CN112362849B - 突水溃砂实验中突水与溃砂分相含量的测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的突水溃砂实验中突水与溃砂分相含量的测量装置及方法,涉及突水溃砂实验技术领域。所述装置包括水砂收集箱和称重传感器,水砂收集箱底部开孔,连接水压力传感;突水溃砂实验中,水砂涌入水砂收集箱,根据所测得的水砂收集箱内液体的高度以及质量变换,获得涌入水砂的总体积和总质量,从而获得突水与溃砂的分相含量。本发明公开的测量装置及方法,操作简单、计算准确,可适用于模拟不同地质条件下突水溃砂模型试验,以确定突水溃砂过程中的砂颗粒在水流作用下的运移沉积特征,为理论分析和工程实践提供可靠的数据依据。

Description

突水溃砂实验中突水与溃砂分相含量的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及突水溃砂实验技术领域,具体涉及突水溃砂实验中突水与溃砂分相含量的测量装置及方法。
背景技术
随着我国地下工程建设的大、长、深的发展趋势,突水溃砂成为制约地下工程建设发展的瓶颈问题。含砂量较高的水砂混合流将会造成突水溃砂通道逐步扩张,水砂来源的地层沉降,涌出的泥砂常常会淤塞工作面和巷道,掩埋机械设备,且清理恢复极为困难,造成严重的工期延误。
由于地下采掘工程具有隐蔽性,通过现场观测研究突水溃砂机理及其影响因素十分困难,所以很多学者借助室内模型试验对突水溃砂的过程及机理进行探讨。但是,由于在突水溃砂试验过程中,水砂几乎同时涌出,且突涌速度快,突水溃砂量比较大,很难在试验过程中将突涌出的水砂快速分离,并分别进行测量。
因此,鉴于以上问题,有必要提出一种简单的测量突水溃砂试验中突水量与溃砂量的方法,为理论分析和工程实践提供可靠的基础数据。
发明内容
根据本发明的目的提出的突水溃砂实验中突水与溃砂分相含量的测量装置,包括用于盛装实验后突水和溃砂的水砂收集箱以及放置于水砂收集箱下方、用于实时测量水砂收集箱内水砂质量的称重传感器;所述水砂收集箱底部开孔,连接一水压力传感器,称重传感器和水压力传感器分别通过数据采集仪与电脑连接。
本发明另外公开的一种使用上述测量装置进行突水与溃砂分相含量测量的方法,包括以下步骤:
步骤一:组装实验设备;
步骤二:向水砂收集箱内注入高度大于等于实验所需砂于水砂收集箱内所形成砂锥体高度的2/3的水,并通过数据采集仪采集此时水压力传感器和称重传感器的值;
步骤三:开始突水溃砂实验,水、砂混合流入水砂收集箱内,并通过数据采集仪实时采集每一时刻的水压力传感器和称重传感器的值,再将水压力传感器采集值转换成水头高度值,分别记为Hi和Mi
步骤四:根据步骤三实时采集的高度和质量,计算规定时间段内的突水量与溃砂量,其计算公式为:
Mwi=(Mi-Mi-1)-Msi
式中,Msi为第i时刻突水量;Mwi为第i时刻溃砂量;Mi为第i时刻水砂收集箱的总质量;Mi-1为第i-1时刻水砂收集箱的总质量;ρw为水的密度,取1.0g/cm3;Hi为第i时刻水砂收集箱内水的高度;Hi-1为第i-1时刻水砂收集箱内水的高度;A为水砂收集箱底面积;Gs为砂比重。
优选的,步骤二中,实验所需砂在水砂收集箱内所形成的砂锥体高度Hs的计算公式为:
Hs=Rtana;
式中,α为水下休止角;Ms为实验所需砂的质量;Gs为砂比重;ρw为水的密度;R为砂锥体的底面半径;若计算得出的R值小于等于水砂收集箱底面尺寸S时,则Hs的值为计算值;若计算得出的R值大于水砂收集箱尺寸S时,则取R=S,依据公式Hs=R tanα,重新计算Hs的值,并取该值为预估的砂锥体高度;其中,S为水砂收集箱圆形底面的半径或矩形底面的短边长度。
与现有技术相比,本发明公开的突水溃砂实验中突水与溃砂分相含量的测量装置及方法的优点是:
(1)本发明结构简单、操作方便,可以适用于不同地质条件的突水溃砂室内模型试验中。
(2)本发明于水砂收集箱底部开孔连接水压力传感器,通过测量水砂收集箱内的水头高度的变化确定水砂涌入的体积,更加方便。
(3)本发明于实验前预估所需砂于水砂收集箱内所能形成的砂锥体的最大高度,并基于这一高度确定预注水的高度,从而保证实验过程中的溃砂能完全浸没于水中,可确保实验结果的准确性。
(4)本发明公开的计算方法可以通过计算机软件高效的计算突水溃砂过程中每一时刻突水和溃砂量,计算快捷、精度较高,可以为理论分析和工程实践提供可靠的基础数据。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍,显而易见的,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域中的普通技术人员来说,在不付出创造性劳动的前提下,还可根据这些附图获得其他附图。
图1为测量装置结构图。
图2为突水溃砂试验过程中的水位高度变化以及质量增加量的曲线图。
图3为突水溃砂试验过程中单位时间内突水与溃砂量的变化曲线图。
图中的数字或字母所代表的零部件名称为:
1-水砂收集箱;2-称重传感器;3-水压力传感器;4-数据采集仪;5-电脑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例,基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,均属于本发明保护的范围。
图1-图3示出了本发明较佳的实施例,分别从不同的角度对其进行了详细的剖析。
如图1所示的突水溃砂实验中突水与溃砂分相含量的测量装置,包括用于盛装实验后突水和溃砂的水砂收集箱1以及放置于水砂收集箱1下方、用于实时测量水砂收集箱1内水砂质量的称重传感器2。水砂收集箱1底部开孔,连接一水压力传感器3,用于测量水砂收集箱1内液体的压力值,再将其转换成水头高度,从而确定实验过程中涌入水砂的总体积。水砂收集箱1底部开孔位置低于水砂收集箱1内预先注入的水的高度。称重传感器2和水压力传感器3分别通过数据采集仪4与电脑5连接。
本发明另外公开的一种使用上述测量装置进行突水与溃砂分相含量测量的方法,包括以下步骤:
步骤一:组装实验设备。为了保证计算结果的精度,需要选用精度较高的水压力传感器3与称重传感器2,称重传感器2采用大量程、高精度的电子天平。水压力传感器3的精度可以根据水砂收集箱1的尺寸来确定,如果水砂收集箱1的底面积比较大,则要求水压力传感器3精度相对较高;如果水砂收集箱1的底面积比较小,则要求水压力传感器3精度相对较低。在本实施例中,选用圆柱形水砂收集箱1,其底面半径S为150mm;采用的水压力传感器3的量程为0-1m,精度为5‰,可以测量约5mm的水头高度变化;称重传感器2的量程为0-50kg,精度0.5g。
步骤二:测量试验所需砂质量Ms,确定砂比重Gs和砂的水下休止角α,计算实验所需砂放入水砂收集箱1后所能形成的砂锥体的最大的高度Hs。向水砂收集箱1内注入高度大于等于砂锥体高度的2/3的水,以保证试验过程中溃入的砂可以完全浸没在水中。通过数据采集仪4采集此时水压力传感器3和称重传感器2的值。
具体的,砂的土粒比重Gs为土粒质量与同体积蒸馏水在4℃时的质量比,可以用公式来表示;其中,Ms、Vs可以直接测量得出,ρw为确定值1.0g/cm3。在本实施例中,试验用砂的质量为Ms=21.5kg,砂土的比重Gs=2.65。
砂的水下休止角α可以参照土工试验方法标准(GB/T50123-2019)采用休止角测定仪进行测量,一般砂土水下休止角a=26°-33°,在本实施案例中,试验用砂的水下休止角α=29.7°。
则实验所需砂在水砂收集箱1内所形成的砂锥体的体积为:
由此得出砂锥体的高度为:
Hs=Rtana;
式中,α为水下休止角;Ms为实验所需砂的质量;Gs为砂比重;ρw为水的密度;R为砂锥体的底面半径。若计算得出的R值小于等于水砂收集箱1底面尺寸S时,则Hs的值为计算值;若计算得出的R值大于水砂收集箱1尺寸S时,则取R=S,依据公式Hs=R tanα,重新计算Hs的值,并取该值为预估的砂锥体高度。其中,S为水砂收集箱1圆形底面的半径或矩形底面的短边长度。需要说明的是,砂锥体的高度Hs也可以直接通过注入法确定,将试验用砂直接注入到水砂收集箱1内,然后测量形成的砂锥体高度Hs
步骤三:开始突水溃砂实验,水、砂混合流入水砂收集箱1内,并通过数据采集仪4实时采集每一时刻的水压力传感器3和称重传感器2的值,所得到的水头压力值再经过公式:水压力=ρgHi,转换成水头高度值,分别记为Hi和Mi;其中,ρ为水密度,g为重力加速度,Hi为水头高度。则第i秒水头增加的高度为Hi-Hi-1,第i秒内水砂收集箱1涌入水砂混合物的质量为:Mi-Mi-1
步骤四:根据步骤三实时采集的高度和质量,计算规定时间段内的突水量与溃砂量。
首先,第i秒内水砂收集箱1内涌入水砂混合物的质量为Mi-Mi-1等于第i秒突水量与溃砂量之和,其公式为:
Mi-Mi-1=Msi+Mwi=GsρwVsiwVwi
式中,Mi为第i时刻水砂收集箱1的总质量;Mi-1为第i-1时刻水砂收集箱1的总质量;Msi为第i时刻突水量;Mwi为第i时刻溃砂量;Vsi为第i时刻溃入水砂收集箱1内砂的体积;Vwi为第i时刻溃入水砂收集箱1内水的体积;ρw为水的密度,取1.0g/cm3;Gs为砂比重,取Gs=2.65。
根据单位时间内水砂收集箱1内增加的水的体积等于单位时间内突水和溃砂的总体积,则单位时间内突水、溃砂的总体积可以用单位时间水砂收集箱1水头高度的变化来表示,其公式为:
Vi-Vi-1=(Hi-Hi-1)*A=Vsi+Vwi
式中,Vi为第i时刻水砂收集箱1内液体的体积;Vi-1为第i-1时刻水砂收集箱1内液体的体积;Hi为第i时刻水砂收集箱1内水的高度;Hi-1为第i-1时刻水砂收集箱1内水的高度;A为水砂收集箱1底面积。
最终可得到:
Mwi=(Mi-Mi-1)-Msi
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下,在其他实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种突水与溃砂分相含量测量的方法,基于一种突水溃砂实验中突水与溃砂分相含量的测量装置,包括用于盛装实验后突水和溃砂的水砂收集箱(1)以及放置于水砂收集箱(1)下方、用于实时测量水砂收集箱(1)内水砂质量的称重传感器(2);所述水砂收集箱(1)底部开孔,连接一水压力传感器(3),称重传感器(2)和水压力传感器(3)分别通过数据采集仪(4)与电脑(5)连接;
其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:组装实验设备;
步骤二:向水砂收集箱(1)内注入高度大于等于实验所需砂于水砂收集箱(1)内所形成砂锥体高度的2/3的水,并通过数据采集仪(4)采集此时水压力传感器(3)和称重传感器(2)的值;
步骤三:开始突水溃砂实验,水、砂混合流入水砂收集箱(1)内,并通过数据采集仪(4)实时采集每一时刻的水压力传感器(3)和称重传感器(2)的值,再将水压力传感器(3)采集值转换成水头高度值,分别记为Hi和Mi;
步骤四:根据步骤三实时采集的高度和质量,计算规定时间段内的突水量与溃砂量,其计算公式为:
Mwi=(Mi-Mi-1)-Msi
式中,Msi为第i时刻突水量;Mwi为第i时刻溃砂量;Mi为第i时刻水砂收集箱(1)的总质量;Mi-1为第i-1时刻水砂收集箱(1)的总质量;ρw为水的密度,取1.0g/cm3;Hi为第i时刻水砂收集箱(1)内水的高度;Hi-1为第i-1时刻水砂收集箱(1)内水的高度;A为水砂收集箱(1)底面积;Gs为砂比重;
步骤二中,实验所需砂在水砂收集箱(1)内所形成的砂锥体高度Hs的计算公式为:
Hs=Rtana;
式中,α为水下休止角;Ms为实验所需砂的质量;Gs为砂比重;ρw为水的密度;R为砂锥体的底面半径;若计算得出的R值小于等于水砂收集箱(1)底面尺寸S时,则Hs的值为计算值;
若计算得出的R值大于水砂收集箱(1)尺寸S时,则取R=S,依据公式Hs=Rtanα,重新计算Hs的值,并取该值为预估的砂锥体高度;其中,S为水砂收集箱(1)圆形底面的半径或矩形底面的短边长度;
所述水压力传感器的量程为0-1m,精度为5‰,用以测量5mm的水头高度变化;
所述称重传感器的量程为0-50kg,精度0.5g。
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