CN109187309A - 一种研究断层弱胶结破碎岩体的试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究断层弱胶结破碎岩体的试验装置和试验方法，该试验装置，包括流固耦合渗透仪、轴向加载装置、水压供给系统、过滤收集装置和数据采集分析系统；流固耦合渗透仪的进水孔连接水压供给系统，出口连接过滤收集装置，数据采集分析系统电连接轴向加载装置和水压供给系统。具体应用时，能够开展不同颗粒属性和胶结状态的弱胶结破碎岩体的侵蚀损伤试验，以及研究应力渗流耦合作用下的颗粒流失规律。本发明还提供了一种应力渗流耦合条件下模拟弱胶结破碎岩侵蚀损伤演化过程的试验方法，具体以双作用液压缸为稳压装置进行稳态渗流试验，同时以振动筛和实时计量装置得到颗粒流失情况，具有实时性和稳定性的优点。

Description

一种研究断层弱胶结破碎岩体的试验装置和试验方法

技术领域

本发明涉及断层弱胶结破碎岩体侵蚀损伤研究技术领域，具体涉及一种研究断层弱胶结破碎岩体的试验装置和试验方法。

背景技术

我国经济的快速发展对矿产资源有强大的需求，在浅部资源逐渐开采殆尽的条件下，为满足国民经济快速发展对矿产资源的需求，矿产资源开采不得不向深部发展。由于我国大部分矿山水文地质条件十分复杂，受突水灾害的影响，大量矿产资源不能正常开采。矿井突水严重威胁矿山的安全生产和人民生命安全。随着我国对矿产资源需求的进一步增加，矿山的开采强度和开采深度也随之增加，因此在未来的矿山开发中水害问题仍是重要的制约因素。

据统计，90％以上的矿山突水事故发生在含断层的地质构造。大量工程实践表明，绝大多数的突水灾害是由断层活化引起的。断层中的充填介质在上下盘岩石的错动中形成，由大小不一、破碎程度不同的破碎岩石颗粒胶结而成。由于断层中充填的破碎岩体具有弱胶结和易崩解的性质，在承压水的影响下非常容易被侵蚀，使得其中的胶结物和小颗粒随水逐渐迁移流出，最终使得充填介质的渗透性逐渐增加；另一方面，断层颗粒流失及围岩应力作用会导致岩体发生损伤，在采动影响下更容易破坏。同时渗透性增加反过来会增加水流速度和携带能力，使更多的颗粒迁移流失，这样一个相互作用的侵蚀过程，会不断增加破碎岩体的渗透能力，岩体内极易形成导水通道，并最终诱发突水灾害。

断层破碎带导水诱发突水灾害的根本原因在于渗透作用下充填介质的失稳破坏，由于承压水和采动影响下断层破碎带的应力场和渗流场演化过程极其复杂，其灾害发生机理难以突破，缺乏基础理论的深入研究。因此，开展断层弱胶结岩体渗透失稳演化机理的试验探索与模拟分析方法研究、探究渗透突水灾变演化规律及主控因素、揭示深部采动损伤断层岩体侵蚀过程的突水通道时空演化机制、为分析围岩渗透突水灾变前兆规律提供理论依据和计算方法变得十分有必要。虽然国内外专家学者做了许多基础研究工作，但未考虑承压水对断层弱胶结岩体的侵蚀作用，需进一步研究侵蚀-损伤耦合作用下渗流场与应力场的时空演变规律，同时，目前对弱胶结破碎岩体在渗透作用下细小颗粒流失对其强度和渗透性的影响知之甚少。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可以研究断层弱胶结破碎岩体在地应力和承压水作用下发生侵蚀损伤继而引发突水灾害的试验装置和试验方法。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种研究断层弱胶结破碎岩体的试验装置，包括流固耦合渗透仪、轴向加载装置、水压供给系统、过滤收集装置和数据采集分析系统；所述流固耦合渗透仪装载于轴向加载装置上，流固耦合渗透仪包括底座、缸筒、透水筒、盖板和压头，所述缸筒的底端和顶端通过螺栓分别与底座和盖板连接，所述透水筒内套于缸筒，透水筒侧壁开设有透水孔，透水筒、底座、缸筒和盖板之间形成空腔，缸筒侧壁开设有与空腔连通的进水孔，所述进水孔与水压供给系统连通，底座内开设有与透水筒内部连通的渗流通道，所述渗流通道与过滤收集装置连通，所述压头穿过盖板后与透水筒密封滑动套接，压头下部形成岩体装填区；所述数据采集分析系统分别与轴向加载装置和水压供给系统电连接。

进一步，所述水压供给系统包括双作用液压缸、与双作用液压缸一个腔连通的液压稳压单元和与双作用液压缸另一个腔连通的供水单元，所述液压稳压单元包括通过油路连接的液压泵、溢流阀、减压阀、单向节流阀和油压压力传感器，所述液压泵上设置有冷却器，所述供水单元包括水泵和截止阀，双作用液压缸的与供水单元连通的工作腔通过供水管路与进水孔连通，所述供水管路上设置有水压压力传感器和流量计，所述油压压力传感器、水压压力传感器和流量计均与数据采集分析系统电连接，所述数据采集分析系统与计算机连接。

进一步，所述过滤收集装置包括振动筛和实时计量装置。

进一步，所述底座内开设有连通透水筒内部与渗流通道的漏斗状的集水槽。

进一步，所述底座内开设有与透水筒底部镶嵌套接的凹槽。

进一步，压头与透水筒、缸筒与盖板、缸筒与底座、盖板与透水筒之间均装有密封圈。

一种采用上述的试验装置研究断层弱胶结破碎岩体侵蚀损伤发展过程的试验方法，包括如下步骤：

a.制备破碎岩体试件；

b.将试样放入流固耦合渗透仪中，并通过轴向加载装置向压头加压，通过水压供给系统使流固耦合渗透仪内充满水；

c.开启液压泵并逐级升高压力进行渗透试验；

d.实时记录油压压力传感器、水压压力传感器和流量计的数值，并测定压头的实时轴向位移，每隔固定时间收集振动筛上残留的细小颗粒，烘干后称重；

e.逐级提高轴向加载的压力，每级压力水平条件下重复步骤c和d,最后根据收集的数据分析断层弱胶结破碎岩体侵蚀损伤的发展过程。

本发明的有益效果：

1、本发明克服了原有技术无法实现弱胶结破碎岩体渗流过程中的应力加载和实时获得损伤和侵蚀程度的缺点，实现了再现应力渗流耦合条件下弱胶结破碎岩体的侵蚀损伤演化过程。

2、本发明考虑到实际断层中充填物的颗粒属性和胶结特征，试验装置充分考虑到试样在应力渗流耦合作用下会发生的颗粒流失情况，可实时获得颗粒流失量，获得颗粒流失规律。

3、本发明克服了常规渗透试验中渗透压力小、供水时间短、水压不稳的缺点，创造性的借助双作用液压缸实现液压油压力与水压的转换和稳定渗透压力的功能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的结构示意图；

图2为流固耦合渗透仪的结构示意图。

图中标号：1压头、2螺栓、3透水筒、4岩体装填区、5底座、6渗流通道、7缸筒、8空腔、9进水孔、10盖板、11双作用液压缸、12单向节流阀、13减压阀、14溢流阀、15冷却器、16液压泵、17水泵、18第一截止阀、19第二截止阀、20流量计、21水压压力传感器、22油压压力传感器、23数据采集分析系统、24计算机、25振动筛、26实时计量装置。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明，如图1-2所示：本发明提供了一种研究断层弱胶结破碎岩体侵蚀损伤发展过程的试验装置，包括流固耦合渗透仪、轴向加载装置、水压供给系统、过滤收集装置和数据采集分析系统23；所述流固耦合渗透仪装载于轴向加载装置上，流固耦合渗透仪包括底座5、缸筒7、透水筒3、盖板10和压头1，所述缸筒的底端和顶端通过螺栓2分别与底座和盖板连接，所述透水筒内套于缸筒，透水筒侧壁均匀开设有多个微小的透水孔，透水孔可在约束内部岩体的前提下透水，透水筒、底座、缸筒和盖板之间形成空腔8，空腔起到均匀化承压水的作用，缸筒侧壁开设有与空腔连通的进水孔9，底座有使透水筒嵌入的凹槽，可以固定透水筒，底座内开设有与透水筒内部连通的渗流通道6，所述渗流通道通过漏斗状的集水槽与透水筒内部连通，集水槽方便收集渗透产物，所述压头穿过盖板后与透水筒密封滑动套接，压头下部形成岩体装填区4，压头与透水筒、缸筒与盖板、缸筒与底座、盖板与透水筒之间均装有密封圈；所述数据采集分析系统分别与轴向加载装置和水压供给系统电连接。

所述水压供给系统包括双作用液压缸11、与双作用液压缸的上工作腔连通的液压稳压单元和与双作用液压缸的下工作腔连通的供水单元，所述液压稳压单元包括通过油路连接的液压泵16、溢流阀14、减压阀13、单向节流阀12和油压压力传感器22，所述液压泵上设置有冷却器15，所述供水单元包括水泵17和第一截止阀18，双作用液压缸的下工作腔通过供水管路与进水孔连通，所述供水管路上设置有水压压力传感器21、流量计20和第二截止阀19，所述油压压力传感器、水压压力传感器和流量计均与数据采集分析系统电连接，所述数据采集分析系统与计算机24连接。在具体使用过程中，借助双作用液压缸实现液压油压力与水压的转换和稳定渗透压力的功能。

所述过滤收集装置包括振动筛25和实时计量装置26，从渗流通道流出的固液混合物经管道引导至振动筛，振动筛在高频振动作用下实现固液分离，而后通过实时计量装置获得实时的水流出量。

一种采用上述的试验装置研究断层弱胶结破碎岩体侵蚀损伤发展过程的试验方法，包括如下步骤：

a.制备破碎岩体试件；具体来说，破碎岩石得到破碎岩体颗粒，按一定比例配置混合破碎岩石颗粒，向其中加入水、石膏、黏土等材料混合后制成圆柱形试样，阴凉通风处干燥、保存；

b.将试样放入流固耦合渗透仪中，并通过轴向加载装置向压头加压，通过水压供给系统使流固耦合渗透仪内充满水；

c.开启液压泵并逐级升高压力进行渗透试验；

d.实时记录油压压力传感器、水压压力传感器和流量计的数值，并测定压头的实时轴向位移，每隔固定时间收集振动筛上残留的细小颗粒，烘干后称重；

e.逐级提高轴向加载的压力，每级压力水平条件下重复步骤c和d,最后根据收集的数据分析断层弱胶结破碎岩体侵蚀损伤的发展过程。

实验开始时记录轴向加载装置的初始位移、应力、渗透压力，同时实时记录压力传感器、流量计和渗出液的数据，最后对筛分得到的流失小颗粒烘干称重。

本发明的一种用于研究断层弱胶结岩体在渗透作用下侵蚀损伤演化过程的实验装置和试验方法，相对于现有装置和技术，创新点在于：克服了原有技术无法实现弱胶结破碎岩体渗流过程中的应力加载和实时获得损伤和侵蚀程度的缺点，实现了再现应力渗流耦合条件下弱胶结破碎岩体的侵蚀损伤演化过程；考虑到实际断层中充填物的颗粒属性和胶结特征，试验装置充分考虑到试样在应力渗流耦合作用下会发生的颗粒流失情况，可实时获得颗粒流失量，获得颗粒流失规律；克服了常规渗透试验中渗透压力小、供水时间短、水压不稳的缺点，创造性的借助双作用液压缸实现液压油压力与水压的转换和稳定渗透压力的功能。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种研究断层弱胶结破碎岩体的试验装置，其特征在于：包括流固耦合渗透仪、轴向加载装置、水压供给系统、过滤收集装置和数据采集分析系统；所述流固耦合渗透仪装载于轴向加载装置上，流固耦合渗透仪包括底座、缸筒、透水筒、盖板和压头，所述缸筒的底端和顶端通过螺栓分别与底座和盖板连接，所述透水筒内套于缸筒，透水筒侧壁开设有透水孔，透水筒、底座、缸筒和盖板之间形成空腔，缸筒侧壁开设有与空腔连通的进水孔，所述进水孔与水压供给系统连通，底座内开设有与透水筒内部连通的渗流通道，所述渗流通道与过滤收集装置连通，所述压头穿过盖板后与透水筒密封滑动套接，压头下部形成岩体装填区；所述数据采集分析系统分别与轴向加载装置和水压供给系统电连接。

2.根据权利要求1所述的研究断层弱胶结破碎岩体的试验装置，其特征在于：所述水压供给系统包括双作用液压缸、与双作用液压缸一个腔连通的液压稳压单元和与双作用液压缸另一个腔连通的供水单元，所述液压稳压单元包括通过油路连接的液压泵、溢流阀、减压阀、单向节流阀和油压压力传感器，所述液压泵上设置有冷却器，所述供水单元包括水泵和截止阀，双作用液压缸的与供水单元连通的工作腔通过供水管路与进水孔连通，所述供水管路上设置有水压压力传感器和流量计，所述油压压力传感器、水压压力传感器和流量计均与数据采集分析系统电连接，所述数据采集分析系统与计算机连接。

3.根据权利要求2所述的研究断层弱胶结破碎岩体的试验装置，其特征在于：所述过滤收集装置包括振动筛和实时计量装置。

4.根据权利要求3所述的研究断层弱胶结破碎岩体的试验装置，其特征在于：所述底座内开设有连通透水筒内部与渗流通道的漏斗状的集水槽。

5.根据权利要求4所述的研究断层弱胶结破碎岩体的试验装置，其特征在于：所述底座内开设有与透水筒底部镶嵌套接的凹槽。

6.根据权利要求5所述的研究断层弱胶结破碎岩体的试验装置，其特征在于：压头与透水筒、缸筒与盖板、缸筒与底座、盖板与透水筒之间均装有密封圈。

7.一种采用如权利要求6所述的试验装置研究断层弱胶结破碎岩体侵蚀损伤发展过程的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.制备破碎岩体试件；

b.将试样放入流固耦合渗透仪中，并通过轴向加载装置向压头加压，通过水压供给系统使流固耦合渗透仪内充满水；

c.开启液压泵并逐级升高压力进行渗透试验；

d.实时记录油压压力传感器、水压压力传感器和流量计的数值，并测定压头的实时轴向位移，每隔固定时间收集振动筛上残留的细小颗粒，烘干后称重；

e.逐级提高轴向加载的压力，每级压力水平条件下重复步骤c和d,最后根据收集的数据分析断层弱胶结破碎岩体侵蚀损伤的发展过程。