本发明涉及一种针对中国西部浅埋深、薄基岩、厚风积沙矿区遇到的突水溃沙灾害问题的试验模拟装置，尤其是一种可持续供给水沙的破碎岩体突水溃沙模拟实验装置，适用于流固二相混合流体渗流问题的研究。
背景技术：
随着我国东部煤矿资源的逐渐减少，国家已经将煤炭资源开发重心逐步向西部转移，西部煤炭资源的大规模合理开发是保障我国长期能源供应的迫切需要。我国西部大多是干旱半干旱的水资源匮乏地区，年均降水量在 400mm 以下，生态环境极易遭到人类活动的破坏。而且，西部矿区煤层在覆岩结构上，总体具有煤层埋深浅、基岩比较薄、上覆厚风积砂的特征，在井下开采矿产资源时，裂隙或小断层导通富水且因风化等原因失去抗剪性的砂（沙）体，砂（沙）体原有平衡被打破，在重力作用下，水沙流加速流入井下，直至淹井，即发生工作面顶板突水溃砂，频繁发生的突水溃砂灾害，严重影响了煤矿安全，破坏了环境，造成了巨大的经济损失。
采动破碎岩体的突水溃沙灾害的特点如下：（1）采动破碎岩体具有较大的孔隙率，渗流系数较大；（2）采动破碎岩体具有空间网状孔隙架构，孔隙形状复杂，大小各异；（3）破碎岩体中，单相流体的渗流特性与破碎岩体孔隙度有关，而沙粒在其中运移时，受到孔隙结构的影响较大；（4）当只有沙粒在而没有水的情况下，沙粒几乎是无法通过破碎岩体的。（5）水沙混合流体在破碎岩体中运移时，水是认为完全通过破碎岩体，然而由于破碎岩体内孔隙结构是空间网络孔隙结构，对沙粒具有一定的过滤、阻隔作用，流出破碎岩体的沙粒质量一般会小于流入破碎岩体的沙粒质量。
在此背景下进行采动破碎岩体非线性渗流及水沙两相流渗流实验研究，分析采动破碎岩体的渗透特性、突水溃沙通道的形成机理以及非线性渗流的动力学特征，给出渗流失稳判据，为防治西部矿区高强度开采突水溃沙灾害和保护提供理论基础。
现有的相关试验设备方法及其存在的技术问题不足如下：
1.中国专利CN201610335382.2公开的一种破碎岩体水沙渗流实验系统，包括：水沙混合装置、破碎岩体实验装置、岩体加载组件和数据采集装置；该系统简单合理、装配使用方便、密封性能好、能反映破碎岩体在突水溃沙情况下的水沙混合物渗流量。
2.中国专利CN201610483297.0公开的一种突水溃沙模拟实验装置。该装置包括实验箱、第一钢板、第一运动钢板和第一控制机构；通过控制第一运动钢板的运动量来实现控制渗流通道完全关闭至完全开启这一范围内任意调节渗流通道的开启大小；该装置方便了实验员对不同大小的渗流情进行模拟。
上述两个专利虽然都解决了特定的问题，但是仍然具有局限性。它们都是将沙粒预置于固定容积的内筒或者试验箱的腔体内，受制于容腔的固有尺寸，沙粒的数量受到限制，试验中无法持续给沙，难以模拟大量沙粒在水流作用下形成的水沙混合流体在破碎岩体中渗流的情况。
特别是CN201610335382.2公开的一种破碎岩体水沙渗流实验系统，从系统侧面供给水沙混合流体。注水口面积分布过大，与流体出口连线的几何形状不规则，垂直于等效流向截面面积不是处处相等，渗流路径各处流速不相同，难以进行求解。且当导流口径过小时，导流口通透流体能力低于破碎岩体。所测数据不能再反映破碎岩体渗流特性，这时影响最终渗透率的将不再是破碎岩体的渗透特性，研究方向便实质性的变成了裂隙岩体，导致试验失败。
其次，水沙是从筒体的侧部进入岩体进行渗流试验的，根据采动破碎岩体的突水溃沙灾害的特点以及自上而下的水沙渗流过程可见，水沙从侧部进入无法模拟真实的破碎岩体突水溃沙时的采动破碎岩体的渗透特性、突水溃沙通道的形成机理以及非线性渗流的动力学特征；上述两点不合理之处均将导致试验失败。
再者，CN201610483297.0公开的一种突水溃沙模拟实验装置，是通过上下导流口的交错面积大小来获得不同的水（沙）流量，与CN201610335382.2专利存在缺点相同，当导流口径过小时，导流口通透流体能力低于破碎岩体。所测数据不能再反映破碎岩体渗流特性。这时影响最终渗透率的将不再是破碎岩体的渗透特性，研究方向便实质性的变成了裂隙岩体，导致试验失败。
3. 中国专利CN201610203660.9公开的一种用于破碎岩石水砂两相渗流的试验装置，其包括可持续多途径加砂装置，可持续多途径加砂装置包括一条加砂干路、多条加砂支路以及多个加砂口；多条加砂支路并联并汇聚于加砂干路，加砂干路靠近渗透仪的部分与渗透仪连接，加砂干路远离渗透仪的部分设置有第四截止阀，每条加砂支路均设置有一个加砂截止阀，每条加砂支路各与一个加砂口连通；上述加砂支路包括第一加砂支路、第二加砂支路和第三加砂支路，加砂口包括第一加砂口和第二加砂口；第一加砂口设置于自动加砂装置上并位于第一加砂支路上，自动加砂装置为第一振动筛；第二加砂支路和第三加砂支路均与第二加砂口连通。
上述可持续多途径加砂装置为液压控制，结构复杂，故障率高，维护成本高，沙子和水分别从上方和下方进入渗透仪，混合性差，难以获得均匀水砂流体，浓度估算误差较大，模拟真实度不佳，试验效果差。
技术实现要素：
为了克服现有设备不能持续供沙的不足，本发明提供一种可持续供给水沙的破碎岩体突水溃沙模拟实验装置，该实验装置在试验中持续给沙，能够模拟大量沙粒在水流作用下形成的水沙混合流体在破碎岩体中渗流的情况，可提高试验准确度和试验效果。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种可持续供给水沙的破碎岩体突水溃沙模拟实验装置，主要由顶座、渗透主缸筒和活塞构成，渗透主缸筒为圆环形套筒，顶座与活塞分别位于渗透主缸筒的上下两端，渗透主缸筒固连在顶座上，活塞安装在渗透主缸筒的下端内部所述顶座内部具有一个加水通道，加水通道的进水口位于顶座外部并连接水流供给与测量装置，加水通道的出水口位于顶座的中心部位并开口向下通向渗透主缸筒；在所述渗透主缸筒内部由上至下分别设有承压圆环、多孔透水板和破碎岩体，承压圆环、多孔透水板和破碎岩体上下相连并均紧靠渗透主缸筒内壁设置，破碎岩体向下又与活塞相接触，渗透主缸筒靠近上端口的位置具有两个注沙管道，两个注沙管道对称于出水口两侧布置，注沙管道沿渗透主缸筒径向插入并伸向靠近渗透主缸筒中心的位置，注沙管道的出沙口弯曲向下，注沙管道的进沙口在外部连接有可调控直流推杆电机，可调控直流推杆电机连接的注沙推板紧贴注沙管道内壁安装，在可调控直流推杆电机和出沙口之间于渗透主缸筒外部安装有注沙管道阀门；所述多孔透水板为多孔的透水圆板，其上孔的孔径远远大于风积沙的平均粒径，同时略小于试验用的破碎岩体的粒径；所述活塞的顶部加工有多个孔洞，孔洞的孔径远远大于风积沙的平均粒径，同时略小于试验用的破碎岩体的粒径，活塞具有中空内腔，活塞在位于下部的外壁上开设有若干个水沙出口。
相比现有技术，本发明的一种可持续供给水沙的破碎岩体突水溃沙模拟实验装置，其从上部的顶座往渗透主缸筒内加水，在顶座下方的渗透主缸筒上方侧部通过注沙管道注沙，水和沙子均先进入承压圆环的腔体中混合，水和沙子的加注方向在垂直空间以及水平空间均交错分布，水沙混合效果好，由于进水口连接水流供给与测量装置，可测出所加水的流速与用量，而注沙管道又可以通过可调控直流推杆电机来控制注入沙子的加入量和注入速度，由此可模拟不同水沙比例和流速的溃沙情况，同时破碎岩体放置于渗透主缸筒中下部，处于多孔透水板与活塞之间，破碎岩体在多孔透水板和活塞的直接作用下被压缩至特定的孔隙率，从而模拟出不同状态的破碎岩体；特别是，在实验时除了出沙口外，注沙管道的其他地方处处封闭，注沙管道出沙口弯曲向下，通过气压与重力的作用使水流不会从出沙口回流到注沙管道中，注沙管道有两个，可以轮流使用，不使用的那个注沙管道可以使用注沙管道阀门进行关闭，然后该注沙管道进行沙粒重新填装，于此同时另一个注沙管道开始工作，两个注沙管道轮流使用，以保证供沙的连续性，能够模拟大量沙粒在水流作用下形成的水沙混合流体在破碎岩体中渗流的情况，大大提高了试验准确度和试验效果；接着，水沙混合物从承压圆环中经过多孔透水板进入破碎岩体，再经活塞排出收集，这样就可以分别测量试验后水和沙的质量，通过与前面注入水沙的质量进行比对，得出留在破损岩体中水沙的质量，最后得出结论，为西部矿区高强度开采突水溃沙灾害预测和保护提供理论基础；其中的多孔透水板和活塞上的多个孔洞，因为孔及孔洞的直径远远大于风积沙的平均粒径，同时略小于试验用的破碎岩体的粒径，所以能够只透水沙而不让破碎岩体通过，还能使水沙混合物更加均匀，保障了实验的真实、高效、准确。
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是本发明一实施例的结构示意图。
图中，1、加水通道，2、螺栓，3、进水口，4、水流供给与测量装置，5、注沙管道，6、注沙推板，7、注沙管道阀门，8、承压圆环，9、A空间，10、B空间，11、多孔透水板，12、渗透主缸筒，13、中空内腔，14、水沙出口，15、凹槽，16、水沙收集托盘，17、水收集口，18、凸缘，19、活塞，20、孔洞，21、破碎岩体，22、孔，23、叶轮支架，24、叶轮，25、出沙口，26、可调控直流推杆电机，27、出水口，28、顶座。
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作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示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图中的一种可持续供给水沙的破碎岩体突水溃沙模拟实验装置，主要由顶座28、渗透主缸筒12和活塞19构成，渗透主缸筒12为圆环形套筒，顶座28与活塞19分别位于渗透主缸筒12的上下两端，渗透主缸筒12固连在顶座28上，渗透主缸筒12与顶座28之间的固连结构例如可以是在所述渗透主缸筒12的上端部设有连接凸台，连接凸台和顶座28在相应位置上都均布有若干个连接孔，通过螺栓2于连接孔处将渗透主缸筒12与顶座28固连，活塞19安装在渗透主缸筒12的下端内部，为了提高渗透主缸体实验所需的密闭效果，可以在所述顶座28和渗透主缸连接处的顶座28上还加工有圆环形凹槽，其中放入O形橡胶圈，顶座28和渗透主缸筒12之间通过O形橡胶圈密封连接。
本实施例中所述顶座28内部具有一个加水通道1，加水通道1的进水口3位于顶座28外部并连接水流供给与测量装置4，加水通道1的出水口27位于顶座28的中心部位并开口向下通向渗透主缸筒12；水流供给与测量装置4通常包括泵机、流量计和压力传感器，使用泵机提供具有一定压力的水流，通过流量计和压力传感器来计量出水的使用量和压力的大小。优选地，所述加水通道1的出水口27为多个，出水口27由顶座28的中心部位向外均匀对称排布，出水口27位于进沙口的上部，出水口27的连线与进沙口连线垂直交错。当出水口27数量较多时，有利于减少水压的损失，但加水通道1的出水口27的数量及具体位置间隔可以根据实际情况选设。
实施例中的渗透主缸筒12内部由上至下分别设有承压圆环8、多孔透水板11和破碎岩体21，承压圆环8、多孔透水板11和破碎岩体21上下相连并均紧靠渗透主缸筒12内壁设置，破碎岩体21向下又与活塞19相接触，渗透主缸筒12靠近上端口的位置具有两个注沙管道5，两个注沙管道5对称于出水口27两侧布置，注沙管道5沿渗透主缸筒12径向插入并伸向靠近渗透主缸筒12中心的位置，注沙管道5的出沙口25弯曲向下，注沙管道5的进沙口在外部连接有可调控直流推杆电机26，可调控直流推杆电机26连接的注沙推板6紧贴注沙管道5内壁安装，在可调控直流推杆电机26和出沙口25之间于渗透主缸筒12外部安装有注沙管道阀门7；通过可调控直流推杆电机26来控制注入沙子的量和速度，而且两个注沙管道5分别使用，在一个注沙管道5完成注沙后,可以紧接由另一注沙管道5注沙，这样就实现了连续注沙，使实验可以连续进行， 注沙管道5的使用过程是,在不进行注沙的不使用状态，关闭注沙管道阀门7，然后将注沙推板6一侧拆卸下来，从该端口向里面填沙，填沙完毕将可调控直流推杆电机26及注沙推板6安装在进沙口，沙子储存在注沙管道阀门与注沙推板6之间的管道内，用于储存沙子的该截管道的长度可以根据实际需要制作，需要注沙时再打开注沙管道阀门7，由可调控直流推杆电机26带动注沙推板6将沙粒通过出沙口25注入渗透主缸筒12；可见，在实验时除了出沙口25外，注沙管道5的其他地方处处封闭，在注沙实验时，注沙管道5的气压会一直大于渗透主缸筒12的气压，所以不会把渗透主缸筒12内的水回流到注沙管道5，即使在不使用状态，注沙管道5也会先把注沙管道阀门7拧紧关闭，所以注沙管道5里面的气压还是会大于渗透主缸筒12的气压，同样水也不会回流，所以在气压与重力的作用下，水流不会从出沙口25回流到注沙管道5中，很好的保障了实验的高质有效进行。
实施例中所述多孔透水板11为多孔的透水圆板，其上孔22的孔径远远大于风积沙的平均粒径，同时略小于试验用的破碎岩体21的粒径；多孔透水板11的孔径设计能够保证多孔透水板11能够自由的通透水流和沙粒，而不能使破碎岩体21透过；而多孔透水板11的设计还可以使水沙的混合流体流过多孔透水板11后变得更加均匀；由于多孔透水板11上面连接承压圆环8，下面连接破碎岩体21，所以多孔透水板11还承担将轴力传递给破碎岩体21的任务。
活塞19的顶部加工有多个孔洞20，孔洞20的孔径远远大于风积沙的平均粒径，同时略小于试验用的破碎岩体21的粒径，活塞19具有中空内腔13，活塞19在位于下部的外壁上开设有若干个水沙出口14。孔洞20用于水沙通过，而限制破碎岩体21的通过，水沙通过孔洞20进入中空内腔13，然后再经过水沙出口14排出，进行后续的收集和测量，水沙出口14的数量、位置及形状不限，可以是任意形状，例如可以是矩形，优选地水沙出口14均布在活塞19的外壁上设置，利于均匀快速地排出水沙；活塞19位于渗透主缸筒12下部，在压力机的作用下，活塞19移动，可将破碎岩体21压缩到指定的孔隙率（，式中：，m为破碎岩体21的质量，ρ为破碎岩体21密度，r为渗透主缸筒12半径，h为破碎岩体21空腔高度）或给破碎岩体21施加指定大小的轴力，活塞19设计为中空内腔13结构，可以大量降低设备的重量，方便试验的进行。
优选地，所述多孔透水板11为均匀多孔的透水圆板，所述活塞19的顶部也加工有均布的多个孔洞20。使多孔透水板11和活塞19的使用效果更佳。
作为本实施例的一种进一步优化设计，承压圆环8还包括一个叶轮24，叶轮24通过叶轮支架23安装在承压圆环8内部并位于承压圆环8中心轴线上，叶轮24朝向出水口27和出沙口25布置，叶轮24将承压圆环的腔体分割成A空间9和B空间10。水流和沙粒通过各种的通道注入承压圆环8的A空间9内，初步混合形成“初步混合流体”，“初步混合流体”再流进承压圆环8中的叶轮，经过叶轮24的搅拌形成“较为均匀的混合流体”，这样可以增加试验精度，A空间9“较为均匀的混合流体”落入B空间10后再经过多孔透水板11慢慢进入破碎岩体21。其中的叶轮支架23的具体结构不作限定，可以采用常规的各种结构形式，例如可以是若干个杆件连接组成，还可以就是一个杆件，在叶轮支架23的中心通常设置一个叶轮轴；叶轮24在安装时根据实际效果需要可设定一定的角度，在水流作用下可自由转动的效果最佳，且无需额外的动力，叶轮24的使用寿命也长。
将一定质量的破碎岩样（或者岩体）放入渗透主缸筒12内，安装上活塞19、多孔透水板11以及承压圆环8和顶座28，并将实验装置安放在压力机上，由于渗透主缸筒12上下两端分别为顶座28与活塞19，通过压力机施加特定大小的轴力，活塞19在轴力的作用下运动，对破碎岩体21产生压力，从而可以试验破碎岩体21的流变特性。
顶座28中的进水口3连接水流供给与测量装置4，水流供给与测量装置4将水以某一水压压入顶座28且能测出水的流速与用量，从顶座28中的出水口27流出顶座28，然后进入承压圆环8的腔体，同时注沙管道5中存放一定质量的沙粒，因为风积沙具有较好的流动性，在可调控直流推杆电机26的作用下，沙粒以一定的速率（克/秒）被压入承压圆环8的腔体中，沙粒与水流初步形成混合流体，设顶座28进水口3的单位时间流量为Q（升/秒），注沙速率为v（克/秒），则“初步混合流体”的浓度为：
n=Q/v
式中：n为水沙混合物的浓度，单位为克/升。
水沙从活塞19中流出后可以对其进行收集，并测量水沙的流出量，而收集及测量的设备装置不限，常规的仪器设备均能实现，作为一种可行的方案是，参见图1，所述破碎岩体突水溃沙模拟实验装置的活塞19下端面放置在一个水沙收集托盘16中，活塞19的底部在周边形成有凸缘18，在水沙收集托盘16中部具有与凸缘18相匹配的凹槽15，活塞19通过凸缘18、凹槽15与水沙收集托盘16固连，水沙收集托盘16的下部具有一个水收集口17，在水收集口17处设有沙子过滤网，水收集口17外连一个收集水容器。水沙混合物通过破碎岩体21与多孔透水板11进入活塞19，然后进入水沙收集托盘16，水可以通过水沙出口14收集，沙子留在水沙收集托盘16中，当关闭水收集口17时，还可以在水沙收集托盘16中获得水沙混合物。这样可以测量水沙混合物渗过破碎岩体21后的质量，也可以分别得到水和沙的质量，这样通过前后质量的比值得出结论。
作为试验设备主体容器，渗透主缸筒12的形状通常设为圆形，与之配套的顶座28、多孔透水板11及活塞19也具有一致的外形，这样结构易于加工安装，配合紧凑，但不局限于此，渗透主缸筒12以及顶座28、多孔透水板11、活塞19的形状还可以是方形、多边形、椭圆形等。
作为本实施例的进一步变形结构，还可以是将渗透主缸筒12靠近上端口的位置的注沙管道5设为多个，多个注沙管道5对称于出水口27两侧布置，当出水口27为多个时，注沙管道5以出水口27的连线为对称轴分成两组分布，每个注沙管道5依然沿渗透主缸筒12径向插入并伸向靠近渗透主缸筒12中心的位置，注沙管道5的出沙口25弯曲向下，注沙管道5的进沙口在外部连接有可调控直流推杆电机26，可调控直流推杆电机26连接的注沙推板6紧贴注沙管道5内壁安装，在可调控直流推杆电机26和出沙口25之间于渗透主缸筒12外部安装有注沙管道阀门7；通过调控不同注沙管道5（保持至少一个注沙管道5在作业）的运行顺序来实现连续供沙。
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，对以上实施例所作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。