一种模拟渗流‑振动作用下的动水携砂实验装置及方法与流程

技术领域

本发明属于煤矿露天开采技术领域，具体涉及一种模拟渗流-振动作用下的动水携砂实验装置及方法。

背景技术：

我国内蒙古地区及西北地区的露天矿开采过程中，面临大量薄基岩上覆含水厚砂层地质条件的复合边坡，由于受高水头差影响，砂层内的细小砂粒在水力梯度形成的渗流力及露天边坡周边车辆荷载、矿震、爆破等振动作用下，在砂粒孔隙所形成的渗流通道内运移，形成水-砂两相流被渐进携出坡外，堆积于地表，该过程导致露天边坡内部的孔隙率逐渐增大，形成大面积的孔洞，内部发生潜蚀，砂土抗剪强度指标显著下降，甚至造成边坡的破坏失稳，危机周边安全及生产。

这一类由于动水携砂过程所造成的灾害是露天矿山开采中所面临的普遍难题，其致灾机理又区别于流土（砂）、管涌和地下矿山开采中的突水溃砂灾害。

该过程与孔隙水压力作用下砂层的砂层内部结构的动态演化过程及砂层内孔隙连通与闭合所形成的渗流路径密切相关；与砂层的浸润特性密切相关；与水-砂两相流的运移轨迹密切相关；与砂层的各向异性动水携砂特性密切相关。因此，砂层的浸润特性及动水携砂特性、砂层内部结构随孔隙水压的动态演化规律、水-砂两相流的运移轨迹规律是揭示动水携砂现象致灾机理的关键问题和难点，对于与其相关的各类地质灾害的防治和工程问题的解决都具有重要的意义。

目前关于动水携砂的实验装置相对较少，主要集中在管涌、矿山突水溃砂等方面，关于砂层内部结构及渗流路径观测，砂层的浸润特性及动水携砂特性相关参数的获取相对较困难，还需进一步完善，尤其针对露天矿复合边坡高水头差及振动作用影响下的动水携砂过程研究尚未展开，发生动水携砂过程后的砂层内部结构、各向异性动水携砂特性、运移路径，砂层内部结构及渗流路径动态演化过程的研究有待深入。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种模拟渗流-振动作用下的动水携砂实验装置及方法，目的是通过在实验室内模拟高水头差及振动作用下的，地下水位升降、雨水入渗等注水条件下的动水携砂过程，获取相关各向异性出水量及携砂量的动水携砂相关参数，及浸润线分布规律，观测砂层内部结构及渗流路径动态演化与水-砂运移过程，从而揭示砂层内部结构特征、孔隙内水-砂两相流运移规律及其浸润线分布特性。

实现本发明目的的模拟渗流-振动作用下的动水携砂实验装置包括注水系统、振动控制系统、实验砂箱、集水系统和观测及数据采集系统；

其中所述的注水系统包括贮水箱、稳压阀、流量表和流速表，贮水箱底部设有两条并联的软管，其中一条软管上安装有稳压阀、流量表、流速表和若干个喷头作为降雨模拟装置，另一条软管上安装有稳压阀、流量表和流速表，并与实验砂箱通过管件连接；

所述振动控制系统由振动台和实验砂箱支架组成；

所述的实验砂箱箱体采用透明材质，箱体外表面刻有毫米刻度，箱体的正面和侧面上等水平和垂直间距设置有不同直径的携砂孔，各携砂孔内壁均设有孔隙水压传感器，实验砂箱箱体通过管件与注水系统和集水系统相连；

所述的集水系统包括水-砂两相流处理装置、自吸式水泵，流量表和流速表，其中所述水-砂两相流处理装置由水-砂收集箱、透水板和水收集箱组成，水-砂收集箱底部放置透水板，透水板下方是水收集箱；水-砂收集箱通过软管与实验砂箱携砂孔连接，水收集箱通过不锈钢水管与自吸式水泵连接，不锈钢水管上设置有流量表和流速表，自吸式水泵另一端通过软管连接贮水箱；

所述的观测系统由实时高倍高速成像装置和支架组成，所述数据采集系统通过信号采集器与电脑连接，信号采集器与孔隙水压传感器连接。

其中，所述的振动台与实验砂箱支架用螺栓固定连接。

所述的管件是直径可变的软管，与携砂孔直径相匹配。

所述的携砂孔在不进行连接时在孔位安装有橡胶塞。

采用上述模拟渗流-振动作用下的动水携砂实验装置进行实验的方法按照以下步骤进行：

（1）制备实验砂箱内砂层材料：在煤矿开采露天边坡现场进行砂土取样，用水清洗样品，过滤掉细小粘性土颗粒及杂质，保留土样中的非粘性土颗粒，烘干至含水率为零，称量总干砂质量；

采用筛分法对干砂进行筛分，筛分并称量粒径范围大于2mm、2～0.5mm、0.5～0.25mm、0.25～0.075mm及小于0.075mm的砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂的质量，获得各粒径范围的砂样；

将筛分出的各粒径范围砂样按照不同比例配制成不同级配水平的砂样，分别测定砂样的干密度，并通过计算获得各砂样的不均匀系数及孔隙率n；

（2）实验砂箱内铺砂：铺砂前，先将实验砂箱壁上的全部携砂孔用相应孔径尺寸的橡胶塞封闭，开始铺砂，将实验方案选取的特定级配的砂样按不同露天边坡现场地貌条件，在实验砂箱内从底部向上均匀铺设形成呈实验方案设计坡度的自然边坡，最大铺砂厚度为实验砂箱高度的3/4，最小铺砂厚度为实验砂箱高度的1/4，砂层中间铺一层2mm厚的粒径小于0.075mm的彩砂，取出与砂样级配水平相对应的单个或多个不同孔径携砂孔位上的橡胶塞，并将相应的携砂孔与集水系统通过管件连接；

（3）注水：控制注水系统稳压阀的开闭，按实验设计注水量注水，模拟地下水位变化、降雨过程或二者同时进行，注水过程中，通过观测记录实验砂箱壁上的刻度标定砂层注水过程中浸润线动态分布规律和动态演化过程，采集浸润线分布，注水至实验设计水量后关闭稳压阀门；

（4）模拟动水携砂过程：打开与集水系统连接的阀门，直至携砂孔内的水-砂两相流连续流出至水-砂两相流处理装置，开始动水携砂过程，同时进行水-砂收集，启动振动控制系统，设置振动台的振动方向，调节相关振动参数，模拟不同类型振动条件，同时通过观测系统和数据采集系统观察砂层内部结构特征演变及水-砂两相流运移趋势，通过水-砂两相流处理装置进行水-砂分离后，全过程用秒表计时，待动水携砂过程结束后将水-砂两相流处理装置拆卸，将水-砂收集箱内的水砂混合物进行称量后烘干、计算出干砂量及含水量，并称量水收集箱内的水量后，统计最终的水、砂流出量；

（5）实验结果分析：通过每组实验方案设计中的注水量及获得的动水携砂过程中的水-砂流出量等相关参数，结合观测系统观察的砂层内部结构特征及水-砂运移规律，得到砂层内部结构的演化规律，和水-砂两相流运移的整体趋势，并结合动水携砂过程结束后砂层内部结构特征参数，分析动水携砂参数与水-砂两相流整体运移趋势间的作用机理；

（6）重复实验：选取其他级配的砂样，重复步骤（2）~（5），直至全部描述出包括全部级配的砂层内部的砂粒运移轨迹，并获得不同条件下砂层内部结构特征及动水携砂相关参数。

其中，所述的地下水位控制模拟注水是打开注水系统中与试验砂箱连接的稳压阀，控制以较小注水流速注水，每组实验按实验设计方案注水量注水。注水过程中按浸润高度分级进行，每级注水至浸润高度稳定后关闭稳压阀，标定砂层注水过程中的浸润线分布情况，通过正面观测获得的浸润区域的水平距离L与水浸润的高度H，再次打开稳压阀，重复以上步骤分级注入不同水量的水，关闭稳压阀。

所述的降雨模拟注水是打开降雨模拟装置上的稳压阀，通过控制注水流速来调节降雨强度，通过流量表控制设计实验降雨量，模拟大气降雨时雨水的入渗过程。

所述的振动参数包括振动方向、振动频率和振幅。

所述的不同类型振动条件包括矿震、爆破和车辆荷载。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

（1）本发明首次实现通过调节振动控制系统的相关振动控制参数，模拟矿震、爆破、车辆荷载等振动作用下水-砂两相流运移过程，使实验条件更加接近现场周围的实际环境。

（2）本发明设计的注水系统可通过内部、外部不同注水方式模拟地下水位变化过程、大气降雨过程及两者同时进行的过程，使实验条件更接近自然水环境的变化情况，同时可分别观测每种注水方式下的砂层内部浸润线分布规律。

（3）本发明通过在实验砂箱壁上的小间距，多孔径钻孔，可实现针对不同位置、不同携砂孔径条件下的单点及多点各向异性动水携砂过程观测和实验。

（4）本发明中的注水系统与集水系统内的水可实现循环使用，节约实验用水，提高实验效率。

本发明通过以上优点能够更加真实地反映露天矿复合边坡现场的实际水环境及振动条件下的动水携砂过程，观测松散砂层内部结构特征及水-砂两相流运移，获取各向异性动水携砂特性参数与浸润线分布规律，对于露天矿复合边坡开采安全及揭示动水携砂致灾机理具有指导意义。

附图说明

图1是本发明的模拟渗流-振动作用下的动水携砂实验装置结构图；

其中：1：贮水箱；2：稳压阀； 3：流量表； 4：流速表； 5：降雨模拟装置； 6：试验砂箱； 7：支架； 8：振动台； 9：阀门； 10：水-砂两相流处理装置； 11：自吸式水泵； 12：数据采集系统； 13：观测系统；

图2是图1中的试验砂箱示意图；

其中：61：携砂孔；

图3是图1中水-砂两相流处理装置示意图；

其中101：可拆卸水砂收集箱；102：透水板；103：水收集箱；

图4是本发明实施例的浸润线分布图；

图5是本发明实施例的水-砂整体移动趋势图。

具体实施方式

本发明实施例中采用的振动台型号为ZH/ZD-F；数据采集系统采用型号为ZKXT动静态数据采集系统；采用的实时高倍高速成像装置型号是OS10-4K。

本发明实施例的模拟渗流-振动作用下的动水携砂实验装置如图1~图3所示，包括注水系统、振动控制系统、实验砂箱、集水系统和观测及数据采集系统；

其中所述的注水系统包括贮水箱1、稳压阀2、流量表3和流速表4，贮水箱1底部设有两条并联的软管，其中一条软管上安装有稳压阀2、流量表3、流速表4和若干个喷头作为降雨模拟装置5，另一条软管上安装有稳压阀2、流量表3和流速表4，并与实验砂箱6连接；

所述振动控制系统由振动台8和实验砂箱支架7组成；

所述的实验砂箱6箱体采用透明材质，箱体外表面刻有毫米刻度，箱体的单侧正面及侧面上等水平和垂直间距设置有不同直径的携砂孔61，各携砂孔61内壁均设有孔隙水压传感器，实验砂箱6箱体通过管件与注水系统和集水系统相连；

所述的集水系统包括水-砂两相流处理装置10、自吸式水泵11，流量表3和流速表4，其中所述水-沙两相流处理装置10由水-砂收集箱101、透水板102和水收集箱103组成，水-砂收集箱101底部放置透水板102，透水板102下方是水收集箱103；水-砂收集箱101通过管件与实验砂箱携砂孔61连接，水收集箱103通过不锈钢水管与自吸式水泵11连接，不锈钢水管上设置有流量表3和流速表4，自吸式水泵11另一端通过管件连接贮水箱1；

所述的观测系统13由实时高倍高速成像装置和支架组成，所述数据采集系统12通过信号采集器与电脑连接，信号采集器与孔隙水压传感器连接。

其中，所述的振动台8与实验砂箱支架7用螺栓固定连接。

所述的管件是直径可变的软管，与携砂孔61直径相匹配。

本实施例采用上述模拟渗流-振动作用下的动水携砂实验装置进行实验的方法按照以下步骤进行：

（1）制备实验砂箱内砂层材料：本实施例在内蒙古伊敏露天矿现场对进行砂土取样，用水清洗样品，过滤掉细小粘性颗粒及杂质，保留砂土中的非粘性颗粒，烘干至含水率为零，称量总干砂质量；

采用筛分法对干砂进行筛分，筛分并称量粒径范围大于2mm、2～0.5mm、0.5～0.25mm、0.25～0.075mm及小于0.075mm的砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂的质量，获得各粒径范围的砂样；

选取粒径范围在0.25～0.075mm砂样，配制细度模数2.2～1.6均匀级配细砂10kg，测得干密度为1.7g/cm³，并通过计算获得各砂样的不均匀系数=4.2，孔隙率n=0.41；

（2）实验砂箱内铺砂：铺砂前，先将实验砂箱壁上的全部携砂孔用相应孔径尺寸的橡胶塞封闭，开始铺砂，将实验方案选取的粒径范围在0.25～0.075mm砂样，配制细度模数2.2～1.6均匀级配细砂，在实验砂箱内从底部向上均匀铺设形成呈一定坡度的自然边坡，最大铺砂厚度为实验砂箱高度的3/4，最小铺砂厚度为实验砂箱高度的1/2，砂层中间铺一层2mm厚的粒径小于0.075mm的彩砂，取出孔径4mm的携砂孔孔位上的橡胶塞，将携砂孔与集水系统通过管件连接；

（3）注水：控制注水系统稳压阀的开闭，进行地下水位控制模拟注水，打开注水系统中与试验砂箱连接的稳压阀，控制注水流速在0.1～0.2ml/s范围以较小流量注水，每组实验按实验设计方案中的不同注水量注水。注水过程中按浸润高度分级进行，每级注水至浸润高度稳定在1cm，关闭稳压阀，标定砂层注水过程中的浸润线分布情况，通过正面观测获得的浸润区域的水平距离L与水浸润的高度H，再次打开稳压阀，重复以上步骤分级注入不同水量的水，关闭稳压阀，得出浸润线分布情况，如图4所示，每组实验注水均独立进行；

（4）模拟动水携砂过程：打开与集水系统连接的阀门，直至携砂孔内的水-砂两相流连续流出至水-砂两相流处理装置，开始动水携砂过程，同时进行水-砂收集，启动振动控制系统，调整振动模式为正弦垂直方向振动，振动频率范围0.5～30hz，振幅5～20mm，模拟车辆振动荷载，同时通过观测系统和数据采集系统观察砂层内部结构特征演变及水-砂两相流运移趋势，通过水-砂两相流处理装置进行水-砂分离后，全过程用秒表计时，待动水携砂过程结束后将水-砂两相流处理装置拆卸，将水-砂收集箱内的水砂混合物进行称量后烘干、计算出干砂量及含水量，并称量水收集箱内的水量后，统计最终的水、砂流出量，如表1所示；

（5）实验结果分析：根据表1中获得的动水携砂过程中的水-砂流出量及注水量相关参数，结合观测系统观察的砂层内部结构特征及水-砂运移轨迹，对步骤（1）和步骤（4）的初始颗粒级配及动水携砂特性参数结果进行分析，得到砂层内部结构的演化规律，和如图5所示的水-砂运移整体趋势，可结合动水携砂过程结束后砂层内部结构特征参数，分析动水携砂参数与水-砂整体运移趋势间的相互关系和作用机理；

分析各向异性动水携砂参数出砂量、出水量及水砂总量与广义Lorenz方程（1）中控制参数间存在的对应关系，本实施例中揭示控制参数a4趋近于携出砂量与出水量的比值，而控制参数a5趋近于出水量与携出的水砂总量的比值。

（1）

（6）重复实验：选取其他级配的砂样，重复步骤（2）~（5），直至全部描述出包括全部级配的砂层内部的砂粒运移轨迹，并获得不同条件下砂层内部结构特征及动水携砂相关参数。