CN209460106U - 一种动荷载影响下顶板渗流试验装置 - Google Patents

Abstract

一种动荷载影响下顶板渗流试验装置，属于采矿工程技术领域。所述动荷载影响下顶板渗流试验装置，包括实验罐体、轴压***、围压***、大渗流***、动荷载***、外部框架和控制***，控制***包括围压控制器、轴压控制器、大渗流控制器、动荷载控制器和数据采集器。所述动荷载影响下顶板渗流试验装置能够同时采集顶板试样在施加轴压、围压、动荷载以及大渗流供水时的数据。

Description

一种动荷载影响下顶板渗流试验装置

技术领域

本实用新型涉及采矿工程技术领域，特别涉及一种动荷载影响下顶板渗流试验装置。

背景技术

水在煤系地层中广泛分布，一般分为承压水和自由水。巷道开挖与掘进破坏了岩体的原岩应力状态，应力调整过程中改变了岩体的结构及其赋存形态，易于引起巷道顶板水的流动，如果水压及水量较大，可能造成突水事故。研究发现顶板水渗流过程中，不仅削弱了顶板岩石的强度，也降低了支护体的强度，易于诱发巷道顶板变形失稳。

目前渗流研究倾向大多是从微观对岩体或土体内部水迁移路径及水迁移过程中局部区域的物理力学性能变化展开研究。由于受到研究对象缩放比例、尺寸的影响，很难对整个顶板存在原生裂隙的脆弱区以和相对完整、致密物理力学性能较好的稳定区，在外部动力影响下对顶板渗流情况及顶板整体的稳定性展开研究，以往的研究无法同时获取脆弱区域和稳定区域的协同变化。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种动荷载影响下顶板渗流试验装置，能够同时采集顶板试样在施加轴压、围压、动荷载以及大渗流供水时的数据，能够研究富水地段顶板由原生裂隙主导的脆弱区域影响范围、弱化程度并总结裂隙形式与影响范围、弱化程度之间的规律，进而展开脆弱区在受到持续渗流、突发动荷载影响下失稳、破坏对外缘稳定区域及顶板整体稳定性的影响。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种动荷载影响下顶板渗流试验装置，包括实验罐体、轴压***、围压***、大渗流***、动荷载***、外部框架和控制***；

所述实验罐体的顶部设有出水口，实验罐体的底部设有进水口，实验罐体侧壁的下部设有第一通孔，实验罐体侧壁的上部设有第二通孔，实验罐体的内部设置有顶板试样，所述顶板试样内设有裂隙，顶板试样的侧壁设有应变片和振动传感器，顶板试样的上方设有上保护板，顶板试样的下方设有下保护板，所述上保护板和下保护板均设有与所述裂隙正对的通槽，所述上保护板的上方设有上渗透加压板，所述下保护板的下方设有下渗透加压板，所述上保护板和上渗透加压板均设有相对应的渗流孔，所述下保护板和下渗透加压板均设有相对应的渗流孔，所述上渗透加压板和下渗透加压板均设有渗透板引水接头，所述上渗透加压板的渗透板引水接头通过金属承压水管与所述出水口连接，所述下渗透加压板的渗透板引水接头通过金属承压水管与所述进水口连接，所述上渗透加压板、上保护板、顶板试样、下保护板、下渗透加压板、应变片和振动传感器的整体的外部包裹隔油橡胶膜；

所述轴压***包括上加载活塞、加载千斤顶、下加载活塞和压力传感器，所述上加载活塞设置在上渗透加压板的上方，且与实验罐体的顶部通过线轴承连接，上加载活塞的上方设有加载千斤顶，所述下加载活塞设置在下渗透加压板的下方，且与实验罐体的底部通过线轴承连接，所述下加载活塞的下方设有压力传感器；

所述围压***包括液压油罐、进油泵组和回油气泵，所述液压油罐分别通过第一围压管线和第二围压管线与第一通孔连通，液压油罐通过第三围压管线与第二通孔连通，所述第一围压管线上设置有进油泵组和第一截止阀，所述第二围压管线上设有第二截止阀，所述第三围压管线上设有第五截止阀和第三截止阀，所述第五截止阀设置在靠近液压油罐的一侧，所述回油气泵设置在第五截止阀和第三截止阀之间，且通过第四围压管线与第三围压管线连通，所述第四围压管线上设有第四截止阀；

所述大渗流***包括集水槽、进水泵组、溢流阀、进水水压传感器、出水水压传感器、第一流量计和第二流量计，所述集水槽通过第一渗流管线与进水口连通，所述第一渗流管线上设置有溢流阀和进水泵组，所述溢流阀设置在靠近进水口的一侧，溢流阀通过第二渗流管线与集水槽连通，进水水压传感器设置在进水口处，所述出水口分别通过第三渗流管线和第四渗流管线与集水槽连通，所述第三渗流管线上设置有第一流量计和第六截止阀，所述第四渗流管线上设置有第二流量计和第七截止阀，所述第三渗流管线和第四渗流管线靠近出水口的一侧同时与出水水压传感器连接；

所述动荷载***包括动荷载伸缩臂和轨道基座，所述动荷载伸缩臂的上部与实验罐体的底部连接，所述轨道基座设置在动荷载伸缩臂的下方，且与动荷载伸缩臂通过多个滚珠排连接；

所述外部框架设置在实验罐体的四周，所述外部框架的立柱与轨道基座通过用组装定位螺母连接，所述外部框架的立柱上设有多个调高螺旋，所述调高螺旋与实验罐体的侧壁连接，所述外部框架的底部与轨道基座通过滚珠排连接；

所述控制***包括围压控制器、轴压控制器、大渗流控制器、动荷载控制器和数据采集器，所述围压控制器与进油泵组连接，所述轴压控制器与加载千斤顶连接，所述大渗流控制器与溢流阀连接，所述动荷载控制器与动荷载伸缩臂连接，所述数据采集器分别与应变片和振动传感器连接。

所述顶板试样为圆柱结构，其直径为30～45cm，其高为10～15cm，所述裂隙的开度为 0.5～2.0mm，裂隙与水平方向的夹角为65～90°。

所述应变片和振动传感器沿顶板试样侧壁同一水平高度的周向间隔设置，所述顶板试样侧壁的上部、中部和下部均分别设有应变片和振动传感器。

所述上保护板和下保护板均由塑性隔水材料制成，所述通槽与裂隙开度相同，深为 2.0mm。

所述实验罐体的底部设有数据线孔，所述应变片和振动传感器均与数据采集器通过数据线连接，所述数据线穿过数据线孔。

所述轨道基座顶部的中间设有凹槽一，所述动荷载伸缩臂底部设有与轨道基座的凹槽一对应的凸起，所述轨道基座的凹槽一与动荷载伸缩臂底部的凸起通过滚珠排连接，所述轨道基座顶部的四周设有凹槽二，所述凹槽二与动荷载伸缩臂底部通过滚珠排连接，所述轨道基座的侧面设有凹槽三，所述凹槽三与外部框架的底部通过滚珠排连接。

所述第一流量计和第二流量计均设置在靠近集水槽的一侧，第一流量计的量程为1000ml/s～20000ml/s，第二流量计的量程为0.5ml/s～5000ml/s。

所述上渗透加压板的顶部设有与上加载活塞对应的上加压板凹槽，所述下渗透加压板的底部设有与下加载活塞对应的下加压板凹槽。

所述实验罐体的侧壁与实验罐体的底部通过卡扣连接，所述卡扣的外部设有卡扣套环。

上述一种动荷载影响下顶板渗流试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤一、在顶板试样的侧壁粘贴应变片和埋设振动传感器，顶板试样侧壁的上部、中部和下部均分别设有应变片和振动传感器，在同一水平面上的应变片和振动传感器间隔设置；

步骤二、安装顶板试样，首先用组装定位螺母将外部框架与轨道基座固定，将上保护板和下保护板的通槽分别与顶板试样的裂隙正对，将上保护板和上渗透加压板的渗流孔对应，将下保护板和下渗透加压板的渗流孔对应，按照上渗透加压板、上保护板、顶板试样、下保护板和下渗透加压板的顺序对齐后用隔油橡胶膜包裹，并整体安放于下加载活塞上，使下渗透加压板的下加压板凹槽与下加载活塞对应，将应变片和振动传感器分别通过数据线与数据采集器连接，上渗透加压板和下渗透加压板的渗透板引水接头分别与金属承压水管连接，调节外部框架上的调高螺旋降下实验罐体，使金属承压水管与对应的进水口或出水口连接，将卡扣***实验罐体侧壁与实验罐体底部连接处，对齐后放下卡扣套环；

步骤三、施加围压前准备，首先打开第一截止阀、关闭第二截止阀、打开第三截止阀、关闭第四截止阀、打开第五截止阀，启动进油泵组，使液压油罐通过第一通孔向实验罐体内部充液压油，用于对顶板试样提供径向围压，待实验罐体内充满液压油后，液压油经由第二通孔流出，经第三截止阀和第五截止阀流回液压油罐，直至第二通孔不再排除气泡，确认排净实验罐体内空气后，暂时停止进油泵组工作，关闭第一截止阀，待第二通孔不再因压力溢油后，关闭第三截止阀和第五截止阀，打开第一截止阀；

步骤四、大渗流试验前饱水排气，待轴压与围压准备结束后，启动进水泵组，对实验罐体内顶板试样进行饱水排气，大渗流***供水由进水口进入实验罐体从出水口流出，直至出水口不在溢出气泡，暂时关闭进水泵组；

步骤五、开始试验并采集数据，通过轴压控制器控制加载千斤顶对顶板试样施加轴压，并通过压力传感器实时记录加载过程中轴压，通过围压控制器控制进油泵组对顶板试样施加围压，围压控制器显示加载过程中围压，并通过应变片实时记录顶板试样的形变量，通过大渗流控制器控制溢流阀对顶板试样进行大渗流供水，大渗流控制器显示进水口进水流量，通过进水水压传感器记录进水口水压，通过出水水压传感器记录出水口水压，通过第一流量计或第二流量计记录出水口出水流量，待轴压、围压、顶板试样的形变量、进水口进水流量、进水口水压、出水口出水流量和出水口水压相对稳定后，拆除组装定位螺母，通过动荷载控制器控制动荷载伸缩臂对实验罐体施加动荷载，通过振动传感器记录施加动荷载时动荷载方向上顶板试样的加速度，同时，控制***采集动荷载施加时的轴压、围压、顶板试样的形变量、进水口进水流量、进水口水压、出水口出水流量和出水口水压；

步骤六、复位、卸压，实验结束后通过动荷载控制器使动荷载伸缩臂复位，重新安装组装定位螺母，使轨道基座与实验罐体保持相对静止，停止加载千斤顶施加轴压并收缩其下表面使其不与上加载活塞接触，停止进水泵组工作，打开溢流阀自然排净顶板试样内存水，停止进油泵组工作，关闭第一截止阀，打开第五截止阀和第三截止阀，先使带压液压油经由第二通孔流回液压油罐内，待溢油稳定不在外溢后，依次打开第二截止阀、关闭第五截止阀、打开第四截止阀，启动回油气泵，使空气经由第二通孔进入实验罐体内使其内液压油经第一通孔和第二截止阀返回液压油罐内，确认第一通孔再无液压油流出后，关闭回油气泵，气压稳定后关闭所有截止阀，并检查；

步骤七、顶板试样拆卸，实验结束后依次取下卡扣套环、去除卡扣、通过调高螺旋上升实验罐体，取下顶板试样并拆除隔油橡胶膜。

本实用新型的有益效果：

本实用新型一种动荷载影响下顶板渗流试验装置，通过轴压***、围压***、动荷载***以及大渗流供水四个试验***模拟原生贯穿裂隙顶板在受掘进施工、***、冲击地压、地震等影响作用下的大渗流耦合试验，能够同时采集顶板试样在施加轴压、围压、动荷载以及大渗流供水时的数据，实现了对煤层顶板破碎岩体的压缩变形模拟，能有效认识和揭示煤层开采过程中地质扰动对顶板原生裂隙结构演化，以及对阻隔水能力的影响，为深部含水地质条件下巷道施工技术安全性的研究提供理论基础。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种动荷载影响下顶板渗流试验装置的整体结构示意图；

图2是本实用新型提供的顶板试样放置示意图；

图3是本实用新型提供的实验罐体的结构示意图；

图4是本实用新型提供的实验罐体的俯视示意图；

图5是本实用新型提供的动荷载***的结构示意图。

其中，1、液压油罐；2、回油气泵；3、进油泵组；4、围压控制器；5-1、第一截止阀； 5-2、第二截止阀；5-3、第三截止阀；5-4、第四截止阀；5-5、第五截止阀；5-6、第六截止阀；5-7、第七截止阀；6、第一通孔；7、第二通孔；8、轴压控制器；9、加载千斤顶；10、集水槽；11、进水泵组；12、溢流阀；13、大渗流控制器；14-1、进水水压传感器；14-2、出水水压传感器；15-1、第一流量计；15-2、第二流量计；16、进水口；17、出水口；18、实验罐体；19、轨道基座；20、外部框架；21、调高螺旋；22、组装定位螺母；23、滚珠排； 24、动荷载伸缩臂；25、动荷载控制器；26、顶板试样；27、裂隙；28-1、上保护板；28-2、下保护板；29-1、上渗透加压板；29-2、下渗透加压板；30、渗透板引水接头；31、金属承压水管；32、隔油橡胶膜；33、应变片；34、压力传感器；35、线轴承；36-1、上加载活塞； 36-2、下加载活塞；37、卡扣；38、卡扣套环；40、数据线孔；41、数据采集器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图5所示，本实用新型提供了一种动荷载影响下顶板渗流试验装置，包括实验罐体18、轴压***、围压***、大渗流***、动荷载***、外部框架20和控制***；

实验罐体18的顶部设有出水口17，实验罐体18的底部设有进水口16，实验罐体18侧壁的下部设有第一通孔6，实验罐体18侧壁的上部设有第二通孔7，实验罐体18的内部设置有顶板试样26，顶板试样26内设有裂隙27，顶板试样26的侧壁设有应变片33和振动传感器，顶板试样26的上方设有上保护板28-1，顶板试样26的下方设有下保护板28-2，上保护板28-1和下保护板28-2均设有与裂隙27正对的通槽，上保护板28-1的上方设有上渗透加压板29-1，下保护板28-2的下方设有下渗透加压板29-2，上保护板28-1和上渗透加压板29-1 均设有相对应的渗流孔，下保护板28-2和下渗透加压板29-2均设有相对应的渗流孔，上渗透加压板29-1和下渗透加压板29-2均设有渗透板引水接头30，上渗透加压板29-1的渗透板引水接头30通过金属承压水管31与出水口17连接，下渗透加压板29-2的渗透板引水接头 30通过金属承压水管31与进水口16连接，上渗透加压板29-1、上保护板28-1、顶板试样 26、下保护板28-2、下渗透加压板29-2、应变片33和振动传感器的整体的外部包裹隔油橡胶膜32；

轴压***包括上加载活塞36-1、加载千斤顶9、下加载活塞36-2和压力传感器34，上加载活塞36-1设置在上渗透加压板29-1的上方，且与实验罐体18的顶部通过线轴承35连接，上加载活塞36-1的上方设有加载千斤顶9，下加载活塞36-2设置在下渗透加压板29-2的下方，且与实验罐体18的底部通过线轴承35连接，下加载活塞36-2的下方设有压力传感器34；

围压***包括液压油罐1、进油泵组3和回油气泵2，液压油罐1分别通过第一围压管线和第二围压管线与第一通孔6连通，液压油罐1通过第三围压管线与第二通孔7连通，第一围压管线上设置有进油泵组3和第一截止阀5-1，第二围压管线上设有第二截止阀5-2，第三围压管线上设有第五截止阀5-5和第三截止阀5-3，第五截止阀5-5设置在靠近液压油罐1的一侧，回油气泵2设置在第五截止阀5-5和第三截止阀5-3之间，且通过第四围压管线与第三围压管线连通，第四围压管线上设有第四截止阀5-4；

大渗流***包括集水槽10、进水泵组11、溢流阀12、进水水压传感器14-1、出水水压传感器14-2、第一流量计15-1和第二流量计15-2，集水槽10通过第一渗流管线与进水口16 连通，第一渗流管线上设置有溢流阀12和进水泵组11，溢流阀12设置在靠近进水口16的一侧，溢流阀12通过第二渗流管线与集水槽10连通，进水水压传感器14-1设置在进水口16处，出水口17分别通过第三渗流管线和第四渗流管线与集水槽10连通，第三渗流管线上设置有第一流量计15-1和第六截止阀5-6，第四渗流管线上设置有第二流量计15-2和第七截止阀5-7，第一流量计15-1和第二流量计15-2均设置在靠近集水槽10的一侧，第一流量计15-1 的量程为1000ml/s～20000ml/s，第二流量计15-2的量程为0.5ml/s～5000ml/s，第三渗流管线和第四渗流管线靠近出水口17的一侧同时与出水水压传感器14-2连接；

动荷载***包括动荷载伸缩臂24和轨道基座19，动荷载伸缩臂24的上部与实验罐体18 的底部连接，轨道基座19设置在动荷载伸缩臂24的下方，且与动荷载伸缩臂24通过多个滚珠排23连接；

外部框架20设置在实验罐体18的四周，外部框架20的立柱与轨道基座19通过用组装定位螺母22连接，外部框架20的立柱上设有多个调高螺旋21，调高螺旋21与实验罐体18的侧壁连接，外部框架20的底部与轨道基座19通过滚珠排23连接，实验罐体18的升降由外部框架20上调高螺旋21进行调节，在实验准备阶段，外部框架20通过组装定位螺母22 与轨道基座19相连以保证准备阶段整体的稳定性；

控制***包括围压控制器4、轴压控制器8、大渗流控制器13、动荷载控制器25和数据采集器41，围压控制器4与进油泵组3连接，轴压控制器8与加载千斤顶9连接，大渗流控制器13与溢流阀12连接，动荷载控制器25与动荷载伸缩臂24连接，数据采集器41分别与应变片33和振动传感器连接。

本实施例中，控制***采用EDC全数字测控器，通过EDC全数字测控器中的围压控制器4、轴压控制器8、大渗流控制器13、动荷载控制器25和数据采集器41对顶板试样26进行控制，EDC全数字测控器具有多个测量通道，可以对其中任意一通道进行闭环控制，而且可以在试验中对控制通道进行无间断转换，可以单独进行工作，也可以由计算机控制进行工作。本实施例中，加载千斤顶9不工作时与上加载活塞36-1之间有一定的间隙，不接触。进油泵组3设置在靠近液压油罐1的一侧。如图3所示，第一通孔6为向实验罐体18内进油或者向液压油罐1内回油的孔，第二通孔7为实验罐体18溢油孔或者进气孔。加载千斤顶9固设在实验罐体18顶部。压力传感器34设置在动荷载伸缩臂24的上方中部。上渗透加压板 29-1的渗透板引水接头30与出水口17的位置对应，且通过金属承压水管31连接，下渗透加压板29-2的渗透板引水接头30与进水口16的位置对应，且通过金属承压水管31连接，应变片33采用KYOWA防水应变片33，振动传感器采用DK2250一体化振动传感器。

本实施例中，实验罐体18底部与动荷载伸缩臂24螺栓连接，动荷载伸缩臂24与轨道基座19通过滚珠排23接触，以保证实验罐体18在施加动荷载时可以顺利跟随动荷载伸缩臂 24振动，轨道基座19与动荷载伸缩臂24是通过滚珠排23连接的，即轨道基座19上表面与动荷载伸缩臂24下表面不直接接触，只通过滚珠排23连接，同样，外部框架20与轨道基座19也只通过滚珠排23连接，轨道基座19凹槽二的宽度比滚珠排23的排宽宽1mm，以确保实验罐体18不会发生倾倒，外部框架20与轨道基座19各处间距均为1mm，以维持体系整体稳定，轨道基座19为方形立体结构，外部框架20为与轨道基座19对应的方形立体框架。

本事实例中，如图3和4所示，顶板试样26为圆柱结构，其直径为30～45cm，其高为10～15cm，裂隙27的开度为0.5～2.0mm，裂隙27与水平方向的夹角为65～90°。上保护板28-1 和下保护板28-2均由塑性隔水材料制成，通槽与裂隙27开度相同，深为2.0mm，上保护板28-1和下保护板28-2均设有与裂隙27正对的通槽，上保护板28-1和上渗透加压板29-1均设有相对应的渗流孔，下保护板28-2和下渗透加压板29-2均设有相对应的渗流孔，形成过水通路。如图1和2所示，应变片33和振动传感器沿顶板试样26侧壁同一水平高度的周向间隔设置，顶板试样26侧壁的上部、中部和下部均分别设有应变片33和振动传感器。实验罐体18的底部设有数据线孔40，应变片33和振动传感器均与数据采集器41通过数据线连接，数据线穿过数据线孔40。

本事实例中，实验罐体18的顶部设有上加载活塞连接孔，上加载活塞36-1穿过上加载活塞连接孔且与上加载活塞连接孔通过线轴承35连接，实验罐体18的底部设有下加载活塞连接孔，下加载活塞36-2穿过下加载活塞连接孔且与下加载活塞连接孔通过线轴承35连接，上渗透加压板29-1的顶部设有与上加载活塞36-1对应的上加压板凹槽，下渗透加压板29-2 的底部设有与下加载活塞36-2对应的下加压板凹槽，上加压板凹槽与上加载活塞36-1的对应尺寸相同，下加压板凹槽与下加载活塞36-2的对应尺寸相同，以保证上加载活塞36-1和下加载活塞36-2顺利传递轴压。如图2所示，实验罐体的侧壁与实验罐体的底部通过卡扣37 连接，卡扣37的外部设有卡扣套环38。本实施例中，实验罐体18的侧壁与实验罐体18底部通过卡扣37连接，实验罐体18在安装或者拆除顶板试样26过程中，通过调节外部框架 20上与实验罐体18侧壁连接的调高螺旋21实现实验罐体18的升降，实验罐体18降至实验罐体18底部后，***卡扣37并在卡扣37外部放下卡扣套环38，实验结束后依次取下卡扣套环38、移除卡扣37、提升实验罐体18后拆除顶板试样26。

如图5所示，轨道基座19顶部的中间设有凹槽一，动荷载伸缩臂24底部设有与轨道基座19的凹槽一对应的凸起，轨道基座19的凹槽一与动荷载伸缩臂24底部的凸起通过滚珠排 23连接，轨道基座19顶部的四周设有凹槽二，凹槽二与动荷载伸缩臂24底部通过滚珠排23 连接，轨道基座19的侧面设有凹槽三，凹槽三与外部框架20的底部通过滚珠排23连接。

上述一种动荷载影响下顶板渗流试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤一、在顶板试样26的侧壁粘贴应变片33和埋设振动传感器，顶板试样26侧壁的上部、中部和下部均分别设有应变片33和振动传感器，在同一水平面上的应变片33和振动传感器间隔设置；

步骤二、安装顶板试样26，首先用组装定位螺母22将外部框架20与轨道基座19固定，将上保护板28-1和下保护板28-2的通槽分别与顶板试样26的裂隙27正对，将上保护板28-1 和上渗透加压板29-1的渗流孔对应，将下保护板28-2和下渗透加压板29-2的渗流孔对应，按照上渗透加压板29-1、上保护板28-1、顶板试样26、下保护板28-2和下渗透加压板29-2 的顺序对齐后用隔油橡胶膜32包裹，并整体安放于下加载活塞36-2上，使下渗透加压板29-2 的下加压板凹槽与下加载活塞36-2对应，将应变片33和振动传感器分别通过数据线与数据采集器41连接，上渗透加压板29-1和下渗透加压板29-2的渗透板引水接头30分别与金属承压水管31连接，调节外部框架20上的调高螺旋21降下实验罐体18，使金属承压水管31 与对应的进水口16或出水口17连接，将卡扣37***实验罐体18侧壁与实验罐体18底部连接处，对齐后放下卡扣套环38；

步骤三、施加围压前准备，首先打开第一截止阀5-1、关闭第二截止阀5-2、打开第三截止阀5-3、关闭第四截止阀5-4、打开第五截止阀5-5，启动进油泵组3，使液压油罐1通过第一通孔6向实验罐体18内部充液压油，用于对顶板试样26提供径向围压，待实验罐体18内充满液压油后，液压油经由第二通孔7流出，经第三截止阀5-3和第五截止阀5-5流回液压油罐1，直至第二通孔7不再排除气泡，确认排净实验罐体18内空气后，暂时停止进油泵组 3工作，关闭第一截止阀5-1，待第二通孔7不再因压力溢油后，关闭第三截止阀5-3和第五截止阀5-5，打开第一截止阀5-1；

步骤四、大渗流试验前饱水排气，待轴压与围压准备结束后，启动进水泵组11，对实验罐体18内顶板试样26进行饱水排气，大渗流***供水由进水口16进入实验罐体18从出水口17流出，直至出水口17不在溢出气泡，暂时关闭进水泵组11；

步骤五、开始试验并采集数据，通过轴压控制器8控制加载千斤顶9对顶板试样26施加轴压，并通过压力传感器34实时记录加载过程中轴压，通过围压控制器4控制进油泵组3对顶板试样26施加围压，围压控制器4显示加载过程中围压，并通过应变片33实时记录顶板试样26的形变量，通过大渗流控制器13控制溢流阀12对顶板试样26进行大渗流供水，大渗流控制器13显示进水口进水流量，通过进水水压传感器14-1记录进水口水压，通过出水水压传感器14-2记录出水口水压，通过第一流量计15-1或第二流量计15-2记录出水口出水流量，待轴压、围压、顶板试样26的形变量、进水口进水流量、进水口水压、出水口出水流量和出水口水压相对稳定后，拆除组装定位螺母22，通过动荷载控制器25控制动荷载伸缩臂24对实验罐体18施加动荷载，通过振动传感器记录施加动荷载时动荷载方向上顶板试样26的加速度，同时，控制***采集动荷载施加时的轴压、围压、顶板试样26的形变量、进水口进水流量、进水口水压、出水口出水流量和出水口水压；

步骤六、复位、卸压，实验结束后通过动荷载控制器25使动荷载伸缩臂24复位，重新安装组装定位螺母22，使轨道基座19与实验罐体18保持相对静止，停止加载千斤顶9施加轴压并收缩其下表面使其不与上加载活塞36-1接触，停止进水泵组11工作，打开溢流阀12自然排净顶板试样26内存水，停止进油泵组3工作，关闭第一截止阀5-1，打开第五截止阀5-5和第三截止阀5-3，先使带压液压油经由第二通孔7流回液压油罐1内，待溢油稳定不在外溢后，依次打开第二截止阀5-2、关闭第五截止阀5-5、打开第四截止阀5-4，启动回油气泵2，使空气经由第二通孔7进入实验罐体18内使其内液压油经第一通孔6和第二截止阀5-2返回液压油罐1内，确认第一通孔再无液压油流出后，关闭回油气泵2，气压稳定后关闭所有截止阀，并检查；

步骤七、顶板试样26拆卸，实验结束后依次取下卡扣套环38、去除卡扣37、通过调高螺旋21上升实验罐体18，取下顶板试样26并拆除隔油橡胶膜32。

在实际使用中，更换不同裂隙27参数的顶板试样26，通过本实用新型的一种动荷载影响下顶板渗流试验装置进行试验，分别在试验过程中同时采集顶板试样26在施加动荷载时的轴压、围压、顶板试样26的形变量、进水口进水流量、进水口水压、出水口出水流量、出水口水压和加速度的数据，实验结束后顶板试样26拆卸并观察顶板试样26的破坏变形特征，分析这些数据相互间耦合关系的演化模型，定量描述和分析裂隙27开度、倾角对动荷载作用下顶板稳定性及阻隔水能力恢复的影响机理。

本实施例中，为了定量研究模拟隔水顶板原生裂隙27几何形态对渗流试验的影响，为了便于轴压及围岩的施加将顶板试样26设计为圆柱形，在其内部预制一条上下贯通开度 0.5～2.0mm，倾角为65～90°的预制裂隙27以模拟煤层隔水顶板原生裂隙27，在裂隙试样模具内侧均匀涂上一层润滑油，固定好预制裂隙钢板，注入配好的非亲水性相似顶板试样26材料，优选为混凝土，振动均匀后，待裂隙27通道试样达到一定强度后拔出预制裂隙钢板，24h初凝后拆模，置入水中养护、饱水，在顶板试样26的侧壁粘贴应变片33和埋设振动传感器，顶板试样26侧壁的上部、中部和下部均分别设有应变片33和振动传感器，在同一水平面上的应变片33和振动传感器间隔设置。

本事实例中，大渗流试验前饱水排气，对实验罐体18内顶板试样26进行饱水排气，即顶板试样26完全浸入水中自然饱水48小时，大渗流***供水由进水口16进入实验罐体18从出水口17流出，直至出水口17不在溢出气泡，暂时关闭进水泵组11，通过大渗流控制器13控制溢流阀12按照预定进水量供水，启动进水泵组11，超过进水量的部分经过溢流阀12后重新返回集水槽10中，再通过进水口16前分出一支流流经进水水压传感器14-1持续采集数据，供水在顶板试件预制裂隙27内部形成通路后从出水口17流出，出水分流流经出水水压传感器14-2，流入相互并联的第一流量计15-1和第二流量计15-2，在初始阶段，顶板试渗流量较大，此时流量测量打开第六截止阀5-6，关闭第七截止阀5-7，通过第一流量计15-1对出水口出水流量进行监测，实验过程中顶板试样26内部裂隙27在荷载作用下变形，大渗流通路截面积减小，渗流量减小，当流量减小到5000ml/s以下时，关闭第六截止阀5-6，打开第七截止阀5-7，通过第二流量计15-2继续对出水口出水流量进行监测，渗流出水最终流回集水槽10。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种动荷载影响下顶板渗流试验装置，其特征在于，包括实验罐体、轴压***、围压***、大渗流***、动荷载***、外部框架和控制***；

所述实验罐体的顶部设有出水口，实验罐体的底部设有进水口，实验罐体侧壁的下部设有第一通孔，实验罐体侧壁的上部设有第二通孔，实验罐体的内部设置有顶板试样，所述顶板试样内设有裂隙，顶板试样的侧壁设有应变片和振动传感器，顶板试样的上方设有上保护板，顶板试样的下方设有下保护板，所述上保护板和下保护板均设有与所述裂隙正对的通槽，所述上保护板的上方设有上渗透加压板，所述下保护板的下方设有下渗透加压板，所述上保护板和上渗透加压板均设有相对应的渗流孔，所述下保护板和下渗透加压板均设有相对应的渗流孔，所述上渗透加压板和下渗透加压板均设有渗透板引水接头，所述上渗透加压板的渗透板引水接头通过金属承压水管与所述出水口连接，所述下渗透加压板的渗透板引水接头通过金属承压水管与所述进水口连接，所述上渗透加压板、上保护板、顶板试样、下保护板、下渗透加压板、应变片和振动传感器的整体的外部包裹隔油橡胶膜；

所述轴压***包括上加载活塞、加载千斤顶、下加载活塞和压力传感器，所述上加载活塞设置在上渗透加压板的上方，且与实验罐体的顶部通过线轴承连接，上加载活塞的上方设有加载千斤顶，所述下加载活塞设置在下渗透加压板的下方，且与实验罐体的底部通过线轴承连接，所述下加载活塞的下方设有压力传感器；

所述围压***包括液压油罐、进油泵组和回油气泵，所述液压油罐分别通过第一围压管线和第二围压管线与第一通孔连通，液压油罐通过第三围压管线与第二通孔连通，所述第一围压管线上设置有进油泵组和第一截止阀，所述第二围压管线上设有第二截止阀，所述第三围压管线上设有第五截止阀和第三截止阀，所述第五截止阀设置在靠近液压油罐的一侧，所述回油气泵设置在第五截止阀和第三截止阀之间，且通过第四围压管线与第三围压管线连通，所述第四围压管线上设有第四截止阀；

所述大渗流***包括集水槽、进水泵组、溢流阀、进水水压传感器、出水水压传感器、第一流量计和第二流量计，所述集水槽通过第一渗流管线与进水口连通，所述第一渗流管线上设置有溢流阀和进水泵组，所述溢流阀设置在靠近进水口的一侧，溢流阀通过第二渗流管线与集水槽连通，进水水压传感器设置在进水口处，所述出水口分别通过第三渗流管线和第四渗流管线与集水槽连通，所述第三渗流管线上设置有第一流量计和第六截止阀，所述第四渗流管线上设置有第二流量计和第七截止阀，所述第三渗流管线和第四渗流管线靠近出水口的一侧同时与出水水压传感器连接；

所述动荷载***包括动荷载伸缩臂和轨道基座，所述动荷载伸缩臂的上部与实验罐体的底部连接，所述轨道基座设置在动荷载伸缩臂的下方，且与动荷载伸缩臂通过多个滚珠排连接；

所述外部框架设置在实验罐体的四周，所述外部框架的立柱与轨道基座通过用组装定位螺母连接，所述外部框架的立柱上设有多个调高螺旋，所述调高螺旋与实验罐体的侧壁连接，所述外部框架的底部与轨道基座通过滚珠排连接；

所述控制***包括围压控制器、轴压控制器、大渗流控制器、动荷载控制器和数据采集器，所述围压控制器与进油泵组连接，所述轴压控制器与加载千斤顶连接，所述大渗流控制器与溢流阀连接，所述动荷载控制器与动荷载伸缩臂连接，所述数据采集器分别与应变片和振动传感器连接。

2.根据权利要求1所述的动荷载影响下顶板渗流试验装置，其特征在于，所述顶板试样为圆柱结构，其直径为30～45cm，其高为10～15cm，所述裂隙的开度为0.5～2.0mm，裂隙与水平方向的夹角为65～90°。

3.根据权利要求1所述的动荷载影响下顶板渗流试验装置，其特征在于，所述应变片和振动传感器沿顶板试样侧壁同一水平高度的周向间隔设置，所述顶板试样侧壁的上部、中部和下部均分别设有应变片和振动传感器。

4.根据权利要求1所述的动荷载影响下顶板渗流试验装置，其特征在于，所述上保护板和下保护板均由塑性隔水材料制成，所述通槽与裂隙开度相同，深为2.0mm。

5.根据权利要求1所述的动荷载影响下顶板渗流试验装置，其特征在于，所述实验罐体的底部设有数据线孔，所述应变片和振动传感器均与数据采集器通过数据线连接，所述数据线穿过数据线孔。

6.根据权利要求1所述的动荷载影响下顶板渗流试验装置，其特征在于，所述轨道基座顶部的中间设有凹槽一，所述动荷载伸缩臂底部设有与轨道基座的凹槽一对应的凸起，所述轨道基座的凹槽一与动荷载伸缩臂底部的凸起通过滚珠排连接，所述轨道基座顶部的四周设有凹槽二，所述凹槽二与动荷载伸缩臂底部通过滚珠排连接，所述轨道基座的侧面设有凹槽三，所述凹槽三与外部框架的底部通过滚珠排连接。

7.根据权利要求1所述的动荷载影响下顶板渗流试验装置，其特征在于，所述第一流量计和第二流量计均设置在靠近集水槽的一侧，第一流量计的量程为1000ml/s～20000ml/s，第二流量计的量程为0.5ml/s～5000ml/s。

8.根据权利要求1所述的动荷载影响下顶板渗流试验装置，其特征在于，所述上渗透加压板的顶部设有与上加载活塞对应的上加压板凹槽，所述下渗透加压板的底部设有与下加载活塞对应的下加压板凹槽。

9.根据权利要求1所述的动荷载影响下顶板渗流试验装置，其特征在于，所述实验罐体的侧壁与实验罐体的底部通过卡扣连接，所述卡扣的外部设有卡扣套环。