一种破碎岩石扰动渗流特性测试用渗流仪及测试系统

摘要

一种破碎岩石扰动渗流特性测试用渗流仪及测试系统，其渗流仪包括机架、缸筒、活塞、扰动环和曲柄滑块机构；测试系统主要由上述的渗流仪、检测系统、供水系统、液压伺服系统及排水系统组成，供水系统提供给液压伺服系统中的双作用液压缸水源，伺服液压系统通过双作用液压缸提供给渗流仪一端稳定流水，渗流仪的另一端连接排水系统及检测系统。本发明可以真实模拟开采扰动影响下的破碎煤岩体的复杂动力学耦合环境，能够准确地研究破碎岩石的扰动渗流特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种破碎岩石渗流特性测试装置及系统，尤其是一种破碎岩石扰动渗流特性测试用渗流仪及测试系统，应用于测试在不同扰动下的破碎岩石的渗透特性。

背景技术

地下采矿活动使得围岩在采动应力诱发作用下处于峰后应力状态或者破碎状态，极大地改变了围岩的孔隙结构和渗透性，从而导致了顶底板导水裂隙带、断层带和岩溶陷落柱突水并造成灾害事故。

尤其是，随着矿山开采深度的增加，深部矿井面临“高地应力、高地温、高岩溶水压”以及开采扰动的复杂的流固耦合力学环境，比如2013－02－03，淮北矿业集团桃园煤矿发生“底板奥灰特大突水”事故，承压水压力6MPa，水量2.9×104m³/h，导致矿井被淹。在金属矿开采方面，突水灾害也日益严重，如我国埋藏最深、储量最大的铜矿—冬瓜山铜矿，在1994－09－30掘进至井底标高900m时发生突水，瞬时涌水量达1>3/h，涌水压力高达7～8MPa，7天淹没深度达到637m。此外，在深埋长大隧道开挖过程中，突水灾害问题也十分突出，一直是隧道地质灾害及超前预报的主要内容之一。

特别是对于开采扰动影响下的破碎煤岩体的复杂动力学耦合环境，研究开采过程中的破碎岩体的扰动问题，极为关键。目前来讲，现有试验仪器远不能满足工程要求。例如，已知公开一种采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置，采用三维侧向约束轴向加载体系，模拟采动裂隙恢复应力场，结合设计研制的断裂岩体贯通裂隙模型，实现了贯通裂隙岩体应力作用下大渗流量的流耦合试验；断裂岩体贯通裂隙试样实现了对断裂岩体不规则铰接程度的定量化研究；实现了裂隙开度、渗流量的同步监测；裂隙试样上下端面设置软弱层，实现了对垮落带破碎岩体的压缩变形模拟；测试系统能够实现不同开度、倾角、连接程度裂隙的加载裂隙开度闭合过程的渗流模拟试验；能有效认识和揭示采动岩体应力恢复作用下不同结构特征裂隙岩体的结构演化、裂隙闭合及阻隔水能力恢复特性，将会为深入研究“保水采煤”地下水渗流系统恢复机理及“残煤复采”涉及的已有扰动断裂岩体的渗透性特性提供理论基础。

上述现有破碎岩石渗流装置测试的是静态渗流场，而在实际开采岩体过程中，会导致岩石裂隙泥水流体的渗透压发生改变，在破碎岩石内会产生动态的渗流场，这种复杂的动态渗流场是由于动载产生的应力波挤压破碎岩石，导致破碎岩石内泥水渗透压瞬时剧增，用已知的渗流测试装置无法实现。所以，上述现有的渗流模拟试验装置只是通过简单的振动来模拟开采扰动，无法真实准确地针对开采扰动影响下的破碎煤岩体的复杂动力学耦合环境，研究开采过程中的破碎岩体的扰动问题。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种破碎岩石扰动渗流特性测试用渗流仪及测试系统，可以手动和自动模拟开采扰动影响下的破碎煤岩体的复杂动力学耦合环境，能够真实准确地研究破碎岩石的扰动渗流特性。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种破碎岩石扰动渗流特性测试用渗流仪，包括机架、缸筒、活塞、扰动环和曲柄滑块机构；缸筒固定在机架上，例如机架可以是通过环形套与缸筒(27)固定，并在左端有与地面的支撑装置，这样可以起到机架自身的固定作用，另一方面，对缸筒的固定也更牢固；并且缸筒的下端部与置于机架上的底板密封连接，在底板上方的缸筒内叠加一个下透水板，下透水板通过出水口连接外部的排水管；缸筒的上端部密封安装活塞，在活塞下方的缸筒内设置一个上透水板，上透水板连通进水口，试验用的破碎岩石或破碎岩土盛放在上透水板和下透水板之间；活塞的上方中部具有一凸台，并且向一侧延伸出去，凸台的上部配以具有重量的圆筒，活塞的上端配有扰动环，另外在凸台的外侧下方配有曲柄滑块机构，曲柄滑块机构的曲柄与机架铰接在一起，滑块安装在机架上，滑块上方配以导向杆，导向杆上安放弹簧，曲柄通过外配电机实现转动。

一种破碎岩石扰动渗流特性测试系统，主要由上述的渗流仪、检测系统、供水系统、液压伺服系统及排水系统组成，供水系统提供给液压伺服系统中的双作用液压缸水源，伺服液压系统通过双作用液压缸提供给渗流仪一端稳定流水，渗流仪的另一端连接排水系统及检测系统。

相比现有技术，本发明的一种破碎岩石扰动渗流特性测试用渗流仪及测试系统，渗流仪既可以通过手动扰动环，实现扰动状态下的压力、流量监测；又可以通过外配的电机带动曲柄连杆机构传动到活塞，实现另一种扰动测试，结构简单，操作灵活、方便，能够真实准确地有针对性地研究开采过程中的破碎岩体的扰动问题；测试系统还通过检测系统和液压伺服系统等的配合实现了对双作用液压缸的压力精确控制以及数据的精确采集，提高了数据精确度、实时性与可靠度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例测试系统的结构原理图。

图2是本发明一个实施例渗流仪的结构示意图。

图中，1、污水桶；2、排水管；3、流量传感器；4、渗流仪；5、清水桶；6、水泵；7、高压阀A；8、高压阀B；9、高压阀C；10、双作用液压缸；11、伺服阀；12、伺服泵站；13、压力传感器；14、伺服控制器；15、伺服放大器；16、数据采集卡；17、电脑；18、扰动环；19、活塞；20、弹簧；21、滑块；22、摇杆；23、曲柄；24、密封圈；25、进水口；26、上透水板；27、缸筒；28、螺栓；29、机架；30、底板；31、出水口；32、下透水板；33、圆筒；34、凸台。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1和图2示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图2中的一种破碎岩石扰动渗流特性测试用渗流仪，包括机架29、缸筒27、活塞19、扰动环18和曲柄滑块机构；所述机架29包含上支撑板和下支撑板，上支撑板和下支撑板通过立柱连接成一体；所述底板30安放在机架29的下支撑板上，缸筒27和滑块21安装在机架29的上支撑板上，曲柄23铰接在立柱上；所述底板30和缸筒27通过螺栓28连接，并且缸筒27和底板30之间配有密封圈；在底板30上方的缸筒27内叠加一个下透水板32，下透水板32通过出水口31连接外部的排水管2；缸筒27的上端部密封安装活塞19，所述活塞19和缸筒27之间通过密封圈24密封，可以承受5MPa以上的水压；在活塞19下方的缸筒27内设置一个上透水板26，上透水板26连通进水口25，试验用的破碎岩石或破碎岩土盛放在上透水板26和下透水板32之间；活塞19的上方中部具有一凸台34，并且向一侧延伸出去，凸台34的上部配以具有重量的圆筒33，较重的圆筒33，通过自重实现对破碎岩石的加载，且上部分自重属于可调的，以适应不同压力的需要；活塞19的上端配有扰动环18，扰动环18，可以实现不同压力下的竖向扰动；另外在凸台34的外侧下方配有曲柄滑块机构，曲柄23连杆机构具体是曲柄23、摇杆22和滑块21的铰接，摇杆22和曲柄23、摇杆22和滑块21两两铰接，曲柄滑块机构的曲柄23与机架29铰接在一起，滑块21安装在机架29上，滑块21上方配以导向杆，导向杆上安放弹簧20，曲柄23通过外配电机实现转动；这样滑块21上方的弹簧20就可以通过滑块21的上下移动实现对活塞19的往复循环推动；当活塞19通过自重下移的时候，可以通过调节摇杆22的尺寸来实现弹簧20的位置，从而实现对活塞19的向上扰动，这样通过扰动环18和曲柄滑块机构、弹簧20就可以实现对活塞19的向上或向下的扰动。

参见图1，一种破碎岩石扰动渗流特性测试系统，主要由上述渗流仪4、检测系统、供水系统、液压伺服系统及排水系统组成，供水系统提供给液压伺服系统中的双作用液压缸10水源，伺服液压系统通过双作用液压缸10提供给渗流仪4一端稳定流水，渗流仪4的另一端连接排水系统及检测系统。

其中，所述的检测系统包括流量传感器3、压力传感器13、数据采集卡16和电脑17，流量传感器3安装在排水管2上，测试通过流量计实时水流；压力传感器13安装在双作用液压缸10上，可以测量双作用液压缸10中油压，从而获得双作用液压缸10中的水压；流量传感器3和压力传感器13都通过数据采集卡16连接至电脑17。

实施例中，所述的供水系统主要由清水桶5、水泵、高压阀A7、高压阀B8和高压阀C9构成，清水桶5依次连接水泵和高压阀A7，进而再分两路，分别通过高压阀B8连接伺服系统的双作用液压缸10和通过高压阀C9经由进水口25连通至渗流仪。使用时，首先通过关闭高压阀C9，打开高压阀A7和高压阀B8，开动水泵，这样清水通过清水桶5、过滤器、水管和高压阀A7、高压阀B8流进双作用液压缸10的一端；然后关闭高压阀A7和高压阀B8打开高压阀C9，这样伺服系统的压力会把水通过水管、高压阀C9经由进水口25压入渗流仪4。

在本实施例中，所述的液压伺服系统主要由依次连接的双作用液压缸10、伺服阀11、伺服泵站12、伺服控制器14和伺服放大器15构成，最终伺服放大器15连接到电脑17。通过压力传感器13和伺服控制器14及电脑17等实现对双作用液压缸10的压力精确控制。

实施例中，所述的排水系统由污水桶1和排水管2构成，渗流仪4的出水口31经排水管连通到污水桶1。

本发明通过压力传感器13和伺服控制器14及电脑17等实现对双作用液压缸10的压力精确控制；其次，通过流量传感器3、压力变送器、数据采集卡16及电脑17实现数据的精确、实时采集，提高了数据精确度与可靠度；再而，可以通过手动扰动环18，实现扰动状态下的压力、流量监测；还可以通过外配的电机带动曲柄，经由曲柄、摇杆22、滑块21、弹簧20传递到活塞19，实现另一种扰动测试，操作灵活，简单方便。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。