一种渗压突变下砂砾介质细观结构演变实验装置及方法与流程

本发明涉及一种岩石细观结构演变实验装置及方法，具体是一种渗压突变下砂砾介质细观结构演变实验装置及方法。

背景技术：

砂砾层在我国西部矿区(如陕西、宁夏、内蒙和新疆等)的煤系地层中普遍存在。由于砂砾层成岩作用差、胶结程度低、颗粒差异大、富水性强等诸多因素的不利影响，水-力耦合作用下砂砾层巷道的整体强度、稳定性均较低。而频繁、不定期的矿井采掘工程活动对围岩渗流场的扰动影响十分显著，往往使得流场压力、状态发生突变及岩土介质细观结构产生异变、破坏，进而导致砂砾层巷道掘进及服务期间时常发生冒顶、塌方等突发性的非线性大变形灾害事故，对矿井建设与安全生产造成了巨大威胁。因此，富水砂砾层巷道围岩在渗压突变及水力耦合条件下的细观结构演变过程便成为研究围岩破坏失稳机制的重点。

研究渗压突变下砂砾介质细观结构演变过程的直观、有效途径之一是室内实验，但是目前相关的实验仪器、设备还存在着多方面的缺陷，以致于无法成功开展实验研究。主要表现为：一是实验装置施加的渗透水压力一般为恒定水头、变水头或是注入定水压，而无法实现在正常渗流实验过程中渗压的瞬间可控提高，模拟不了流场变化的压力条件。二是采用传统的压力室结构及监测手段，无法对砂砾介质水力耦合作用下的细观结构演变过程进行实时直观地观测。三是砂砾试样两端水压短时变化监测效果不理想，传感器件灵敏度偏低，压力值短时程连续捕捉能力不足。故现有仪器设备在渗压突变加载、细观结构实时观测等方面均存在技术问题，因此，严重影响了渗压突变下砂砾介质细观结构演变过程实验研究。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种渗压突变下砂砾介质细观结构演变实验装置及方法，能在实验室内实现渗压突变的情况，并可观察到在该情况下砂砾介质细观结构的变化情况，最终得到渗压突变下砂砾介质细观结构演变规律及孔压变化规律，对后续的工程实践提供理论支撑。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种渗压突变下砂砾介质细观结构演变实验装置，包括承载装置、渗压突变装置、单轴加载系统和测控系统，承载装置包括底座、右立柱、左立柱和顶梁，左立柱和右立柱均固定在底座上，顶梁通过连接孔套在左立柱和右立柱上并通过第一螺母和第二螺母分别固定；

所述承载装置内设有第一传压块和第二传压块，第一传压块上设有进水孔，进水孔的下端设有第一透水盘和第一动态水压传感器，第二传压块上设有出水孔，出水孔的上端设有第二透水盘和第二动态水压传感器，出水孔的下端通过管路与水池连接，出水孔与水池之间的管路上设有第二阀门和流量计；

所述渗压突变装置包括横杆、左支腿、右支腿、释放器、导向轴、缸筒和冲击块，左支腿和右支腿的下端固定在缸筒上，左支腿和右支腿的上端均设有u型叉结构，缸筒的侧部设有供水口和溢水口，供水口的位置高于溢水口的位置，缸筒底部与蓄水器的一端连通，蓄水器的另一端通过管路与第一传压块的进水孔连通，在蓄水器与进水孔之间的管路上设有第一阀门，横杆固定在导向轴的上端，冲击块滑动地套在导向轴上，导向轴的下端设有截止头，所述横杆的长度大于左支腿与右支腿之间的直线距离，所述释放器包括定位螺杆、活动体、旋转座、旋转臂和旋转轴，活动体套在右支腿上并通过定位螺杆固定，旋转座固定在活动体的一侧，旋转轴设置在旋转座上，所述旋转臂的一端通过旋转轴与旋转座活动连接，旋转臂的另一端为分叉结构，导向轴处于分叉结构中；

所述单轴加载系统包括油源、加载缸、蓄能器、第一换向阀、第二换向阀、压力计和磁致位移传感器，加载缸嵌入在底座内，磁致位移传感器设置在加载缸上，加载缸的进油口和出油口分两个油路与油源连接，所述蓄能器连接在加载缸和油源之间其中一个油路上，所述压力计和第二换向阀均设置在与蓄能器相同的油路上，第一换向阀设置在另一个油路上；

所述测控系统包括控制装置、升降台、高速摄像仪和显微观察装置，高速摄像仪和显微观察装置设置在升降台，控制装置与高速摄像仪、磁致位移传感器、压力计、第一动态水压传感器、第二动态水压传感器和油源连接。

进一步，还包括防护门，防护门安装在承载装置的侧部，所述防护门上设有透明观察窗。

进一步，还包括触发装置，触发装置由触发旋钮、复位轴和弹簧，复位轴套有弹簧并支撑在所述旋转座内，复位轴的一端伸出旋转座并支撑旋转臂，复位轴上设有限位齿，旋转座内设有与限位齿对应的限位槽，触发旋钮固定在复位轴的端部。

进一步，所述控制装置为微型计算机。

进一步，所述导向轴上设有刻度。

一种渗压突变下砂砾介质细观结构演变实验装置的实验方法，具体步骤为：

a、将制备好的砂砾试样采用套环紧固，然后其下端装设第二透水盘和第二动态水压传感器后与第二传压块的上端通过高弹密封圈密封，砂砾试样的上端装设第一透水盘和第一动态水压传感器后与第一传压块的下端通过高弹密封圈密封，形成测试组合体；

b、将测试组合体的下端与加载缸的上端接触、测试组合体的上端与顶梁接触，顶梁通过第一螺母和第二螺母对顶梁限位；

c、将渗压突变装置、单轴加载系统和测控系统连接后，完成整个装置连接过程；

d、打开第一阀门和第二阀门通过供水口向缸筒内供水直至缸筒内的水位达到溢水口的位置停止，观察整个管路上各个接头是否漏水，若有渗漏则对相应位置进行二次密封，如无漏水则完成对整个供水管路的密封性检测，并关闭第一阀门和第二阀门；

e、使单轴加载系统开始工作，加载缸通过第二传压块对砂砾试样施加压力，在施加压力过程中控制装置通过磁致位移传感器和压力计控制压力的加载速率及设定的最大压力值，达到设定的最大压力值后进行保压；此时进行定水头渗透测试，打开第一阀门和第二阀门后，缸筒内的水以恒定的水流通过管路从第一传压块的进水孔流入砂砾试样，并从第二传压块的出水孔流出砂砾试样经流量计后进入水池，当流量计稳定后根据渗透定律即可得到该轴向压力下砂砾介质的渗透参数；

f、当水流稳定渗透后将冲击块置于旋转臂端部上，打开触发装置是旋转轴带动旋转臂向下旋转，此时冲击块沿着导向轴下落至缸筒冲击缸筒内的水，使渗透水压从低压瞬间突变至高压，进而通过第一动态水压传感器和第二动态水压传感器实时检测透水盘中的水压值变化情况传递给控制装置，同时高速摄像仪通过显微观察装置实时记录砂砾试样的变化图像并传递给控制装置；

g、完成实验后关闭供水口和第一阀门，待无水流入水池时关闭第二阀门，通过测控系统和单轴加载系统对砂砾试样卸载，最后打开防护门取出砂砾试样，关闭油源及测控系统；

h、通过采集的砂砾试样细观结构图像、水压力数据及试样受加载的压力值进行分析并绘制成曲线图，最终获得渗压突变下砂砾介质细观结构演变规律及孔压变化规律。

与现有技术相比，本发明采用承载装置、渗压突变装置、单轴加载系统和测控系统相结合方式，通过单轴加载系统对砂砾试样进行单轴压力加载，然后可进行定水头的渗透实验，进而通过渗压突变装置使水压瞬间突变，从而在实验室内实现渗压突变的情况，并通过测控系统可观察到在该情况下砂砾介质细观结构的变化情况，最终得到渗压突变下砂砾介质细观结构演变规律及孔压变化规律，对后续的工程实践提供理论支撑。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的砂砾试样安装示意图；

图3为本发明的渗压突变装置主视图；

图4为图3的右视图；

图5为图3的a-a剖面视图；

图6为本发明的旋转座及触发装置主视图；

图7为图6的左向剖视图；

图中：1、承载装置；11、底座；12、右立柱；13、左立柱；14、顶梁；15、第一螺母；16、第二螺母；17、防护门；18、透明观察窗；2、渗压突变装置；21、横杆；22、左支腿；23、右支腿；24、释放器；25、导向轴；26、缸筒；27、供水口；28、溢水口；29、冲击块；3、单轴加载系统；31、油源；32、加载缸；33、蓄能器；34、第一换向阀；35、第二换向阀；36、压力计；37、磁致位移传感器；41、第一传压块；42、进水孔；43、第一透水盘；44、第一动态水压传感器；45、高弹密封圈；46、套环；47、砂砾试样；48、第二透水盘；49、第二动态水压传感器；50、第二传压块；51、出水孔；52、蓄水器；53、第一阀门；54、第二阀门；55、流量计；56、水池；6、测控系统；61、控制装置；62、升降台；63、高速摄像仪；64、显微观察装置；241、定位螺杆；242、活动体；243、旋转座；244、旋转臂；245、旋转轴；246、触发装置；246-1、触发旋钮；246-2、复位轴；246-3、弹簧；246-4、限位齿；251、刻度；252、截止头。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图所示，一种渗压突变下砂砾介质细观结构演变实验装置，包括承载装置1、渗压突变装置2、单轴加载系统3和测控系统6，承载装置1包括底座11、右立柱12、左立柱13和顶梁14，左立柱13和右立柱12均固定在底座11上，顶梁14通过连接孔套在左立柱13和右立柱12上并通过第一螺母15和第二螺母16分别固定；

所述承载装置1内设有第一传压块41和第二传压块50，第一传压块41上设有进水孔42，进水孔42的下端设有第一透水盘43和第一动态水压传感器44，第二传压块50上设有出水孔51，出水孔51的上端设有第二透水盘48和第二动态水压传感器49，出水孔51的下端通过管路与水池56连接，出水孔51与水池56之间的管路上设有第二阀门54和流量计55；

所述渗压突变装置2包括横杆21、左支腿22、右支腿23、释放器24、导向轴25、缸筒26和冲击块29，左支腿22和右支腿23的下端固定在缸筒26上，左支腿22和右支腿23的上端均设有u型叉结构，缸筒26的侧部设有供水口27和溢水口28，供水口27的位置高于溢水口28的位置，缸筒26底部与蓄水器52的一端连通，蓄水器52的另一端通过管路与第一传压块41的进水孔42连通，在蓄水器52与进水孔42之间的管路上设有第一阀门53，横杆21固定在导向轴25的上端，冲击块29滑动地套在导向轴25上，导向轴25的下端设有截止头252，所述横杆21的长度大于左支腿22与右支腿23之间的直线距离，所述释放器24包括定位螺杆241、活动体242、旋转座243、旋转臂244和旋转轴245，活动体242套在右支腿23上并通过定位螺杆241固定，旋转座243固定在活动体242的一侧，旋转轴245设置在旋转座243上，所述旋转臂244的一端通过旋转轴245与旋转座243活动连接，旋转臂244的另一端为分叉结构，导向轴25处于分叉结构中；

所述单轴加载系统3包括油源31、加载缸32、蓄能器33、第一换向阀34、第二换向阀35、压力计36和磁致位移传感器37，加载缸32嵌入在底座11内，磁致位移传感器37设置在加载缸32上，加载缸32的进油口和出油口分两个油路与油源31连接，所述蓄能器33连接在加载缸32和油源31之间其中一个油路上，所述压力计36和第二换向阀35均设置在与蓄能器33相同的油路上，第一换向阀34设置在另一个油路上；

所述测控系统6包括控制装置61、升降台62、高速摄像仪63和显微观察装置64，高速摄像仪63和显微观察装置64设置在升降台62，控制装置61与高速摄像仪63、磁致位移传感器37、压力计36、第一动态水压传感器44、第二动态水压传感器49和油源31连接。

进一步，还包括防护门17，防护门17安装在承载装置1的侧部，所述防护门17上设有透明观察窗18。设置防护门17可防止在实验过程中砂砾试样47发生破碎后向外部溅射颗粒，进而对周围环境造成影响。

进一步，还包括触发装置，触发装置由触发旋钮246-1、复位轴246-2和弹簧246-3，复位轴246-2套有弹簧246-3并支撑在所述旋转座243内，复位轴246-2的一端伸出旋转座243并支撑旋转臂244，复位轴246-2上设有限位齿246-4，旋转座243内设有与限位齿246-4对应的限位槽，触发旋钮246-1固定在复位轴246-2的端部。在触发装置未使用时，此时复位轴246-2的一端伸出旋转座243并支撑旋转臂244，弹簧246-3处于压缩状态，由于限位齿246-4与旋转座243的限位槽处于扣接状态，复位轴246-2处于静止状态；当旋转触发旋钮246-1此时限位齿246-4通过旋转与旋转座243的限位槽处于非扣接状态，进而受到弹簧246-3的复位弹力作用，复位轴246-2快速向旋转座243内移动，使复位轴246-2整体进入旋转座243内，此时旋转臂244由于无复位轴246-2的支撑，其受到重力的作用会以旋转轴245为中心向下旋转，从而使处在旋转臂244的冲击块29沿着导向轴25下落。

进一步，所述控制装置61为微型计算机。

进一步，所述导向轴25上设有刻度251。设有刻度251可快速确定冲击块29的下落距离，从而便于后续冲击块29下落后冲击速度的计算。

一种渗压突变下砂砾介质细观结构演变实验装置的实验方法，具体步骤为：

a、将制备好的砂砾试样47采用套环46紧固，然后其下端装设第二透水盘48和第二动态水压传感器49后与第二传压块50的上端通过高弹密封圈45密封，砂砾试样47的上端装设第一透水盘43和第一动态水压传感器44后与第一传压块41的下端通过高弹密封圈45密封，形成测试组合体；

b、将测试组合体的下端与加载缸32的上端接触、测试组合体的上端与顶梁14接触，顶梁14通过第一螺母15和第二螺母16对顶梁14限位；

c、将渗压突变装置2、单轴加载系统3和测控系统6连接后，完成整个装置连接过程；

d、打开第一阀门53和第二阀门54通过供水口27向缸筒26内供水直至缸筒26内的水位达到溢水口28的位置停止，观察整个管路上各个接头是否漏水，若有渗漏则对相应位置进行二次密封，如无漏水则完成对整个供水管路的密封性检测，并关闭第一阀门53和第二阀门54；

e、使单轴加载系统3开始工作，加载缸32通过第二传压块50对砂砾试样47施加压力，在施加压力过程中控制装置61通过磁致位移传感器37和压力计36控制压力的加载速率及设定的最大压力值，达到设定的最大压力值后进行保压；此时进行定水头渗透测试，打开第一阀门53和第二阀门54后，缸筒26内的水以恒定的水流通过管路从第一传压块41的进水孔42流入砂砾试样47，并从第二传压块50的出水孔51流出砂砾试样47经流量计55后进入水池56，当流量计55稳定后根据渗透定律即可得到该轴向压力下砂砾介质的渗透参数；

f、当水流稳定渗透后将冲击块29置于旋转臂244端部上，打开触发装置246使旋转轴245带动旋转244臂向下旋转，此时冲击块29沿着导向轴25下落至缸筒26冲击缸筒26内的水，使渗透水压从低压瞬间突变至高压，进而通过第一动态水压传感器44和第二动态水压传感器49实时检测透水盘中的水压值变化情况传递给控制装置61，同时高速摄像仪63通过显微观察装置64实时记录砂砾试样47的变化图像并传递给控制装置61；

g、完成实验后关闭供水口27和第一阀门53，待无水流入水池时关闭第二阀门54，通过测控系统6和单轴加载系统3对砂砾试样47卸载，最后打开防护门17取出砂砾试样47，关闭油源31及测控系统6；

h、设水为微可压缩介质，则其中冲击压力为式中，pd为冲击压力；v为冲击块接触水前的速度；ρw，cw分别为水的密度及冲击波在水中的传播速度；ρs、cs分别为冲击块的密度及冲击波在冲击块介质中的传播速度；近似的也可取因此，渗压突变时的总渗透压力为pw＝γwh+pd，式中，γw为水的容重；h为缸筒内液面至砂砾试样顶面的垂直距离；通过采集的砂砾试样47细观结构图像、水压力数据及试样受加载的压力值进行分析并绘制成曲线图，最终获得渗压突变下砂砾介质细观结构演变规律及孔压变化规律。