CN113655203A - 模拟延深开采断层渗透活化突水过程的试验装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种模拟延深开采断层渗透活化突水过程的试验装置和方法，包括主体、安装在主体顶部的上顶盖、安装在主体下端的进水装置、及安装在主体底部的下底盖；所述上顶盖上设有突出物收集装置接口和水压表接口，突出物收集装置接口上接有U型塑料管，U型塑料管上接有球阀，所述水压表接口上接有水压表；所述主体上设有电缆接口，电缆接口上安装有电缆防水密封接头；所述下底盖上开有进水管孔，进水管孔内安装有与进水装置相连的进水管。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟延深开采断层渗透活化突水过程的试验装置和方法。
背景技术
煤炭资源在我国能源消费结构中一直处于重要地位，但长期以来，煤矿在开采过程中受到多种不利因素制约，其中矿井水害就是一大隐患。从突水形式上看，绝大多数与断层有关，目前很多华北型矿井均在延深开采，在深部地压和水压共同作用下，断层活化突水是今后矿井水害事故的主要类型。
在延深开采存在断层情况下，构造扰动部位不仅因底板隔水岩层结构原生或次生扰动变形而导致其抗渗强度降低，而且岩层错动会导致开采煤层与对盘含水层间距变小或对接，引起隔水层厚度受构造作用变薄而使其阻水能力急剧减弱。华北型煤田构造扰动部位也往往易成为深部太原组灰岩水与奥灰水发生水力联系的通道，由此也大大增加了带压开采突水的危险性。
对于断层裂隙带在渗压下渗透特征变化及活化突水问题，相似材料模型试验是一种重要的研究方法，许多学者做了多种研究，如针对断层破碎带进行了不同充填孔隙比、不同水压、不同裂隙宽度等因素下的渗流试验；通过伺服渗透试验分析了岩体渗透率与岩石破坏过程的对应关系；裂隙岩体水力耦合真三轴试验***研究多因素影响下的水岩作用等。但现有模型试验过程中常存在水压力分布不均匀，优势渗流面存在导致试验结果失真和在高压水流作用下的模型密封性差、水压力不稳定等问题，进而影响试验结果，并存在一定安全隐患。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种模拟延深开采断层渗透活化突水过程的试验装置和方法。
为了实现上述目的，本发明采用的模拟延深开采断层渗透活化突水过程的试验装置，包括主体、安装在主体顶部的上顶盖、安装在主体下端的进水装置、及安装在主体底部的下底盖；
所述上顶盖上设有突出物收集装置接口和水压表接口，突出物收集装置接口上接有U型塑料管，U型塑料管上接有球阀，所述水压表接口上接有水压表；所述主体上设有电缆接口，电缆接口上安装有电缆防水密封接头；所述下底盖上开有进水管孔，进水管孔内安装有与进水装置相连的进水管。
作为改进，所述上顶盖与主体间、下底盖与主体间的连接处均设有凹凸型法兰结构。
作为改进，所述上顶盖与主体间、下底盖与主体间均采用螺栓紧固。
作为改进，所述上顶盖与主体上端分别开有若干相对应的螺栓孔，下底盖与主体下端分别开有若干相对应的螺栓孔，螺栓孔内安装有高强螺栓。
作为改进，所述上顶盖、主体上端、主体下端、下底盖中分别均布有16个螺栓孔，相邻每两个螺栓孔之间相差22.5°。
作为改进，所述上顶盖与主体间、下底盖与主体间的连接处安装有防水垫片。
进一步的，所述防水垫片采用石棉防水垫片。
作为改进，所述主体的内壁上设有防滑纹路。
作为改进，所述进水装置为蜂窝状，下底盖与蜂窝状进水装置嵌合，进水装置上覆盖一层无纺布。
另外，本发明还提供了基于所述试验装置的试验方法，包括步骤：
(1)试验装置装填完毕后，在球阀处放置一个小桶，将进水管与加水压设备连接，将孔隙水压力传感器连接在监测设备上，并将加水压设备和监测设备连接在计算机上，通过计算机软件对加水压设备和监测设备进行初始化调试；
(2)通过软件设置加压目标值和流速，启动监测设备进行数据采集并启动加水压设备，通过软件实时记录注水压力、流量和孔隙水压力，当加压值达到目标值后保持二十分钟，再增大至下一目标值，重复此过程直至达到最终的目标值；同时，收集球阀中喷出的突出物并记录喷出时的水压表的读数；
(3)试验完成后将记录的参数导出保存，将进水管与加水压设备断开连接，将孔隙水压力传感器与监测设备断开连接，测量球阀处放置的小桶的质量，再放入烘箱内烘干水分，计算颗粒突出物的质量；
(4)将连接上顶盖和主体的高强螺栓按对角线两两拆卸，通过行吊将上顶盖与主体抬升分离，将防水垫片取下；清理主体内部的填料，清理完成后将电缆防水密封接头从电缆接口中取下，将孔隙水压力传感器从电缆防水密封接头中取出，再将连接主体与下底盖的高强螺栓取下，用行吊将主体与下底盖分离，将进水管与进水装置分离，将进水装置与下底盖分离，将所有部件清洗干净后喷涂防锈剂后保存。
与现有技术相比，本发明的试验装置，可有效防止在施加水压力后水从模型四周相对薄弱路径发生渗透，能沿着预设断面方向进行渗透；模型的整体密封性强，容易组装和拆卸，可模拟测试不同裂隙宽度及不同充填程度的阻渗强度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中A处的局部放大图；
图3为本发明中上顶盖的主视图；
图4为图3的俯视图；
图5为本发明中主体的主视图；
图6为图5的俯视图；
图7为本发明中下底盖的主视图；
图8为图7的俯视图；
图9为本发明中进水装置的主视图；
图10为图9的俯视图；
图中：1、上顶盖，2、球阀，3、U型塑料管，4、突出物收集装置接口，5、水压表，6、水压表接口，7、高强螺栓，8、螺栓孔，9、主体，10、防水垫片，11、电缆接口，12、电缆防水密封接头，13、无纺布，14、进水装置，15、下底盖，16、进水管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1-图10所示，一种模拟延深开采断层渗透活化突水过程的试验装置，包括主体9、安装在主体9顶部的上顶盖1、安装在主体9下端的进水装置14、及安装在主体9底部的下底盖15；
所述上顶盖1上设有突出物收集装置接口4和水压表接口6，突出物收集装置接口4上接有U型塑料管3，U型塑料管3上接有球阀2，用于导出水砂突出物，所述水压表接口6上接有水压表5，用于监测断层活化突水时的水压力；所述主体9上设有6个电缆接口11，电缆接口11上安装有电缆防水密封接头12，用于埋设孔隙水压力传感器；所述下底盖15上开有进水管孔，进水管孔内安装有与进水装置14相连的进水管16。
作为实施例的改进，所述上顶盖1与主体9间、下底盖15与主体9间的连接处均设有凹凸型法兰结构，能够有效解决高压水流作用下试验装置密封性差的问题。
作为实施例的改进，所述上顶盖1与主体9间、下底盖15与主体9间均采用螺栓紧固，所述上顶盖1与主体上端分别开有若干相对应的螺栓孔，下底盖15与主体下端分别开有若干相对应的螺栓孔，螺栓孔内安装有高强螺栓7，所述上顶盖1、主体上端、主体下端、下底盖15中分别均布有16个螺栓孔8，相邻每两个螺栓孔8之间相隔22.5°。
作为实施例的改进，所述上顶盖1与主体9间、下底盖15与主体9间的连接处的接触面安装有防水垫片10，所述防水垫片10采用石棉防水垫片，选材方便、成本低，防水效果好。
作为实施例的改进，所述主体9的内壁中车制间距8mm的防滑纹路，增大表面粗糙度，防止出现优势渗流面影响试验结果。
作为实施例的改进，所述进水装置14为蜂窝状，保证水压分布均匀，下底盖15与蜂窝状进水装置14嵌合，进水装置14上覆盖一层无纺布13，防止填料堵塞进水孔，保证水压均匀分布。
安装时，首先将下底盖15置于三脚架上，放入石棉防水垫片后，将主体9与下底盖15嵌合，并用高强螺栓7连接主体9与下底盖15，安装高强螺栓7时一次性安装两个，呈180°夹角，保证石棉防水垫片的均匀，待16个高强螺栓7上完以后再加紧一遍；将无纺布13包裹在蜂窝状进水装置14表面上，将进水装置14与下底盖15嵌合并接上进水管16；在主体9中分层填料，每填充5cm对填料进行压实，当填料与电缆接口11同一高度时，在模拟断层处和装置内壁处分别放置一个孔隙水压力传感器，传感器电缆线通过电缆防水密封接头12接出，重复此操作直至充填满整个装置；在主体9顶部放置石棉防水垫片，将上顶盖1与主体9嵌合，并用高强螺栓7将上顶盖1与主体9连接起来，将球阀2和U型塑料管3连接起来接到突出物收集装置接口4上，将水压表5接在水压表接口6上，这样整个装置就装填完毕。
本发明的试验装置配合加水压设备(南京中之岩测控技术有限公司的水压力体积控制器)，最大水压能达到2.5MPa，且能保持某一设定的稳压状态。根据相似理论，本发明的试验装置可根据现场开采揭露断层带性质进行断层带宽度更改和充填程度的配比，模型四周是无缝厚钢板，耐压强度高。大量断层活化突水表明，活化突水实质是渗透破坏过程，本发明的试验装置可通过逐级施加水压，对断层带进行渗透，模拟延深开采断层活化突水过程，直至模型中断层带活化发生顶部突水为止。
本发明还提供了一种模拟延深开采断层渗透活化突水过程的试验方法，包括步骤：
(1)将本发明的试验装置按上述方法装填完毕后，在球阀2处放置一个小桶用于收集水砂突出物，将进水管16与加水压设备(南京中之岩测控技术有限公司的水压力体积控制器)连接，将孔隙水压力传感器连接在监测设备(秦皇岛协力开发有限公司的动静态应变测量仪)上，并将加水压设备和监测设备连接在计算机上，通过计算机软件对加水压设备和监测设备进行初始化调试；
(2)通过软件设置加压目标值和流速，启动监测设备进行数据采集并启动加水压设备，通过软件实时记录注水压力、流量和孔隙水压力，当加压值达到目标值后保持二十分钟，再增大至下一目标值，重复此过程直至达到最终的目标值；期间会有水砂混合物在球阀2中喷出，收集突出物并记录喷出时的水压表5的读数；
(3)试验完成后将记录的参数导出保存，将进水管16与加水压设备断开连接，将孔隙水压力传感器与监测设备断开连接，测量球阀2处放置的小桶的质量，再放入烘箱内烘干水分，计算颗粒突出物的质量；
(4)将连接上顶盖1和主体9的高强螺栓7按对角线两两拆卸，通过行吊将上顶盖1与主体9抬升分离，将防水垫片10取下；清理主体9内部的填料，清理完成后将电缆防水密封接头12从电缆接口11中取下，将孔隙水压力传感器从电缆防水密封接头12中取出，再将连接主体9与下底盖15的高强螺栓7取下，用行吊将主体9与下底盖15分离，将进水管16与进水装置14分离，将进水装置14与下底盖15分离，将所有部件清洗干净后喷涂防锈剂后保存。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.模拟延深开采断层渗透活化突水过程的试验装置，其特征在于，包括主体(9)、安装在主体(9)顶部的上顶盖(1)、安装在主体(9)下端的进水装置(14)、及安装在主体(9)底部的下底盖(15)；
所述上顶盖(1)上设有突出物收集装置接口(4)和水压表接口(6)，突出物收集装置接口(4)上接有U型塑料管(3)，U型塑料管(3)上接有球阀(2)，所述水压表接口(6)上接有水压表(5)；所述主体(9)上设有电缆接口(11)，电缆接口(11)上安装有电缆防水密封接头(12)；所述下底盖(15)上开有进水管孔，进水管孔内安装有与进水装置(14)相连的进水管(16)。
2.根据权利要求1所述的模拟延深开采断层渗透活化突水过程的试验装置，其特征在于，所述上顶盖(1)与主体(9)间、下底盖(15)与主体(9)间的连接处均设有凹凸型法兰结构。
3.根据权利要求1或2所述的模拟延深开采断层渗透活化突水过程的试验装置，其特征在于，所述上顶盖(1)与主体(9)间、下底盖(15)与主体(9)间均采用螺栓紧固。
4.根据权利要求3所述的模拟延深开采断层渗透活化突水过程的试验装置，其特征在于，所述上顶盖(1)与主体上端分别开有若干相对应的螺栓孔，下底盖(15)与主体下端分别开有若干相对应的螺栓孔，螺栓孔内安装有高强螺栓(7)。
5.根据权利要求4所述的模拟延深开采断层渗透活化突水过程的试验装置，其特征在于，所述上顶盖(1)、主体上端、主体下端、下底盖(15)中分别均布有16个螺栓孔(8)，相邻每两个螺栓孔(8)之间相差22.5°。
6.根据权利要求1或2所述的模拟延深开采断层渗透活化突水过程的试验装置，其特征在于，所述上顶盖(1)与主体(9)间、下底盖(15)与主体(9)间的连接处安装有防水垫片(10)。
7.根据权利要求6所述的模拟延深开采断层渗透活化突水过程的试验装置，其特征在于，所述防水垫片(10)采用石棉防水垫片。
8.根据权利要求1所述的模拟延深开采断层渗透活化突水过程的试验装置，其特征在于，所述主体(9)的内壁上设有防滑纹路。
9.根据权利要求1所述的模拟延深开采断层渗透活化突水过程的试验装置，其特征在于，所述进水装置(14)为蜂窝状，下底盖(15)与蜂窝状进水装置(14)嵌合，进水装置(14)上覆盖一层无纺布(13)。
10.基于权利要求1-9任一项所述试验装置的试验方法，其特征在于，包括步骤：
(1)试验装置装填完毕后，在球阀(2)处放置一个小桶，将进水管(16)与加水压设备连接，将孔隙水压力传感器连接在监测设备上，并将加水压设备和监测设备连接在计算机上，通过计算机软件对加水压设备和监测设备进行初始化调试；
(2)通过软件设置加压目标值和流速，启动监测设备进行数据采集并启动加水压设备，通过软件实时记录注水压力、流量和孔隙水压力，当加压值达到目标值后保持二十分钟，再增大至下一目标值，重复此过程直至达到最终的目标值；同时，收集球阀(2)中喷出的突出物并记录喷出时的水压表(5)的读数；
(3)试验完成后将记录的参数导出保存，将进水管(16)与加水压设备断开连接，将孔隙水压力传感器与监测设备断开连接，测量球阀(2)处放置的小桶的质量，再放入烘箱内烘干水分，计算颗粒突出物的质量；
(4)将连接上顶盖(1)和主体(9)的高强螺栓(7)按对角线两两拆卸，通过行吊将上顶盖(1)与主体(9)抬升分离，将防水垫片(10)取下；清理主体(9)内部的填料，清理完成后将电缆防水密封接头(12)从电缆接口(11)中取下，将孔隙水压力传感器从电缆防水密封接头(12)中取出，再将连接主体(9)与下底盖(15)的高强螺栓(7)取下，用行吊将主体(9)与下底盖(15)分离，将进水管(16)与进水装置(14)分离，将进水装置(14)与下底盖(15)分离，将所有部件清洗干净后喷涂防锈剂后保存。
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2021
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