一种测试模拟松散地层透水性能的试验装置的制作方法

本发明涉及深部矿井地下水地层的渗流特性与集聚效应研究技术领域，提出了一种测试模拟松散地层透水性能的试验装置。

背景技术：

煤炭资源开发进入深部以后，地质构造愈来愈复杂。并且将会有越来越多不同种类的地质构造出现在深部开采地层中。但是，对于地质构造对地下矿井建设生产的影响，尚未有人涉猎。当一般均质地下水地层中夹杂有其他地质构造时，就其宏观角度而言，其他地质构造的存在会以“穿层”的形式贯穿于矿井地下水地层，会极大地降低矿井地下水地层的均质性和稳定性。就其微观角度而言，地质构造的存在会大大地改变地下水地层的原生结构，进而影响煤层内部水体地运移通道及方式，当水体运移受阻且产生局部集聚时，会造成此部分岩体所承水压增大，严重的会引发底板突水等煤岩动力灾害。

换一种角度而言，如果我们能够通过系统研究将此类影响充分利用起来，将型地质构造的集聚作用成功的应用于矿井地下水库建设，不仅可以极大地缓解我国煤矿开采水资源匮乏的现状，还可以填补该领域关于地质构造对矿井地下生产建设研究的不足。因此，研发一种可以测试不同透水压力下、不同地层试样形态、内部构造和物理性质条件下模拟松散地层的透水性能试验装置，开展相似模拟试验，探讨多因素耦合作用下矿井地下水地层的渗流特性和集聚效应研究，可以同时为科学防治煤矿水害和水资源利用两方面提供一定的理论依据和现场指导。

技术实现要素：

本发明的目的在于基于相似理论，提供一种多种变量条件下矿井地下水地层的渗流特性和集聚效应研究的试验装置，提供的装置可实现对不同透水压力下、不同地层试样形态、内部构造和物理性质条件下模拟松散地层的透水性能试验测试。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种测试模拟松散地层透水性能的试验装置，包括整体支架系统、试样支架系统、密封系统、加压装置、储水及输水装置、试样承载装置、称重装置；所述整体支架系统由支架上顶、支架底座和支架竖向支柱组成；所述试样支架系统是由试样腔体竖向支柱、试样腔体横向支柱组成。

所述密封系统包括活塞密封圈、移动活塞加压式储水槽与试样腔体上覆盖密封圈、试样腔体上覆盖与圆形试样腔体密封圈，主要用来实现在实验加压过程中，各连接部位的密封不透水性，其中所述各部位密封圈均由固定螺纹和密封胶组成。

所述加压装置包括千斤顶油缸、千斤顶顶升；所述千斤顶油缸通过配套液压泵给压，实现千斤顶顶升的升起和降落，并通过配套压力表实时观测所给压力；所述千斤顶顶升通过活塞密封圈与储水槽移动活塞连接。

所述储水及输水装置包括移动活塞加压式储水槽、圆形试样腔体上覆盖。所述移动活塞加压式储水槽包括移动活塞、储水槽、储水腔体、活塞密封圈。其中，移动活塞部位通过活塞密封圈与千斤顶顶升连接，通过移动活塞的上下运动实现对试样加水压，储水槽底部通过圆形试样腔体上覆盖与储水槽密封圈与圆形试样腔体上覆盖连接；所述圆形试样腔体上覆盖包括进水通道、试样腔体上覆盖与腔体密封圈、平水槽和试样上覆盖底部筛网组成，其中，圆形试样腔体上覆盖通过样腔体上覆盖与腔体密封圈与试样腔体连接，平水槽和上覆盖底部透水筛网主要实现模拟地层试样上部各处所受水压均匀。

所述试样承载装置包括圆形试样腔体、可抽取式方形试样罐和支架与腔体固定栓。所述支架与腔体固定栓用来配合试样支架系统使圆形试样腔体的稳固，所述圆形试样腔体主要用来实现对方形试样罐的加持稳定作用，所述可抽取式方形试样罐包括四周高刚强度钢板和钢制方形底部透水筛网，其中模拟地层试样与试样罐四周接触部位和顶部需用密封胶进行密封，来保证防止水从试样罐四周泄露。

所述称重装置包括方形托盘、亲水活性炭、称重天平和标准方形刚体底座。所述亲水活性炭用来接收和充分吸收从试样透过的水量，所述称重天平用来通过观测其示数的变化来实现监测透水量和透水速率的变化，所述标准方形刚体底座主要用来保证称重天平处于水平平稳状态。

本发明的有益效果：

1、本发明可开展深部矿井地下水地层渗透特性相似模拟试验，同时可实现对不同透水压力下、不同地层试样形态、内部构造和物理性质条件下模拟松散地层的渗透特性试验测试。

2、本发明可开展深部矿井地下水地层的集聚效应相似模拟，同时可实现对不同透水压力下、不同内部构造条件下模拟松散地层对地下水的集聚效应试验测试。

3、本发明设计装置各部件易于制作，结构简单，可实时监测多因素影响下地下水地层内部输水方式和输水通道的变化。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的移动活塞加压式储水槽的正视图；

图3是本发明的圆形试样腔体上覆盖的正视图、俯视图和仰视图；

图4是本发明的可抽取式方形试样罐的正视图；

图中：1—支架上顶；2—支架竖向支柱；3—支架底座；4—圆形试样腔体竖向支柱；5—千斤顶油缸；6—移动活塞；7—移动活塞加压式储水槽；8—圆形试样腔体；9—可抽取式方形式样罐；10—标准方形刚体垫层；11—托盘天平；12—方形托盘；13—亲水活性炭；14—圆形试样腔体横向支架；15—支架与腔体固定栓；16—圆形试样腔体上覆盖；17—可抽取式方形试样罐底部透水筛网；18—圆形试样腔体上覆盖与储水槽密封圈；19—试样腔体上覆盖与腔体密封圈；20—千斤顶顶升；21—活塞密封圈；22—储水腔；23—密封胶；24—平水槽；25—试样上覆盖底部筛网；26进水通道。

具体实施方式

下面结合附图，进一步详细说明本专利的具体实施方式。

如图1～4所示，一种测试模拟松散地层透水性能的试验装置，该装置包括整体支架系统、试样支架系统、密封系统、加压装置、储水及输水装置、试样承载装置、称重装置；其中，整体支架系统包括支架上顶1，支架竖向支柱2和支架底座3，共同构成了整体试验系统的支撑框架；将事先制作好的标准模拟地下水地层试样(尺寸70mm×70mm×100mm)放置于可抽取式方形试样罐9中，模拟地层试样与可抽取式方形试样罐9接触的四周及上方用密封胶23密封保证其不透水性，将装配好模拟地层试样的可抽取式方形试样罐9放置于圆形试样腔体8中，并在其上方加盖圆形试样腔体上覆盖16，最后用圆形试样腔体横向支架14、圆形试样腔体竖向支柱4和支架与腔体固定栓15对圆形试样腔体8进行稳定加固。

所述储水及输水装置包括移动活塞加压式储水槽7、圆形试样腔体上覆盖16。其中，圆形试样腔体上覆盖16顶部通过圆形试样腔体上覆盖与储水槽密封圈18与移动活塞加压式储水槽7连接，底部通过试样腔体上覆盖与腔体密封圈19与圆形试样腔体8连接，平水槽24通过进水通道26与储水腔22连接，并配合试样上覆盖底部筛网25使模拟地层试样顶部各部受压均匀。

所述加压装置包括千斤顶油缸5、千斤顶顶升20；所述千斤顶顶升20通过活塞密封圈21与移动活塞6连接，通过千斤顶顶升20来带动移动活塞6的上下移动来给储水腔22中的水施加压。所述千斤顶油缸5倒向放置，通过配套液压泵给压，实现千斤顶顶升20的升起和降落，并通过配套压力表实时观测所给压力条件。

所述称重装置包括方形托盘12、亲水活性炭13、称重天平11和标准方形刚体底座10。所述亲水活性炭13平铺于方形托盘12，并保持其表面平整，用来接收和充分吸收从可抽取式方形试样罐底部透水筛网17透过的水量，所述称重天平11放置于标准方形刚体底座10上，保持其整体水平，通过观测其示数的变化来实现监测透水量和透水速率的变化，所述标准方形刚体底座10放置于支架底座3上，主要用来保证称重天平11处于水平平稳状态。

一种测试模拟松散地层透水性能的试验装置，试验方法具体包括如下步骤：

a.试样装备

将事先制作好的标准模拟地下水地层试样(尺寸70mm×70mm×100mm)放置于可抽取式方形试样罐中，利用密封胶将模拟地层试样与可抽取式方形试样罐接触的四周及上方密封保证其不透水性，将装配好模拟地层试样的可抽取式方形试样罐放置于圆形试样腔体，并在其上方加盖圆形试样腔体上覆盖，最后利用试样支架系统对圆形试样腔体进行稳定加固。

b.称重装置安装

标准方形刚体底座平稳的放置于支架底座，在其上方放置称重天平，亲水活性炭平铺于方形托盘，并将其平稳的放置于称重天平上，保持整套称重装置平稳且正对圆形试样腔体中心位置；

c.储水及输水装置安装

利用圆形试样腔体上覆盖与储水槽密封圈将圆形试样腔体上覆盖与已装好水的移动活塞加压式储水槽连接。

d.加压装置安装

千斤顶油缸倒向放置并利用活塞密封圈将千斤顶顶升与移动活塞连接，通过配套液压泵给压，实现千斤顶顶升的升起和降落，并通过配套压力表实时观测所给压力条件。

e.密封性检测

利用亲水测试试纸粘贴于各密封圈处，按动液压泵对储水腔里水体施加一定压力，保持一段时间，观测亲水测试试纸颜色变化，来检验试验装置的密封性。

f.数据监测

对检测好密封性的整体试验装置利用加压装置进行加压，观测称重天平示数变化并记录。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，如试样岩性(例如煤体)、改变渗透液体材料等，均应包含在本发明的保护范围之内。