CN105842140B - 破碎岩体水沙渗流实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种破碎岩体水沙渗流实验系统，包括：水沙混合装置、破碎岩体实验装置、岩体加载组件和数据采集装置；破碎岩体实验装置包括内筒、外筒和底座，内筒设置在外筒内，内筒和外筒均设置在底座上；底座上设置有凹槽，凹槽的下端面上均匀设置有导流孔，导流孔与渗流液输送管连通；水沙混合装置的水沙喷射口与破碎岩体实验装置的水沙通孔连通，岩体加载组件采用轴向加载机，轴向加载机的活塞设置在破碎岩体实验装置的内筒上部。本发明结构简单、设计合理、装配使用方便、密封性能好、能够真实地反映破碎岩体在突水溃沙情况下的水沙混合物渗流量的破碎岩体突水溃沙实验系统。
Description
技术领域
本发明涉及沙土渗透破坏和矿井水文地质技术领域，尤其是涉及一种破碎岩体受轴向荷载及侧向水沙两相渗流条件下，模拟突水溃沙的实验系统。
背景技术
突水溃沙是在井下开采矿产资源时，裂隙或小断层导通富水且因风化等原因失去抗剪性的砂(沙)体，砂(沙)体原有平衡被打破，在重力作用下，水沙流加速流入井下，直至淹井，水沙重新达到平衡稳定状态的一种地质灾害，又称溃水溃沙。
我国西北地区侏罗系煤田浅埋深、薄基岩、厚松散层、大采高、潜水含水层富水性强，在基岩采厚比小于30的条件下，裂隙带直接沟通松散沙层含水层。在重力作用下，水流溃入井下，进而带动沙层一起涌动，沙粒加剧了水沙流的动能，原有裂隙不断被扩大，直到井下井上水沙达到新的平衡。突水溃沙发生的必要物质条件为松散沙层，主要来源为地表风积沙、萨拉乌苏组松散弱胶结砂岩，以及白垩系等弱胶结基岩中风化弱抗剪切的砂岩。主要动因是重力失衡或水流诱发；但在新疆等地有时尽管没有水流诱发，松散的沙流在重力作用下也会溃入井下造成淹井事故。突水溃沙的特点是突发性强、过程缓慢、难治理，一般不会造成人员伤亡，但是事故后期恢复治理难度大，成本高。
研究突水溃沙，一是为了保证煤矿安全生产，确保矿工生命安全，二是为了保护矿区环境，做到采煤与保水的统一。就目前的研究而言,突水溃沙研究集中在机理、预测、防治等三个方面,突水溃沙机理的研究主要采取建立沙粒力学结构模型、试验及水动力学等方法；突水溃沙预测主要采用地质条件对比、水力坡度判断及多因素综合分析等方法；突水溃沙的防治以降低采前地下水位为核心,采取不同的工程措施以减轻突水溃沙风险。
但是，溃砂过程不是简单的突涌与通道问题，还包括砂源及运移启动、溃砂休止的系列问题，特别是溃砂过程中的关键信息如砂土流动的范围、水力梯度的变化、裂隙的演化与溃砂量的关系，还是目前试验条件中无法揭示和解决的问题，因此研制出条件与原型接近，试验过程可靠的溃破碎岩体水砂渗流实验系统具有十分重要意义。
公告号为CN 203672759 U的中国专利(专利名称为：一种破碎岩石三轴渗流试验用渗透装置；申请日为：2014.01.23；)公开了一种破碎岩石三轴渗流试验用渗透装置，包括：
底座、外缸筒、筒盖、下压头、内缸筒和套筒，下压头、内缸筒和套筒通过电工胶带缠绕为一个整体，套筒内从下到上依次设有下半凹面压头、上半凸面压头和活塞，下压头与下半凹面压头之间的空间为破碎岩样容腔，活塞上设有刻度，活塞上设有渗透液流出通道，活塞上设有渗透液出口，底座的中部和下压头的中部设有渗透液流入通道，底座上设有渗透液入口，底座上设有围压液流入通道，底座侧部设有围压液入口，外缸筒侧面设有排气口，排气口上连接有排气口塞。该实用新型能够进行围压可调的破碎岩石三轴渗流试验，能够真实反映破碎岩样渗透过程中的变形情况，提高了破碎岩样初始高度的测量精度。
公布号为CN 104265365 A的中国专利(专利名称为：一种溃砂模拟试验装置和试验方法；申请日为：2014.01.23；)公开了一种溃砂模拟试验装置，包括：
可变溃砂口和止砂塞模块、侧向水源补给模块、溃砂过程监测模块和溃砂收集测试模块，可提供不同垂直荷载、初始边界水头及降落漏斗动态变化、含水砂层厚度和颗粒级配、溃砂裂缝尺度下的模型试验条件以及溃砂过程中渗透破坏、溃砂及涌水量、水头及水力梯度监测条件。该实用新型能在装配的模型上，在限制侧向变形、砂土层厚度可变、垂直荷载、侧向渗流稳定水头水量补给、采动裂缝可控的条件下，通过监测识别溃砂启动-突涌过程中含水砂层内水力梯度分布、变形破坏范围、变形破坏程度，获得溃砂出口的水砂混合流密度和孔压、溃砂量和溃水量的动态变化特征，为地质、开采组合条件下的溃砂研究提供基础数据。
在西部矿区，由于矿井岩石的裂缝造成地下水与风积沙混合渗入矿区造成矿井的侧向发生突水溃沙。中国专利CN 203672759 U只是考虑矿井在竖向的突水溃沙，并没有考虑到矿井的侧向发生突水溃沙的情况。中国专利CN 104265365 A没有考虑到水沙混合的情况。因此，研制出在水沙混合侧向渗流条件下的模拟突水溃沙的实验装置，对突水溃沙的研究和治理具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、设计合理、装配使用方便、密封性能好、能够真实地反映破碎岩体在突水溃沙情况下的水沙混合物渗流量的破碎岩体突水溃沙实验系统。
本发明提供的破碎岩体水沙渗流实验系统，包括：
水沙混合装置、破碎岩体实验装置、岩体加载组件和数据采集装置；
所述水沙混合装置包括水沙混合装置壳体、搅拌机构和输水管，所述搅拌机构设置在水沙混合装置壳体内，水沙混合装置壳体下端设置有输沙管，输沙管与输水管连通，输水管的进水口用于连接水流供给源，输水管的出水口设置有水沙喷射口；
破碎岩体实验装置包括内筒、外筒和底座，内筒设置在外筒内，且内筒与外筒紧密贴合，内筒和外筒均设置在底座上；
所述底座上端面中心位置设置有凹槽，凹槽上方设置有内筒，凹槽的下部设置有分离筛，凹槽的下端面上均匀设置有导流孔，导流孔与渗流液输送管连通；
所述内筒由多个从下到上依次叠放在一起的圆环组合而成，除最上层圆环之外，每个圆环侧面均开设有水沙通孔，外筒上与每个水沙通孔对应位置设置有用于封堵或打开水沙通孔的水沙通孔门体，所述圆环为上下端面均设置有开口的筒状结构；
水沙混合装置的水沙喷射口与破碎岩体实验装置的水沙通孔连通，岩体加载组件采用轴向加载机，轴向加载机的活塞设置在破碎岩体实验装置的内筒上部；
数据采集装置包括设置在输沙管上的落沙流量计，设置在渗流液输送管上的水沙渗流流量计，设置在加载机活塞上部的位移传感器和设置在加载机内部的压力传感器，落沙流量计、水沙渗流流量计、位移传感器和压力传感器用于将采集到的数据传递给数据处理装置。
进一步地，所述水沙通孔门体的高度与内筒的圆环的高度相等，水沙通孔门体的一端与外筒铰接，另一端与外筒构成榫卯结构。
进一步地，所述搅拌机构包括通过电动机支架设置在水沙混合装置壳体上的电动机，扇叶组件和扇叶轴，扇叶轴与电动机的转轴连接，扇叶组件沿扇叶轴螺旋分布。
进一步地，所述水沙混合装置壳体上部为圆柱状结构，下部为倒圆锥状结构。
进一步地，所述输沙管上设置有落沙控制阀门。
进一步地，所述底座上设置有多个用于固定外筒的外筒固定孔，外筒上设置有固定件。
进一步地，所述凹槽为圆形，且凹槽的直径与内筒的直径相等。
进一步地，所述水沙混合装置的水沙喷射口与破碎岩体实验装置的水沙通孔的连接处设置有密封圈。
进一步地，内筒和外筒之间设置有防水层。
进一步地，所述圆环为钢圈。
与现有技术相比，本发明提供的破碎岩体突水溃沙实验系统，具有以下优点：
1).本发明采用高度可变且可旋转的破碎岩体实验装置,拆装便捷性好，几乎可任意改变突水溃沙口的位置，针对不同溃沙点进行模拟，内筒最高层高于加载机活塞设置在内筒的最上层圆环内，实现了试件的完整密封,保证了围压和渗透压加载系统的稳定性；
2).本发明中的搅拌机构可使沙砾顺利落下，不致管道堵塞，进而容易控制落沙流量；
3).本发明不同于传统意义上的单相流试验装置，本发明针对水沙二相流的液固耦合渗流进行试验，能自由调节水沙混合物的含沙比例，模拟煤矿深部破碎岩体不同的突水溃沙情形。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的破碎岩体实验装置和岩体加载组件的结构示意图；
图2为本发明的破碎岩体实验装置的结构示意图；
图3为本发明的水沙混合装置的结构示意图；
图4为图1的A-A向结构示意图。
附图标记：
1-水沙混合装置； 2-破碎岩体实验装置； 3-轴向加载机；
4-落沙流量计； 5-水沙渗流流量计；
11-水沙混合装置壳体； 12-输水管； 13-输沙管；
14-水流供给源； 15-水沙喷射口； 16-落沙控制阀门；
17-搅拌机构；
21-内筒； 22-外筒； 23-底座；
31-轴向加载机的活塞；
171-电动机支架； 172-电动机； 173-扇叶组件；
173-扇叶轴；
211-圆环； 212-水沙通孔；
221-水沙通孔门体 222-固定件；
231-凹槽； 232-分离筛； 233-导流孔；
234-渗流液输送管； 235-外筒固定孔；
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明的破碎岩体实验装置和岩体加载组件的结构示意图；图2为本发明的破碎岩体实验装置的结构示意图；图3为本发明的水沙混合装置的结构示意图；图4为图1的A-A向结构示意图。
如图1-4所示，本发明提供的破碎岩体水沙渗流实验系统，包括：
水沙混合装置1、破碎岩体实验装置2、岩体加载组件和数据采集装置；
所述水沙混合装置1包括水沙混合装置壳体11、搅拌机构17和输水管12，所述搅拌机构17设置在水沙混合装置壳体11内，水沙混合装置壳体11下端设置有输沙管13，输沙管13与输水管12连通，输水管12的进水口用于连接水流供给源14，输水管12的出水口设置有水沙喷射口15；本实施例中，为模拟突水溃沙现象，输水管12和水沙喷射口15均采用耐高压管件，水流供给源14也采用高压供给源。
破碎岩体实验装置2包括内筒21、外筒22和底座23，内筒21设置在外筒22内，且内筒21与外筒22紧密贴合，内筒21和外筒22均设置在底座23上；
所述底座23上端面中心位置设置有凹槽231，凹槽231上方设置有内筒21，凹槽231的下部设置有分离筛232，凹槽231的下端面上均匀设置有导流孔233，导流孔233与渗流液输送管234连通；本实施例中，凹槽231底面开设有与凹槽231相通的导流孔233，共有九个，中心一个，外圈八个，呈圆形均匀分布，导流孔233中插入渗流液输送管234。以保证渗流液的顺利排出。本实施例中，所述分离筛232由网眼密度较大网孔直径较小的金属滤网制成，用于分离破碎岩样与渗流液。
所述内筒21由多个从下到上依次叠放在一起的圆环211组合而成，除最上层圆环211之外，每个圆环211侧面均开设有水沙通孔212，外筒22上与每个水沙通孔212对应位置设置有用于封堵或打开水沙通孔212的水沙通孔门体221，所述圆环211为上下端面均设置有开口的筒状结构；本发明中，最上层圆环211的高度最大，且其上沿高于放置于内筒21内的岩体的高度。
水沙混合装置1的水沙喷射口15与破碎岩体实验装置2的水沙通孔212连通，岩体加载组件采用轴向加载机3，轴向加载机的活塞31设置在破碎岩体实验装置2的内筒21上部；本实施例中轴向加载机的活塞31与岩体直接接触，轴向加载机的活塞31的边缘与内筒21紧密接触，对水沙混合装置1内的破碎岩体给予一个恒定的轴向压力，压力大小可由实验所需由实验员自行调节。
数据采集装置包括设置在输沙管13上的落沙流量计4，设置在渗流液输送管234上的水沙渗流流量计5，设置在加载机活塞上部的位移传感器和设置在加载机内部的压力传感器，落沙流量计4、水沙渗流流量计5、位移传感器和压力传感器用于将采集到的数据传递给数据处理装置。
与现有技术相比，本发明提供的破碎岩体突水溃沙实验系统，具有以下优点：
1).本发明采用高度可变且可旋转的破碎岩体实验装置2,拆装便捷性好，几乎可任意改变突水溃沙口的位置，针对不同溃沙点进行模拟，内筒21最高层高于加载机活塞设置在内筒21的最上层圆环211内，实现了试件的完整密封,保证了围压和渗透压加载系统的稳定性；
2).本发明中的搅拌机构17可使沙砾顺利落下，不致管道堵塞，进而容易控制落沙流量；
3).本发明不同于传统意义上的单相流试验装置，本发明针对水沙二相流的液固耦合渗流进行试验，能自由调节水沙混合物的含沙比例，模拟煤矿深部破碎岩体不同的突水溃沙情形。
本发明所述水沙通孔门体221的高度与内筒21的圆环211的高度相等，水沙通孔门体221的一端与外筒22铰接，另一端与外筒22构成榫卯结构。此结构能使内筒21与外筒22紧密贴合，增强了对水沙通孔212的密封性。本实施例中，水沙通孔门体221的与外筒22构成榫卯结构的一端通过销钉和销钉插孔的配合进行固定。
本发明所述搅拌机构17包括通过电动机支架设置在水沙混合装置壳体11上的电动机，扇叶组件和扇叶轴，扇叶轴与电动机的转轴连接，扇叶组件沿扇叶轴螺旋分布。本发明中的搅拌机构17可使沙砾顺利落下，不致管道堵塞，进而容易控制落沙流量。
本发明所述水沙混合装置壳体11上部为圆柱状结构，下部为倒圆锥状结构。此结构的设置有助于对落沙的控制。
本发明所述输沙管13上设置有落沙控制阀门16，能根据实验要求对落沙进行控制。
本发明所述底座23上设置有多个用于固定外筒22的外筒固定孔235，外筒22上设置有固定件222。本实施例中，所述底座23由较厚的圆形钢板制成，底座23上端边缘开设有按圆周均匀分布的外筒固定孔235，外筒22的下端边缘对称焊接两根外侧开孔的固定件，外筒22与底座23由螺栓固定，不仅具有安装牢固、性能可靠，而且还能改变外筒22与内筒21的相对位置，实现任意溃沙点的模拟实验。
本发明所述凹槽231为圆形，且凹槽231的直径与内筒21的直径相等。
本发明所述水沙混合装置1的水沙喷射口15与破碎岩体实验装置2的水沙通孔212的连接处设置有密封圈，防止水沙混合液渗漏，进一步提升了破碎岩体实验装置2的密封性能。
本发明所述内筒21和外筒22之间设置有防水层，本实施例中采用防漏橡胶膜作为防水层，防止渗透液从侧面渗出，有效提升了破碎岩体实验装置2的密封性能。
本发明所述的破碎岩体突水溃沙试验系统的使用方法,包括以下步骤：
1.将底座23水平放置在牢固稳定的支架上或地面上，根据试验所需在底座23的凹槽231上端依次从下往上叠放一定个数的钢圈，旋转钢圈使得水沙通孔212到所需突水溃沙点的位置，在渗流液输送管234上接水沙渗流流量计5；
2.将破碎岩体缓慢放入破碎岩体实验装置2的内筒21内，将外筒22套住内筒21，轴向加载机3活塞上部固定位移传感器，将轴向加载机3活塞放入内筒21，加载机轴与内筒21中心轴重合，调整外筒22，使水沙通孔门体221正对试验所需内筒21进水孔，用螺栓将外筒22与底座23固定，打开试验所需水沙通孔212位置对应水沙通孔门体221，其余水沙通孔门体221关闭，并插入销钉固定；
3.将水沙混合装置1固定在稳定可升降的稳定支架上，调节高度，使水沙喷射口15正对破碎岩体实验装置2的内筒21的水沙通孔212，水沙混合装置1内部放入适量沙子，下部输沙管13接落沙流量计4，高压输水管12接外部高压水流供给源14，将水沙喷射口15接入试验盒内筒21钢圈开孔，两者接口放置密封圈；
4.打开水沙渗流流量计5，在渗流液输送管234的下端接渗流液收集容器，开启轴向加载机3，同时打开电动机搅拌沙体，然后打开落沙控制阀门16，同时输入高压水流，调节落沙控制阀门16，以控制试验所需水沙混合比例；
5.将水沙混合物由水沙喷射口15喷射到破碎岩体的突水溃沙位置,以对破碎岩体进行液固耦合渗流条件下的模拟,从而测定破碎岩体水沙混合物的渗透率；
6.测定水沙混合物的输入和输出以及水沙混合物流量随时间的变化情况,得到破碎岩体在不同压实度情况下水沙二相流渗流状况,落沙流量计4、水沙渗流流量计5、位移传感器和压力传感器将采集到的数据传递给后续的数据处理装置，为工程现场提供必要的理论数据。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.破碎岩体水沙渗流实验系统，其特征在于，包括：水沙混合装置、破碎岩体实验装置、岩体加载组件和数据采集装置；
所述水沙混合装置包括水沙混合装置壳体、搅拌机构和输水管，所述搅拌机构设置在水沙混合装置壳体内，水沙混合装置壳体下端设置有输沙管，输沙管与输水管连通，输水管的进水口用于连接水流供给源，输水管的出水口设置有水沙喷射口；
破碎岩体实验装置包括内筒、外筒和底座，内筒设置在外筒内，且内筒与外筒紧密贴合，内筒和外筒均设置在底座上；
所述底座上端面中心位置设置有凹槽，凹槽上方设置有内筒，凹槽的下部设置有分离筛，凹槽的下端面上均匀设置有导流孔，导流孔与渗流液输送管连通；
所述内筒由多个从下到上依次叠放在一起的圆环组合而成，除最上层圆环之外，每个圆环侧面均开设有水沙通孔，外筒上与每个水沙通孔对应位置设置有用于封堵或打开水沙通孔的水沙通孔门体，所述圆环为上下端面均设置有开口的筒状结构；
水沙混合装置的水沙喷射口与破碎岩体实验装置的水沙通孔连通，岩体加载组件采用轴向加载机，轴向加载机的活塞设置在破碎岩体实验装置的内筒上部；
数据采集装置包括设置在输沙管上的落沙流量计，设置在渗流液输送管上的水沙渗流流量计，设置在加载机活塞上部的位移传感器和设置在加载机内部的压力传感器，落沙流量计、水沙渗流流量计、位移传感器和压力传感器用于将采集到的数据传递给数据处理装置；
所述水沙通孔门体的高度与内筒的圆环的高度相等，水沙通孔门体的一端与外筒铰接，另一端与外筒构成榫卯结构；
所述搅拌机构包括通过电动机支架设置在水沙混合装置壳体上的电动机，扇叶组件和扇叶轴，扇叶轴与电动机的转轴连接，扇叶组件沿扇叶轴螺旋分布。
2.根据权利要求1所述的破碎岩体水沙渗流实验系统，其特征在于，所述水沙混合装置壳体上部为圆柱状结构，下部为倒圆锥状结构。
3.根据权利要求1或2所述的破碎岩体水沙渗流实验系统，其特征在于，所述输沙管上设置有落沙控制阀门。
4.根据权利要求3所述的破碎岩体水沙渗流实验系统，其特征在于，所述底座上设置有多个用于固定外筒的外筒固定孔，外筒上设置有固定件。
5.根据权利要求4所述的破碎岩体水沙渗流实验系统，其特征在于，所述凹槽为圆形，且凹槽的直径与内筒的直径相等。
6.根据权利要求5所述的破碎岩体水沙渗流实验系统，其特征在于，所述水沙混合装置的水沙喷射口与破碎岩体实验装置的水沙通孔的连接处设置有密封圈。
7.根据权利要求6所述的破碎岩体水沙渗流实验系统，其特征在于，内筒和外筒之间设置有防水层。
8.根据权利要求7所述的破碎岩体水沙渗流实验系统，其特征在于，所述圆环为钢圈。
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