CN107831106A - 智能渗透率测量试验台 - Google Patents

Abstract

一种智能渗透率测量试验台，包括数据处理系统、供水循环系统、模拟渗流系统。数据处理系统具有多个压力传感器、多个流量传感器、压力调节器、数据收集装置、计算机；供水循环系统具有供水箱、给水水泵、控压泵等；模拟渗流系统具有渗流箱、上部水箱、下部水箱、稳水箱、集水箱、相似材料；上部水箱与渗流箱之间的隔板上、渗流箱与稳水箱之间的隔板上皆具有多个分水孔，渗流箱与集水箱之间的隔板上、渗流箱与下部水箱之间的隔板上皆向外伸出多个排水管，排水管上皆依次安装有电动阀门、压力传感器、流量传感器。它能够在常温常压下测量多种待测岩样的渗透率，能够快速、准确的测量出具有不同裂隙率的岩样的渗透率，该试验台操作简单，实用、工作可靠。

Description

智能渗透率测量试验台

技术领域

本发明涉及一种渗透率测量试验装置，具体是一种智能渗透率测量试验台。它能够测量煤矿采空区上覆岩层坍塌模拟的裂缝率很高的岩层渗透率，也能够测量具不同粒度砂岩或土壤的渗透率，用在水文地质、工程地质、环境地质等领域。

背景技术

煤层在开采过程中，会导致采空区上覆岩层发生坍塌，大规模的模拟裂缝，致使采空区上覆岩层的渗透率与煤层开采前相比发生了巨大的变化，目前渗透率测量仪器主要为对低渗透率的较小岩样进行测量，对采空区上覆岩层发生陷落以后的渗透率测量的智能设备较少。

发明人检索到以下相关专利文献：CN205015255U公开了一种台式相对渗透率测量仪，所述减压阀和手动阀均安装在测量仪本体的正面，所述压力阀设置在减压阀的下方，所述管路接口安装在测量仪本体上，所述压力显示器设置在测量仪本体的右上方，所述回压阀通过螺丝固定在测量仪本体上的回压阀底座上，所述岩心夹持器安装在测量仪底座上，所述测量仪底座上坐落着测量仪本体。CN101251465公开了一种模拟地层环境测量岩芯渗透率的装置。模拟地层渗透率测量仪器主要是通过回压阀加回压来模拟地层高压环境，岩芯入口压力和出口压力很高，产生的绝对误差就会很大，影响了岩芯两端的压差的精确度。该仪器利用汞柱的压力驱水来测量。模拟地层环境渗透率测量仪器包括三个模块:供水模块、出水模块和地层环境模拟模块。供水模块有压力容器、供液容器和平流泵,出水模块只有一个出口容器，环境模拟模块有供压氮气瓶和恒温箱。用管线在底端将压力容器和供液容器连接组成连通器,平流泵与供液容器连接提供流体。从供液容器上端连接岩芯夹持器，岩芯夹持器再连接出口容器。然后打开恒温箱，接入氮气瓶就可以进行测量。CN204789267U公开了一种煤岩渗透率检测装置，包括气体输入单元、用于模拟地应力状态的加压单元、用于采集压力参数和流量参数的采集单元、进出气管路单元和用于计算煤岩渗透率的测量单元；所述加压单元包括用于放置待测煤岩样品并加载压力的加压装置和用于对加压装置进行压力调节的压力调节装置，所述加压装置通过进出气管路单元分别与气体输入单元和采集单元连接，所述采集单元与测量单元连接。CN102768174A公开了一种测定原煤渗透率的实验装置及方法，装置由煤岩夹持系统（含夹持器、立方体模具、环氧树脂固化用加热箱等）、流体注入系统（含泵和增压容器等）、流量计量系统（含气水分离管和气体质量流量计等）组成。实验室首先在立方体原煤的六个面上分别粘结一流体管线接头，并用环氧树脂将煤块密封成立方体状；然后将煤块放入发明的夹持器中，夹持器与煤块之间注入硅油以提供围压；然后将夹持器与注入系统、计量系统相连接；然后分别沿面割理和垂向三个方向进行注采，即可测得每个方向的渗透率。CN101975734A公开了一种 多孔材料流—固—热多场耦合渗透率测量装置及其测量方法，特别是针对流场、温度场耦合下人工骨多孔支架渗透率的测量装置和测量方法。该装置可以将溶液从进液软管输入，从出液软管流出，通过微流量传感器可以直接测出流体累积流量，通过进液空腔压力传感器与排液空腔压力传感器测得进液空腔和排液空腔压力之差，再结合流体粘度、多孔材料长度和截面积，提出一种计算多孔材料渗透率的方法。

以上技术对于本发明如何能够快速、准确的确定待测物质渗透率，并未给出具体的指导方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种智能渗透率测量试验台， 它能够在常温常压下测量多种待测岩样的渗透率，能够快速、准确的测量出具有不同裂隙率的岩样的渗透率，该试验台操作简单，实用、工作可靠。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种智能渗透率测量试验台，包括数据处理系统、供水循环系统、模拟渗流系统，其技术方案在于：所述的数据处理系统具有多个压力传感器、多个流量传感器、压力调节器、数据收集装置（数据采集装置）、计算机，数据收集装置与计算机相连接；所述的供水循环系统具有供水箱、给水水泵、控压泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、输水管、排水管、安装于排水管上的循环水泵；供水箱的顶部设置有入水口，供水箱的下部设有出水口，所述出水口上连接有向模拟渗流系统供水的输水管，输水管分为前段输水管、后段输水管、将前段输水管和后段输水管连在一起的中间输水管，所述的中间输水管上安装有压力调节器，所述的前段输水管由相并联的第一支路输水管、第二支路输水管构成，所述的后段输水管由相并联的第三支路输水管、第四支路输水管构成，所述的模拟渗流系统具有渗流箱、固定安装在渗流箱顶端的上部水箱、固定安装在渗流箱底端的下部水箱、固定安装在渗流箱左侧的稳水箱、固定安装在渗流箱右侧的集水箱、铺设在渗流箱内的模拟待测岩层的相似材料；所述稳水箱的下部设置有与上述输水管的第四支路输水管相连接的进水口，第一支路输水管从所述出水口依次连接用于控制出水口流量的第一阀门、为上部水箱和稳水箱供水的给水水泵、用于控制水流量的第二阀门而连接到所述的中间输水管上，第二支路输水管从所述出水口依次连接用于控制出水口流量的第三阀门、为上部水箱和稳水箱提供稳定压力的控压泵、用于控制水流量的第四阀门而连接到所述的中间输水管上，第三支路输水管的一端与所述的中间输水管相连接，第三支路输水管的另一端伸入上部水箱内而与上部水箱相连通，第四支路输水管的一端与所述的中间输水管相连接，第四支路输水管的另一端与所述的进水口相连接，第三支路输水管上安装有第五阀门，第四支路输水管安装有第六阀门；所述集水箱的下部设置有防溢排水口，下部水箱的下部设置有防溢排水出口，防溢排水口、防溢排水出口皆通过排水管与供水箱的入水口相连接；上部水箱与渗流箱之间的隔板上、渗流箱与稳水箱之间的隔板上皆具有多个分水孔，渗流箱与集水箱之间的隔板上、渗流箱与下部水箱之间的隔板上皆向外伸出多个排水管，每个所述排水管上皆依次安装有电动阀门、压力传感器、流量传感器。

上述技术方案中，本发明的优选方案可以是：所述的渗流箱的内壁粘最好贴有等厚的薄层砂粒。上述的渗流箱最好呈长方体形，渗流箱的长度可以为100cm、宽度可以为70cm、高度可以为100cm，渗流箱最好由单向透视钢化玻璃制成。上述的稳水箱、集水箱、上部水箱、下部水箱最好皆呈长方体形，稳水箱、集水箱的长度可以皆为70cm、宽度可以皆为20cm、高度可以皆为100cm；所述上部水箱、下部水箱的长度可以皆为100cm、宽度可以皆为70cm、高度可以皆为20cm，稳水箱、集水箱、上部水箱、下部水箱最好皆由单向透视钢化玻璃制成。上述的相似材料最好为具有不同裂隙率或孔隙度的模拟待测岩样的相似材料，相似材料最好选用不同粒径的碎石、粗砂、石膏、水、缓凝剂，碎石的粒径分别为5-10mm、10-20mm、20-30mm，三种碎石的重量之比为：5-10mm粒径的碎石∶10-20mm粒径的碎石∶20-30mm粒径的碎石=1∶0.6∶0.3，粗砂的粒径为0.5mm-5mm，碎石、粗砂、石膏、水、缓凝剂的重量之比为1∶0.3∶0.05∶0.3∶0.002，模拟不同裂隙率的待测岩样。上述的多个分水孔在上部水箱与渗流箱之间的隔板上、在渗流箱与稳水箱之间的隔板上最好皆呈10横排7纵列均匀分布。分水孔的数量为70个，每个分水孔的直径皆可以为2cm，每横排分水孔中相邻的两个分水孔的中心距可以为10cm。上述的多个排水管在渗流箱与集水箱之间的隔板上、在渗流箱与下部水箱之间的隔板上最好皆呈5横排3纵列均匀分布。排水管的数量为15个，每个排水管的内径可以为2cm，每横排排水管中相邻的两个排水管的中心距可以为20cm（或者说是相邻的两个排水管所在的排水孔的中心距为20cm）。

本发明具有数据处理系统、供水循环系统、模拟渗流系统，所述数据处理系统收集压力调节器、压力传感器和流量传感器的数据，再将数据传给（微型）计算机，经过计算机处理计算，最终得出待测材料渗透率，即本发明通过收集入水口的压力、排水管（排水孔）的压力和流量数据（智能）测出待测材料的渗透率，该试验台操作简单、使用方便，测量结果准确、快速。与现有的渗透率测量装置相比，本发明的有益效果是更安全、快速、准确的提供待测材料的渗透率结果，操作更简便。本发明能在不为待测岩样提供围压的情况下准确测量其渗透率，易于完成具有高裂隙率岩样的渗透率测量，解决了煤矿采空区上覆岩层渗透率检测的需求问题。

综上所述，本发明能够在常温常压下测量多种待测岩样的渗透率，能够快速、准确的测量出具有不同裂隙率的岩样的渗透率，该试验台操作简单，实用、工作可靠。与现有的渗透率测量装置相比，本发明节约测量时间在30%以上，测量效率提高了30%以上。

附图说明

图1为本发明的结构示意图（立体图）。

图2为本发明的结构示意图（纵向剖视图）。

图3为本发明中渗流箱的结构示意图（立体图，省去渗流箱的前侧板）。

图4为图2中沿A-A线的剖视图（省去相似材料）。

图5为图2中沿B-B线的剖视图（省去相似材料）。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明的智能渗透率测量试验台包括数据处理系统3、供水循环系统1、模拟渗流系统2。所述的数据处理系统3具有多个压力传感器3a、多个流量传感器3b、压力调节器3c、（带数据采集箱的）数据收集装置3d、（微型）计算机3e、数据传输线，所述的压力调节器3c可以采用手动控制，数据收集装置为传感器数据收集装置，各传感器皆与数据收集装置相连接，数据收集装置3d 通过数据传输线与计算机3e相连接。（微型）计算机3e上安装开发的软件“智能渗透率测量系统1.0”。所述的供水循环系统1具有供水箱1a、给水水泵1b、控压泵1c、第一阀门1d₁、第二阀门1d₂ 、第三阀门1d₃、第四阀门1d₄、第五阀门1d₅、第六阀门1d₆ 、输水管1e、排水管1e′、安装于排水管上的循环水泵（即水泵）1f。供水箱1a的顶部设置有入水口，供水箱的下部设有出水口1a₁ ，所述出水口1a₁上连接有向模拟渗流系统2供水的输水管1e，输水管1e分为前段输水管、后段输水管、将前段输水管和后段输水管连在一起的中间输水管，所述的中间输水管上安装有压力调节器3c。所述的前段输水管由相并联的第一支路输水管1e₁、第二支路输水管1e₂构成，所述的后段输水管由相并联的第三支路输水管1e₃、第四支路输水管1e₄构成，所述的模拟渗流系统2具有渗流箱2a、固定安装在渗流箱顶端的上部水箱2b、固定安装在渗流箱底端的下部水箱2d、固定安装在渗流箱左侧的稳水箱2c、固定安装在渗流箱右侧的集水箱2e、铺设在渗流箱内的模拟待测岩层（待测岩样）的相似材料2f。所述稳水箱2c的下部设置有与上述输水管的第四支路输水管1e₄相连接的进水口2c₁，第一支路输水管1e₁从所述出水口1a₁依次连接用于控制出水口流量的第一阀门1d₁、为上部水箱和稳水箱供水的给水水泵1b、用于控制水流量的第二阀门1d₂而连接到所述的中间输水管上。第二支路输水管1e₂从所述出水口1a₁依次连接用于控制出水口流量的第三阀门1d₃、为上部水箱和稳水箱提供稳定压力的控压泵1c 、用于控制水流量的第四阀门1d₄而连接到所述的中间输水管上，第三支路输水管1e₃的一端与所述的中间输水管相连接，第三支路输水管1e₃的另一端（作为出水口）伸入上部水箱2b内而与上部水箱相连通，第四支路输水管1e₄的一端与所述的中间输水管相连接，第四支路输水管1e₄的另一端与所述的进水口2c₁相连接，第三支路输水管1e₃上安装有第五阀门1d₅，第四支路输水管1e₄安装有第六阀门1d₆ 。所述集水箱2e的下部设置有防溢排水口2e₁，下部水箱2d的下部设置有防溢排水出口2d₁，防溢排水口2e₁、防溢排水出口2d₁皆通过排水管1e′与供水箱1a的入水口相连接,供水箱1a的入水口还与外界水源（自来水管）相连通，供水箱为渗流箱提供渗流介质。上部水箱2b与渗流箱2a之间的隔板上、渗流箱2a与稳水箱2c之间的隔板上皆具有多个分水孔2aa，渗流箱2a与集水箱2e之间的隔板上、渗流箱2a与下部水箱2d之间的隔板上皆向外伸出多个排水管2ab，具体是渗流箱与集水箱之间的隔板上、渗流箱与下部水箱之间的隔板上皆具有多个排水孔2ab′，每个排水孔2ab′上安装一个排水管2ab。每个所述排水管2ab上（由内侧向外侧）皆依次安装有电动阀门2ac、压力传感器3a、流量传感器3b。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，上述的渗流箱2a的内壁粘贴有等厚的薄层砂粒2ad。上述的渗流箱2a呈长方体形，渗流箱2a的长度为100cm、宽度为70cm、高度为100cm，渗流箱2a可由单向透视钢化玻璃制成，模拟可透视的箱体。上述的稳水箱2c、集水箱2e、上部水箱2b、下部水箱2d皆呈长方体形，稳水箱2c、集水箱2e的长度皆为70cm、宽度皆为20cm、高度皆为100cm；所述上部水箱2b、下部水箱2d的长度皆为100cm、宽度皆为70cm、高度皆为20cm，稳水箱2c、集水箱2e、上部水箱2b、下部水箱2d皆由单向透视钢化玻璃制成。上述的相似材料2f为具有不同裂隙率或孔隙度的模拟待测岩样的相似材料2f，相似材料可选用不同粒径的碎石、粗砂（0.5mm-5mm）、石膏、水、缓凝剂（的搅拌混合物），碎石的粒径分别为5-10mm、10-20mm、20-30mm，三种碎石的重量之比为：5-10mm粒径的碎石∶10-20mm粒径的碎石∶20-30mm粒径的碎石=1∶0.6∶0.3，粗砂的粒径为0.5mm-5mm，碎石、粗砂、石膏、水、缓凝剂的重量之比为1∶0.3∶0.05∶0.3∶0.002，模拟不同裂隙率的待测岩样，这样，本发明的准确性更高（准确率更高，准确率达到了98%以上）。上述的缓凝剂为石膏缓凝剂，可以为六偏磷酸钠（或者是柠檬酸及其盐）。上述的多个分水孔2aa在上部水箱2b与渗流箱2a之间的隔板上、在渗流箱2a与稳水箱2c之间的隔板上皆呈10横排7纵列均匀分布。分水孔2aa的数量为70个，每个分水孔的直径皆为2cm，每横排分水孔中相邻的两个分水孔的中心距为10cm。上述的多个排水管2ab在渗流箱2a与集水箱2e之间的隔板上、在渗流箱2a与下部水箱2d之间的隔板上皆呈5横排3纵列均匀分布。排水管2ab的数量为15个，每个排水管2ab的内径为2cm，每横排排水管中相邻的两个排水管的中心距为20cm。

本发明具有数据处理系统、供水循环系统、模拟渗流系统，所述数据处理系统收集压力调节器、压力传感器和流量传感器的数据，再将数据传给（微型）计算机，经过计算机处理计算，最终得出待测材料渗透率，即本发明通过收集入水口的压力、排水管（排水孔）的压力和流量数据（智能）测出待测材料的渗透率（渗透率的计算方法本身为已有技术）。该试验台操作简单、使用方便，测量结果准确、快速。与现有的渗透率测量装置相比，本发明的有益效果是更安全、快速、准确的提供待测材料的渗透率结果，操作更简便。本发明能在不为待测岩样提供围压的情况下准确测量其渗透率，易于完成具有高裂隙率岩样的渗透率测量，解决了煤矿采空区上覆岩层渗透率检测的需求问题。

综上所述，本发明能够在常温常压下测量多种待测岩样的渗透率，能够快速、准确的测量出具有不同裂隙率的岩样的渗透率，该试验台操作简单，实用、工作可靠。与现有的渗透率测量装置相比，本发明节约测量时间在30%以上，测量效率提高了30%以上。

Claims (7)

1.一种智能渗透率测量试验台，包括数据处理系统（3）、供水循环系统（1）、模拟渗流系统（2），其特征在于：

所述的数据处理系统（3）具有多个压力传感器（3a）、多个流量传感器（3b）、压力调节器（3c）、数据收集装置（3d）、计算机（3e），数据收集装置（3d ）与计算机（3e）相连接；

所述的供水循环系统（1）具有供水箱（1a）、给水水泵（1b）、控压泵（1c）、第一阀门（1d₁）、第二阀门（1d₂ ）、第三阀门（1d₃）、第四阀门（1d₄）、第五阀门（1d₅）、第六阀门（1d₆）、输水管（1e）、排水管（1e′）、安装于排水管上的循环水泵（1f）；供水箱（1a）的顶部设置有入水口，供水箱的下部设有出水口（1a₁），所述出水口（1a₁）上连接有向模拟渗流系统（2）供水的输水管（1e），输水管（1e）分为前段输水管、后段输水管、将前段输水管和后段输水管连在一起的中间输水管，所述的中间输水管上安装有压力调节器（3c），所述的前段输水管由相并联的第一支路输水管（1e₁）、第二支路输水管（1e₂）构成，所述的后段输水管由相并联的第三支路输水管（1e₃）、第四支路输水管（1e₄）构成，所述的模拟渗流系统（2）具有渗流箱（2a）、固定安装在渗流箱顶端的上部水箱（2b）、固定安装在渗流箱底端的下部水箱（2d）、固定安装在渗流箱左侧的稳水箱（2c）、固定安装在渗流箱右侧的集水箱（2e）、铺设在渗流箱内的模拟待测岩层的相似材料（2f）；

所述稳水箱（2c）的下部设置有与上述输水管的第四支路输水管（1e₄）相连接的进水口（2c₁），第一支路输水管（1e₁）从所述出水口（1a₁）依次连接用于控制出水口流量的第一阀门（1d₁）、为上部水箱和稳水箱供水的给水水泵（1b）、用于控制水流量的第二阀门（1d₂）而连接到所述的中间输水管上，第二支路输水管（1e₂）从所述出水口（1a₁）依次连接用于控制出水口流量的第三阀门（1d₃）、为上部水箱和稳水箱提供稳定压力的控压泵（1c ）、用于控制水流量的第四阀门（1d₄）而连接到所述的中间输水管上，第三支路输水管（1e₃）的一端与所述的中间输水管相连接，第三支路输水管（1e₃）的另一端伸入上部水箱（2b）内而与上部水箱相连通，第四支路输水管（1e₄）的一端与所述的中间输水管相连接，第四支路输水管（1e₄）的另一端与所述的进水口（2c₁）相连接，第三支路输水管（1e₃）上安装有第五阀门（1d₅），第四支路输水管（1e₄）安装有第六阀门（1d₆）；所述集水箱（2e）的下部设置有防溢排水口（2e₁），下部水箱（2d）的下部设置有防溢排水出口（2d₁），防溢排水口（2e₁）、防溢排水出口（2d₁）皆通过排水管（1e′）与供水箱（1a）的入水口相连接；

上部水箱（2b）与渗流箱（2a）之间的隔板上、渗流箱（2a）与稳水箱（2c）之间的隔板上皆具有多个分水孔（2aa），渗流箱（2a）与集水箱（2e）之间的隔板上、渗流箱（2a）与下部水箱（2d）之间的隔板上皆向外伸出多个排水管（2ab），每个所述排水管（2ab）上皆依次安装有电动阀门（2ac）、压力传感器（3a）、流量传感器（3b）。

2.根据权利要求1所述的智能渗透率测量试验台，其特征在于上述的渗流箱（2a）的内壁粘贴有等厚的薄层砂粒（2ad）。

3.根据权利要求1所述的智能渗透率测量试验台，其特征在于上述的渗流箱（2a）呈长方体形，渗流箱（2a）的长度为100cm、宽度为70cm、高度为100cm，渗流箱（2a）由单向透视钢化玻璃制成。

4.根据权利要求1所述的智能渗透率测量试验台，其特征在于上述的稳水箱（2c）、集水箱（2e）、上部水箱（2b）、下部水箱（2d）皆呈长方体形，稳水箱（2c）、集水箱（2e）的长度皆为70cm、宽度皆为20cm、高度皆为100cm；所述上部水箱（2b）、下部水箱（2d）的长度皆为100cm、宽度皆为70cm、高度皆为20cm，稳水箱（2c）、集水箱（2e）、上部水箱（2b）、下部水箱（2d）皆由单向透视钢化玻璃制成。

5.根据权利要求1所述的智能渗透率测量试验台，其特征在于上述的相似材料（2f）为具有不同裂隙率或孔隙度的模拟待测岩样的相似材料（2f），相似材料选用不同粒径的碎石、粗砂、石膏、水、缓凝剂，碎石的粒径分别为5-10mm、10-20mm、20-30mm，三种碎石的重量之比为：5-10mm粒径的碎石∶10-20mm粒径的碎石∶20-30mm粒径的碎石=1∶0.6∶0.3，粗砂的粒径为0.5mm-5mm，碎石、粗砂、石膏、水、缓凝剂的重量之比为1∶0.3∶0.05∶0.3∶0.002，模拟不同裂隙率的待测岩样。

6.根据权利要求1所述的智能渗透率测量试验台，其特征在于上述的多个分水孔（2aa）在上部水箱（2b）与渗流箱（2a）之间的隔板上、在渗流箱（2a）与稳水箱（2c）之间的隔板上皆呈10横排7纵列均匀分布，分水孔（2aa）的数量为70个，每个分水孔的直径皆为2cm，每横排分水孔中相邻的两个分水孔的中心距为10cm。

7.根据权利要求1所述的智能渗透率测量试验台，其特征在于上述的多个排水管（2ab）在渗流箱（2a）与集水箱（2e）之间的隔板上、在渗流箱（2a）与下部水箱（2d）之间的隔板上皆呈5横排3纵列均匀分布，排水管（2ab）的数量为15个，每个排水管（2ab）的内径为2cm，每横排排水管中相邻的两个排水管的中心距为20cm。