CN111189756B - 一种破碎岩体-水-动力耦合试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种破碎岩体‑水‑动力耦合试验系统，包括整体式框架、压力室部分、压力加载控制部分、渗透液体供给控制部分、原位扰动激励控制部分、可视检测部分和集中电控部分。本发明可以精确地模拟破碎岩体在复杂原位扰动条件下的静载荷、冲击载荷、长时稳定载荷、周期性脉冲及振动载荷、实测扰动载荷、渗流压力等环境，扰动载荷控制精度高、模拟动载荷的复杂程度高、监测数据全面、安装拆卸方便、自动化程度高，便于研究多种岩样混合分层布置形式下复杂动载荷作用下破碎岩体内部的渗透压力梯度的响应规律及机理，可以为研究胶结破碎岩体重构隔水层渗透性等关键科学问题提供重要的试验平台和更准确的试验数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩体试验装置，具体是一种用于模拟复杂原位扰动和冲击载荷作用下破碎岩体的压实及渗透性耦合试验装置，属于岩土工程试验技术及装备领域。
背景技术
地下资源开采过程中，采空区上覆岩层在矿山压力作用下会产生剧烈的运动，导致顶板断裂和垮落，会对地下水系统造成破坏，破碎岩体稳定后会在上部岩层载荷的作用下逐渐压实，垮落破碎岩体的渗透性也发生显著变化，水在破碎岩体的渗流过程中，往往伴随不同粒径水平颗粒的流失，引起破碎岩体内部颗粒的重排和压实特性的改变，最终导致地表的沉陷变化。在现阶段“绿色采矿”和“科学采矿”的理念指导下，固体充填开采技术取得了重要发展，用于充填的破碎岩体或胶结破碎岩体对控制地表变形和保护含水层具有重要作用。因此，垮落和充填的破碎岩体压实过程中的渗透性对地下水系统的保护具有重要影响。
然而，在上部岩层的垮落冲击、工程机械的振动扰动、充填设备的周期性推压夯实等动载荷的影响下，垮落后的破碎岩体的变形、破裂和渗透等力学行为变得更加复杂。在这一背景下，许多关键科学问题的研究工作亟待开展，如：冲击扰动对破碎岩体重排效果的影响、周期振动压实对破碎岩体密实度的影响、复杂原位工程扰动对破碎岩体渗透性的影响等。由于破碎岩体的非均质性、结构及表面形状的多样性、随机性，且研究涉及颗粒运动、破裂、损伤、渗透等多种复杂问题，采用理论和数值模拟的研究手段具有显著局限性，实验室试验是该领域研究的主要研究手段之一。
但是，现有的试验装置和方法无法对破碎岩体-水-动力耦合问题进行系统试验，严重制约了绿色采矿理论与技术的发展。主要问题表现在以下几个方面：①通常简单使用万能试验机进行试验，设备适应性差，无法同时对破碎岩体进行压实、渗透、动力的耦合试验；②现有的试验技术通常是将简化后的冲击动载施加到岩体试样，动载荷的控制和施加不精确、且载荷形式简单，无法将现场测试得到的真实复杂的振动、冲击等动载信号在实验室精确地施加到破碎岩体，无法反映实际情况，进而导致实验结果与实际偏差较大；③监测得到的参数单一，现阶段对破碎岩体试验的监测结果大多是进出口液体压力、流量、试验机静载力、位移、不控制粒径的颗粒流失质量等，而无法对决定破碎岩体渗流特性的颗粒破裂分形特征、筒壁表面渗流路径、压力室内部渗透压力分布、控制最大粒径的颗粒流失质量、压力室筒壁侧压力和振动特性等重要参数进行监测；④安装拆卸困难、试验效率低，由于破碎岩体压力室要求刚度较大，压力室各部分厚度和重量较大，人力安装和拆卸困难，而且压实试验后的破碎岩体在局部形成真空，加剧了拆卸难度；⑤破碎颗粒堵塞下部透水板、管路等操作问题突出，影响试验数据的准确性。
因此，研制一种扰动载荷控制精度高、模拟动载荷的复杂程度高、监测数据全面、安装拆卸方便、自动化程度高、操作简单的模拟复杂原位扰动环境的破碎岩体-水-动力耦合试验系统对推动绿色保水采矿技术领域的研究有重要作用，具有重要的实用价值。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种破碎岩体-水-动力耦合试验系统，能够在自动反演复杂原位扰动载荷、模拟复杂的动载荷的前提下实现监测渗透压力沿加载方向的分布情况、获取破碎岩体分形维数、渗流路径演化、表面裂纹数量和开度等试验参数，为研究复杂动载荷作用下破碎岩体内部的渗透压力梯度的响应规律及机理提供更准确的试验数据。
为实现上述目的，本破碎岩体-水-动力耦合试验系统包括整体式框架、压力室部分、压力加载控制部分、渗透液体供给控制部分、原位扰动激励控制部分、可视检测部分和集中电控部分；
所述的压力加载控制部分固定设置在整体式框架的内底部，包括液压泵站和加载液压缸，加载液压缸竖直固定设置在整体式框架上、且加载液压缸的伸缩端竖直向上顶出设置，加载液压缸通过液压管路和控制阀组与液压泵站连接；
所述的压力室部分包括设置在整体式框架内部的压力室，压力室包括压力室底座、可视化压力室筒壁和压力室顶盖；压力室底座通过压力室底座定位安装部件同轴可拆卸定位安装在加载液压缸的伸缩端顶端，压力室底座内部设有贯穿压力室底座设置的渗液出口通道，渗液出口通道的入口端与压力室底座的顶平面贯通，渗液出口通道的出口端通过出口渗液流量传感器连接渗液处理装置，可视化压力室筒壁的底部同轴密闭固定设置在压力室底座上，可视化压力室筒壁与压力室底座共同围成桶型结构，可视化压力室筒壁的内壁上自上而下均布设有多个渗透水压传感器，可视化压力室筒壁的内壁上还设有筒壁侧压力动态传感器，可视化压力室筒壁的内腔底部设有外径尺寸与可视化压力室筒壁的内径尺寸配合的下透水板、且下透水板上均布设有多个与渗液出口通道连通设置的透水通孔；压力室顶盖同轴设置在可视化压力室筒壁的顶部、且压力室顶盖的外径尺寸与可视化压力室筒壁的内径尺寸配合，压力室顶盖上设有贯穿压力室顶盖的液体入孔、且液体入孔的孔口位置设有孔口注液压力传感器，压力室顶盖的底部固定设有外径尺寸与可视化压力室筒壁的内径尺寸配合的上透水板、且上透水板上均布设有多个与液体入孔连通设置的透水通孔；渗液处理装置包括固液分离机构，固液分离机构上设有用于称量排出的试样岩粒的电子称；
所述的渗透液体供给控制部分包括渗流液泵送装置和与渗流液泵送装置电连接的渗流泵送电控装置，渗流液泵送装置的输入端通过管路与渗流液供给箱连接，渗流液泵送装置的输出端通过管路与液体入孔连通连接；
所述的原位扰动激励控制部分包括扰动信号执行装置和扰动信号激励电控装置；扰动信号执行装置包括定位压头和定位压座，定位压座同轴固定设置在压力室顶盖的顶部，定位压头对应定位压座的位置竖直安装在整体式框架上、且定位压头上设有定位压头升降结构，定位压头的底部和定位压座的顶部是配合设置的球面结构，定位压头上设有交流励磁线圈，定位压座上设有直流励磁线圈，定位压头或定位压座上还设有原位扰动动态压力传感器；扰动信号激励电控装置包括可控交流激励模块和直流供电模块，可控交流激励模块与交流励磁线圈电连接，直流供电模块与直流励磁线圈电连接；
所述的可视检测部分包括数字化图像采集器，数字化图像采集器对应可视化压力室筒壁定位架设安装；
所述的集中电控部分包括计算机、数据采集模块、压力加载控制回路、注液控制回路、原位扰动激励控制回路、可视检测控制回路、数据分析计算回路，计算机分别与液压泵站、渗流泵送电控装置、扰动信号激励电控装置和数据采集模块电连接，数据采集模块分别与渗透水压传感器、孔口注液压力传感器、出口渗液流量传感器、筒壁侧压力动态传感器、原位扰动动态压力传感器、数字化图像采集器、渗液处理装置的电子称电连接。
作为本发明的进一步改进方案，可视化压力室筒壁的底部可拆卸固定安装在压力室底座上；破碎岩体-水-动力耦合试验系统还包括压力室顶盖拆卸部分，压力室顶盖拆卸部分包括设置在整体式框架上的压力室顶盖升降控制机构和安装在压力室顶盖升降控制机构上的定位压座夹持机构，定位压座夹持机构用于在试验完成后拆卸压力室顶盖时对定位压座进行夹持定位，压力室顶盖升降控制机构用于在试验完成后拆卸压力室顶盖时对定位压座进行升降动作，压力室顶盖升降控制机构和定位压座夹持机构分别与计算机电连接。
作为本发明压力室顶盖拆卸部分的一种实施方式，压力室顶盖升降控制机构是相对于压力室顶盖中心对称设置的齿轮齿条结构，包括齿条导轨和驱动齿轮，齿条导轨竖直固定安装在整体式框架上，具有驱动电机的驱动齿轮啮合配合设置在齿条导轨上、且驱动齿轮通过驱动齿轮支撑架竖直方向滑移配合安装在整体式框架上，驱动齿轮支撑架与整体式框架之间设有可以限制驱动齿轮支撑架脱离整体式框架的水平限位结构；定位压座夹持机构是水平伸缩夹持结构，包括水平安装在驱动齿轮支撑架上的伸缩式装卸臂，定位压座上对应伸缩式装卸臂的位置上还设有顶盖装卸孔。
作为本发明压力室顶盖拆卸部分的另一种实施方式，压力室顶盖升降控制机构是相对于压力室顶盖中心对称设置的液压缸结构，包括定位压座升降液压缸，定位压座升降液压缸是缸底端低、伸缩端高倾斜设置，定位压座升降液压缸的缸底端铰接安装在整体式框架上，定位压座升降液压缸通过液压管路和控制阀组与液压泵站连接；定位压座夹持机构是卡口夹持结构，包括铰接安装在定位压座升降液压缸的伸缩端端部的夹持卡块，定位压座上对应夹持卡块的位置上还设有限位卡环结构。
作为本发明的进一步改进方案，整体式框架表面设有磁屏蔽包裹层。
作为本发明的进一步改进方案，渗液处理装置的固液分离机构上还设有烘干机构。
作为本发明的进一步改进方案，下透水板上方还设有可更换的流失颗粒粒径控制网，且流失颗粒粒径控制网的孔径小于下透水板的透水通孔的孔径。
作为本发明的进一步改进方案，加载液压缸上设有与数据采集模块电连接的加载液压缸状态监测传感器。
作为本发明的进一步改进方案，渗透液体供给控制部分还包括渗流稳压装置，渗流液泵送装置的输出端通过渗流稳压装置和管路与液体入孔连通连接。
作为本发明的进一步改进方案，上透水板的上表面和下表面以及下透水板的上表面和下表面上均设有与透水通孔连通设置的多个环形凹槽和径向凹槽，多个环形凹槽同心设置，各环形凹槽之间通过沿径向方向设置的径向凹槽连通；液体入孔的底端设置成上小下大的锥形孔结构；渗液出口通道的入口端设有大径端口结构。
与现有技术相比，本破碎岩体-水-动力耦合试验系统可以实现对矿井现场测试得到的原位扰动载荷进行还原，可以精确地模拟破碎岩体在复杂原位扰动条件下的静载荷、冲击载荷、长时稳定载荷、周期性脉冲及振动载荷、实测扰动载荷、渗流压力等环境，可以实时监测动静载荷、压力室筒壁侧压力、压力室进口压力、压力室出口流量、出口流失颗粒质量、压力室内渗透压分布、渗流路径、破碎岩体裂纹分形维数等关键试验参数，扰动载荷控制精度高、模拟动载荷的复杂程度高、监测数据全面、安装拆卸方便、自动化程度高，相比传统的仅测量进口压力和出口流量的方法更加精确；通过设置不同种类岩样及不同种类岩样的分布厚度，便于研究多种岩样混合分层布置形式下复杂动载荷作用下破碎岩体内部的渗透压力梯度的响应规律及机理，可以为研究胶结破碎岩体重构隔水层渗透性等关键科学问题提供重要的试验平台和更准确的试验数据。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明采用液压控制结构的压力室顶盖拆卸部分时的结构示意图；
图3是本发明下透水板的剖视结构示意图；
图4是本发明流失颗粒粒径控制网的设置示意图。
图中：1-整体式框架，2-液压泵站，3-加载液压缸，4-压力室底座，5-渗液出口通道，6-渗液处理装置，9-可视化压力室筒壁，10-上透水板，11-下透水板，12-筒壁侧压力动态传感器，13-紧固螺栓，14-压力室顶盖，15-液体入孔，16-顶盖装卸孔，17-定位压座，19-原位扰动动态压力传感器，20-交流励磁线圈，21-定位压头，22-驱动齿轮，23-伸缩式装卸臂，24-齿条导轨，25-孔口注液压力传感器，26-加载液压缸状态监测传感器，27-数字化图像采集器，28-试验机信息集成控制模块，29-渗流液供给箱，30-渗流液泵送装置，31-渗流稳压装置，32-渗流泵送电控装置，33-直流供电模块，34-可控交流激励模块，35-扰动信号激励电控装置，36-计算机，37-渗透水压传感器，38-压力室，39-流失颗粒粒径控制网。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本破碎岩体-水-动力耦合试验系统包括整体式框架1、压力室部分、压力加载控制部分、渗透液体供给控制部分、原位扰动激励控制部分、可视检测部分和集中电控部分。
所述的压力加载控制部分固定设置在整体式框架1的内底部，包括液压泵站2和加载液压缸3，加载液压缸3竖直固定设置在整体式框架1上、且加载液压缸3的伸缩端竖直向上顶出设置，加载液压缸3通过液压管路和控制阀组与液压泵站2连接。
所述的压力室部分包括设置在整体式框架1内部的压力室38，压力室38包括压力室底座4、可视化压力室筒壁9和压力室顶盖14；压力室底座4通过压力室底座定位安装部件同轴可拆卸定位安装在加载液压缸3的伸缩端顶端，压力室底座4内部设有贯穿压力室底座4设置的渗液出口通道5，渗液出口通道5的入口端与压力室底座4的顶平面贯通，渗液出口通道5的出口端通过出口渗液流量传感器连接渗液处理装置6，可视化压力室筒壁9的底部同轴密闭固定设置在压力室底座4上，可视化压力室筒壁9与压力室底座4共同围成桶型结构，可视化压力室筒壁9的一侧内壁上自上而下均布设有多个渗透水压传感器37，可视化压力室筒壁9的内壁上还设有筒壁侧压力动态传感器12，可视化压力室筒壁9的内腔底部设有外径尺寸与可视化压力室筒壁9的内径尺寸配合的下透水板11，且如图3所示，下透水板11上均布设有多个与渗液出口通道5连通设置的透水通孔；压力室顶盖14同轴设置在可视化压力室筒壁9的顶部、且压力室顶盖14的外径尺寸与可视化压力室筒壁9的内径尺寸配合，压力室顶盖14上设有贯穿压力室顶盖14的液体入孔15、且液体入孔15的孔口位置设有孔口注液压力传感器25，压力室顶盖14的底部固定设有外径尺寸与可视化压力室筒壁9的内径尺寸配合的上透水板10、且上透水板10上均布设有多个与液体入孔15连通设置的透水通孔；渗液处理装置6包括固液分离机构，固液分离机构可以简单地采用滤网或滤袋结构、也可以采用旋流器等其他固液分离结构，固液分离机构上设有用于称量排出的试样岩粒的电子称。
所述的渗透液体供给控制部分包括渗流液泵送装置30和与渗流液泵送装置30电连接的渗流泵送电控装置32，渗流液泵送装置30的输入端通过管路与渗流液供给箱29连接，渗流液泵送装置30的输出端通过管路与液体入孔15连通连接。
所述的原位扰动激励控制部分包括扰动信号执行装置和扰动信号激励电控装置35；扰动信号执行装置包括定位压头21和定位压座17，定位压座17同轴固定设置在压力室顶盖14的顶部，定位压头21对应定位压座17的位置竖直安装在整体式框架1上、且定位压头21上设有定位压头升降结构，定位压头21的底部和定位压座17的顶部是配合设置的球面结构，定位压头21上设有交流励磁线圈20，定位压座17上设有直流励磁线圈，定位压头21或定位压座17上还设有原位扰动动态压力传感器19；扰动信号激励电控装置35包括可控交流激励模块34和直流供电模块33，可控交流激励模块34与交流励磁线圈20电连接，直流供电模块33与直流励磁线圈电连接。
所述的可视检测部分包括数字化图像采集器27，数字化图像采集器27对应可视化压力室筒壁9定位架设安装，数字化图像采集器27可相对于渗透水压传感器37设置在可视化压力室筒壁9的另一侧方向上。
所述的集中电控部分包括计算机36、数据采集模块28、压力加载控制回路、注液控制回路、原位扰动激励控制回路、可视检测控制回路、数据分析计算回路，计算机36分别与液压泵站2、渗流泵送电控装置32、扰动信号激励电控装置35和数据采集模块28电连接，数据采集模块28分别与渗透水压传感器37、孔口注液压力传感器25、出口渗液流量传感器、筒壁侧压力动态传感器12、原位扰动动态压力传感器19、数字化图像采集器27、渗液处理装置6的电子称电连接。
使用本破碎岩体-水-动力耦合试验系统在进行试验前，先将可视化压力室筒壁9与压力室底座4固定安装形成桶型结构的压力室38，将破碎岩体试样置入压力室38内后加装安装有定位压座17的压力室顶盖14，调整定位压头21上的升降结构使定位压头21上移让位后，将压力室38整体吊装或通过平移输送机送入整体式框架1内，并通过加载液压缸3伸缩端顶面上的定位结构和压力室底座定位安装部件将压力室底座4同轴定位安装在加载液压缸3的伸缩端顶端，再次调整定位压头21上的升降结构使定位压头21下降并与贴近定位压座17后连接水路管路和电气管路，即可进行试验。
试验过程中，计算机36通过压力加载控制回路控制液压泵站2工作使加载液压缸3顶升对压力室38内的破碎岩体试样输入压力载荷，同时计算机36通过注液控制回路控制渗流泵送电控装置32工作使渗流液经液体入孔15向压力室38内的破碎岩体试样注入渗流液，计算机36通过可视检测控制回路控制数字化图像采集器27工作；渗透水压传感器37实时向数据采集模块28反馈压力室38内的、流经渗透水压传感器37的渗流液的水压数据，计算机36根据数据采集模块28采集的渗透水压传感器37数据和内置程序计算并建立渗透水在压力室38内部的渗透压力沿加载方向的水压分布模型；数字化图像采集器27按照设定时间间隔向数据采集模块28发送通过可视化压力室筒壁9观测到的破碎岩体试样的图像数据，原位扰动动态压力传感器19实时向数据采集模块28反馈压力室顶盖14承受的压力数据，孔口注液压力传感器25实时向数据采集模块28反馈注入的渗流液初始压力数据，出口渗液流量传感器实时向数据采集模块28反馈排出的渗流液压力数据，筒壁侧压力动态传感器12实时向数据采集模块28反馈可视化压力室筒壁9对破碎岩体试样的围压数据，渗液处理装置6的电子称向数据采集模块28反馈渗漏排出的岩粒的质量数据，计算机36首先分别对数据采集模块28采集的数字化图像采集器27图像数据、压力室顶盖14承受的压力数据、注入的渗流液初始压力数据、排出的渗流液压力数据、围压数据、排出的岩粒质量数据进行误差分析计算和均值输出，然后根据内置的灰度图像分形维数解析程序、渗流路径数字化重构程序、破碎岩体表面裂纹统计程序构建破碎岩体分形维数模型、渗流路径演化模型、表面裂纹模型和表面裂纹开度模型；
进行静载试验时，计算机36控制加载液压缸3输出稳定的额定静载荷，可模拟破碎岩体承受长时稳定载荷的情况；
进行静载+预设动载荷试验时，在计算机36中设定静载荷大小、加载速度、动载荷的形式、周期、振幅、峰值大小、循环次数、叠加方式等特征数据，然后计算机36控制加载液压缸3输出稳定的额定静载荷的同时，计算机36通过原位扰动激励控制回路控制扰动信号激励电控装置35工作使直流励磁线圈和交流励磁线圈20产生磁通，定位压头21和定位压座17之间产生电磁力，定位压头21和定位压座17发生相对激振实现静载扰动，可模拟破碎岩体在承受长时稳定载荷的同时承受预设形式的周期性扰动载荷、冲击载荷等载荷叠加作用的情况；
进行静载+原位扰动载荷或修改后的原位扰动载荷试验时，在计算机36中设定静载荷大小、加载速度，然后将现场测到的原位扰动信号导入计算机36中，然后在计算机36中设定原位扰动的介入条件，或者先对原位扰动信号进行人为修改(如调整原位扰动信号峰值大小模拟极端条件、叠加周期载荷或冲击载荷模拟多种扰动因素的叠加影响等)再设定修改后的原位扰动介入条件；然后计算机36控制加载液压缸3输出稳定的额定静载荷的同时，计算机36监控静载加载状态，当静载加载条件达到设定的原位扰动介入条件时，计算机36通过原位扰动激励控制回路控制扰动信号激励电控装置35工作使直流励磁线圈和交流励磁线圈20产生磁通，定位压头21和定位压座17之间产生电磁力，定位压头21和定位压座17发生相对激振实现原位扰动或修改后的原位扰动，可模拟破碎岩体在承受静载荷的同时承受原位扰动载荷或修改后的原位扰动载荷的情况。
由于试验加载过程中破碎岩体试样被压实成为密实的一体结构，且注液过程使破碎岩体试样内部的裂隙充斥渗透液体，因此密实的一体结构破碎岩体试样内部呈几乎真空的状态，这样就造成试验完成后压力室顶盖14与密实的一体结构破碎岩体试样压实黏连、难以分离，进而造成试样很难被取出。为了便于取出试样，作为本发明的进一步改进方案，可视化压力室筒壁9的底部通过紧固螺栓13同轴密闭固定安装在压力室底座4上；破碎岩体-水-动力耦合试验系统还包括压力室顶盖拆卸部分，压力室顶盖拆卸部分包括设置在整体式框架1上的压力室顶盖升降控制机构和安装在压力室顶盖升降控制机构上的定位压座夹持机构，定位压座夹持机构用于在试验完成后拆卸压力室顶盖14时对定位压座17进行夹持定位，压力室顶盖升降控制机构用于在试验完成后拆卸压力室顶盖14时对定位压座17进行升降动作，压力室顶盖升降控制机构和定位压座夹持机构分别与计算机36电连接，在试验完成后拆卸压力室顶盖14时，通过控制压力室顶盖升降控制机构和定位压座夹持机构的动作可以实现对定位压座17进行提升动作，进而实现压力室顶盖14与密实的一体结构破碎岩体试样的分离拆卸，完成拆卸压力室顶盖14并将压力室38移出整体式框架1后，通过向压力室38内注水和拆卸紧固螺栓13，可以实现可视化压力室筒壁9与试样的分离拆卸。
作为本发明压力室顶盖拆卸部分的一种实施方式，压力室顶盖升降控制机构是如图1所示的相对于压力室顶盖14中心对称设置的齿轮齿条结构，包括齿条导轨24和驱动齿轮22，齿条导轨24竖直固定安装在整体式框架1上，具有驱动电机的驱动齿轮22啮合配合设置在齿条导轨24上、且驱动齿轮22通过驱动齿轮支撑架竖直方向滑移配合安装在整体式框架1上，驱动齿轮支撑架与整体式框架1之间设有如T型槽结构、燕尾槽结构等水平限位结构，水平限位结构可以限制驱动齿轮支撑架脱离整体式框架1；定位压座夹持机构是如图1所示的水平伸缩夹持结构，包括水平安装在驱动齿轮支撑架上的伸缩式装卸臂23，定位压座17上对应伸缩式装卸臂23的位置上还设有顶盖装卸孔16。拆卸压力室顶盖14时，先控制驱动齿轮22动作使伸缩式装卸臂23对正顶盖装卸孔16，然后控制伸缩式装卸臂23伸出并穿入顶盖装卸孔16内，然后控制驱动齿轮22动作使驱动齿轮支撑架整体举升，即可实现压力室顶盖14的拆卸。
作为本发明压力室顶盖拆卸部分的另一种实施方式，压力室顶盖升降控制机构是如图2所示的相对于压力室顶盖14中心对称设置的液压缸结构，包括定位压座升降液压缸，定位压座升降液压缸是缸底端低、伸缩端高倾斜设置，定位压座升降液压缸的缸底端铰接安装在整体式框架1上，定位压座升降液压缸通过液压管路和控制阀组与液压泵站2连接；定位压座夹持机构是如图2所示的卡口夹持结构，包括铰接安装在定位压座升降液压缸的伸缩端端部的夹持卡块，定位压座17上对应夹持卡块的位置上还设有限位卡环结构。拆卸压力室顶盖14时，控制定位压座升降液压缸伸出使夹持卡块卡接在定位压座17的限位卡环结构上后，继续控制定位压座升降液压缸伸出，由于定位压座升降液压缸倾斜设置，因此定位压座升降液压缸继续伸出时夹持卡块受力分解为两部分，一部分是沿定位压座17径向方向的夹持力，另一部分是沿定位压座17轴向方向的举升力，即可实现压力室顶盖14的拆卸。
为了避免原位扰动激励控制部分加载时影响动载控制精度，作为本发明的进一步改进方案，整体式框架1表面设有磁屏蔽包裹层，磁屏蔽包裹层的设置可以在原位扰动激励控制部分加载时避免因电磁场对整体式框架1的磁化作用而造成的动载控制精度降低的现象。
为了能够精确获得渗漏排出的岩粒的质量数据，作为本发明的进一步改进方案，渗液处理装置6的固液分离机构上还设有烘干机构，即，渗漏排出的岩粒经烘干机构烘干后再通过电子称进行称量，可以实现精确获得渗漏排出的岩粒的质量数据。
为了实现监测控制最大粒径条件下的颗粒流失质量、且实现防堵效果，作为本发明的进一步改进方案，如图4所示，下透水板11上方还设有可更换的流失颗粒粒径控制网39，且流失颗粒粒径控制网39的孔径小于下透水板11的透水通孔的孔径。通过更换不同孔径的流失颗粒粒径控制网39，可以实现控制颗粒流失的最大粒径，同时可以实现下透水板11的防堵效果，进而提高下透水板11的使用寿命。
由于破碎岩体具有显著的非均质性，而地下多种岩样混合分层布置的形式更加剧了破碎岩体的非均质性，因此为了便于研究多种岩样混合分层布置形式下不同种类岩样及不同种类岩样的分布厚度、不同的加载压力与渗流形式之间的关系，作为本发明的进一步改进方案，加载液压缸3上设有与数据采集模块28电连接的加载液压缸状态监测传感器26。试验过程中，加载液压缸状态监测传感器26实时向数据采集模块28反馈加载液压缸3的输出压力数据，计算机36构建破碎岩体分形维数模型、渗流路径演化模型、表面裂纹模型和表面裂纹开度模型时同时根据加载液压缸状态监测传感器26反馈的加载液压缸3的输出压力数据。
为了保证注入的渗流液初始压力的稳定性、进而得到更准确的试验数据，作为本发明的进一步改进方案，渗透液体供给控制部分还包括渗流稳压装置31，渗流液泵送装置30的输出端通过渗流稳压装置31和管路与液体入孔15连通连接。
为了防止因设置上透水板10和下透水板11而造成渗液流通不畅，作为本发明的进一步改进方案，如图3所示，上透水板10的上表面和下表面以及下透水板11的上表面和下表面上均设有与透水通孔连通设置的多个环形凹槽和径向凹槽，多个环形凹槽同心设置，各环形凹槽之间通过沿径向方向设置的径向凹槽连通；液体入孔15的底端设置成上小下大的锥形孔结构；渗液出口通道5的入口端设有大径端口结构。
本破碎岩体-水-动力耦合试验系统可以实现对矿井现场测试得到的原位扰动载荷进行还原，可以精确地模拟破碎岩体在复杂原位扰动条件下的静载荷、冲击载荷、长时稳定载荷、周期性脉冲及振动载荷、实测扰动载荷、渗流压力等环境，扰动载荷控制精度高、模拟动载荷的复杂程度高、监测数据全面、安装拆卸方便、自动化程度高，相比传统的仅测量进口压力和出口流量的方法更加精确；通过设置不同种类岩样及不同种类岩样的分布厚度，便于研究多种岩样混合分层布置形式下复杂动载荷作用下破碎岩体内部的渗透压力梯度的响应规律及机理，可以为研究胶结破碎岩体重构隔水层渗透性等关键科学问题提供重要的试验平台和更准确的试验数据。
Claims (10)
1.一种破碎岩体-水-动力耦合试验系统，包括整体式框架(1)、压力室部分、压力加载控制部分、渗透液体供给控制部分和集中电控部分；其特征在于，还包括原位扰动激励控制部分和可视检测部分；
所述的压力加载控制部分固定设置在整体式框架(1)的内底部，包括液压泵站(2)和加载液压缸(3)，加载液压缸(3)竖直固定设置在整体式框架(1)上、且加载液压缸(3)的伸缩端竖直向上顶出设置，加载液压缸(3)通过液压管路和控制阀组与液压泵站(2)连接；
所述的压力室部分包括设置在整体式框架(1)内部的压力室(38)，压力室(38)包括压力室底座(4)、可视化压力室筒壁(9)和压力室顶盖(14)；压力室底座(4)通过压力室底座定位安装部件同轴可拆卸定位安装在加载液压缸(3)的伸缩端顶端，压力室底座(4)内部设有贯穿压力室底座(4)设置的渗液出口通道(5)，渗液出口通道(5)的入口端与压力室底座(4)的顶平面贯通，渗液出口通道(5)的出口端通过出口渗液流量传感器连接渗液处理装置(6)，可视化压力室筒壁(9)的底部同轴密闭固定设置在压力室底座(4)上，可视化压力室筒壁(9)与压力室底座(4)共同围成桶型结构，可视化压力室筒壁(9)的内壁上自上而下均布设有多个渗透水压传感器(37)，可视化压力室筒壁(9)的内壁上还设有筒壁侧压力动态传感器(12)，可视化压力室筒壁(9)的内腔底部设有外径尺寸与可视化压力室筒壁(9)的内径尺寸配合的下透水板(11)、且下透水板(11)上均布设有多个与渗液出口通道(5)连通设置的透水通孔；压力室顶盖(14)同轴设置在可视化压力室筒壁(9)的顶部、且压力室顶盖(14)的外径尺寸与可视化压力室筒壁(9)的内径尺寸配合，压力室顶盖(14)上设有贯穿压力室顶盖(14)的液体入孔(15)、且液体入孔(15)的孔口位置设有孔口注液压力传感器(25)，压力室顶盖(14)的底部固定设有外径尺寸与可视化压力室筒壁(9)的内径尺寸配合的上透水板(10)、且上透水板(10)上均布设有多个与液体入孔(15)连通设置的透水通孔；渗液处理装置(6)包括固液分离机构，固液分离机构上设有用于称量排出的试样岩粒的电子称；
所述的渗透液体供给控制部分包括渗流液泵送装置(30)和与渗流液泵送装置(30)电连接的渗流泵送电控装置(32)，渗流液泵送装置(30)的输入端通过管路与渗流液供给箱(29)连接，渗流液泵送装置(30)的输出端通过管路与液体入孔(15)连通连接；
所述的原位扰动激励控制部分包括扰动信号执行装置和扰动信号激励电控装置(35)；扰动信号执行装置包括定位压头(21)和定位压座(17)，定位压座(17)同轴固定设置在压力室顶盖(14)的顶部，定位压头(21)对应定位压座(17)的位置竖直安装在整体式框架(1)上、且定位压头(21)上设有定位压头升降结构，定位压头(21)的底部和定位压座(17)的顶部是配合设置的球面结构，定位压头(21)上设有交流励磁线圈(20)，定位压座(17)上设有直流励磁线圈，定位压头(21)或定位压座(17)上还设有原位扰动动态压力传感器(19)；扰动信号激励电控装置(35)包括可控交流激励模块(34)和直流供电模块(33)，可控交流激励模块(34)与交流励磁线圈(20)电连接，直流供电模块(33)与直流励磁线圈电连接；
所述的可视检测部分包括数字化图像采集器(27)，数字化图像采集器(27)对应可视化压力室筒壁(9)定位架设安装；
所述的集中电控部分包括计算机(36)、数据采集模块(28)、压力加载控制回路、注液控制回路、原位扰动激励控制回路、可视检测控制回路、数据分析计算回路，计算机(36)分别与液压泵站(2)、渗流泵送电控装置(32)、扰动信号激励电控装置(35)和数据采集模块(28)电连接，数据采集模块(28)分别与渗透水压传感器(37)、孔口注液压力传感器(25)、出口渗液流量传感器、筒壁侧压力动态传感器(12)、原位扰动动态压力传感器(19)、数字化图像采集器(27)、渗液处理装置(6)的电子称电连接。
2.根据权利要求1所述的破碎岩体-水-动力耦合试验系统，其特征在于，可视化压力室筒壁(9)的底部可拆卸固定安装在压力室底座(4)上；破碎岩体-水-动力耦合试验系统还包括压力室顶盖拆卸部分，压力室顶盖拆卸部分包括设置在整体式框架(1)上的压力室顶盖升降控制机构和安装在压力室顶盖升降控制机构上的定位压座夹持机构，定位压座夹持机构用于在试验完成后拆卸压力室顶盖(14)时对定位压座(17)进行夹持定位，压力室顶盖升降控制机构用于在试验完成后拆卸压力室顶盖(14)时对定位压座(17)进行升降动作，压力室顶盖升降控制机构和定位压座夹持机构分别与计算机(36)电连接。
3.根据权利要求2所述的破碎岩体-水-动力耦合试验系统，其特征在于，压力室顶盖升降控制机构是相对于压力室顶盖(14)中心对称设置的齿轮齿条结构，包括齿条导轨(24)和驱动齿轮(22)，齿条导轨(24)竖直固定安装在整体式框架(1)上，具有驱动电机的驱动齿轮(22)啮合配合设置在齿条导轨(24)上、且驱动齿轮(22)通过驱动齿轮支撑架竖直方向滑移配合安装在整体式框架(1)上，驱动齿轮支撑架与整体式框架(1)之间设有可以限制驱动齿轮支撑架脱离整体式框架(1)的水平限位结构；定位压座夹持机构是水平伸缩夹持结构，包括水平安装在驱动齿轮支撑架上的伸缩式装卸臂(23)，定位压座(17)上对应伸缩式装卸臂(23)的位置上还设有顶盖装卸孔(16)。
4.根据权利要求2所述的破碎岩体-水-动力耦合试验系统，其特征在于，压力室顶盖升降控制机构是相对于压力室顶盖(14)中心对称设置的液压缸结构，包括定位压座升降液压缸，定位压座升降液压缸是缸底端低、伸缩端高倾斜设置，定位压座升降液压缸的缸底端铰接安装在整体式框架(1)上，定位压座升降液压缸通过液压管路和控制阀组与液压泵站(2)连接；定位压座夹持机构是卡口夹持结构，包括铰接安装在定位压座升降液压缸的伸缩端端部的夹持卡块，定位压座(17)上对应夹持卡块的位置上还设有限位卡环结构。
5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的破碎岩体-水-动力耦合试验系统，其特征在于，整体式框架(1)表面设有磁屏蔽包裹层。
6.根据权利要求1至4任一权利要求所述的破碎岩体-水-动力耦合试验系统，其特征在于，渗液处理装置(6)的固液分离机构上还设有烘干机构。
7.根据权利要求1至4任一权利要求所述的破碎岩体-水-动力耦合试验系统，其特征在于，下透水板(11)上方还设有可更换的流失颗粒粒径控制网(39)，且流失颗粒粒径控制网(39)的孔径小于下透水板(11)的透水通孔的孔径。
8.根据权利要求1至4任一权利要求所述的破碎岩体-水-动力耦合试验系统，其特征在于，加载液压缸(3)上设有与数据采集模块(28)电连接的加载液压缸状态监测传感器(26)。
9.根据权利要求1至4任一权利要求所述的破碎岩体-水-动力耦合试验系统，其特征在于，渗透液体供给控制部分还包括渗流稳压装置(31)，渗流液泵送装置(30)的输出端通过渗流稳压装置(31)和管路与液体入孔(15)连通连接。
10.根据权利要求1至4任一权利要求所述的破碎岩体-水-动力耦合试验系统，其特征在于，上透水板(10)的上表面和下表面以及下透水板(11)的上表面和下表面上均设有与透水通孔连通设置的多个环形凹槽和径向凹槽，多个环形凹槽同心设置，各环形凹槽之间通过沿径向方向设置的径向凹槽连通；液体入孔(15)的底端设置成上小下大的锥形孔结构；渗液出口通道(5)的入口端设有大径端口结构。
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