CN108195739B

CN108195739B - 压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置

Info

Publication number: CN108195739B
Application number: CN201711411352.6A
Authority: CN
Inventors: 文志杰; 景所林; 孟凡宝; 李培植
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2017-12-23
Filing date: 2017-12-23
Publication date: 2020-06-12
Anticipated expiration: 2037-12-23
Also published as: CN108195739A

Abstract

本发明公开了一种压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，属于地下空间岩层渗流模拟技术领域。本发明装置包括相似材料模拟系统、加载系统。加载系统包括空气加压系统、空气稳压装置。相似材料模拟系统包括箱体装置、相似材料。所述的箱体装置骨架为钢架结构，前后板采用可拆卸透明有机玻璃板便于观察，左右侧板可拆卸便于后期试验处理。所述的箱体装置中间设置可移动挡板，一侧为密封室。相似材料的填充在前透明板完成，所述前透明板安装位置可安装分层固定板，方便填充材料。本发明在密封室一侧充水并通过加载系统施加压力，模拟地下空间岩层渗流，通过气压表对密封室内的气压进行监测和记录，利用刻度尺观察记录密封室内水位变化，采用在密封室埋设虹吸管的方法记录渗流发生的位置和时间。本发明还可以实现采动岩层裂隙发育和坝体稳定性及渗流的模拟。

Description

压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置

技术领域

本发明涉及采矿工程地下空间岩层渗流技术领域，具体涉及一种压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，同时还涉及采动岩层裂隙发育和坝体稳定性及渗流的模拟试验装置。

背景技术

伴随采矿行业的日益发展，矿井开采已经逐步转向深部开采，开采面临的地质条件更加复杂，尤其是承压水上、水下以及水体附近矿床的开采。水文地质清晰、安全措施到位可以有效减少灾害的发生，但是渗流效应在顶底板岩层的发生总是难以预测的，因此，展开采空区顶底板岩层渗流研究对于进一步提高矿井开采的安全性有着重要意义。同时对西部地区煤炭开采水资源保护与利用的研究愈加深入，地下水库已经成为解决水资源保护与利用的有效措施，对地下水库底板岩层的渗流和坝体防渗的研究已经越来越重要。

现有的渗流试验研究方法主要包括数值模拟和室内渗流试验研究。数值模拟的计算方法中试验条件理想化、材料基质均质化、地质条件单一化，这些特点决定了数值模拟的计算方法可以作为验证真实情形下渗流发生情况的一种方法。因此，研究岩石渗流特性的主要方法还是室内渗流试验。室内渗流试验主要侧重的是研究岩石渗流与应力应变的关系、岩石渗流监测方法以及渗流试验装置，现有室内渗流试验装置主要研究的方面是在低渗透压力下岩石的渗流效应。试验岩石试件主要采用圆柱形标准试件进行试验探究岩石渗流特性，这种试件的岩性相对单一，试验条件相对固定，实际上岩体具有复杂的组分和微结构，并且在开采后岩石的应力状态已经改变，再加上后期试件加工对岩石的破坏损伤，试验很难还原岩体真实的渗流特性。高渗透压力下不同压力、变压过程、动压和静压的渗流效应研究还没有形成成熟的理论成果。

为了进一步研究上述问题，研究设计了一种压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，考虑模拟采空区底板岩层及围岩在不同加载条件下发生的渗流效应。在实际工程中，采空区底板岩层和围岩渗流的研究对于掌握底板岩层渗流规律和围岩稳定性变化规律有着重要作用。

发明内容

本发明的目的是为了解决和进一步完善现有渗流试验装置的不足而提供一种压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，实现高渗透压下不同压力、变压过程、动压和静压下的采空区底板岩层和围岩的渗流模拟，同时可以测算渗流在岩层中发生的位置和时间，还可以实现采动岩层裂隙发育和坝体稳定性及渗流的模拟。本发明可以根据满足不同地质条件的要求，试验过程简单，操作简便。

本发明采用以下技术方案来解决上述问题：一种压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，包括相似材料模拟系统、加载系统；所述的加载系统包括空气加压系统、空气稳压装置；所述的相似材料模拟系统包括箱体装置、相似材料；所述的箱体装置骨架为钢架结构，前后板采用可拆卸透明有机玻璃板便于观察，左右侧板可拆卸便于后期试验处理；所述的箱体装置中间设置可移动挡板，一侧为密封室；所述的相似材料的填充在前透明板完成，所述前透明板安装位置可安装分层固定板，方便填充材料；试验装置通过密封槽、密封圈、凡士林层和密封胶实现密封。

本发明通过气压表对密封室内的气压进行监测和记录，利用刻度尺观察记录密封室内水位变化，采用在密封室埋设虹吸管的方法记录渗流发生的位置和时间。

所述的箱体装置由钢架结构、左右侧板、前后透明有机玻璃板、可移动挡板、分层固定板、轮子、刻度尺、注水口、虹吸管接口、气压阀门和气压表等部件组成，所述的箱体呈一个长1200mm，宽600mm，高600mm的一侧敞口一侧密封的长方体状容器。

所述的钢架结构由一定规格的槽钢、角钢及钢板焊接而成，箱体底板与上方架构焊接连接，箱体中间的钢板中央靠下部分留有规格为200mm×300mm的矩形孔

所述的矩形孔敞口侧设置有导向槽安装可以上下移动的钢板作为可移动挡板，利用密封槽和密封圈实现密封，使用螺栓紧固；所述的可移动挡板上部设置把手，方便实验操作。

所述的密封侧上部钢板为整体的密封的密封盖，在所述的密封盖靠近后透明板右侧设置气压阀门连接加载系统空气稳压装置；在所述的密封盖靠近后透明板左侧安装气压表，便于观察密封室内的气压变化；在所述的密封盖靠近前透明板右侧开设注水口，所述的密封盖上开有一定数量的虹吸管接口

所述的分层固定板为1000mm×10mm×100mm的透明有机玻璃板，端头开有螺栓孔方便与箱体骨架相连，分层固定板满足试验对铺放材料的要求。

所述的轮子安装在箱体底座上，方便移动，箱体带有刹车用于固定箱体防止实验过程中发生晃动，减少外界干扰对试验的影响。

所述的刻度尺包括前刻度尺和后刻度尺；后刻度尺标注在后透明板靠右位置，用来观察和记录密封室水位变化；前刻度尺标注在箱体骨架右侧板边缘，密封圈外侧，用来划定铺设材料厚度；刻度尺精度为mm。

所述的虹吸管的观察管体部分垂直布置，虹吸管埋设的不可见部分管壁内涂有溶于水的颜色鲜明的材料，虹吸管管体上标有刻度，用以观察计算渗流发生处的渗流速度；虹吸管出水口水平低于吸水口水平，满足虹吸效应要求。

所述的气压P、水位变化h₁、材料铺设厚度h₂与相似模拟材料的渗透率k存在一定的函数关系；

h₁＝f(P,k,h₂)

在试验中，水位变化h₁和气压P、相似模拟材料的渗透率k的关系呈正比例线性关系；水位变化h₁和材料铺设厚度h₂的关系呈反比例线性关系。

所述的渗流发生的位置通过虹吸管内出现水体判定，渗流时间的测量由虹吸管内水位变化和秒表实现。

所述的渗流时间的测量通过虹吸管内水位变化h₃和水位变化经历的时间t的计算实现，t₀为开始试验至虹吸管内观察到水的时间；渗流发生时间T为；

所述的空气稳压装置由伺服控制实现精准控制；利用水体不可压缩的性质，通过所述的加载系统实现加压控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置包括相似材料模拟系统和加载系统。

1、本发明加载系统不同于现存装置技术，包括空气加压系统与空气稳压装置，利用流体不可压缩的特征将气压加载至水体上实现高渗透压加载，因此本试验装置的模拟试验更加接近现场实际。

2、本发明试验装置中的气体压力通过伺服控制的空气稳压装置实现精准控制调节，可模拟现场实际条件中不同压力下水在采空区底板岩层和围岩中的运动转移，探究采空区底板岩层渗流规律和围岩稳定性变化规律。

3、与现存渗流特性研究试验相比，本试验装置采用相似材料从宏观角度来模拟研究采空区底板岩层渗流，更加直观。

4、本发明采用埋设虹吸管的方法实现渗流出现位置的判断和渗流发生时间的测量，是一种新的测量渗流出现位置和渗流发生时间的方法。

5、本发明提供的压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置为研究采空区底板岩层和围岩渗流提供了途径，同时该发明还可以实现采动岩层裂隙发育和坝体稳定性及渗流的模拟。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图一。

图2是本发明装置的结构示意图二。

图3是本发明装置中箱体骨架结构示意图。

图中：

1为箱体装置骨架，2为左侧板，3为前透明板，4为右侧板，5为密封盖，6为后透明板，7为可移动挡板，8为导向槽，9为气压阀门，10为气压表，11为气泵，12为进气管，13为空气稳压装置，14为水层，15为相似模拟材料层，16为螺栓，17为分层固定板，18为注水口，19为虹吸管接口。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明技术方案作进一步的详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1、图2、图3所示，一种压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，包括相似材料模拟系统、加载系统。相似材料模拟系统包括箱体装置、相似模拟材料层15。所述的箱体装置包括箱体装置骨架1、左侧板2、前透明板3、右侧板4、密封盖5、后透明板6、可移动挡板7、导向槽8、气压阀门9、气压表10、螺栓16、分层固定板17、虹吸管接口19、虹吸管、注水口18，所述的箱体装置骨架1为钢架结构，所述的前透明板3、后透明板6和分层固定板17采用透明有机玻璃板，便于观察。加载系统包括空气加压系统、空气稳压装置13。所述空气加压系统由气泵11和进气管12组成。装置组装完成并填充材料后在一侧形成密封箱，试验装置通过密封槽、密封圈、凡士林层和密封胶实现密封。所述的虹吸管按照试验设计要求埋设在相似模拟材料层15的底部，本发明在密封箱一侧充水形成水层14并通过加载系统对相似模拟材料层15施加不同条件下的压力，气体压力通过空气稳压装置13实现伺服控制，通过气压表10观察压力值，刻度尺观察水位变化情况，虹吸管判断渗流出现位置和测量渗流时间，实现模拟研究不同加载条件下地下空间岩层的渗流。

本实施例具体实施步骤如下：

1、将箱体装置组装完好，将前透明板3替换为分层固定板17，密封紧固，在0-100mm的箱体内壁均匀地涂抹一层凡士林，利用凡士林层实现相似模拟材料层15和箱体内壁的贴合密封。

2、将虹吸管埋设部分的管壁内涂上可溶于水的颜色鲜明的材料并按照试验设计要求完成布置，每一层布置两根虹吸管。

3、将已经搅拌调配好的相似模拟材料层15铺放进涂好凡士林层的箱体内，在材料铺放过程中，利用压实工具将材料压实平整，敞口侧和密封侧的铺设高度一致；相似模拟材料层15主要采用石膏、碳酸钙、河砂、云母粉等制作而成；相似模拟材料层15的厚度根据试验需要确定。

4、重复步骤1、步骤2、步骤3，直至把相似模拟材料层15全部铺放完毕；铺放完成后，在不破坏相似模拟材料层15的前提下将分层固定板17自上而下依次拆除，将涂抹有凡士林层和密封胶的前透明板3安装紧固；在安装分层固定板17和前透明板3时的紧固位置不完全相同，使得前透明板3更加紧密地和相似模拟材料层15贴合密封。

5、闭合密封盖5，通过注水口18在相似模拟材料层15上方注水形成150mm的水层14，静置直至水位不再变化，将注水口18密封。

6、检查箱体装置密封侧密封性，通过加载系统的空气加压系统给空气稳压装置13提供气体，空气稳压装置13通过伺服控制器对密封室内的气压进行精准调节控制，以满足试验设计要求。

7、加载系统的操作；首先，关闭气压阀门9，通过气泵11对空气稳压装置13加压至设定值，空气稳压装置13本身装有伺服控制器，对气压变化精准控制；其次，开启气压阀门9缓慢加压，通过气压表10观察密封室的气压值，空气稳压装置13通过伺服控制器输出恒定压力值，保持。

8、空气稳压装置为活塞结构，活塞回撤之前关闭气压阀门9，待空气稳压装置13正常工作时，开启气压阀门9，继续试验；重复以上程序直至实验结束。

9、试验过程中，通过气压表10观察和记录密封室内不同时段的压力值；通过刻度尺观察和记录不同时段的水位变化情况；通过虹吸管判断渗流出现位置和测量渗流时间。

10试验结束时，对相似模拟材料层15不同位置进行取芯，观察渗透深度和裂隙发育情况。

11、试验结束后及时清理设备，对设备进行清洁养护。

Claims

1.一种压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，其特征在于：包括相似材料模拟系统、加载系统；加载系统包括空气加压系统、空气稳压装置；相似材料模拟系统包括箱体装置、相似材料；所述箱体装置的骨架为钢架结构，前后板采用可拆卸透明有机玻璃板便于观察，左右侧板可拆卸便于后期试验处理；所述的箱体装置中间设置可移动挡板，一侧为密封室；相似材料的填充在前透明有机玻璃板安装之前完成，所述前透明有机玻璃板的安装位置可安装分层固定板，方便填充材料；

通过气压表对密封室内的气压P进行监测和记录，利用刻度尺观察记录密封室内水位变化，采用在密封室埋设虹吸管的方法记录渗流发生的位置和时间；

所述的渗流发生的位置通过虹吸管内出现水体判定，渗流时间的测量由虹吸管内水位变化和秒表实现；

所述的渗流时间的测量通过虹吸管内水位变化h₃和水位变化经历的时间t的计算实现，t₀为开始试验至虹吸管内观察到水的时间，h₂为相似材料铺设厚度；渗流发生时间T为：

。

2.根据权利要求1所述的压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，其特征在于：所述的箱体装置由钢架结构、左右侧板、前后透明有机玻璃板、可移动挡板、分层固定板、轮子、刻度尺、注水口、虹吸管接口、气压阀门和气压表组成，所述的箱体装置呈一个长1200mm，宽600mm，高600mm的一侧敞口一侧密封的长方体状容器。

3.根据权利要求2所述的压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，其特征在于：所述的钢架结构由一定规格的槽钢、角钢及钢板焊接而成，箱体底板与上方架构焊接连接，箱体中间的钢板中央靠下部分留有规格为200mm×300mm的矩形孔。

4.根据权利要求3所述的压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，其特征在于：所述的矩形孔敞口侧设置有导向槽，导向槽安装可以上下移动的钢板作为可移动挡板,利用密封槽和密封圈实现可移动挡板和箱体之间的密封，使用螺栓将可移动挡板紧固；所述的可移动挡板上部设置把手。

5.根据权利要求2所述的压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，其特征在于：所述的密封室上部是整体的钢质密封盖，在所述的密封盖靠近后透明有机玻璃板右侧设置气压阀门连接加载系统空气稳压装置，在所述的密封盖靠近后透明有机玻璃板左侧安装气压表，在所述的密封盖靠近前透明有机玻璃板右侧开设注水口，所述的密封盖上开有一定数量的虹吸管接口。

6.根据权利要求2所述的压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，其特征在于：所述的分层固定板为1000mm×10mm×100mm的透明有机玻璃板，端头开有螺栓孔方便与箱体骨架相连。

7.根据权利要求2所述的压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，其特征在于：所述的轮子安装在箱体底座上，轮子带有刹车。

8.根据权利要求2所述的压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，其特征在于：所述的刻度尺包括前刻度尺和后刻度尺；后刻度尺标注在后透明有机玻璃板靠右位置，前刻度尺标注在箱体骨架右侧板边缘，密封圈外侧；刻度尺精度为mm。

9.根据权利要求1所述的压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，其特征在于：所述的虹吸管的观察管体部分垂直布置，虹吸管埋设的不可见部分管壁内涂有溶于水的颜色鲜明的材料，虹吸管管体上标有刻度；虹吸管出水口水平低于吸水口水平。

10.根据权利要求1~8任一所述的压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，其特征在于：所述的气压P、水位变化h₁、相似材料铺设厚度h₂与相似模拟材料的渗透率k存在一定的函数关系：

。

11.根据权利要求1所述的压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，其特征在于：所述的空气稳压装置由伺服控制实现精准控制。

12.根据权利要求1所述的压控式渗流试验机理及渗流时间测量装置，其特征在于：利用水体不可压缩的性质，通过所述的加载系统实现加压控制。