本发明涉及的煤岩体渗透特性研究的技术领域，特别是涉及一种模拟采空区三带煤岩体渗透扩散吸水的试验系统及方法。
背景技术：
在煤矿生产过程中，水害防治是生产及科研的一大技术难题，尤其是严重影响煤矿安全生产的采空区积水的水害防治问题。据不完全统计，矿井恶性水害事故90%以上是老空透水引发的。通常将采空区由下而上依次分为冒落带、裂隙带和弯曲沉降带三个部分，冒落带内散煤岩块之间空隙较多，连通性较强，裂隙带具有与采空区连通的导水裂隙但总体连续性未受破坏，弯曲沉降带则基本保持其原来的透水性能。同时矿井地下水其组成物质复杂，富含k+、na+、mg2+、so42-等化学物质以及泥沙等物理物质，其在运动过程中不断地对煤岩体进行溶蚀,使岩层中原有的孔隙和裂隙扩展,而突水事故又与裂隙带的萌生、扩展、贯通等息息相关。
现阶段，针对不同水质对煤岩体作用的研究多集中于钻井工程领域，而对于突水过程中不同水质的水对裂隙溶蚀，影响裂隙扩展的研究较少，同时针对采空区三带的渗透特征的研究也鲜见报道。因此研究采空区三带内水的渗透规律以及不同水质、不同水压对煤岩体的作用显得尤为重要。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种模拟采空区三带煤岩体渗透扩散吸水的试验系统及方法，以模拟采空区三带煤岩体渗透扩散吸水并研究不同水质、不同水压的地下水在渗透过程中对煤岩体的作用。
本发明提供一种模拟采空区三带煤岩体渗透扩散吸水的试验系统，包括煤岩试件、渗透试验装置、供水装置、钻芯装置、水质分析装置和图像化装置；煤岩试件包括用于模拟弯曲沉降带的完整型煤试件、用于模拟裂隙带的含裂隙型煤试件以及用于模拟冒落带的散煤试件；渗透试验装置包括缸体；缸体包括与供水系统连通的进水区、用于放置所述煤岩试件且具有可视窗的试验区以及与水质分析系统连通的排水区；供水装置用于向进水区提供不同水质、不同水压的模拟水源；钻芯装置包括用于对含裂隙型煤试件进行钻芯取样的取样器；水质分析装置用于收集并分析从排水区排出的水样；图像化装置用于透过可视窗记录所述含裂隙型煤试件中裂隙的扩展与发育情况。
进一步地，进水区、试验区以及排水区横向设置。
进一步地，渗透试验装置还包括用于封闭缸体开口的压盖；压盖上设置有供取样器取样的取样口。
进一步地，进水区和试验区之间以及试验区与排水区之间通过设置在缸体内壁上的环形挡板分隔；环形挡板与缸体内壁之间设置有密封条。
进一步地，渗透试验装置还包括筛网；环形挡板上设置与筛网配合的嵌合槽。
进一步地，供水装置包括第一储水罐、注水泵和水表；第一储水罐和注水泵之间、注水泵与水表之间以及水表与进水区的进水口之间均通过管路连接。
进一步地，水质分析装置包括通过管路与排水区的排水口连接的第二储水罐，以及用于检测第二储水罐中水样的水质分析仪。
进一步地，图像化装置包括设置在可视窗前方的高速摄像机以及与高速摄像机连接且安装有高清采集卡的电脑。
本发明还提供一种模拟采空区三带煤岩体渗透扩散吸水的试验方法，采用控制变量法，研究采空区三带煤岩体的渗透规律、水质对煤岩体的作用规律以及水压对煤岩体的作用规律，包括下述步骤：
s1，制备煤岩试件，煤岩试件包括用于模拟弯曲沉降带的完整型煤试件、用于模拟裂隙带的含裂隙型煤试件以及用于模拟冒落带的散煤试件；
s2，将模拟水源注入煤岩试件；
s3，收集并分析从煤岩试件流出的水样。
进一步地，若步骤s1中煤岩试件为含裂隙型煤试件，则步骤s3还包括：记录渗透过程含裂隙型煤试件中裂隙的扩展与发育情况，并对含裂隙型煤试件进行钻芯取样以观察裂隙的溶蚀情况。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
在模拟水源的水质和水压相同的情况下，将完整型煤试件、含裂隙型煤试件以及散煤试件分别放入试验区内，模拟采空区三带煤岩体渗透扩散吸水过程，供水装置向排水区加水加压，使模拟水源流过上述三种煤岩试件，流出的水样通过排水区进入到水质分析装置中，分析水样水质，并与模拟水源的水质对比，即可通过模拟获得在水质和水压一定的情况下，不同煤岩试件的渗透规律；选择一种煤岩试件，改变水质或水压，则可以研究水质对煤岩体的作用规律以及水压对煤岩体的作用规律；在选用含裂隙型煤试件作为研究对象时，改变水质或水压，记录渗透过程含裂隙型煤试件中裂隙的扩展与发育情况，并对含裂隙型煤试件进行钻芯取样以观察裂隙的溶蚀情况，以模拟在不同水质、不同水压的地下水在渗流过程中对裂隙的作用导致裂隙的起裂与扩展等现象。综上所述，本发明提供模拟采空区三带煤岩体渗透扩散吸水的试验系统及方法，既能模拟采空区三带（冒落带、裂隙带、弯曲下沉带）的煤岩体渗透扩散吸水过程，同时还能模拟在不同水质、不同水压的地下水在渗流过程中对裂隙的作用导致裂隙的起裂与扩展等现象。此系统可综合考虑采空区“三带”渗流特征的多种影响因素，便于研究水质、水压与粒径、裂隙特征之间的关系。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明实施例提供的模拟采空区三带煤岩体渗透扩散吸水的试验系统的结构示意图。
标号：1-缸体；i-进水区；ii-试验区；iii-排水区；2-可视窗；3-取样器；4-压盖；5-取样口；6-环形挡板；7-第一储水罐；8-注水泵；9-水表；10-进水口；11-排水口；12-第二储水罐。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种模拟采空区三带煤岩体渗透扩散吸水的试验系统，如图1所示，包括煤岩试件、渗透试验装置、供水装置、钻芯装置、水质分析装置和图像化装置；煤岩试件包括用于模拟弯曲沉降带的完整型煤试件、用于模拟裂隙带的含裂隙型煤试件以及用于模拟冒落带的散煤试件；渗透试验装置包括缸体1；缸体1包括与供水系统连通的进水区i、用于放置煤岩试件且具有可视窗2的试验区ii以及与水质分析系统连通的排水区iii；供水装置用于向进水区i提供不同水质、不同水压的模拟水源，该模拟水源的成分与矿井地下水组成类似，包括k+、na+、mg2+、so42-等化学物质以及泥沙等物理物质；钻芯装置包括用于对含裂隙型煤试件进行钻芯取样的取样器3；水质分析装置用于收集并分析从排水区排出的水样；图像化装置用于透过可视窗2记录含裂隙型煤试件中裂隙的扩展与发育情况。
其中，完整型煤试件为不含裂隙的型煤，含裂隙型煤试件为含有裂隙的型煤，都是通过一定粒径的煤岩散样置于模具中加压制成；散煤试件直接将煤岩散样置于试验区ii内。弯曲沉降带以煤岩体的弯曲变形为主，基本保持其原来的透水性能，故采用完整型煤试件模拟。裂隙带具有与采空区连通的导水裂隙但总体连续性未受破坏，故采用含裂隙型煤试件模拟。冒落带内散煤岩块之间空隙较多，连通性较强，故采用散煤试件模拟。
裂隙带中的裂隙具有不同的形态，故本实施例中含裂隙型煤试件中裂隙的组合形态包括：单一裂隙（即只含有一条裂隙），平行裂隙（即含有多条相互平行的裂隙），汇交裂隙（即多条裂隙相交或多条裂隙的延长线相交）。
进一步地，进水区i、试验区ii以及排水区iii横向设置，以保证水的渗透方向为横向，减小重力对渗透和扩散的影响。
进一步地，如图1所示，渗透试验装置还包括用于封闭缸体1开口的压盖4；压盖4上设置有供取样器3取样的取样口5。
进一步地，如图1所示，进水区i和试验区ii之间以及试验区ii与排水区iii之间通过设置在缸体1内壁上的环形挡板6分隔；环形挡板6与缸体1内壁之间设置有密封条。
进一步地，渗透试验装置还包括筛网；环形挡板6上设置与筛网配合的嵌合槽。在采用散煤试件时，需要将筛网嵌入两个环形挡板6中，再将煤岩散样铺满试验区ii。
缸体1的形状大小可根据实验要求情况设计，煤岩试件的形状大小与试验区ii的形状大小相适应。如图1所示，本实施例提供一种长方体结构的缸体1，长宽高分别为900mm×310mm×305mm，缸体1厚度均匀，为5mm。缸体1沿长度方向依次为进水区i、试验区ii和排水区iii。环形挡板6向缸体1内部凸出30mm、厚度为20mm，密封条为橡胶密封条，且朝向试验区ii设置。两个环形挡板6之间的距离为300mm，故煤岩试件为300mm×300mm×300mm的正方体。压盖4通过螺栓固定在缸体1上，对应试验区ii的位置设置有三个取样口5。
进一步地，如图1所示，供水装置包括第一储水罐7、注水泵8和水表9；第一储水罐7和注水泵8之间、注水泵8与水表9之间以及水表9与进水区i的进水口10之间均通过管路连接。第一储水罐7优选为带有刻度的玻璃储水罐。
进一步地，如图1所示，水质分析装置包括通过管路与排水区iii的排水口11连接的第二储水罐12，以及用于检测第二储水罐12中水样的水质分析仪。第二储水罐12
进一步地，图像化装置包括设置在可视窗前方的高速摄像机以及与高速摄像机连接且安装有高清采集卡的电脑。将高速摄像机置于可视窗2正前方，观察记录含裂隙型煤样中裂隙的扩展与发育情况，经过电脑分析，为煤岩体中裂隙随水渗流的扩展与发育规律的研究提供依据。
实施例2
本实施例提供一种模拟采空区三带煤岩体渗透扩散吸水的试验方法，采用控制变量法，研究采空区三带煤岩体的渗透规律、水质对煤岩体的作用规律以及水压对煤岩体的作用规律，包括下述步骤：
s1，制备煤岩试件，煤岩试件包括用于模拟弯曲沉降带的完整型煤试件、用于模拟裂隙带的含裂隙型煤试件以及用于模拟冒落带的散煤试件；
s2，将模拟水源注入煤岩试件；
s3，收集并分析从煤岩试件流出的水样。
进一步地，若步骤s1中煤岩试件为含裂隙型煤试件，则步骤s3还包括：记录渗透过程含裂隙型煤试件中裂隙的扩展与发育情况，并对含裂隙型煤试件进行钻芯取样以观察裂隙的溶蚀情况。
实施例3
本实施例基于实施例1提供的试验系统和实施例2提供的试验方法实施的，研究在在不同水压和水质条件下采空区三带煤岩体的渗透规律，具体包括下述步骤：
（1）将钻孔采集的煤岩样品密封及时运回试验室，通过分样筛将采集的样品筛分为10μm-100μm、100μm-1mm、1mm-1cm、1cm-10cm以及0.2-0.25mm粒径的煤岩散样。取粒径在0.2-0.25mm煤岩散样放入模具，加水，在200t刚性试验机上以100mpa的压力制成尺寸为300mm×300mm×300mm的完整型煤试件和含裂隙型煤试件，其中，含裂隙型煤试件分别含单一裂隙、平行裂隙和汇交裂隙，另取部分煤岩散样作为散煤试件，并对所有的试件烘干24小时；
（2）第一储水罐7中加入40l水，添加k+、na+、mg2+、so42-离子化合物，使其浓度100mg/l，向水中添加10g泥沙，用以模拟矿井地下水；将完整型煤试件置于试验区ii内，通过注水泵8将第一储水罐7中的水源以1mpa的恒定压力通过进水口10注入缸体1中的进水区i，开始完整型煤试件渗透扩散吸水试验；控制室温为25℃，渗透试验持续3d后，打开排水口11，待排水区iii中水全部流入第二储水罐12之后，记录第二储水罐12水量，并通过水质分析仪分析水质变化情况；
（3）将完整型煤试件取出，放入含裂隙型煤试件和散煤试件，重复步骤（2）；
（4）其中在进行散煤试件的渗透实验时，将目数为1250（筛网孔径为10μm）的筛网嵌入两组环形挡板6中，将10μm-100μm的煤岩散样放入缸体区域ⅱ，铺满区域ⅱ；
（5）其中在进行含裂隙型煤试件的渗透实验时，通过取样口5，使用取样器3对试件进行钻芯取样，观察试件裂隙的溶蚀情况，为分析突水过程中不同水质的水对裂隙溶蚀作用的研究提供依据；同时打开高速摄像机，观察记录含裂隙型煤样中裂隙的扩展与发育情况，经过电脑分析，为煤岩体中裂隙随水渗流的扩展与发育规律的研究提供依据。
上述实验通过水压不变，改变第一储水罐7中离子浓度至10mg/l、50mg/l与通过注水泵8将第一储水罐7中的水源以2mpa、3mpa的恒定压力通过进水口10注入缸体1中的进水区i，可以获得不同水压与水质条件下采空区三带煤岩体的渗透规律以及含裂隙型煤试件中裂隙的扩展与发育情况。
上述实验通过对钻芯取样取得的样品进行分析以及水质分析仪分析的水质变化情况，可获得试件与模拟水源中离子及杂质的水岩相互作用规律，为水对采空区三带煤岩体物理、化学及力学性质的影响规律提供依据。
综上所述，本发明提供的模拟采空区三带煤岩体渗透扩散吸水的试验系统及方法与现有方法相比，通过水的横向渗透扩散，排除重力对渗透和扩散的影响。通过完整型煤试件、含裂隙型煤试件、不同粒径散煤渗透扩散吸水试验有效模拟采空区三带的渗流过程，同时有效模拟出渗流过程中水质、水压等影响因素。
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。