CN205120539U - 一种试验模型 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种试验模型，包括试验箱，在试验箱的底部浇筑有含水相似岩层；其中，在含水相似岩层上形成有至少一条人工缝隙；在含水相似岩层上还设置有至少一圈沟槽，且人工缝隙被包围在沟槽之内；在含水相似岩层上对应于沟槽设置有至少一圈防水圈，防水圈包括防水圈底部和防水圈顶部，防水圈顶部包括朝向人工缝隙的方向倾斜设置的迎水斜坡面和朝向远离人工缝隙的方向倾斜设置的背水斜坡面；防水圈底部位于沟槽内，防水圈顶部凸起设置在含水相似岩层的上表面上；在含水相似岩层的上表面上浇筑有隔水相似岩层，防水圈顶部位于隔水相似岩层内。

Description

一种试验模型

技术领域

本实用新型涉及矿业工程及水利工程的综合利用技术领域，尤其涉及一种试验模型。

背景技术

煤炭在我国能源结构中占据主体地位的格局相当长时期内难以改变，与此同时我国煤炭资源的开发与利用所引发的环境问题却日益突出。一方面，我国西部富煤地区多处于干旱和半干旱地带，水资源短缺，同时地表生态脆弱；另一方面，在煤炭开采过程中不可避免产生矿井水，如果处理不当不仅会造成地下水资源的破坏，同时还会造成河川径流量减少、水资源枯竭、土地沙漠化、环境污染、地表塌陷等一系列危害。因此，保护水资源和地表生态环境，是我国西部煤炭资源开发面临的重大课题。

利用煤矿采空区建造地下水库，实现保水开采是综合利用地下水资源、保护含水层、煤矿安全生产和矿山废弃后地下水源再利用的重大举措。“绿色煤炭”也是国家重大战略问题，将列入国家科技重大专项的重要研究内容。在地下水库设计和建造中，库址与坝址、库容与特征水位、地下水调控与水质过滤净化，都取决于顶底板岩体渗透性能、导水裂隙带和塌落体的渗透系数和储水系数、以及这些参数的动态变化或变异特征与规律；而这些问题又是取决于煤层采动过程中顶底板岩体破损与裂隙发育过程和演化规律、破损岩体塌落方式、范围、堆积型式、块度分布、孔隙大小与分布等物理特征。在现场条件下，难以直接观察、观看、准确测试这些物理特征和相关物理力学参数，采用大型水岩耦合物理模型试验可以实现这一目的。

在水岩耦合物理模型试验条件下，确保相似岩层层间的防渗密封效果，从而保证相对准确的模拟含水相似岩层的渗透特性，是水岩耦合模型试验的关键技术难题之一，现有技术中还没有解决上述技术难题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种能够解决水岩耦合模型试验中含水相似岩层和隔水相似岩层之间的密封防渗问题的试验模型。

本实用新型技术方案提供一种试验模型，包括试验箱，在所述试验箱的底部浇筑有含水相似岩层；其中，在所述含水相似岩层上形成有至少一条人工缝隙，所述人工缝隙贯穿所述含水相似岩层的上下表面；在所述含水相似岩层上还设置有至少一圈沟槽，所述沟槽的槽口位于所述含水相似岩层的上表面上，且所述人工缝隙被包围在所述沟槽之内；在所述含水相似岩层上对应于所述沟槽设置有至少一圈防水圈，所述防水圈包括防水圈底部和防水圈顶部，所述防水圈顶部包括朝向所述人工缝隙的方向倾斜设置的迎水斜坡面和朝向远离所述人工缝隙的方向倾斜设置的背水斜坡面；所述防水圈底部位于所述沟槽内，所述防水圈顶部凸起设置在所述含水相似岩层的上表面上；在所述含水相似岩层的上表面上浇筑有隔水相似岩层，所述防水圈顶部位于所述隔水相似岩层内。

进一步地，在所述含水相似岩层上还设置可拆卸的模板，所述沟槽由从所述含水相似岩层上拆下的所述模板形成。

进一步地，在所述试验箱内浇筑有多层所述含水相似岩层，每层所述含水相似岩层上均设置有所述人工缝隙和所述防水圈；所述隔水相似岩层浇筑在多层所述含水相似岩层中最顶层的所述含水相似岩层上；任意相邻的两层所述含水相似岩层中位于下层的所述含水相似岩层上的所述防水圈的防水圈顶部位于上层的所述含水相似岩层内；多层所述含水相似岩层中最顶层的所述含水相似岩层上的所述防水圈的防水圈顶部位于所述隔水相似岩层内。

进一步地，任意相邻的两层所述含水相似岩层中的所述人工缝隙对齐设置或交错设置。

进一步地，所述人工缝隙包括多条分支缝隙。

进一步地，多条所述分支缝隙间隔地平行设置；或者，多条所述分支缝隙连接形成网格状。

进一步地，在所述含水相似岩层中布置有可被拆除的多块缝隙形成模板，所述人工缝隙由从所述含水相似岩层中拆除的所述缝隙形成模板所形成。

进一步地，所述缝隙形成模板包括模板框架和设置在所述模板框架内的多条分支缝隙形成板。

进一步地，多条所述分支缝隙形成板相互平行，并间隔地布置在所述模板框架内；或者，多条所述分支缝隙形成板连接形成网格状。

采用上述技术方案，具有如下有益效果：

本实用新型提供的试验模型，通过在含水相似岩层和隔水相似岩层的层间设置一圈封闭的防水圈，隔断岩层间渗流通道，使水在岩层间内流动，而不会流向试验箱的箱壁处，达到密封防渗的目的，实现水岩耦合模型试验含水相似岩层的渗透特性测试。

本实用新型提供的试验模型，将防渗工程与水岩耦合模型相似材料浇筑依次进行，施工简便易行，提高了相似岩层层间防渗密封性能，避免了层间渗漏对流对耦合模型试验的影响，确保了含水相似岩层渗流特性的准确性，对煤矿分布式地下水库相关问题的研究具有重要意义。

附图说明

图1为本实用新型提供的试验模型的结构示意图；

图2为在含水相似岩层上支设一圈模板的俯视图；

图3为浇筑形成含水相似岩层的局部剖视图；

图4为形成防水圈顶端的背水斜坡面的局部剖视图；

图5为拆除模板后在含水相似岩层上形成沟槽的俯视图；

图6为拆除模板后的局部剖视图；

图7为在含水相似岩层上形成一圈防水圈的俯视图；

图8为形成防水圈底端及防水圈顶端的迎水斜坡面的局部剖视图；

图9为依次浇筑形成三层含水相似岩层的示意图；

图10为在图9所示的最顶层的含水相似岩层上浇筑隔水相似岩层的示意图；

图11为人工缝隙中的分支缝隙平行设置的示意图；

图12为多条分支缝隙连接形成网格状的示意图；

图13为缝隙形成模板中的多条分支缝隙形成板平行设置的示意图；

图14为多条分支缝隙形成板连接形成网格状的示意图；

图15为在试验箱内支设缝隙形成模板的示意图；

图16为在试验箱内浇筑含水相似岩层的示意图；

图17为拆除缝隙形成模板后在含水相似岩层内形成人工缝隙的示意图。

附图标记对照表：

1-试验箱；2-含水相似岩层；20-上表面；

21-人工缝隙；210-分支缝隙；22-沟槽；

3-防水圈；31-防水圈底端；32-防水圈顶端；

321-背水斜坡面；322-迎水斜坡面；4-隔水相似岩层；

5-模板；51-模板顶端；52-模板底端；

6-缝隙形成模板；61-模板框架；62-分支缝隙形成板。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本实用新型的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

本实用新型中所涉及到含水相似岩层是指与煤矿开采过程中的含水岩石层以一定方式相似制成的相似材料层，其由相似材料按照一定比例制成，性质与含水岩石层相似，称之为含水相似岩层。

本实用新型中所涉及到隔水相似岩层是指与煤矿开采过程中的隔水岩石层以一定方式相似制成的相似材料层，其由相似材料按照一定比例制成，性质与隔水岩石层相似，称之为隔水相似岩层。

如图1-8所示，本实用新型一实施例提供的一种试验模型，包括试验箱1，在试验箱1的底部浇筑有含水相似岩层2。

其中，在含水相似岩层2上形成有至少一条人工缝隙21，人工缝隙21贯穿含水相似岩层2的上下表面。

在含水相似岩层2上还设置有至少一圈沟槽22，沟槽22的槽口位于含水相似岩层2的上表面20上，且人工缝隙21被包围在沟槽22之内。

在含水相似岩层2上对应于沟槽22设置有至少一圈防水圈3，防水圈3包括防水圈底部31和防水圈顶部32，防水圈顶部32包括朝向人工缝隙21的方向倾斜设置的迎水斜坡面322和朝向远离人工缝隙21的方向倾斜设置的背水斜坡面321。

防水圈底部31位于沟槽22内，防水圈顶部32凸起设置在含水相似岩层2的上表面20上。

在含水相似岩层2的上表面20上还浇筑有隔水相似岩层4，防水圈顶部32位于隔水相似岩层4内。

该试验模型主要用于试验岩层间密封防渗性能。由于在该过程中水和岩石的相互作用，比如渗漏等等，也可称之为水岩耦合试验模型。

该试验模型包括试验箱1，试验箱1为玻璃试验箱，便于观察内部情况。在试验箱1上还设置有数据收集及处理设备，例如计算机，用于在试验中收集含水相似岩层2和隔水相似岩层4的各项数据，记录并计算，得出各项防渗指标等等，具有指导意义。

在试验箱1的底部浇筑有含水相似岩层2，其与待模拟的开采岩层相似，该处所指的相似不仅仅两者性质相似、其结构、构造也相似。

在浇筑时，同时在含水相似岩层2中形成至少一条人工缝隙21，人工缝隙21贯穿含水相似岩层2的上下表面，用于水流渗漏之用。人工缝隙21是指在浇筑含水相似岩层2的过程中，通过人工在含水相似岩层2中形成的缝隙。例如可通过在含水相似岩层2中布置管、杆或铁丝等，在含水相似岩层2成型之后再将上述物件移除，以形成缝隙。

在含水相似岩层2上还设置有至少一圈沟槽22，以将人工缝隙21被包围在沟槽22之内。沟槽22用于容置防水圈底部31。

防水圈3设置在含水相似岩层2上对应于沟槽22的位置，因此成型后，人工缝隙21被包围在防水圈3内。如果没有该防水圈3，则在相邻的相似岩层之间具有间隙，水会经过该间隙流向试验箱的箱壁处，不利于进行渗漏试验。试验要求，水在相似岩层件流动，或者经过人工缝隙21流动，而非向外侧的试验箱的箱壁处流动。

通过设置该防水圈3，将人工缝隙21包围在防水圈3的内部，从而使得水在相似岩层间内流动，而不会流向试验箱的箱壁处，达到密封防渗的目的，实现水岩耦合模型试验含水相似岩层的渗透特性测试。

防水圈3包括防水圈底部31和防水圈顶部32，防水圈底部31位于沟槽22内。

防水圈顶部32包括迎水斜坡面322和背水斜坡面321。迎水斜坡面322为朝向人工缝隙21的方向倾斜设置斜坡面，背水斜坡面321为朝向远离人工缝隙21的方向倾斜设置斜坡面。迎水斜坡面322和背水斜坡面321相对设置。防水圈顶部32凸起设置在含水相似岩层2的上表面20上。

在防水圈3成型之后，再在含水相似岩层2的上表面20上浇筑有隔水相似岩层4，防水圈顶部32位于隔水相似岩层4内。

如此设置，通过在含水相似岩层2之间，及其与隔水相似岩层4之间设置密封的防水圈3，隔断了含水相似岩层2之间或其与隔水相似岩层4之间的渗流通道，达到密封防渗目的，利于水岩耦合模型对含水相似岩层的渗透性进行试验测试。

较佳地，如图2-5所示，在含水相似岩层2上还设置可拆卸的模板5，沟槽22由从含水相似岩层2上拆下的模板5形成。

在浇筑含水相似岩层2时，同时在含水相似岩层2上支设模板5，使模板顶端51伸出于含水相似岩层2的上表面20，使模板底端52位于含水相似岩层2之内。

当将模板5从含水相似岩层2上拆下来时，即在含水相似岩层2上形成沟槽22，便于制作。

如图2-5所示，防水圈3的形成方式如下：在含水相似岩层2上安装至少一圈模板5，模板5的模板底端52位于含水相似岩层2内，模板5的模板顶端51伸出于含水相似岩层2的上部。

之后，在模板顶端51上远离人工缝隙的一侧浇筑背水斜坡面321。

在背水斜坡面321浇筑完成之后，将模板5从含水相似岩层2上拆下，并在含水相似岩层2上对应于模板5的位置形成至少一圈沟槽22。

在将模板5拆下之后，在沟槽22内浇筑防水圈底部31，同时在与背水斜坡面321相对的一侧浇筑迎水斜坡面322，迎水斜坡面322与防水圈底部31一体成型。

也即是，在含水相似岩层2，采用木质模板5进行防水圈3的沟槽支模。支设至少一圈模板5，并将人工缝隙21包围在模板5之内。模板5距离人工缝隙21的距离以及模板底端52伸入含水相似岩层2的深度，可以根据相似岩层裂隙渗透性及浇筑厚度确定。

在模板5的背水面采用防水材料进行背水斜坡面321浇筑。该处所指的背水面是指远离人工缝隙21的一侧，迎水面是指靠近人工缝隙21的一侧。

背水斜坡面321的浇筑目的是为了在去掉模板5后，为迎水斜坡面322的浇筑提供支撑，同时增加了防水圈3或防水圈的厚度及提高抗渗密封效果。

在背水斜坡面321的防水材料形成强度后，将模板5轻轻拆除，从而在含水相似岩层2上形成一圈沟槽22，沟槽22的位置对应于模板5在含水相似岩层2上的位置。随后采用防水材料在沟槽22内进行防水圈底部31及迎水斜坡面322的浇筑。

在防水圈3满足强度后，可以进行上层的含水相似岩层2或隔水相似岩层4的浇筑。

防水圈3由水不漏粉与水混合而成，水不漏粉与水的重量比为1:0.3。在形成防水圈3时，首先要处理含水相似岩层2的上表面20，使其干净、平整。然后将水不漏粉与水按照1：0.3(重量比)配比，将水不漏粉慢慢加入到水中，并搅拌至均匀细腻。浇筑背水斜坡面321，要求一次成型，坡度平缓。浇筑迎水斜坡面322，要求与防水圈底部31一次一体成型，密封性能好。

较佳地，如图9-10所示，在试验箱1内浇筑有多层含水相似岩层2，每层含水相似岩层2上均设置有人工缝隙21和防水圈3。

隔水相似岩层4浇筑在多层含水相似岩层2中最顶层的含水相似岩层2上。

任意相邻的两层含水相似岩层2中位于下层的含水相似岩层2上的防水圈3的防水圈顶部32位于上层的含水相似岩层2内。

多层含水相似岩层2中最顶层的含水相似岩层2上的防水圈3的防水圈顶部32位于隔水相似岩层4内。

如果含水相似岩层较厚，可按照分层依次进行含水相似岩层2的浇筑和防水圈3的浇筑，便于制作。同时在相邻的两层含水相似岩层2之间也布置有防水圈3，起到阻止相邻的含水相似岩层2之间渗流的作用。

较佳地，如图9-10所示，任意相邻的两层含水相似岩层2中的人工缝隙21对齐设置或交错布置，以呈现不同的缝隙分布。

较佳地，如图11-12所示，人工缝隙21包括多条分支缝隙210，以使其与实际的缝隙相近似，提高模拟渗漏精确度。

较佳地，如图11-12所示，多条分支缝隙210间隔地平行设置；或者，多条分支缝隙210连接形成网格状，以模拟呈现不同的缝隙分布。

较佳地，如图13-17所示，在含水相似岩层2中布置有可被拆除的多块缝隙形成模板6，人工缝隙21由从含水相似岩层2中拆除的缝隙形成模板6所形成。

即，人工缝隙21形成的方式如下：

首先，在试验箱1内预先确定人工缝隙21的缝隙分布区域；之后，在缝隙分布区域内间隔地支设多块缝隙形成模板6；之后，在试验箱1内浇筑含水相似岩层2；之后，在含水相似岩层2满足强度要求后，将缝隙形成模板6拆除，在含水相似岩层2上相应于缝隙形成模板6的位置行成有人工缝隙21。如此施工简便易行，并使得人工缝隙21与实际缝隙相似度高。

较佳地，如图13-14所示，缝隙形成模板6包括模板框架61和设置在模板框架61内的多条分支缝隙形成板62。分支缝隙形成板62用于形成分支缝隙210。

较佳地，如图13-14所示，多条分支缝隙形成板62相互平行，并间隔地布置在模板框架61内；或者，多条分支缝隙形成板62连接形成网格状，以分别形成网格状分布或平行布置的分支缝隙210，以呈现不同的缝隙分布。

该试验模型的制作步骤如下：

步骤1：在试验箱1内浇筑含水相似岩层2，并在浇筑含水相似岩层2时，在含水相似岩层2中形成人工间隙21，同时在含水相似岩层2上支设至少一圈模板5，人工间隙21被包围在模板5之内，并使得模板5的模板底端52位于含水相似岩层2内，模板5的模板顶端51伸出于含水相似岩层2的上部。

步骤2：在模板顶端51与含水相似岩层2之间浇筑防水圈3的防水圈顶部32的背水斜坡面321，背水斜坡面321位于模板顶端51远离人工间隙21的一侧。

步骤3：在背水斜坡面321满足强度要求之后，将模板5从含水相似岩层2上拆下，从而在含水相似岩层2上对应于模板5的位置形成至少一圈沟槽22。

步骤4：在沟槽22内浇筑防水圈3的防水圈底部31，同时在与背水斜坡面321相对的一侧浇筑防水圈顶部32的迎水斜坡面322，迎水斜坡面322与防水圈底部31一体成型。

步骤5：在防水圈3满足强度要求之后，在含水相似岩层2的上表面20上浇筑隔水相似岩层4，且防水圈顶部32位于隔水相似岩层4内。

本实用新型提供的试验模型，将防渗工程(防水圈)与水岩耦合模型相似材料(含水相似岩层2和隔水相似岩层4)浇筑依次进行，施工简便易行，通过设置防水圈，将人工缝隙包围在防水圈的内部，从而使得水在相似岩层间内流动，而不会流向试验箱的箱壁处，达到密封防渗的目的，实现水岩耦合模型试验含水相似岩层的渗透特性测试。确保了含水相似岩层渗流特性的准确性，对煤矿分布式地下水库相关问题的研究具有重要意义。

综上，本实用新型提供的试验模型，通过在含水相似岩层和隔水相似岩层的层间设置封闭防水圈，隔断岩层间渗流通道，达到密封防渗的目的，实现水岩耦合模型试验含水相似岩层的渗透特性测试。

本实用新型提供的试验模型，将防渗工程与水岩耦合模型相似材料浇筑依次进行，施工简便易行，提高了相似岩层层间防渗密封性能，避免了层间渗漏对流对耦合模型试验的影响，确保了含水相似岩层渗流特性的准确性，对煤矿分布式地下水库相关问题的研究具有重要意义。

根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。

以上所述的仅是本实用新型的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本实用新型原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种试验模型，其特征在于，包括试验箱，在所述试验箱的底部浇筑有含水相似岩层；

其中，在所述含水相似岩层上形成有至少一条人工缝隙，所述人工缝隙贯穿所述含水相似岩层的上下表面；

在所述含水相似岩层上还设置有至少一圈沟槽，所述沟槽的槽口位于所述含水相似岩层的上表面上，且所述人工缝隙被包围在所述沟槽之内；

在所述含水相似岩层上对应于所述沟槽设置有至少一圈防水圈，所述防水圈包括防水圈底部和防水圈顶部，所述防水圈顶部包括朝向所述人工缝隙的方向倾斜设置的迎水斜坡面和朝向远离所述人工缝隙的方向倾斜设置的背水斜坡面；

所述防水圈底部位于所述沟槽内，所述防水圈顶部凸起设置在所述含水相似岩层的上表面上；

在所述含水相似岩层的上表面上浇筑有隔水相似岩层，所述防水圈顶部位于所述隔水相似岩层内。

2.根据权利要求1所述的试验模型，其特征在于，在所述含水相似岩层上还设置可拆卸的模板，所述沟槽由从所述含水相似岩层上拆下的所述模板形成。

3.根据权利要求1或2所述的试验模型，其特征在于，在所述试验箱内浇筑有多层所述含水相似岩层，每层所述含水相似岩层上均设置有所述人工缝隙和所述防水圈；

所述隔水相似岩层浇筑在多层所述含水相似岩层中最顶层的所述含水相似岩层上；

任意相邻的两层所述含水相似岩层中位于下层的所述含水相似岩层上的所述防水圈的防水圈顶部位于上层的所述含水相似岩层内；

多层所述含水相似岩层中最顶层的所述含水相似岩层上的所述防水圈的防水圈顶部位于所述隔水相似岩层内。

4.根据权利要求3所述的试验模型，其特征在于，任意相邻的两层所述含水相似岩层中的所述人工缝隙对齐设置或交错设置。

5.根据权利要求1所述的试验模型，其特征在于，所述人工缝隙包括多条分支缝隙。

6.根据权利要求5所述的试验模型，其特征在于，多条所述分支缝隙间隔地平行设置；

或者，多条所述分支缝隙连接形成网格状。

7.根据权利要求5所述的试验模型，其特征在于，在所述含水相似岩层中布置有可被拆除的多块缝隙形成模板，所述人工缝隙由从所述含水相似岩层中拆除的所述缝隙形成模板所形成。

8.根据权利要求7所述的试验模型，其特征在于，所述缝隙形成模板包括模板框架和设置在所述模板框架内的多条分支缝隙形成板。

9.根据权利要求8所述的试验模型，其特征在于，多条所述分支缝隙形成板相互平行，并间隔地布置在所述模板框架内；

或者，多条所述分支缝隙形成板连接形成网格状。