CN108593454A - 一种冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，包括泥浆注入装置、冲击扰动装置、数据采集装置、模拟岩体、模拟承压溶洞和数据监测装置，模拟岩体中设有巷道和模拟承压溶洞，冲击扰动装置安装在巷道中，泥浆注入装置与模拟承压溶洞连接，数据监测装置包括安装在模拟承压溶洞和模拟岩体中的多个传感器，传感器与数据采集装置连接。伺服水泵提供水到水腔然后与泥腔的泥混合成泥浆，通过空压系统将泥浆注入模拟承压溶洞中，本发明在模拟岩体外部设置一根冲击扰动杆，输出不同振动频率和幅值的应力波，通过与冲击扰动杆相连的活塞对巷道工作面的冲击扰动，从而分析试验过程中各监测点应力、应变、位移、渗压等物理场的动态变化规律。

Description

一种冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置及试验方法。

背景技术

随着我国的日益强盛，各项建设都在飞速蓬勃发展，越来越多的大型深部矿井巷道以及长大深埋隧道等地下工程已经或将纳入国家重大工程规划，其中在地形、地貌及地质条件复杂的地方修建大型深部矿井巷道和长大深埋隧道工程等地下工程将会遇到很多的岩溶水和不良地质等，所以，在修建矿井巷道和深埋隧道等地下工程的时候，极易发生突水突泥灾害，岩溶突水突泥灾害将会造成巨大的财产损失以及人员的伤亡，并且还有可能会影响生态环境问题。这对施工单位，施工现场技术人员以及施工工人来说都是非常棘手的问题。

不过，根据众多的工程实例证明突水泥地质灾害有一定的孕育环境，这些灾害在发生前会表现出一些前兆信息，我们可以准确捕捉和辨识这些前兆信息，去有效地预报灾害的发生，甚至可以通过相应的应对办法，去避免灾害的发生，从而避免人员伤亡和财产损失。

由于承压溶洞的隐伏性等给隧道和矿井巷道的建设带来了极大的困难，为了研究承压溶洞突水突泥，预防在施工过程中的地质灾害，所以需要对地下工程现场情况井型模拟，通过相应的模拟试验，来了解地质灾害的发生过程，从而提出相应的应对措施，对突水突泥地质灾害进行预报，从而避免财产损失、人员伤亡以及解决生态环境等问题。为解决上述问题，相应的大型物理模型试验应运而生。溶洞的预埋，溶洞泥浆的注入、试验数据的监测等作为模拟实验系统建立的重要步骤，稍有不慎，就会导致实验失败。目前还没有较好的能够很好的处理溶洞预埋以及泥浆的注入、试验数据的监测等问题的试验方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单的冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，并提供一种冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，包括泥浆注入装置、冲击扰动装置、数据采集装置、模拟岩体、模拟承压溶洞和数据监测装置，模拟岩体中间预埋有巷道，所述冲击扰动装置安装在巷道中，用于对巷道工作面实施冲击，以模拟不同爆破振动波频带宽度对工作面的冲击扰动；巷道周围的模拟岩体中设有若干模拟承压溶洞，所述泥浆注入装置与所有的模拟承压溶洞连接，用于将泥浆注入模拟承压溶洞，从而模拟阻泥突岩；所述数据监测装置包括预埋在模拟承压溶洞和模拟岩体中的多个用于采集监测点应力、应变、位移、渗压信号的传感器，所有传感器的信号输出端均与数据采集装置连接。

上述冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，所述冲击扰动装置包括冲击扰动杆、传动杆体、活塞和支座，所述传动杆体的一端伸入巷道内并与巷道内壁接触，传动杆体的另一端露出巷道，传动杆体的外露端通过支座固定在地面上，传动杆体内部中空且设有活塞，所述冲击扰动杆从传动杆体的外露端穿入并与活塞固定连接。

上述冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，还包括加载装置，所述加载装置包括反力架、钢板、油缸，所述模拟岩体呈方形，反力架包裹在模拟岩体外围，模拟岩体的左面、右面、前面、后面、上面均设有多块钢板，每块钢板都与多个油缸的一端相连，油缸的另一端与反力架相接触。

上述冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，所述加载装置的钢板围成一个方形腔体，试验开始前，在方形腔体内事先放好若干整块石灰石和铜管，每块石灰石与若干铜管相连,在方形腔体内预埋若干传感器，并将所有传感器的信号输出端与数据采集装置连接，所述模拟岩体由白水泥、自来水、云母和细沙以2:1:1：2的比例浇筑在方形腔体内形成。

上述冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，在模拟岩体浇筑到接近一半时，穿过方形腔体一侧的钢板向方形腔体水平插入一根外围涂满润滑剂的实心马蹄形钢管，当浇筑完成时，拔出实心马蹄形钢管，从而在模拟岩体中形成巷道。

上述冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，所述铜管与模拟岩体外部连通，将稀盐酸注入到铜管内，稀盐酸通过铜管与石灰石发生反应生成氯化钙溶液和二氧化碳，生成的溶液和气体从铜管排出，从而形成模拟承压溶洞。

上述冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，所述泥浆注入装置包括伺服水泵、空压系统、稳压系统、泥水转换器，所述泥水转换器包括壳体、水腔、泥水压力转换活塞、泥腔，所述壳体内设有泥水压力转换活塞，泥水压力转换活塞将壳体内部空间分为泥腔和水腔，所述泥腔通过连接管分别与各模拟承压溶洞连通，所述伺服水泵通过稳压系统与水腔连通，所述空压系统与稳压系统连接，用于施加空气压力；所述伺服水泵输出的水通过稳压系统进入水腔，在空压系统施加的压力下，水经过泥水压力转换活塞进入泥腔，并与泥腔里的泥混合形成泥浆，所述空压系统施加空气压力，将泥浆注入各模拟承压溶洞，从而模拟充填承压溶洞突泥。

上述冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，所述数据监测装置包括预埋在模拟岩体中的光纤渗压传感器、多点位移计、防水电阻式应变片和压力盒，安装在模拟承压溶洞中的压力传感器。

一种冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置的突泥试验方法，包括以下步骤：

1）安装加载装置内左面、右面、后面、上面的钢板并与油缸连接，预留方形腔体前面钢板的安装空间，在钢板围成的方形腔体内放置若干整块石灰石和铜管，每块石灰石与若干铜管相连,在方形腔体内预埋若干传感器，并将所有传感器的信号输出端与数据采集装置连接；

2）在方形腔体前面下方安装第一块钢板，然后将白水泥、自来水、云母和细沙以2:1:1：2的比例浇筑在方形腔体内，当浇筑的混合物达到第一块钢板高度后，在第一块钢板上安装第二块钢板，继续浇筑，依此类推，当浇筑到方形腔体接近一半位置时，安装一块位于方形腔体前面最中间位置的钢板，且最中间位置的钢板中间有一个马蹄形孔，向马蹄形孔内水平插入一根外围涂满润滑剂的实心马蹄形钢管，然后继续浇筑，直到浇筑满整个方形腔为止；

3）浇筑完成后，通过方形腔体左面、右面、上面、前面和后面的油缸对钢板施加一定的压力，使模拟岩体成型；

4）待到模拟岩体成型后，拔出实心马蹄形钢管，从而形成所需的巷道；

5）将稀盐酸注入到铜管内，稀盐酸通过铜管与石灰石发生反应生成氯化钙溶液和二氧化碳，生成的溶液和气体从铜管排出，从而形成模拟承压溶洞；

6）开启伺服水泵和空压系统，伺服水泵输出的水通过稳压系统进入水腔，在空压系统施加的压力下，水经过泥水压力转换活塞进入泥腔，并与泥腔里的泥混合形成泥浆，空压系统施加空气压力，将泥浆注入各模拟承压溶洞，从而模拟阻泥突岩；

7）安装冲击扰动装置，使得冲击扰动装置的传动杆体伸入巷道内并与巷道内壁接触；

8）通过冲击扰动杆输出不同振动频率和幅值的应力波，通过与冲击扰动杆相连的活塞、传动杆体对巷道工作面实施冲击扰动试验,以模拟不同爆破振动波频带宽度对工作面的冲击扰动；

9）分析试验过程中各监测点应力、应变、位移、渗压物理场的动态变化规律，揭示充填承压溶洞突泥过程中各物理场的前兆信息，通过多物理场信息响应特征的对比，揭示冲击扰动和高泥水渗透压作用下充填承压溶洞渗透失稳突泥灾变演化机制及突泥前兆规律。

本发明的有益效果在于：本发明在模拟岩体中预埋溶洞，在模拟岩体外部设置一根冲击扰动杆，输出不同振动频率和幅值的应力波，通过与冲击扰动杆相连的活塞对巷道工作面的冲击扰动，伺服水泵提供水到水腔然后与泥腔的泥混合成泥浆，通过空压系统将泥浆注入模拟承压溶洞中，从而分析试验过程中各监测点应力、应变、位移、渗压等物理场的动态变化规律，揭示充填承压溶洞突泥过程中各物理场的前兆信息，通过多场信息响应特征的对比，揭示冲击扰动和高泥水渗透压作用下充填承压溶洞渗透失稳突泥灾变演化机制及突泥前兆规律。

附图说明

图1为本发明试验装置的结构示意图。

图2为本发明试验装置浇筑模拟岩体前的主视图。

图3为本发明试验装置浇筑完模拟岩体后的主视图。

图4为本发明试验装置的左视图。

图5为本发明试验装置的带有马蹄形孔的钢板的结构示意图。

图6为本发明试验装置的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，一种冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，包括泥浆注入装置、加载装置、冲击扰动装置、数据采集装置12、模拟岩体和数据监测装置。

所述冲击扰动装置用于对巷道1工作面实施冲击，以模拟不同爆破振动波频带宽度对工作面的冲击扰动，冲击扰动装置包括冲击扰动杆15、传动杆体5、活塞和支座16，所述传动杆体5的一端伸入巷道1内并与巷道1内壁接触，传动杆体5的另一端露出巷道1，传动杆体5的外露端通过支座16固定在地面上，传动杆体5内部中空且设有活塞，所述冲击扰动杆15从传动杆体5的外露端穿入并与活塞固定连接。

所述加载装置包括反力架20、钢板19、油缸18，所述模拟岩体呈方形，反力架20包裹在模拟岩体外围，模拟岩体的左面、右面、前面、后面、上面均设有三块结构相同的钢板19，钢板19长1.5米，宽0.5米，每块钢板19都与三个油缸的一端相连，三个油缸的另一端与反力架相接触。所述加载装置的钢板19围成一个方形腔体。

试验开始前，在方形腔体内事先放好若干整块石灰石和铜管17，每块石灰石与若干铜管17相连,在方形腔体内预埋若干传感器，并将所有传感器的信号输出端与数据采集装置连接，将白水泥、自来水、云母和细沙以2:1:1：2的比例浇筑在所述钢板19所围成的方形腔体内，从而形成模拟岩体，在模拟岩体浇筑到接近一半时，穿过方形腔体一侧的钢板向方形腔体水平插入一根外围涂满润滑剂的实心马蹄形钢管，当浇筑完成时，拔出实心马蹄形钢管，从而在模拟岩体中形成巷道。

所述铜管17与模拟岩体外部连通，将稀盐酸注入到铜管17内，稀盐酸通过铜管17与石灰石发生反应生成氯化钙溶液和二氧化碳，生成的溶液和气体从铜管17排出，从而形成模拟承压溶洞。如图2所示，巷道1周围的模拟岩体中设有三个模拟承压溶洞，分别为巷道前伏承压溶洞2、巷道上伏承压溶洞3、巷道下伏承压溶洞4。

所述泥浆注入装置用于将泥浆注入模拟承压溶洞，从而模拟充填承压溶洞突泥。所述泥浆注入装置包括伺服水泵14、空压系统13、稳压系统11、泥水转换器，所述泥水转换器包括壳体、水腔9、泥水压力转换活塞10、泥腔8，所述壳体内设有泥水压力转换活塞10，泥水压力转换活塞10将壳体内部空间分为泥腔8和水腔9，所述泥腔8通过连接管分别与巷道前伏承压溶洞2、巷道上伏承压溶洞3、巷道下伏承压溶洞4连通，所述伺服水泵14通过稳压系统11与水腔9连通，所述空压系统13与稳压系统11连接，用于施加空气压力；所述伺服水泵14输出的水通过稳压系统11进入水腔9，在空压系统13施加的压力下，水经过泥水压力转换活塞10进入泥腔8，并与泥腔8里的泥混合形成泥浆，所述空压系统13施加空气压力，将泥浆注入巷道前伏承压溶洞2、巷道上伏承压溶洞3、巷道下伏承压溶洞4，从而模拟充填承压溶洞突泥。

所述数据监测装置包括预埋在模拟承压溶洞和模拟岩体中的多个用于采集监测点应力、应变、位移、渗压信号的传感器，所有传感器的信号输出端均与数据采集装置12连接。所述数据监测装置包括安装在模拟岩体中的光纤渗压传感器6、多点位移计、防水电阻式应变片和微型压力盒监测元件，安装在模拟承压溶洞中的压力传感器7。

一种冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验方法，包括以下步骤：

1）安装加载装置内左面、右面、后面、上面的钢板19并与油缸18连接，预留方形腔体前面钢板的安装空间，在钢板围成的方形腔体内放置若干整块石灰石和铜管17，每块石灰石与若干铜管17相连,在方形腔体内预埋若干传感器，并将所有传感器的信号输出端与数据采集装置连接。

2）在方形腔体前面下方安装第一块钢板，第一块钢板两端用螺丝22与左右两面的钢板固定，然后将白水泥、自来水、云母和细沙以2:1:1：2的比例浇筑在方形腔体内，当浇筑的混合物达到第一块钢板高度后，在第一块钢板上安装第二块钢板，同样第二块钢板两端用螺丝22与左右两面的钢板固定，第二块钢板中间有一个马蹄形孔21，向马蹄形孔21内水平插入一根外围涂满润滑剂的实心马蹄形钢管，然后继续浇筑，当混合物浇筑到第二块钢板的高度时，在第二块钢板上安装第三块钢板，第三块钢板两端用螺丝与左右两面的钢板固定，然后继续浇筑，直到浇筑满整个方形腔为止。

3）浇筑完成后，通过方形腔体左面、右面、上面、前面和后面的油缸18对钢板施加一定的压力，使模拟岩体成型。

4）待到模拟岩体成型后，拔出实心马蹄形钢管，从而形成所需的巷道1。

5）将稀盐酸注入到铜管17内，稀盐酸通过铜管17与石灰石发生反应生成氯化钙溶液和二氧化碳，生成的溶液和气体从铜管17排出，从而形成模拟承压溶洞。

6）开启伺服水泵14和空压系统13，伺服水泵14输出的水通过稳压系统11进入水腔9，在空压系统13施加的压力下，水经过泥水压力转换活塞10进入泥腔8，并与泥腔8里的泥混合形成泥浆，空压系统13施加空气压力，将泥浆注入各模拟承压溶洞，从而模拟充填承压溶洞突泥。

7）安装冲击扰动装置，使得冲击扰动装置的传动杆体5伸入巷道1内并与巷道1内壁接触。

8）通过冲击扰动杆15输出不同振动频率和幅值的应力波，通过与冲击扰动杆15相连的活塞、传动杆体5对巷道1工作面实施冲击扰动试验,以模拟不同爆破振动波频带宽度对工作面的冲击扰动。

9）分析试验过程中各监测点应力、应变、位移、渗压物理场的动态变化规律，捕获冲击扰动下围岩位移场与应力场的动力响应特性，揭示充填承压溶洞突泥过程中各物理场的前兆信息，通过多物理场信息响应特征的对比，揭示冲击扰动和高泥水渗透压作用下充填承压溶洞渗透失稳突泥灾变演化机制及突泥前兆规律。

Claims (9)

1.一种冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，其特征在于：包括泥浆注入装置、冲击扰动装置、数据采集装置、模拟岩体、模拟承压溶洞和数据监测装置，模拟岩体中间预埋有巷道，所述冲击扰动装置安装在巷道中，用于对巷道工作面实施冲击，以模拟不同爆破振动波频带宽度对工作面的冲击扰动；巷道周围的模拟岩体中设有若干模拟承压溶洞，所述泥浆注入装置与所有的模拟承压溶洞连接，用于将泥浆注入模拟承压溶洞，从而模拟充填承压溶洞突泥；所述数据监测装置包括预埋在模拟承压溶洞和模拟岩体中的多个用于采集监测点应力、应变、位移、渗压信号的传感器，所有传感器的信号输出端均与数据采集装置连接。

2.根据权利要求1所述的冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，其特征在于：所述冲击扰动装置包括冲击扰动杆、传动杆体、活塞和支座，所述传动杆体的一端伸入巷道内并与巷道内壁接触，传动杆体的另一端露出巷道，传动杆体的外露端通过支座固定在地面上，传动杆体内部中空且设有活塞，所述冲击扰动杆从传动杆体的外露端穿入并与活塞固定连接。

3.根据权利要求2所述的冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，其特征在于：还包括加载装置，所述加载装置包括反力架、钢板、油缸，所述模拟岩体呈方形，反力架包裹在模拟岩体外围，模拟岩体的左面、右面、前面、后面、上面均设有多块钢板，每块钢板都与多个油缸的一端相连，油缸的另一端与反力架相接触。

4.根据权利要求3所述的冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，其特征在于：所述加载装置的钢板围成一个方形腔体，试验开始前，在方形腔体内事先放好若干整块石灰石和铜管，每块石灰石与若干铜管相连,在方形腔体内预埋若干传感器，并将所有传感器的信号输出端与数据采集装置连接，所述模拟岩体由白水泥、自来水、云母和细沙以2:1:1：2的比例浇筑在方形腔体内形成。

5.根据权利要求4所述的冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，其特征在于：在模拟岩体浇筑到接近一半时，穿过方形腔体一侧的钢板向方形腔体水平插入一根外围涂满润滑剂的实心马蹄形钢管，当浇筑完成时，拔出实心马蹄形钢管，从而在模拟岩体中形成巷道。

6.根据权利要求4所述的冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，其特征在于：所述铜管与模拟岩体外部连通，将稀盐酸注入到铜管内，稀盐酸通过铜管与石灰石发生反应生成氯化钙溶液和二氧化碳，生成的溶液和气体从铜管排出，从而形成模拟承压溶洞。

7.根据权利要求4所述的冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，其特征在于：所述泥浆注入装置包括伺服水泵、空压系统、稳压系统、泥水转换器，所述泥水转换器包括壳体、水腔、泥水压力转换活塞、泥腔，所述壳体内设有泥水压力转换活塞，泥水压力转换活塞将壳体内部空间分为泥腔和水腔，所述泥腔通过连接管分别与各模拟承压溶洞连通，所述伺服水泵通过稳压系统与水腔连通，所述空压系统与稳压系统连接，用于施加空气压力；所述伺服水泵输出的水通过稳压系统进入水腔，在空压系统施加的压力下，水经过泥水压力转换活塞进入泥腔，并与泥腔里的泥混合形成泥浆，所述空压系统施加空气压力，将泥浆注入各模拟承压溶洞，从而模拟充填承压溶洞突泥。

8.根据权利要求7所述的冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置，其特征在于：所述数据监测装置包括预埋在模拟岩体中的光纤渗压传感器、多点位移计、防水电阻式应变片和压力盒，安装在模拟承压溶洞中的压力传感器。

9.一种根据权利要求8所述的冲击扰动下充填承压溶洞突泥试验装置的突泥试验方法，包括以下步骤：

1）安装加载装置内左面、右面、后面、上面的钢板并与油缸连接，预留方形腔体前面钢板的安装空间，在钢板围成的方形腔体内放置若干整块石灰石和铜管，每块石灰石与若干铜管相连,在方形腔体内预埋若干传感器，并将所有传感器的信号输出端与数据采集装置连接；

2）在方形腔体前面下方安装第一块钢板，然后将白水泥、自来水、云母和细沙以2:1:1：2的比例浇筑在方形腔体内，当浇筑的混合物达到第一块钢板高度后，在第一块钢板上安装第二块钢板，继续浇筑，依此类推，当浇筑到方形腔体接近一半位置时，安装一块位于方形腔体前面最中间位置的钢板，且最中间位置的钢板中间有一个马蹄形孔，向马蹄形孔内水平插入一根外围涂满润滑剂的实心马蹄形钢管，然后继续浇筑，直到浇筑满整个方形腔为止；

3）浇筑完成后，通过方形腔体左面、右面、上面、前面和后面的油缸对钢板施加一定的压力，使模拟岩体成型；

4）待到模拟岩体成型后，拔出实心马蹄形钢管，从而形成所需的巷道；

5）将稀盐酸注入到铜管内，稀盐酸通过铜管与石灰石发生反应生成氯化钙溶液和二氧化碳，生成的溶液和气体从铜管排出，从而形成模拟承压溶洞；

6）开启伺服水泵和空压系统，伺服水泵输出的水通过稳压系统进入水腔，在空压系统施加的压力下，水经过泥水压力转换活塞进入泥腔，并与泥腔里的泥混合形成泥浆，空压系统施加空气压力，将泥浆注入各模拟承压溶洞，从而模拟充填承压溶洞突泥；

7）安装冲击扰动装置，使得冲击扰动装置的传动杆体伸入巷道内并与巷道内壁接触；

8）通过冲击扰动杆输出不同振动频率和幅值的应力波，通过与冲击扰动杆相连的活塞、传动杆体对巷道工作面实施冲击扰动试验,以模拟不同爆破振动波频带宽度对工作面的冲击扰动；

9）分析试验过程中各监测点应力、应变、位移、渗压物理场的动态变化规律，揭示充填承压溶洞突泥过程中各物理场的前兆信息，通过多物理场信息响应特征的对比，揭示冲击扰动和高泥水渗透压作用下充填承压溶洞渗透失稳突泥灾变演化机制及突泥前兆规律。