一种多介质渗透试验装置及其测试方法与流程

本发明涉及矿业工程技术领域，尤其涉及一种多介质渗透试验装置及其测试方法。

背景技术：

煤矿在孔隙含水层下开采，最大的水害威胁是孔隙含水层水(砂)通过导水裂隙带溃入采空区，导致灾害事故。安徽淮北煤田桃园煤矿1022综采工作面曾发生孔隙含水层突水溃砂事故，导致5人死亡，直接经济损失数千万元；淮北煤田祁东煤矿3₂22工作面曾发生孔隙含水层突水淹井事故，损失数亿元。

煤层开采通常在顶板覆岩中出现“三个带”：自下而上依次为冒落带、导水裂隙带和弯曲带。若孔隙含水层与导水裂隙带相连(附图1)，将会潜在突水溃砂威胁。但突水溃砂量及其历时变化、临界水力梯度或破坏水力梯度、突水溃砂灾害程度以及是否可控等，取决于很多因素，包括孔隙含水层的水头压力、颗粒组成、水理参数、导水裂隙宽度等，通常情况下，要在开采前做孔隙含水层下开采水砂渗透试验，定量研究孔隙介质(孔隙含水层)中水砂经过裂隙介质(导水裂隙带)再通过孔隙介质(冒落带)的流变性的诸多影响因素。

在工程上，关于介质渗透试验，多是测试单一介质(如砂样或粘性土样)的渗透系数，现有的装置有土样管渗透仪、70型渗透仪(包括改进的70型渗透仪)等。但对于多种介质互层的渗透试验装置，目前处于空白状态。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种多介质渗透试验装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种多介质渗透试验装置，包括试样筒，所述试样筒内从上到下依次分为砂砾样层、带裂隙的混凝土样层、碎石样层，所述碎石样层的底部设有滤板，所述滤板的下方设有盛水砂塑料桶，所述砂砾样层的顶部设有密封件，所述砂砾样层的底部、中间部、顶部分别连接有1号测压管、2号测压管、3号测压管，所述1号测压管、2号测压管、3号测压管的另一端均与坐标纸紧贴相连，所述砂砾样层的顶部通过导管连接有水箱，所述带裂隙的混凝土样层的裂隙区穿过有细铁丝，所述裂隙区的底部与顶部端面设有薄塑料皮，所述细铁丝的顶端连接薄塑料皮底端穿过滤板中央并拧成一股铁丝。

作为本发明的优选方式之一，还包括进水阀，所述进水阀设于水箱与试样筒之间。

作为本发明的优选方式之一，所述水箱为高度可调节的水箱且悬挂于墙上。

作为本发明的优选方式之一，所述砂砾样层模拟孔隙含水层，所述带裂隙的混凝土样层模拟导水裂隙带，所述碎石样层模拟冒落带。

作为本发明的优选方式之一，所述试样筒为钢质圆筒。

作为本发明的优选方式之一，还包括支撑结构与箍筋，所述支撑结构包括支架底座与支架立杆，所述支架底座上垂直相对设有一对支架立杆，每个所述支架立杆与支架底座之间设有加强筋保护支撑，所述试样筒外壁上焊接有箍筋，所述试样筒通过箍筋与支撑结构相连。

作为本发明的优选方式之一，还包括加压螺栓与固定横档，所述固定横档水平设于支架立杆之间，所述固定横档中间设有与加压螺栓相匹配的加压螺栓插孔，所述加压螺栓底部连接密封件，上端穿过加压螺栓插孔。

作为本发明的优选方式之一，还包括插销，所述固定横档与支架立杆连接处设有与插销相匹配的插销孔。

作为本发明的优选方式之一，所述滤板上下端面上设有供砂砾样中的水砂渗出的网眼，所述网眼的面积率75％左右，所述滤板四周通过四个相匹配的螺丝螺帽与试样筒内壁固定相连。

本发明还公开了一种多介质渗透试验装置的测试方法，包括安装方法与试验方法；

所述安装方法包括以下步骤：

第一步：将试样筒架于支撑结构上，并固定；

第二步：安装滤板，即用四个螺丝将滤板固定于试样筒底部；

第三步：将细铁丝从滤板中央网眼穿过，下端留15cm长；

第四步：安装配置好的碎石样层，顶面大致保持水平，在混凝土样的裂隙位置铺薄塑料皮(绑定于细铁丝上)，薄塑料皮面积略大于裂隙面积；

第五步：安装预制好的带裂隙混凝土样层，细铁丝从裂隙中穿过，可以分支若干根，但都要拧于成一股，以便同时拉出，用熔化的石蜡密封混凝土层与试样筒内壁之间的空隙，以确保来自砂砾样中的水(砂)全部从裂隙中渗出；

第六步：将混凝土裂隙充满粉砂(记录粉砂量)，然后在裂隙顶面铺薄塑料皮(绑定于细铁丝上)，薄塑料皮面积略大于裂隙面积，四周涂少许止水材料；

第七步：安装配置好的砂砾样，顶面大致保持水平；

第八步：安装密封件和固定横档，拧紧加压螺栓；

第九步：安装水箱、进水阀并连接到试样筒上；

第十步：安装坐标纸和1号测压管、2号测压管、3号测压管。

所述试验方法包括以下步骤：

第一步：将塑料桶置于试样筒正下面；

第二步：调节水箱高度，使孔隙含水层(砂砾样14)水头上升到设计高度；

第三步：拉出细铁丝并带出裂隙中预填的粉砂和裂隙顶底面的薄塑料皮，同时记录1号测压管、2号测压管、3号测压管水头数据、不同时段塑料桶里的水砂量(根据试验观测时间段设计要求，通过换塑料桶的方式，监测不同时段水砂量)；

第四步：数据分析、计算、出成果。

注：裂隙里预填粉砂对渗出的水量没有影响，但对渗出的砂量有影响(开始时段影响较大，计算分析时要予以剔除；后面时段，影响逐渐减小，以致消失)。

本发明相比现有技术的优点在于：(1)装置结构简洁，制作和安装方便；(2)不仅能观测和研究多介质透水性能，还可以观测和研究砂的流变特性；(3)试样可根据需要制备，以获得更多的、预想的测试数据，预期成果丰富，不仅能得到渗透系数等参数值，而且还可以得到涌砂规律、临界水力梯度(破坏水力梯度)值以及水砂流变的诸多影响因素(如孔隙含水层的颗粒级配、裂隙宽度、裂隙倾斜度等等)成果，为研究突水溃砂机理提供科学依据；(4)可根据试验规模的设计需要，开展小型、中型甚至大型多介质渗透实验。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的实际工程背景示意图；

图3是本发明的支撑结构示意图；

图4是本发明的试样筒与支撑结构的衔接方式示意图；

图5是本发明的滤板结构示意图；

图6是本发明的密封件安装示意图；

图7是本发明的混凝土样层、裂隙及薄塑料皮垫示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例：

如图1-7所示：一种多介质渗透试验装置，包括试样筒(1)，所述试样筒(1)内从上到下依次分为砂砾样层(14)、带裂隙的混凝土样层(15)、碎石样层(16)，所述碎石样层(16)的底部设有滤板(3)，所述滤板的下方设有盛水砂塑料桶(5)，所述砂砾样层(14)的顶部设有密封件(9)，所述砂砾样层(14)的底部、中间部、顶部分别连接有1号测压管(6)、2号测压管(7)、3号测压管(8)，所述1号测压管(6)、2号测压管(7)、3号测压管(8)的另一端均与坐标纸(13)紧贴相连，所述砂砾样层(14)的顶部通过导管连接有水箱(12)，所述带裂隙的混凝土样层(15)的裂隙区穿过有细铁丝(4)，所述裂隙区的底部与顶部端面设有薄塑料皮(17)，所述细铁丝(4)的顶端连接薄塑料皮(17)底端穿过滤板(3)中央并拧成一股铁丝。

进一步的，还包括进水阀(11)，所述进水阀(11)设于水箱(12)与试样筒(1)之间。

进一步的，所述水箱(12)为高度可调节的水箱且悬挂于墙上。

进一步的，所述砂砾样层(14)模拟孔隙含水层，所述带裂隙的混凝土样层(15)模拟导水裂隙带，所述碎石样层(16)模拟冒落带。

进一步的，所述试样筒(1)为钢质圆筒。

进一步的，还包括支撑结构(2)与箍筋(24)，所述支撑结构(2)包括支架底座(20)与支架立杆(21)，所述支架底座(20)上垂直相对设有一对支架立杆(21)，每个所述支架立杆(21)与支架底座(20)之间设有加强筋保护支撑，所述试样筒(1)外壁上焊接有箍筋(24)，所述试样筒(1)通过箍筋(24)与支撑结构(2)相连。

进一步的，还包括加压螺栓(19)与固定横档(10)，所述固定横档水平(10)设于支架立杆(21)之间，所述固定横档(10)中间设有与加压螺栓(19)相匹配的加压螺栓插孔(22)，所述加压螺栓(19)底部连接密封件(9)，上端穿过加压螺栓插孔(22)。

进一步的，还包括插销(23)，所述固定横档(10)与支架立杆(21)连接处设有与插销(23)相匹配的插销孔。

进一步的，所述滤板(3)上下端面上设有供砂砾样(14)水(砂)渗出的网眼(25)，所述网眼(25)的面积率75％左右，所述滤板(3)四周通过四个相匹配的螺丝螺帽(26)与试样筒(1)内壁固定相连。

本发明公开了一种多介质渗透试验装置的测试方法，包括安装方法与试验方法；

所述安装方法包括以下步骤：

第一步：将试样筒(1)架于支撑结构(2)上，并固定；

第二步：安装滤板(3)，即用四个螺丝将滤板固定于试样筒(1)底部；

第三步：将细铁丝(4)从滤板(3)中央网眼穿过，下端留15cm长；

第四步：安装配置好的碎石样层(16)，顶面大致保持水平。在混凝土样的裂隙位置铺薄塑料皮(绑定于细铁丝上)。薄塑料皮面积略大于裂隙面积；

第五步：安装预制好的带裂隙混凝土样层(15)，细铁丝(4)从裂隙中穿过，可以分支若干根，但都要拧于成一股，以便同时拉出。用熔化的石蜡密封混凝土层(15)与试样筒内壁之间的空隙，以确保来自砂砾样中的水(砂)全部从裂隙中渗出；

第六步：将混凝土裂隙充满粉砂(记录粉砂量)，然后在裂隙顶面铺薄塑料皮(绑定于细铁丝上)。薄塑料皮面积略大于裂隙面积，四周涂少许止水材料；

第七步：安装配置好的砂砾样(14)，顶面大致保持水平；

第八步：安装密封件(9)和固定横档(10)，拧紧加压螺栓；

第九步：安装水箱(12)、进水阀(11)并连接到试样筒上；

第十步：安装坐标纸(13)和1号测压管(6)、2号测压管(7)、3号测压管(8)。

所述试验方法包括以下步骤：

第一步：将塑料桶置于试样筒正下面；

第二步：调节水箱(12)高度，使孔隙含水层(砂砾样14)水头上升到设计高度。

第三步：拉出细铁丝并带出裂隙中预填的粉砂和裂隙顶底面的薄塑料皮，同时记录1号测压管(6)、2号测压管(7)、3号测压管(8)水头数据、不同时段塑料桶里的水砂量(根据试验观测时间段设计要求，通过换塑料桶的方式，监测不同时段水砂量)。

第四步：数据分析、计算、出成果。

注：裂隙里预填粉砂对渗出的水量没有影响，但对渗出的砂量有影响(开始时段影响较大，计算分析时要予以剔除；后面时段，影响逐渐减小，以致消失)。

本发明的工作准备：试样筒(1)、支撑结构(2)、滤板(3)、细铁丝(4)、盛水砂塑料桶(5)、1号测压管(6)、2号测压管(7)、3号测压管(8)、密封件(9)、固定横档(10)、进水阀(11)、水箱(12)和坐标纸(13)；配件有螺丝、螺帽、进水管、备用塑料桶、石蜡、薄塑料皮等。

用砂砾样(14)模拟孔隙含水层、带裂隙的混凝土样(15)模拟导水裂隙带、碎石样(16)模拟冒落带。

试样筒(1)为钢质圆筒，其直径依据试验规模或试验方案要求确定。设计有进水孔、测压管口孔、固定滤板(4)的圆孔等。并且在试样筒外壁焊接2-3道箍筋，与支撑结构(2)相接。

支架结构(2)为铁质，其支撑能力应大于试样筒及其配件、试样及水、密封件等总重量。

滤板(3)的厚度要能承受上面的试样和水压、密封件等总重量，网眼面积率75％左右，网眼直径要小于冒落带碎石样(16)颗粒粒径，周边带有四个对称分布的螺丝孔，与试样筒(1)底部的四个圆孔对应。

细铁丝(4)0.1-0.3mm，长度约为试样筒(1)高度的3倍；测压管(6、7、8)为玻璃质(内径6mm左右)，与坐标纸(13)一起固定于墙面或立板上；水箱(12)悬挂于墙上(高度可以调节)，为铁质，并留有出水孔；密封件(9)为圆形、加强塑料质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。