CN109612907B - 破碎煤岩体渗透性测试试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属测试破碎煤岩试样渗透性领域，具体是一种破碎煤岩体渗透性测试试验装置及方法。包括破碎煤岩体装填饱水及压实系统和水位控制系统的渗流试验系统装置，所述的渗流试验系统装置通过水位控制系统供水，所述的渗流试验系统装置包括与水位控制系统连接的进水管以及设置在有机玻璃缸筒底部的出水管，进水管一端与推头及推板中间连通，试样饱和进水管通过进水管与水位控制系统连接。本发明可进行不同水体渗流试验方法来测试破碎煤岩体渗透性，同时缸体采用有机玻璃制成，可实现破碎煤岩体在压实过程中孔隙演化规律研究的可视化，且利用抽真空泵对试样进行抽真空排除破碎煤岩体间气体的存在对测试破碎煤岩体压实渗流的影响。

Description

破碎煤岩体渗透性测试试验装置及方法

技术领域

本发明属测试破碎煤岩试样渗透性领域，具体是一种破碎煤岩体渗透性测试试验装置及方法。

背景技术

煤矿井工开采过程中，破碎煤岩试样主要有两种情况出现：一类是采空区中受开采扰动及矿压作用下的冒落破碎煤岩堆积体；另一类是在自然地质构造作用（如断层、陷落柱等）下形成的工程原位破碎岩体。与完整、致密的岩体相比，破碎岩体堆积物有大量孔隙、裂隙与离层，为采空区中矿井水渗流体提供了良好的渗流通道，同时也是矿井采空区主要充水水源的赋存介质。由于破碎体为采空区冒落带或构造破碎带中主要堆积物的存在形态，则其存在状态—受压情况、粒径级配、堆积形态（厚度、时间等）等均为未知因素，为采空区积水量计算带来了更多的不确定性。因此，研究破碎煤岩体的渗流特性具有重要的矿井安全工程意义。

传统的破碎煤岩体压实渗流特性实验研究普遍方法有气渗、水渗及气液两相渗流的实验方法，但多存在工艺不够完善导致各种因素影响及各种人为主观性因素控制，而无法真实反映采空区冒落带破碎煤岩体中水体的渗流特性。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种测试微颗粒破碎煤岩体压实渗透性测试试验装置及方法。

本发明采取以下技术方案：一种破碎煤岩体渗透性测试试验装置，包括破碎煤岩体装填饱水及压实系统和水位控制系统的渗流试验系统装置，所述的渗流试验系统装置通过水位控制系统供水，破碎煤岩体装填饱水及压实系统包括有机玻璃缸筒、推头、推板和多孔孔隙板，有机玻璃缸筒一侧开孔分别连接有Ⅰ、Ⅱ两个带阀门的测压管以及一个试样饱和进水管；有机玻璃缸筒上方设有台阶型压盖，有机玻璃缸筒和台阶型压盖之间有橡胶密封圈；台阶型压盖中间为中空并设置推头通过，推头上部固定且设置有位移传感器，推头下部与推板连接，推头与压盖之间密封；有机玻璃缸筒内设置推板和多孔孔隙板，推板下部及有机玻璃缸筒底部上方设置多孔孔隙板，所述的渗流试验系统装置包括与水位控制系统连接的进水管以及设置在有机玻璃缸筒底部的出水管，进水管一端与推头及推板中间连通，试样饱和进水管通过进水管与水位控制系统连接。

进一步的，水位控制系统包括进水部分和排水部分，进水部分包括储水池、抽水管、水头量水器及进水管，抽水管一端连接水头量水器，抽水管另一端连接抽水泵，抽水泵置于储水池底部，水头量水器底部设置出水孔与水位调节软管连通，水位调节软管挂在进水水头控制游码上，水头量水器下方设置出水孔与进水管相连，进水管接入推头进水管道前设置有进水阀门和进水流量表。

排水部分包括常水头出水管和变水头出水管，常水头出水管穿过有机玻璃缸筒底部外接出水流量表和常水头出水管阀门，常水头出水管与出水软胶管可拆卸连接，出水软胶管经出水水头控制游码调节出水水头，排水至量杯中；变水头出水管位于推头三通一侧，与进水管三通连接，与出水软胶管可拆卸连接，变水头出水管上设置变水头出水管阀门。

推板与其下部的多孔孔隙板之间设有防止破碎体随渗流溢流的纱布，有机玻璃缸筒与其上部的多孔孔隙板之间设有防止破碎体随渗流溢流的纱布。

一种破碎煤岩体渗透性测试试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1）破碎煤岩体压实并通水饱和；

2）待试样装填饱和完毕，打开出水管阀门，控制压力机进行压实位移传感器运动5mm停止并保持压力机压力不变，打开渗水试验进水管阀门，观察Ⅰ、Ⅱ测压管的水头是否齐平，如有气泡挤出或吸出；

3）调节出水水头控制游码位于有机玻璃缸筒底部位置，将渗水试验出水管阀门打开，将管中空气排出，至水流中无气泡，最后将出水水头控制游码调节到进水水头位置，以保持水头恒定，再检查测压管水头是否齐平，并均达到进、出水控制水头位置，进行实验装置密闭性检查；

4）通过调节进水水头控制游码，使水头量水器中渗水实验进水定水头保持在H₁，基于装填试样的底面Ⅲ为零基准面，降低出水水头控制游码至H₂，使仪器中产生水头差，水流在试样中发生渗流过程，经出水管流出至量杯中；

5）当测压管水头稳定后，测定测压管水头，并计算Ⅰ、Ⅱ测压管的水头差；

6）秒表计时，量杯中接取出水管经时间t内渗流出的水量Q，通过调节进、出水水头值，以改变水力坡度，进行5个时间段内的渗流并记录进出水管流量表数值、进水水头值、出水水头值、时间试验数据，

7）最终将单独计算每次渗流过程测得的渗透系数值的算术平均值作为某一压实程度或应力条件下的破碎煤岩体的渗透系数值；

8）根据试验目的，重复试样筛选制备过程，及利用压力机进行压实至位移传感器显示破碎煤岩体轴向压缩位移为10、15、20mm后，在不同的压实位移条件下，按以上1）—7）步骤进行试验。

所述的步骤1）中具体破碎煤岩体压实包括以下步骤，

①把破碎煤体、泥岩、砂岩分别用2目、5目、40目和400目的不同粒径方孔筛筛分成8~4mm、4~0.4mm、0.4~0.04mm三种粒径范围的破碎煤岩体；

②打开压盖，首先将实验系统中进水管阀门和出水管阀门均置于关闭状态，将Ⅰ、Ⅱ测压管阀门置于开启状态；

③将筛选出的不同块度破碎体分层装入缸筒底部的多孔孔隙板上，每层厚3—5cm左右，缓缓开启试样饱和进水管阀门，使水由缸筒底部向上渗入，水流需缓慢，以使水面不超过试样面为准，至使试样逐渐饱和；

④依次再装下一层，并使试样饱和直至到标定高度300mm为止，最后关闭压盖，拧紧螺丝实现缸体密封，试样装填饱和完毕，关闭试样饱和进水管阀门；

⑤控制压力机进行压实过程，记录位移传感器在压缩位移分别为5mm、10mm、15mm、20mm时，保持压力不变状态，进行渗流实验。

根据达西定律，由

得：

式中：K，破碎煤岩体某一压缩位移条件下的渗透系数，cm/min；

Q，渗流水量，ml/min；

L，两个测压管垂直方向距离，cm；

A，有机玻璃缸筒横截面积，cm²；

ΔH，上、下测压管H₂与H₁的水头差，cm。

与现有技术相比，本发明提出一种测试微颗粒破碎煤岩体压实渗流特性的试验方法，通过该装置在可进行不同水体渗流试验方法来测试破碎煤岩体渗透性，同时缸体采用有机玻璃制成，可实现破碎煤岩体在压实过程中孔隙演化规律研究的可视化，且利用抽真空泵对试样进行抽真空排除破碎煤岩体间气体的存在对测试破碎煤岩体压实渗流的影响。

附图说明

图1 破碎煤岩体渗流实验系统装置结构示意图；

图2 为变水头连接管示意图；

图中1、抽水泵；2、储水池；3、水位调节软管；4、抽-供水管；5、进水水头控制游码；6、水头量水器；7、进水管；8、进水阀门；9、进水流量表；10、螺栓；11、推头；12、位移传感器；13、支架；14、压盖；15、橡胶密封圈；16、推板；17、多孔孔隙板；18、有机玻璃缸筒；19、出水水头控制游码；20、量杯；21、常水头出水管阀门；22、出水流量表；23、常水头出水管；24、试样饱和进水管；25、变水头出水管阀门；26、变水头出水管；27、出水软胶管；Ⅰ、下部测压管；Ⅱ、上部测压管；Ⅲ、零基准面。

具体实施方式

一种破碎煤岩体水体渗透试验系统装置，包括以下两部分：

1.水位控制系统：

能够实现定水头和变水头两种供水测试方法，提供在不同水头条件下的渗流特征进行实验，包括储水池2、抽水管4及水头量水器6，抽水管4一端连接水头量水器6，抽水管4另一端连接抽水泵且置于储水池2底部，通过抽水泵1将储水池中水抽至水头量水器6中，水头量水器6下方设置出水孔与连通水位控制器相连。根据连通器原理，通过控制水头游码5来设置水头量水器中的固定水头值，实现定水头的供水方式。

通过水位控制系统供水，在水头量水器6的底部2cm处设置的出水孔连接进水管7，在进水管7接入推头进水管道前设置有进水阀门8和进水流量表9，在压实系统的推头及推板中间设置了口径为8mm的进水管，同径的出水管设置于有机玻璃缸筒底部，穿过有机玻璃缸筒底部外接出水流量表和出水阀门，经出水水头控制游码调节出水水头，排水至量杯中。

2.破碎煤岩体装填饱水及压实系统：

通过筛分法获得8~4mm、 4~0.4mm、0.4~0. 04mm三种单一粒径的三组煤散样，进行压实渗流实验的试样组成可分为三个粒径单一组成的煤岩散体试样和1:1:1自然堆积体积比例组成的煤岩散体试样，即共四种类型试样。

进行在不同轴压条件下得到不同孔隙率的渗流多孔介质体的渗流实验，包括有机玻璃缸筒18，有机玻璃缸筒长500mm，直径358mm，有机玻璃缸筒18侧开孔连接有Ⅰ、Ⅱ两个带阀门的测压管及一个试样饱和进水管24；有机玻璃缸筒18上方设有台阶型压盖14，由螺栓将二者固定在一起，且有机玻璃缸筒和台阶型压盖14间有橡胶密封圈15；台阶型压盖14中间为中空，设置推头11通过，且推头11与压盖14间有橡胶密封圈；推板16下部及缸筒底部设置多孔孔隙板17，在推板16与其下部的多孔孔隙板17和有机玻璃缸筒18与其上部的多孔孔隙板17之间分别设有防止破碎体随渗流溢流的纱布；推头11上部设置有位移传感器12。

对四种不同类型的三粒径煤岩散样组合煤岩散体试样，在定水头或者变水头条件下的进行渗流实验，获得水头差与粒径、渗透率及孔隙率之间的定量关系。

对四种不同类型的三粒径煤岩破碎体试样，在定水头或者变水头试验条件下的进行渗流实验，获得不同压实程度或应力条件下，不同粒径破碎煤岩体的渗透系数的测定试验系统装置及方法。

试验案例一：一种破碎煤岩体渗透性测试试验装置的常水头渗流试验方法，包括以下步骤：

1）破碎煤岩体压实并通水饱和；

2）待试样装填饱和完毕，打开常水头出水管阀门，控制压力机进行压实位移传感器运动5mm停止并保持压力机压力不变，关闭试样饱水进水管阀门，打开渗水试验进水管阀门，观察Ⅰ、Ⅱ测压管的水头是否齐平，如有气泡挤出或吸出；

3）调节出水水头控制游码位于有机玻璃缸筒底部位置，将渗水试验出水管阀门打开，将管中空气排出，至水流中无气泡，最后将出水水头控制游码调节到进水水头位置，以保持水头恒定，再检查测压管水头是否齐平，并均达到进、出水控制水头位置，进行实验装置密闭性检查；

4）通过调节进水水头控制游码，使水头量水器中渗水实验进水定水头保持在H₁，基于装填试样的底面Ⅲ为零基准面，降低出水水头控制游码至H₂，使仪器中产生水头差，水流在试样中发生渗流过程，经出水管流出至量杯中；

5）当测压管水头稳定后，测定测压管水头，并计算Ⅰ、Ⅱ测压管的水头差；

6）秒表计时，量杯中接取出水管经时间t内渗流出的水量Q，通过调节进、出水水头值，以改变水力坡度，进行5次相同时间段内的渗流并记录进出水管流量表数值（Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅）、Ⅱ测压管水头进水水头值（h_in-1、h_in-2、h_in-3、h_in-4、h_in-5）、Ⅰ测压管水头出水水头值（h_out-1、h_out-2、h_out-3、h_out-4、h_out-5）、时间（t）数据；

7）最终将单独计算每次渗流过程测得的渗透系数值的算术平均值作为某一压实程度或应力条件下的破碎煤岩体的渗透系数值；

8）根据试验目的，重复试样筛选制备过程，及利用压力机进行压实至位移传感器显示破碎煤岩体轴向压缩位移为10mm、15mm、20mm后，在不同的压实位移条件下，按以上1）—7）步骤进行试验。

所述的步骤1）中“破碎煤岩体压实及通水饱和”具体包括以下步骤，

①把破碎煤体、泥岩、砂岩分别用2目、5目、40目和400目的不同粒径方孔筛筛分成8~4mm、4~0.4mm、0.4~0.04mm三种粒径范围的破碎煤岩体；

②打开压盖，首先将出水软胶管27连接到出水软胶管27上（如图1所示），将试样饱和进水管24的阀门、进水管阀门8、出水阀门21及变水头出水管阀门25置于关闭状态，并将Ⅰ、Ⅱ测压管阀门置于开启状态；

③将筛选出的不同块度破碎体分层装入缸筒底部的多孔孔隙板上，每层厚3—5cm左右，缓缓开启试样饱和进水管24的阀门，使水由缸筒底部向上渗入，水流需缓慢，以使水面不超过试样面为准，至使试样逐渐饱和；

④依次再装下一层，并使试样饱和直至到标定高度300mm为止，最后关闭压盖，拧紧螺丝实现缸体密封，试样装填饱和完毕，关闭试样饱和进水管阀门。

⑤控制压力机进行压实过程，记录位移传感器在压缩位移分别为5mm、10mm、15mm、20mm时，保持压力不变状态，进行渗流实验。

则常水头渗流实验破碎煤岩体在5、10、15、20mm位移压实条件下，其渗透系数计算式由达西定律：

得：

式中：K，破碎煤岩体某一压缩位移条件下的渗透系数，cm/min；

Q，渗流水量，ml/min；

L，两个测压管垂直方向距离，cm；

A，有机玻璃缸筒横截面积，cm²；

ΔH，上、下测压管H₂与H₁的水头差，cm。

试验案例二：一种破碎煤岩体渗透性测试试验装置的变水头渗流试验方法，包括以下步骤：

1）破碎煤岩体压实并通水饱和；

2）待试样装填饱和完毕，控制压力机进行压实位移传感器运动5mm停止，打开试样饱和进水管24的阀门，观察Ⅰ、Ⅱ测压管的水头是否齐平，如有气泡挤出或吸出；

3）调节出水水头控制游码19位于有机玻璃缸筒内部试样压实后上覆多孔孔隙板17下表面位置，将变水头出水管阀门25打开，至水流中无气泡，进行实验装置密闭性检查；

4）基于装填试样的底面Ⅲ为零基准面，通过控制抽水泵1和进水水头控制游码5将水头量水器6中水位置于H₀位置，关闭抽水泵1电源并固定进水水头控制游码5的位置。仪器中产生水头差，水流在试样中发生渗流经变水头出水管26流出至量杯20中；

5）当测压管水头稳定后，测定Ⅰ、Ⅱ测压管水头分别为H₁、H₂，并计算两测压管的水头差ΔH；

6）用秒表计时，量杯中接取出水管经时间t内渗流出的水量Q，通过水位控制系统调节进水头值，以改变水力坡度，进行5次不同时间段内的渗流并记录变水头出水管流量表数值（Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅）、Ⅰ测压管水头——进水水头值（h_in-1、h_in-2、h_in-3、h_in-4、h_in-5）、Ⅱ测压管水头——出水水头值（h_out）、时间（t₁、t₂、t₃、t₄、t₅）数据；

7）最终将单独计算每次渗流过程测得的渗透系数值的算术平均值作为某一压实程度或应力条件下的破碎煤岩体的渗透系数值；

8）根据试验目的，重复试样筛选制备过程，及利用压力机进行压实至位移传感器显示破碎煤岩体轴向压缩位移为10、15、20mm后，在不同的压实位移条件下，按以上1）—7）步骤进行试验。

所述的步骤1）中“破碎煤岩体压实及通水饱和”具体包括以下步骤，

①把破碎煤体、泥岩、砂岩分别用2目、5目、40目和400目的不同粒径方孔筛筛分成8~4mm、4~0.4mm、0.4~0.04mm三种粒径范围的破碎煤岩体；

②打开压盖，首先将出水软胶管27连接到变水头出水管26上（如图2所示），将进水管阀门8、常水头出水管阀门21和变水头出水管阀门25均置于关闭状态，将Ⅰ、Ⅱ测压管阀门置于开启状态；

③将筛选出的不同块度破碎体分层装入缸筒底部的多孔孔隙板上，每层厚3—5cm左右，缓缓开启试样饱和进水管24的阀门，使水由缸筒底部向上渗入，水流需缓慢，以使水面不超过试样面为准，使试样逐渐饱和；

④依次再装下一层，并使试样饱和直至到标定高度300mm为止，关闭试样饱和进水管阀门，最后关闭压盖，拧紧螺丝实现缸体密封，试样装填饱和完毕。

⑤控制压力机进行压实过程，记录位移传感器在压缩位移分别为5mm、10mm、15mm、20mm时，保持压力不变状态，进行渗流实验。

变水头渗流实验破碎煤岩体在5、10、15、20mm位移压实条件下，其渗透系数计算式由达西定律：

得：

式中：K，破碎煤岩体某一压缩位移条件下的渗透系数，cm/min；

dQ，渗流水量，ml/min；

L，两个测压管垂直方向距离，cm；

A，有机玻璃缸筒横截面积，cm²；

ΔH，下、上测压管H₁与H₂的水头差，cm。

Claims (4)

1.一种破碎煤岩体渗透性测试试验装置，其特征在于：包括水位控制系统、渗流试验系统装置和破碎煤岩体装填饱水及压实系统，所述的渗流试验系统装置通过水位控制系统供水，所述的破碎煤岩体装填饱水及压实系统包括有机玻璃缸筒（18）、推头（11）、推板（16）和多孔孔隙板（17），有机玻璃缸筒（18）一侧开孔分别连接有Ⅰ、Ⅱ两个带阀门的测压管以及一个试样饱和进水管（24）；有机玻璃缸筒（18）上方设有台阶型压盖（14），有机玻璃缸筒（18）和台阶型压盖（14）之间有橡胶密封圈（15）；台阶型压盖（14）中间为中空并设置推头（11）通过，推头（11）上部固定且设置有位移传感器（12），推头（11）下部与推板（16）连接，推头（11）与压盖（14）之间密封；有机玻璃缸筒（18）内设置推板（16）和多孔孔隙板（17），推板（16）下部及有机玻璃缸筒（18）底部上方设置多孔孔隙板（17），所述的渗流试验系统装置包括与水位控制系统连接的进水管（7）以及设置在有机玻璃缸筒（18）底部的常水头出水管（23），进水管（7）一端与推头（11）及推板（16）中间连通，试样饱和进水管（24）通过进水管（7）与水位控制系统连接；

所述的水位控制系统包括进水部分和排水部分，进水部分包括储水池（2）、抽水管（4）、水头量水器（6）及进水管（7），抽水管（4）一端连接水头量水器（6），抽水管（4）另一端连接抽水泵（1），抽水泵（1）置于储水池（2）底部，水头量水器（6）下方设置出水孔与进水管（7）相连，水头量水器（6）底部设置出水孔与水位调节软管（3）连通，水位调节软管（3）挂在进水水头控制游码（5）上；排水部分包括常水头出水管（23）和变水头出水管（26），常水头出水管（23）穿过有机玻璃缸筒（18）底部外接出水流量表（22）和常水头出水管阀门（21），常水头出水管（23）与出水软胶管（27）可拆卸连接，出水软胶管（27）经出水水头控制游码调节出水水头，排水至量杯（20）中；变水头出水管（26）位于推头（11）三通一侧，与进水管（7）三通连接，与出水软胶管（27）可拆卸连接，变水头出水管（26）上设置变水头出水管阀门（25）。

2.根据权利要求1所述的破碎煤岩体渗透性测试试验装置，其特征在于：所述的推板（16）与其下部的多孔孔隙板（17）之间设有防止破碎体随渗流溢流的纱布，有机玻璃缸筒（18）与其上部的多孔孔隙板（17）之间设有防止破碎体随渗流溢流的纱布。

3.一种如权利要求2所述的破碎煤岩体渗透性测试试验装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）破碎煤岩体压实并通水饱和；

2）待试样装填饱和完毕，打开常水头出水管阀门，控制压力机进行压实位移传感器运动5mm停止并保持压力机压力不变，打开渗水试验进水管阀门，观察Ⅰ、Ⅱ测压管的水头是否齐平，如有气泡则将其挤出或吸出；

3）调节出水水头控制游码位于有机玻璃缸筒底部位置，将渗水试验出水管阀门打开，将管中空气排出，至水流中无气泡，最后将出水水头控制游码调节到进水水头位置，以保持水头恒定，再检查测压管水头是否齐平，并均达到进、出水控制水头位置，进行实验装置密闭性检查；

4）通过调节进水水头控制游码，使水头量水器中渗水实验进水定水头保持在H₁，基于装填试样的底面Ⅲ为零基准面，降低出水水头控制游码至H₂，使仪器中产生水头差，水流在试样中发生渗流过程，经出水管流出至量杯中；

5）当测压管水头稳定后，测定测压管水头，并计算Ⅰ、Ⅱ测压管的水头差；

6）秒表计时，量杯中接取出水管经时间t内渗流出的水量Q，通过调节进、出水水头值，以改变水力坡度，进行5个时间段内的渗流并记录进出水管流量表数值、进水水头值、出水水头值、时间试验数据，

7）最终将单独计算每次渗流过程测得的渗透系数值的算术平均值作为某一压实程度或应力条件下的破碎煤岩体的渗透系数值；

8）根据试验目的，重复试样筛选制备过程，及利用压力机进行压实至位移传感器显示破碎煤岩体轴向压缩位移为10、15、20mm后，在不同的压实位移条件下，按以上1）—7）步骤进行试验。

4.根据权利要求3所述的破碎煤岩体渗透性测试试验装置的试验方法，其特征在于：所述的步骤1）中具体破碎煤岩体压实包括以下步骤，

①把破碎煤体、泥岩和砂岩分别用2目、5目、40目和400目的不同粒径方孔筛筛分成8~4mm、4~0.4mm、0.4~0.04mm三种粒径范围的破碎煤岩体；

②打开压盖，首先将实验系统中进水管阀门和出水管阀门均置于关闭状态，将Ⅰ、Ⅱ测压管阀门置于开启状态；

③将筛选出的不同块度破碎体分层装入缸筒底部的多孔孔隙板上，每层厚3—5cm左右，缓缓开启试样饱和进水管阀门，使水由缸筒底部向上渗入，水流需缓慢，以使水面不超过试样面为准，至使试样逐渐饱和；

④依次再装下一层，并使试样饱和直至到标定高度300mm为止，最后关闭压盖，拧紧螺丝实现缸体密封，试样装填饱和完毕，关闭试样饱和进水管阀门；

⑤控制压力机进行压实过程，记录位移传感器在压缩位移分别为5mm、10mm、15mm、20mm时，保持压力不变状态，进行渗流实验。

Images