CN108414417A - 模拟多孔介质岩体渗透通道流体运移试验*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟多孔介质岩体渗透通道流体运移试验***，属于采矿工程模拟试验技术领域。其包括试验装置、水压水量双控伺服装置、位移压力双控伺服装置和数据采集装置，在试验装置的试验舱内设置有进水加载头、出水加载头、第一腔体、第二腔体及渗透组件，渗透组件包括若干根渗透管，在每根渗透管内均设置有水流开关、流量传感器和孔隙水压传感器，在第一腔体和第二腔体上布设有连接管口，第一腔体和第二腔体之间通过渗透管和连接管口配合连接。本发明以定量化研究不同模拟地质环境下多孔介质岩体在水压和矿压联合作用下渗透通道中流体运移特征，获得不同外界因素影响下岩体内部裂隙流体流量、水压等参数特征。
Description
技术领域
本发明涉及采矿工程模拟试验技术领域，特别涉及一种模拟多孔介质岩体渗透通道流体运移试验***。
背景技术
矿井水害中，多孔介质岩体中裂隙渗流通道成为造成煤矿重要的突水通道，岩体裂隙渗流突水类型多样、难以探测，成为现今煤矿防治水方面面临的重大问题。根据不完全统计，在过去的20年时间里，由于煤矿中透水事故造成的经济损失高达300多亿元。目前，受水威胁的煤炭储量达100多亿吨，特别是地方煤矿有很多均是开采国营煤矿的边角残煤，开采条件更为复杂，岩体渗流造成的突水的不利因素更显得突出。
为了保证煤炭资源的安全开采，摆脱突水灾害的严重困扰，在水体下及水体上采煤时，防止突水事故的发生，科学合理的设计采场布置方式，进行多孔介质岩体渗透通道流体运移试验，获得多孔介质岩体在在水压和矿压联合作用下的动力学变化特征，是亟待解决的关键问题之一。由于地下采掘工程隐蔽性的特点，使得采煤引起的突水的机理研究和影响因素难以借助现场观测进行研究，室内试验成为解决这一问题的有效手段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟多孔介质岩体渗透通道流体运移试验***，以定量化研究不同模拟地质环境下多孔介质岩体在水压和矿压联合作用下渗透通道中流体运移特征，获得不同外界因素影响下岩体内部裂隙流体流量、水压等参数特征，通过在室内观测进行研究，从而为现场测定提供一定的理论支持。
为实现上述目的，本发明所需解决的技术问题为：如何在水压和矿压联合作用下定量化分析岩体在不同孔隙率、不同数量渗透通道表现出的固流耦合力学特征；不同加载压力和水压作用下，不同级配岩块在特定渗流通道条件下蠕变、流变及压实度特性；不同区域介质岩体内部裂隙中水流量、水压分布情况；松散含沙层岩体在特殊工作环境中溃砂溃水研究。
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：
一种模拟多孔介质岩体渗透通道流体运移试验***，其包括试验装置、水压水量双控伺服装置、位移压力双控伺服装置和数据采集装置，所述试验装置包括刚性底座和位于所述刚性底座上的试验台，所述试验台为方形框架结构，所述方形框架结构内的空间形成试验舱，其特征在于：
所述试验舱内设置有进水加载头、出水加载头、第一腔体、第二腔体及渗透组件，所述的试验舱两侧分别设置有第一加载液压缸和第二加载液压缸，所述第一加载液压缸的活柱端连接所述进水加载头，所述进水加载头的另一端与所述第一腔体连接，所述第一腔体通过所述渗透组件连接所述第二腔体，所述第二腔体的另一端连接所述出水加载头，所述第二加载液压缸的活柱端通过连接杆连接所述出水加载头；
所述渗透组件包括若干根平行布置的渗透管，在每根渗透管内均设置有水流开关、流量传感器和孔隙水压传感器，在所述第一腔体和第二腔体上布设有若干个连接管口，所述第一腔体和第二腔体之间通过所述渗透管和连接管口配合连接；
所述进水加载头通过进水管路连接所述水压水量双控伺服装置；
所述第一加载液压缸连接所述位移压力双控伺服装置；
所述数据采集装置通过信号分别连接所述水压水量双控伺服装置、位移压力双控伺服装置、流量传感器和孔隙水压传感器；
所述出水加载头包括出水加载头本体、可变径出水孔、连接杆和位于所述出水加载头本体***的密封橡胶层，所述出水加载头和第二加载液压缸之间通过所述连接杆连接。
上述技术方案所直接带来的有益技术效果为：由于以往的对岩石渗流的研究中，无法实现对岩体内部裂隙定量化及区域化分析，只能从宏观方面定性化研究，该装置利用具改变特定区域渗透管的数量和流通量，可以进行对水压和矿压共同作用下岩体在不同孔隙率、不同数量渗透通道所表现出的固流耦合力学问题进行研究。
作为本发明的一个优选方案，所述进水加载头包括圆柱状筒体，所述筒体内形成柱状空腔，所述圆柱状筒体的侧壁上开设有透水孔，所述圆柱状筒体上开设有进水阀，所述进水加载头连接所述进水管路。
作为本发明的另一个优选方案，在所述第一腔体、第二腔体上分别设置有弧状压紧部件，所述弧状压紧部件的两个端部均连接有刚性支架，通过螺栓配合固定在所述刚性支架上。
优选的，所述进水加载头的出水端为圆形板，所述圆形板的圆心向外划定多个同心圆，多个同心圆的圆周上等间距布置多个透水孔。
本发明所带来的有益技术效果为：
与现有技术相比，本发明的模拟多孔介质岩体渗透通道流体运移试验***具有以下特点和优点：
本发明的模拟多孔介质岩体渗透通道流体运移试验***，进行地质环境中多孔介质中裂隙渗流模拟试验，利用装置中进水加载头和出水加载头实现对不同地应力和不同水压力的模拟，完成分级加载的实施，利用装置中的渗透管实现对不同岩体区域孔隙率、流通率的模拟，进而研究在不同地应力、水压力、不同孔隙率等条件下岩体裂隙流体流动特征，通过位移压力双控伺服装置和水压水量双控伺服装置设置不同应力大小、水压大小，基于实际地质环境在第一腔体和第二腔体中置入模拟材料，定量化研究多孔介质中裂隙渗流的多种地质信息，获得在不同部位处裂隙内的水压、流量等参数之间的相互影响变化曲线，获得流体在多孔介质中的运移规律，进而提高了煤层开采诱发围岩突水特征识别的可靠性；模拟试验***具有水压、载荷各自独立的稳压***，更精确、稳定性更优；还可以配合相应的监测软件，实现了对孔隙水压力、流量、位移信息的实时监测。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明模拟多孔介质岩体渗透通道流体运移试验***结构示意图；
图2为本发明第一腔体底端面俯视图；
图3为本发明进水加载头的剖面图；
图4为本发明渗透部件的结构示意图；
图5为本发明出水加载头的剖面图；
图6为本发明出水加载头中可变径出水孔的剖面图；
其中，11、刚性底座，12、试验台，13、紧固螺栓，21、第一腔体，211、连接管口，22、第二腔体，23、渗透管，231、水流开关，24、弧状压紧部件，31、进水加载头，311、透水孔，312、空腔，313、密封橡胶，32、出水加载头，321、可变径出水孔，322、连接杆，323、密封橡胶，33、加载液压缸，41、位移压力双控伺服装置，42、水压水量双控伺服装置，5、数据采集装置，6、孔隙水压传感器，7、流量传感器，8、进水阀。
具体实施方式
本发明提出了一种模拟多孔介质岩体渗透通道流体运移试验***，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
如图1所示，本发明模拟多孔介质岩体渗透通道流体运移试验***，包括试验装置、水压水量双控伺服装置42、位移压力双控伺服装置41和数据采集装置5，试验装置包括刚性底座11和位于刚性底座11上的试验台12，试验台为方形框架结构，方形框架结构内的空间形成试验舱。
作为本发明的主要改进点，在该试验舱内设置有进水加载头、出水加载头、第一腔体、第二腔体及渗透组件，其中，如图3所示，进水加载头31整体结构优选为柱形，其内部为柱状空腔，在该空腔312侧壁上开设有透水孔311，进水加载头31外设置密封橡胶313、进水加载头31连接进水管路，进水管路上设置进水阀8和流量传感器7。上述密封橡胶层优选为密封性能好的环氧树脂材料。
出水加载头，其具体结构结合图5和图6所示，出水加载头32内开设有可变径出水孔321，出水加载头32外设有密封橡胶323，出水加载头32与加载液压缸33(第二加载液压缸)之间通过连接杆322连接。
第一腔体21和第二腔体22之间通过渗透组件连接，具体的渗透组件的结构结合图1和图4所示，渗透组件包括若干根平行布置的渗透管23，在每根渗透管23内均设置有水流开关231、流量传感器7和孔隙水压传感器6，如图2所示，在第一腔体和第二腔体上布设有若干个连接管口211，第一腔体和第二腔体之间通过渗透管和连接管口211配合连接。数据采集装置5如计算机，通过信号连接水压水量双控伺服装置42、位移压力双控伺服装置41、流量传感器7和孔隙水压传感器6，从而实现对孔隙水压力、流量、位移信息的实时监测。
上述的加载液压缸，将与进水加载头相邻的定义为第一加载液压缸，与出水加载头相邻的定义为第二加载液压缸，其中，第一加载液压缸的活柱端连接进水加载头31，进水加载头31的另一端与第一腔体21连接，第一腔体21通过渗透组件连接第二腔体22，第二腔体的另一端连接出水加载头，第二加载液压缸的活柱端通过连接杆连接出水加载头。
本发明优选在第一腔体、第二腔体上分别设置有弧状压紧部件24，如图1所示，该弧状压紧部件例如半圆形的压紧条板，压紧条板骑跨于第一腔体和第二腔体上，且压紧条板装配连接刚性支架，通过紧固螺栓13配合固定。
本发明优选进水加载头的出水端为圆形板，圆形板的圆心向外划定多个同心圆，多个同心圆的圆周上等间距布置多个透水孔。
本发明模拟采场围岩突水通道扩展演化试验***，应用其进行试验，步骤如下：
第一步、根据实际地质中岩石的存在条件，按照研究内容将模拟材料铺设在试验管内并安置于试验台12上，具体的，将第一腔体21、第二腔体22和渗透管23，选择合适的可变径出水孔321安装在第二腔体22内，然后将模拟材料按照实际岩石参数铺设在试验管内，保证模拟材料的密实及第一腔体21、第二腔体22和渗透管23对正连接在试验台12上，再将试验管通过弧状压紧部件24如压紧条板固定在试验台12上，将出水加载头32置于试验管的下端口，同时将进水加载头31置于试验管的上端口；
(2)关闭进水阀8和水流开关231，启动位移压力双控伺服装置41，逐级向出水加载头32和进水加载头31施加竖向荷载，直至达到预定设计模拟载荷，实时监测试验管中模拟材料的变形情况；
(3)待模拟材料变形稳定之后，打开进水阀和水流开关231，启动水压水量双控伺服装置42，设置所需的水压力和水流量，试验过程中采集孔隙水压、流量及位移信息；
(4)更换不同的模拟材料和可变径出水孔321，修改位移压力双控伺服装置41与水压水量双控伺服装置42的对应运行状态，重复上述步骤。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
尽管本文中较多的使用了诸如第一腔体、渗透组件等术语，但并不排除使用其它术语的可能性，本领域技术人员在本发明的启示下对这些术语所做的简单替换，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种模拟多孔介质岩体渗透通道流体运移试验***，其包括试验装置、水压水量双控伺服装置、位移压力双控伺服装置和数据采集装置，所述试验装置包括刚性底座和位于所述刚性底座上的试验台，所述试验台为方形框架结构，所述方形框架结构内的空间形成试验舱，其特征在于：
所述试验舱内设置有进水加载头、出水加载头、第一腔体、第二腔体及渗透组件，所述的试验舱两侧分别设置有第一加载液压缸和第二加载液压缸，所述第一加载液压缸的活柱端连接所述进水加载头，所述进水加载头的另一端与所述第一腔体连接，所述第一腔体通过所述渗透组件连接所述第二腔体，所述第二腔体的另一端连接所述出水加载头，所述第二加载液压缸的活柱端通过连接杆连接所述出水加载头；
所述渗透组件包括若干根平行布置的渗透管，在每根渗透管内均设置有水流开关、流量传感器和孔隙水压传感器，在所述第一腔体和第二腔体上布设有若干个连接管口，所述第一腔体和第二腔体之间通过所述渗透管和连接管口配合连接；
所述进水加载头通过进水管路连接所述水压水量双控伺服装置；
所述第一加载液压缸连接所述位移压力双控伺服装置；
所述数据采集装置通过信号分别连接所述水压水量双控伺服装置、位移压力双控伺服装置、流量传感器和孔隙水压传感器；
所述出水加载头包括出水加载头本体、可变径出水孔、连接杆和位于所述出水加载头本体***的密封橡胶层，所述出水加载头和第二加载液压缸之间通过所述连接杆连接。
2.根据权利要求1所述的一种模拟多孔介质岩体渗透通道流体运移试验***，其特征在于：所述进水加载头包括圆柱状筒体，所述筒体内形成柱状空腔，所述圆柱状筒体的侧壁上开设有透水孔，所述圆柱状筒体上开设有进水阀，所述进水加载头连接所述进水管路。
3.根据权利要求1所述的一种模拟多孔介质岩体渗透通道流体运移试验***，其特征在于：在所述第一腔体、第二腔体上分别设置有弧状压紧部件，所述弧状压紧部件的两个端部均连接有刚性支架，通过螺栓配合固定在所述刚性支架上。
4.根据权利要求2所述的一种模拟多孔介质岩体渗透通道流体运移试验***，其特征在于：所述进水加载头的出水端为圆形板，所述圆形板的圆心向外划定多个同心圆，多个同心圆的圆周上等间距布置多个透水孔。
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| CN108414417B (zh) | 2020-07-24 |
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