底板岩体渗透系数测试模拟方法

摘要

本发明公开了一种底板岩体渗透系数测试模拟方法，属于岩体渗透系数测定技术领域。该方法首先调节承托定位系统使其达到测试所需角度，根据钻孔裂隙要求，调节裂隙开关；然后按照测试所需长度对第一注水管和第二注水管之间的连接处进行调节；安设封堵观测系统，包括模拟钻孔、裂隙开关和测试探头，裂隙开关位于模拟钻孔的周向上，测试探头位于模拟钻孔内，测试探头包括注水管、封堵胶囊、胶囊连接管和卡槽接头；最后，检验封堵效果并获取相关参数通过公式计算得到渗透系数。相比现有技术，本发明方法可以模拟不同裂隙、不同角度、不同注水段长度和不同水压下的钻孔状态，测出单位时间注入孔内和经裂隙漏失的水量，从而测算出底板岩层的渗透系数。

说明书

技术领域

本发明涉及岩体渗透系数测定技术领域，具体涉及一种底板岩体渗透系数测试模拟方法。

背景技术

岩体渗透系数是反映裂隙岩体渗透性能的重要参数，底板岩体渗透性能的改变与底板的 破坏情况密切相关。因此，研究底板岩体渗透系数与裂隙大小、注水量、注水段长度和注水 压的关系具有重要意义。目前通常采用数值模拟、现场实测等手段来测算渗透系数。由于现 场条件复杂且工作量大，而数值模拟在一定程度上不能很好的反映现场情况，因此，在实际 中，需要一种装置模拟渗透系数，并探讨渗透系数相关影响因素及关系。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种底板岩体渗透系数测试模拟方法， 该方法可以模拟不同裂隙、不同角度、不同注水段长度和不同水压下的钻孔状态，测出单位 时间注入孔内和经裂隙漏失的水量，从而测算出底板岩层的渗透系数。

其技术解决方案包括：

一种底板岩体渗透系数测试模拟方法，其所采用的模拟系统包括封堵观测系统、承托定 位系统、气源供应系统和水源供应系统，

模拟方法包括以下步骤：

步骤一、调节承托定位系统使其达到测试所需角度，根据钻孔裂隙要求，调节裂隙开关， 模拟裂隙排布，其中裂隙开关的开启与关闭代表裂隙的有无，裂隙开关开启的大小程度代表 裂隙的大小；

步骤二、确定注水管的长度，按照测试所需长度对第一注水管和第二注水管之间的连接 处进行调节，以使注水管的总长度满足测试需求；

步骤三、安设封堵观测系统，所述封堵观测系统包括模拟钻孔、裂隙开关和测试探头， 所述裂隙开关设置有若干个，均位于所述模拟钻孔的周向上，所述测试探头位于所述模拟钻 孔内，所述测试探头包括注水管、封堵胶囊、胶囊连接管和卡槽接头，所述注水管的一端为 封堵端，另一端为注水端，所述卡槽接头设置在所述封堵端和注水端，所述封堵胶囊包设在 所述卡槽接头上，相对的封堵胶囊之间连接所述胶囊连接管；注水管由第一注水管和第二注 水管通过螺纹连接而成，所述注水管的长度在0.5～1m之间可调，在所述第一注水管和第二 注水管上分别有多个漏水孔；

步骤四、检验封堵效果，关闭部分裂隙开关，打开气源供应系统，起胀封堵胶囊至设定 压力；打开水源供应系统，向测试探头内注水，至测试水压停止，观察封堵效果，控制封堵 胶囊封堵压力大于测试探头注水压力；

步骤五、渗透系数测试，封堵效果合格后，打开步骤四关闭的裂隙开关，重新封堵、注 水进行试验，待封堵压力、注水压力及注水流量稳定后，记录水源供应系统中总注水压力P 和总注水量Q，或同时记录各裂隙开关的水流量q₁、q₂、q₃······q_n；

步骤六、根据式(1)计算渗透系数，

$K=\frac{AQ}{LP}---\left(1\right)$

式(1)中：K-渗透系数，m/d；

Q-注水量，L/min；

L-注水段长度，m；

P-注水压力，Pa；

B-流量系数，取1.3～1.9；

步骤七、卸压推进，关闭水源供应系统和气源供应系统，将封堵胶囊卸压，并推进测试 探头至下一观测区域进行相应孔段的渗透系数测试，重复步骤五和步骤六，直至钻孔长度范 围内观测完毕。

作为本发明的一个优选方案，所述承托定位系统包括底座、台板和刻度盘，所述底座与 刻度盘固定连接，所述台板与底座铰接在一起，所述刻度盘中部设置有导向槽和定位螺栓， 所述定位螺栓可在所述导向槽内运动。

作为本发明的另一个优选方案，在每个裂隙开关附近均设置有水压表。

优选的，所述卡槽接头呈“H”状，在所述卡槽接头的顶端和底端设置有紧固螺圈，所述 封堵胶囊通过紧固螺圈固定在所述卡槽接头上。

优选的，所述模拟钻孔是长度为5m的筒体。

优选的，所述气源供应系统包括高压气罐、气体压力表，所述高压气罐出口连接有耐压 软管，所述耐压软管的另一端连接至所述胶囊连接管。

优选的，所述水源供应系统包括注水操作台和水压调节阀，所述注水操作台通过管道与 所述注水端连接。

优选的，所述筒体的大小与测试探头中注水管的大小相匹配。

与现有技术相比，本发明模拟方法带来了以下有益技术效果：

第一、在模拟系统中通过刻度盘准确读出台板倾斜角度，并可通过定位螺栓将台板固定 在刻度盘上，进而研究渗透系数与钻孔倾角的关系；

第二、可以通过控制钻孔周围裂隙开关的开启与闭合来模拟钻孔裂隙的有无，裂隙开关 开启的大小代表裂隙的大小，进而研究渗透系数与裂隙发育情况的关系。

第三、可以通过旋转注水管两部分螺纹，可以进行注水长度的连续调节，准确进行长度 范围内(0.5m-1m)变化，进而研究渗透系数与注水段长度的关系；

第四、可以通过测试探头与钻孔的配合，可以对钻孔进行分段测量，进而研究每一段渗 透系数与钻孔总体渗透系数之间的关系；

第五、可以通过注水操作台来控制注水压力，进而研究渗透系数与注水压力之间的关系；

第六、可以通过各裂隙开关上的流量表读数与裂隙大小、注水操作台流量表读数等形成 对比，研究在相同压力下，渗透系数与各裂隙之间的关系；

第七、封堵胶囊及卡槽接头可拆卸设计，便于安装组合、维修更换。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明底板岩体渗透系数模拟系统的整体示意图；

图2为本发明底板岩体渗透系数模拟系统中承托定位系统的整体示意图；

图3为本发明模拟底板岩体渗透系数模拟系统中封堵观测系统的整体示意图；

图4为本发明模拟底板岩体渗透系数模拟系统中钻孔结构示意图；

图5为本发明底板岩体渗透系数模拟系统中测试探头结构示意图；

图6为本发明底板岩体渗透系数模拟系统中注水管结构示意图；

图7为本发明底板岩体渗透系数模拟系统中注水管状态示意图；

图8为本发明底板岩体渗透系数模拟系统中卡槽接头及封堵胶囊结构示意图；

图中，1、钻孔2、底座3、台板4、刻度盘5、定位螺栓6、注水管7、封堵胶 囊8、卡槽接头9、注水操作台10、耐压软管11、气压控制台12、导向槽13、高 压软管14、裂隙开关15、胶囊连接管16、漏水孔17、高压气罐18、紧固螺圈。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

一种底板岩体渗透系数测试模拟方法，其所采用的模拟系统包括封堵观测系统、承托定 位系统和供给系统。

结合图3～图8所示，封堵观测系统包括钻孔(模拟钻孔)1、裂隙开关14和测试探头， 裂隙开关14均布于钻孔1周围，且与钻孔1呈固定连接，裂隙开关14设置有n个，可根据 实际情况确定其个数，测试探头可在钻孔1内移动，与钻孔1配套使用；钻孔1，数量为1 个，长度为5m，钻孔1的一端封堵，另一端为开口自由端。

裂隙开关14与钻孔1固连，可接通钻孔1内部，其外部设置有流量表，以监测钻孔1内 部通过该裂隙开关14水流量的大小；裂隙开关14的开启与关闭模拟钻孔1裂隙的有无，裂 隙开关14的开启大小程度模拟钻孔1裂隙的大小，裂隙开关14可以根据要求模拟出钻孔1 不同位置的裂隙组合情况；

测试探头包括注水管6、封堵胶囊7、胶囊连接管15和卡槽接头8，本发明的注水管6 分为两部分，分别是第一注水管和第二注水管，具体结构如图6所示，两部分通过螺旋连接， 即注水管6可螺旋伸缩，两部分管道的连接处的长度可调节，为了注水管的稳定性，优选注 水管6的长度范围为0.5至1m，可以根据需要进行该长度范围内有效注水段长度的连续调节。

注水管6一端封堵，另一端为开放注水端，注水管6周围有漏水孔16若干个，卡槽接头 8分布于注水管6两端，且与注水管6两端呈螺纹连接，卡槽接头8数量有两个，整体呈“H” 状，其上端外缘水平内凹，两相对侧端通过胶囊连接管15连接，封堵胶囊7设置有两个，分 别通过紧固螺圈18将其固定在相应的卡槽接头8上端外缘上，形成起胀封堵胶囊7的空间。

结合图1～2所示，承托定位系统由底座2、台板3和刻度盘4组成，刻度盘4与底座2 固定连接，台板3与底座2铰接；台板3与底座2铰接，可绕底座2旋转，刻度盘4与底座 2固定连接，可指示台板3钻转角度。

刻度盘4中间设置有导向槽12和定位螺栓5，可使定位螺栓5沿着导向槽12运动，并 待台板3旋转至某一预定角度后，通过定位螺栓5将台板3固定在刻度盘4上。

如图1所示，水源供给系统包括注水操作台9和水压调节阀等，注水操作台通过管道与 注水端连接，注水操作台9通过高压软管13向测试探头提供高压水源。

气源供应系统包括气压控制台11，气压控制台11处有高压气罐17、气体压力表等，气 压控制台11一端连接高压气罐17，另一端通过耐压软管10与测试探头上的卡槽接头8相接， 用以气胀封堵胶囊7。

本发明，底板岩体渗透系数测试模拟方法，具体操作步骤如下：

(1)进行角度调节：将底座2放在水平地面上，根据角度需要，按照刻度盘4刻度，调 节台板3角度至预定值，用定位螺栓5将台板固定于刻度盘4上；

(2)模拟裂隙排布：根据钻孔裂隙要求，调节裂隙开关14，模拟裂隙排布，其中裂隙 开关14的开启与关闭代表裂隙的有无，裂隙开关14开启的大小程度代表裂隙的大小；

(3)确定测试长度：按照长度要求，旋转注水管6螺纹，调节注水管6有效长度到达预 定长度L；

(4)安装系统：按照上述模拟系统的结构分别安装好封堵观测系统，将钻孔1固定在台 板3斜面上，且保持与刻度盘4面平行；然后，通过相应管道连接供给系统与封堵观测系统， 并将测试探头放在钻孔1口处；

(5)检验封堵效果：首先，关闭钻孔1口端部部分裂隙开关14，打开气压控制台11， 起胀封堵胶囊7，至预定压力；然后，打开注水操作台9，向测试探头注水，至测试水压，观 察封堵效果，其中，为确保密封效果，封堵胶囊封堵7压力应大于测试探头注水压力；

(6)渗透系数测试：封堵效果合格后，恢复钻孔1口端部部分裂隙开关14至原来状态， 重新封堵、注水进行试验，待封堵压力、注水压力及注水流量稳定后，记录注水操作台9总 注水压力P和总注水量Q(或同时记录各裂隙开关的水流量q₁、q₂、q₃······q_n)；

(7)进行渗透系数换算：根据钻孔渗透系数公式：

其中：K-渗透系数，m/d；Q-注水量，L/min；L-注水段长度，m；P-注水压力，m；

A-流量系数，取1.3～1.9；

(8)卸压推进：关闭注水操作台9、气压控制台开关11，进行封堵胶囊7卸压，利用推 杆推进测试探头至下一观测区域进行相应孔段的渗透系数测试，重复步骤6至步骤8，直至 钻孔1长度范围内观测完毕。

实施例1：设置测试探头长度(即注水段长度L)为0.8m，封堵压力为2.0MPa，注水压 力P为0.1MPa，流量系数A为1.5，依次对设置好裂隙大小的钻孔进行流量测定：

第一段(0-1m)：流量Q为0.4L/min，对应的渗透系数为7.5m/d；

第二段(1-2m)：流量Q为1.2L/min，对应的渗透系数为22.5m/d；

第三段(2-3m)：流量Q为0.5L/min，对应的渗透系数为9.375m/d；

第四段(3-4m)：流量Q为0.3L/min，对应的渗透系数为5.625m/d；

第五段(4-5m)：流量Q为0.8L/min，对应的渗透系数为15m/d。

此实施例仅仅是对适用使用方法的说明，如果想验证渗透系数的相关影响因素可以通过 控制变量法研究。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变 型方式均应在本发明的保护范围内。