阀(3-17)阀门，调节溢流阀(3-17)开启压力，并观察油压表(3-18)读数，此时的溢流阀(3-17)开启压力实质是油压P，通过双向液压缸(3-1)缸筒内径d₍₁₎和活塞杆直径d₍₂₎换算出渗透水压力p，换算公式为

$\frac{p}{P}=1-{\left(\frac{d_2}{d_1}\right)}^2$

溢流阀(3-17)开启压力调节好之后，关闭油泵(3-12)；

步骤三，渗流试验：打开阀门四(3-14)、阀门三(3-8)和阀门一(3-5)，关闭阀门二(3-6)，启动油泵(3-12)，在稳定的油压作用下，双向液压缸(3-1)的活塞杆向下运动，推动缸筒内的水沿着阀门一(3-5)、阀门三(3-8)进入开放式渗透仪(1)，开始渗流试验；在此过程中，实时观察水压表(3-9)的读数和数据采集器(4)采集到的渗透水压力是否符合步骤二的换算公式，用来标定试验装置及采集系统的准确性；

步骤四，循环前三步，持续向开放式渗透仪(1)输送稳定的渗透水压力；

步骤五，数据采集器(4)将采集到的水流量和水压传给计算机(5)，从而计算出岩体的渗透特性。

4.根据权利要求1或3所述一种用于岩体渗流试验的可持续加压的渗透装置，其特征是，利用本发明做岩石渗透试验时，渗透特性计算方法为：通过数据采集器(4)采集到稳定的渗透水压力和流量的数据，并将数据传给计算机(5)，可以计算得到岩石的渗透性参量，具体计算方法如下：(1))通过渗透水压力和流量分别计算出压力梯度和渗流速度；(2))根据破碎岩体渗透性参量之间的幂指数关系和Forchheimer关系，建立了每一采样时刻渗透率的代数方程，并利用Newton切线法求得此代数方程的根；(3))对渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数的参考值及幂指数进行优化，优化过程为：①分别对渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数进行全区间三节点插值，②利用变步长的四阶Runge(-)Kutta法计算动量守恒方程的数值解，③计算渗流速度的数值解和试验结果之间的误差是否满足预定要求，④如不满足要求，重新调整渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数的参考值及幂指数，直到满足为止。

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