CN111238990A - 多场耦合效应下断层活化突水演化试验系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多场耦合效应下断层活化突水演化试验系统及试验方法，包括：渗透仪，其包括壳体、活塞、承载筒、承载筒盖和夹套；壳体为底部封口的筒体结构，其底部设置有注水口，注水口的出口处设置有透水板；活塞，与所述筒体结构可移动配合，活塞内部设置有若干通孔；承载筒及承载筒盖位于活塞上侧，承载筒的侧壁上设置有出口，活塞的通孔将出口与筒体结构内部连通；温控系统，其包括夹套、入油管、出油管、温度传感器及温控器；夹套套合于壳体的外侧，夹套与壳体之间围成加热腔，该加热腔与热源连接；供水系统，与所述注水口连接，用于对渗透仪提供设定压力的水源；加载系统；固液分离装置，通过管道与承载筒外侧的出口连通。
Description
技术领域
本发明属于岩土体的稳定性研究技术领域，具体涉及一种多场耦合效应下断层活化突水演化试验系统及试验方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着地下资源的勘探开采和地下空间的不断利用，含破碎岩体地质构造(如断层)的突水成为威胁地下工程安全生产的重大灾害之一。目前，对于破碎岩体地质构造的形成条件、空间位置、类型划分以及对于突水后的补救措施、施工工艺有了大量的研究。此外，已经有学者开始从破碎岩体渗流系统失稳的角度来研究突水的机理，且对于断层活化突水的室内试验也有一定的进展。
然而，发明人发现，现有的活化突水室内试验研究主要考虑的是应力和渗流两个物理场的作用效果，而忽略了温度场的作用。在实际的地下空间，都是有一定温度的，从地面往下每深100米，温度大约增加3℃左右。尤其是在某些深井煤矿，温度相比于地面相差很多，再利用地面环境温度进行深井煤矿内的活化突水室内试验研究时，对试验的准确性会产生较大的影响。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种多场耦合效应下断层活化突水演化试验系统及试验方法。
为了解决以上技术问题，本发明的一个或多个实施例提供了以下技术方案：
本发明的一个方面是提供一种多场耦合效应下断层活化突水演化试验系统，包括：
渗透仪，其包括壳体、活塞、承载筒及承载筒盖；壳体为底部封口的筒体结构，其底部设置有注水口，注水口的出口处设置有透水板；
活塞，与所述筒体结构可移动配合，活塞内部设置有若干通孔；
承载筒及承载筒盖位于活塞上侧，承载筒的侧壁上设置有出口，活塞的通孔将出口与筒体结构内部连通；
温控系统，其包括夹套、入油管、出油管、温度传感器及温控器；
夹套套合于壳体的外侧，夹套与壳体之间围成加热腔，该加热腔与热源连接；
供水系统，与所述注水口连接，用于对渗透仪提供设定压力的水源；
加载系统，用于对所述承载筒盖提供向下的压力；
固液分离装置，通过管道与承载筒外侧的出口连通。
一种多场耦合效应下断层活化突水演化试验方法，包括如下步骤：
将试验系统进行组装；
测量待测岩土试样的相关参数，然后将待测岩土试样填入渗透仪的筒体结构内部，安装活塞；
向夹套内通入设定温度的加热介质，控制渗透仪内的温度；
向渗透仪底部通入设定压力的水，同时向承载筒盖施加向下的压力，进而通过承载筒及活塞对待测岩土试样施加压力；
待测岩土试样中的部分颗粒在水流的携带作用下从活塞的通孔中流出，经过承载筒外侧的出口流至固液分离装置，进行固液分离后，测量固体和液体的质量；
根据固体和液体的质量来研究岩土体试样的颗粒迁移机理。
以上一个或多个技术方案的有益效果为：
渗透仪的壳体外侧设置有夹套，向夹套内通入加热介质，可以有效控制渗透仪内部的待测岩土试样的温度，进而可以对温度场对于破碎岩体突水机理进行研究，使得破碎岩体突水机理更加准确、客观。
活塞的内部设置有多个通孔，通孔将承载筒外侧的出口与渗透仪的筒体内部连通，可以允许突水过程中水流以及水流中携带的固体颗粒通过，便于对这部分水流和固体颗粒进行收集和测量。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实例试验系统的整体结构示意图；
图2为渗透仪装置的整体结构示意图；
图3为底座的结构示意图，其中，(a)为剖视图，(b)为俯视图；
图4为活塞的结构示意图，其中，(a)为剖视图，(b)为俯视图；
图5为缸筒的结构示意图，其中，(a)为剖视图，(b)为俯视图。
其中，1-过滤漏斗；2-烧杯；3-出油管；4-温控器；5-入油管，6-渗透仪，7-数据采集器，8-计算机；9-稳压器；10-压力传感器；11-流量传感器；12-溢流阀；13-水泵；14-水箱(可加热)；15-底座；16-第一O型橡胶密封圈；17-第一螺丝组件；18-入油管；19-夹套；20-出油管；21-温度传感器；22-“L”型注水口；23-第二螺丝组件；24-透水板；25-缸筒；26-第二O型橡胶密封圈，27-活塞；28-承载筒；29-承载筒盖。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
本发明的一个方面是提供一种多场耦合效应下断层活化突水演化试验系统，包括：
渗透仪，其包括壳体、活塞、承载筒、承载筒盖和夹套；壳体为底部封口的筒体结构，其底部设置有注水口，注水口的出口处设置有透水板；
活塞，与所述筒体结构可移动配合，活塞内部设置有若干通孔；
承载筒及承载筒盖位于活塞上侧，承载筒的侧壁上设置有出口，活塞的通孔将出口与筒体结构内部连通；
温控系统，其包括夹套、入油管、出油管、温度传感器及温控器；
夹套套合于壳体的外侧，夹套与壳体之间围成加热腔，该加热腔与热源连接；
供水系统，与所述注水口连接，用于对渗透仪提供设定压力的水源；
加载系统，用于对所述承载筒盖提供向下的压力；
固液分离装置，通过管道与承载筒外侧的出口连通。
在一些实施例中，所述透水板包括布水腔和与布水腔连通的若干布水孔，布水腔的下端与注水口连通，布水腔覆盖壳体的内部截面。
从注水口注入的具有一定压力的水流首先进入布水腔内，并通过均布的多个布水孔均匀分布在渗透仪的横截面上，可以提高水流分布的均匀程度。
在一些实施例中，所述活塞的外侧还设置有承载筒，承载筒上盖合有承载筒盖。此处的外侧是指活塞的远离渗透仪的一侧。承载筒用于承接加载系统的加载力，避免直接施加到活塞上，造成活塞的变形，进而可以避免活塞上的通孔堵塞。
在一些实施例中，所述夹套通过出油管和入油管与热源连接。
热油循环流动，可以保证夹套内的热油的温度，更可以对热油的温度进行实时调节，以保持渗透仪内的温度的稳定。
在一些实施例中，所述供水系统包括水箱、水泵和连接管线，水箱通过水泵和连接管线与渗透仪的注水口连接。
进一步的，所述连接管线上设置有压力传感器和流量传感器。可以用来测量供水管线上的水的压力和流量，以进行实时监测。
进一步的，所述连接管线上设置有溢流阀。起定压溢流，稳压和安全保护的作用。
进一步的，所述水箱内设置有加热装置。加热装置对水加热到一定的温度后再注入渗透仪中，可以控制突水的温度，更有利于机理的研究。
在一些实施例中，承载筒外侧的出口为1-4个，均通过管道与固液分离装置连接。
可以保证水流导出的及时性和顺畅性，避免出口的堵塞。
进一步的，所述固液分离装置为过滤漏斗和液体收集装置，液体收集装置设置于过滤漏斗的下方。
更进一步的，所述液体收集装置为烧杯或量筒。
一种多场耦合效应下断层活化突水演化试验方法，包括如下步骤：
将试验系统进行组装；
测量待测岩土试样的相关参数，然后将待测岩土试样填入渗透仪的筒体结构内部，安装活塞；
向夹套内通入设定温度的加热介质，控制渗透仪内的温度；
向渗透仪底部通入设定压力的水，同时向承载筒盖施加向下的压力，进而通过承载筒及活塞对待测岩土试样施加压力；
待测岩土试样中的部分颗粒在水流的携带作用下从活塞的通孔中流出，经过承载筒外侧的出口流至固液分离装置，进行固液分离后，测量固体和液体的质量；
根据固体和液体的质量来研究岩土体试样的颗粒迁移机理。
在一些实施例中，调节渗透仪内的温度为0-100℃。
在一些实施例中，向渗透仪内注入的水的压力为0-10MPa。
在一些实施例中，向承载筒盖施加的向下的压力为0-500kN。
下面结合具体实施例对本发明做进一步清楚、完整的说明。
实施例1
本发明一种多场耦合效应下考虑颗粒迁移的断层活化突水演化模拟试验系统如图1所示，主要包括渗透仪装置、温控系统、供水系统、数据采集与分析系统、固液分离装置等。
渗透仪装置如图2所示，由底座15、缸筒25、透水板24、活塞27、承载筒28、承载筒盖29等组成。试验开始前应从下往上安装渗透仪装置，底座15与缸筒25由四个螺栓螺母组固定，同时为了防水，应该使用第一O型橡胶密封圈16并结合涂抹凡士林来实现；其次，放置透水板24到底座15的上部，透水板有利于将由底座中“L”型注水口22流入的水流均匀地分散施加到试件上；随后在缸筒内壁涂抹凡士林，再放入配好的破碎岩体试样；接着放置活塞27，为了防止漏水，活塞外壁应使用O型橡胶密封圈并涂抹凡士林；最后再放置承载筒28、承载筒盖29，承载筒的外壁有四个出口，这四个出口分别外接传送管，便于将渗流而出的水流及颗粒传送到固液分离装置中。活塞的结构示意图如图4所示，图4a为活塞的剖视图，图4b为活塞的俯视图。活塞27为蜂窝煤状，其上布置有若干直径(直径为12mm)相同、且均匀分布的圆柱形孔道，以便充填物颗粒及水体通过这些活塞孔道迁移出来。
温控系统安装时，应先将夹套19套在渗透仪6的缸筒25外。夹套19的内壁是易导温的材料，便于将温度传到渗透仪6中的试样的中去。夹套19的外壁是隔热材料，便于保温。其内部采用硅油为加热介质，夹套19外接两根油管，一根入油管18，一根出油管20，硅油经入油管18进入夹套19，并从出油管20流出回到温控器4中，依次循环。在靠近夹套19的入油管18和出油管20处均设有温度传感器21，可对比显示夹套19内的温度。试验开始前，可提前开启温控系统，预热30分钟，将温度升温恒定到预定的温度。
如图1所示，试验过程中，供水系统控制水压、流量、水温等参数量来控制渗流场。供水系统中有水泵13、溢流阀12，可加热的水箱14、稳压器9、温度传感器、阀门等结构组成。应力场由已有的外部的加载系统—MTS试验机来提供轴力载荷，渗透仪装置竖直放置在外部的MTS试验机加载平台上进行加载，MTS试验机的加压装置与承载筒盖29垂直接触，通过承载筒盖29、承载筒28、活塞27可对待测试的试验岩体试样施加垂直的轴向压力。
将整个试验系统安装好，并完成所有的准备工作后就可进行正式试验。开启MTS试验机、供水系统。打开加载系统，利用试验机向岩土体试样施加轴向载荷p；对供水系统中的水流加热到预定温度。启动电动试压泵并调节溢流阀开启压力，让水流沿着管道进入渗透仪中；在温度场、渗流场、应力场共同作用下，颗粒伴随着水流经活塞、承载筒口、传送管到固液分离装置中；每隔一定的时间就称量流出的水体、颗粒体的重量。
实施例2
本申请的另一典型实施例中，给出一种利用如实施例1试验系统的试验方法。包括以下步骤：
按照设定的试验工况按颗分比例准备好岩土体试样，在实验室内可以通过常规试验测出其密度、含水率、初始孔隙率等参数。
安装渗透仪装置，将缸筒与底座连接，放入透水板，再放入岩土体试样(试样放置之前可在缸筒内刷一层凡士林，便于卸样)。再依次放置活塞、承载筒、承载筒盖。并将温控系统的夹套套在缸筒上。试验开始前，为了明确试件的温度，可先将温控系统打开，再到试件中放置一个温度计来显示试件的实际温度，多试验几次，找到夹套的温度与试件实际温度的关系。预热过程中，观察入油管处和出油管处的温度传感器，两处温度应该保持大致相同。温控系统预热30分钟使缸筒内待测岩土体试样达到设定温度。
提前将供水系统中的可加热水箱开启，将水的温度加热到设定的温度。
开启试验机施加轴向载荷。向岩土体施加轴向应力后，试验机会产生位移，根据岩土体试样的初始质量、试验机的位移可以计算出试样渗透前的孔隙率。
上述工作完成后，打开供水系统阀门，启动电动试压泵并调节溢流阀开启压力，让水流沿着管道通过底座的注水口进入渗透仪中。试验过程中，由数据采集器记录水流的流量和水流压力，并可计算渗流速度、渗透率。
水流携带着颗粒体经活塞、承载筒外侧的出口、管道流入固液分离装置，每隔一个固定时间段收集含有颗粒的液体，再对其处理，称量出颗粒体重量，从而可计算每个阶段试样颗粒质量迁移率。
本发明试验系统考虑了温度场对于破碎岩体突水机理的影响，通过设置温控系统来模拟地下围岩的温度场，并且在渗流场中也考虑到了活化水的温度。试验人员可以根据不同的地层情况，自行控制温度，温度可通过温度计来显示，温控系统中的温度计有多个可以进行相互对照，进一步精确温度。本发明在可以综合温度场、渗流场、应力场的影响下研究岩土体试样的颗粒迁移机理。本发明的试验系统制作成本低廉，简单易操作。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多场耦合效应下断层活化突水演化试验系统，其特征在于：包括：
渗透仪，其包括壳体、活塞、承载筒及承载筒盖；壳体为底部封口的筒体结构，其底部设置有注水口，注水口的出口处设置有透水板；
活塞，与所述筒体结构可移动配合，活塞内部设置有若干通孔；
承载筒及承载筒盖位于活塞上侧，承载筒的侧壁上设置有出口，活塞的通孔将出口与筒体结构内部连通；
温控系统，其包括夹套、入油管、出油管、温度传感器及温控器；
夹套套合于壳体的外侧，夹套与壳体之间围成加热腔，该加热腔与热源连接；
供水系统，与所述注水口连接，用于对渗透仪提供设定压力的水源；
加载系统，用于对所述承载筒盖提供向下的压力；
固液分离装置，通过管道与承载筒外侧的出口连通。
2.根据权利要求1所述的多场耦合效应下断层活化突水演化试验系统，其特征在于：所述透水板包括布水腔和与布水腔连通的若干布水孔，布水腔的下端与注水口连通，布水腔覆盖壳体的内部截面。
3.根据权利要求1所述的多场耦合效应下断层活化突水演化试验系统，其特征在于：所述活塞的外侧还设置有承载筒，承载筒上盖合有承载筒盖。
4.根据权利要求1所述的多场耦合效应下断层活化突水演化试验系统，其特征在于：所述夹套通过出油管和入油管与热源连接。
5.根据权利要求1所述的多场耦合效应下断层活化突水演化试验系统，其特征在于：所述供水系统包括水箱、水泵和连接管线，水箱通过水泵和连接管线与渗透仪的注水口连接。
6.根据权利要求5所述的多场耦合效应下断层活化突水演化试验系统，其特征在于：所述连接管线上设置有压力传感器和流量传感器；
进一步的，所述连接管线上设置有溢流阀；
进一步的，所述水箱内设置有加热装置。
7.根据权利要求1所述的多场耦合效应下断层活化突水演化试验系统，其特征在于：承载筒外侧的出口为1-4个，均通过管道与固液分离装置连接；
进一步的，所述固液分离装置为过滤漏斗和液体收集装置，液体收集装置设置于过滤漏斗的下方；
更进一步的，所述液体收集装置为烧杯或量筒。
8.一种多场耦合效应下断层活化突水演化试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
将试验系统进行组装；
测量待测岩土试样的相关参数，然后将待测岩土试样填入渗透仪的筒体结构内部，安装活塞；
向夹套内通入设定温度的加热介质，控制渗透仪内的温度；
向渗透仪底部通入设定压力的水，同时向承载筒盖施加向下的压力，进而通过承载筒及活塞对待测岩土试样施加压力；
待测岩土试样中的部分颗粒在水流的携带作用下从活塞的通孔中流出，经过承载筒外侧的出口流至固液分离装置，进行固液分离后，测量固体和液体的质量。
9.根据权利要求8所述的多场耦合效应下断层活化突水演化试验方法，其特征在于：调节渗透仪内的温度为0-100℃。
10.根据权利要求8所述的多场耦合效应下断层活化突水演化试验方法，其特征在于：向渗透仪内注入的水的压力为0-10MPa；
优选的，向承载筒盖施加的向下的压力为0-500kN。
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