一种水砂突涌试验系统及监测方法与流程

本发明涉及水砂突涌技术领域，尤其涉及一种水砂突涌试验系统及监测方法。

背景技术

目前，西部地区的煤炭具有厚度大、埋深浅、基岩薄、上覆厚松散砂层的赋存特征。此类煤层开采诱发的覆岩运动程度强烈、波及范围较广，上覆岩层难以形成较稳定的支撑结构，覆岩裂隙发育充分，采动裂缝甚至可直达地表，若上覆厚松散砂层富水性较好，含砂量较高的水砂混合物沿着采动覆岩裂隙溃入井下工作面，导致造成财产损失甚至人员伤亡的事故时有发生，给矿井的安全生产带来很大威胁。要保证煤炭资源的稳步开发，摆脱突水溃砂灾害的严重困扰，在水体下(包括地表水体和含水层)采煤时，进行含水层下采动覆岩裂隙中水砂突涌研究，获得采煤工作面涌水溃砂机制，是亟待解决的关键问题。

由于地下采掘工程隐蔽性的特点，使得采煤引起的覆岩裂隙中水砂运移和突涌的机制难以借助现场观测进行研究，室内试验成为解决这一问题的有效手段，但是，在目前的水砂突涌试验过程中，试验舱不能进行稳定固定，会发生晃动，而且也无法根据需求调整水仓的高度，在不同情况下使用时，不能对水砂分离和计量设备进行角度的调节，从而影响到试验结果，为此，我们提出了一种水砂突涌试验系统及监测方法来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种水砂突涌试验系统及监测方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种水砂突涌试验系统，包括固定箱，所述固定箱的一侧固定有放置箱，所述固定箱内设有转动模块，所述转动模块上设有四个第一螺杆，且四个第一螺杆的一端均转动连接在固定箱内的底部，四个第一螺杆的一端均贯穿固定箱的侧壁并延伸至固定箱的上端，四个第一螺杆的上端共同固定有横梁，所述横梁上固定有油缸，所述油缸的活塞杆贯穿横梁并延伸至横梁的下端，所述油缸的活塞杆末端固定有固定块，所述固定块的下端固定有水仓，所述水仓的下端贯穿设有试验舱，所述试验舱的两侧均设有夹持模块，且第一螺杆贯穿夹持模块，所述固定箱的上端固定有承载板，所述承载板的上端固定有四个支撑杆，四个支撑杆的上端共同固定有支撑板，所述支撑板的上端设有放置槽，且试验舱的下端固定在放置槽内的底部，所述支撑板上设有水砂通道安装槽，所述水砂通道安装槽内安装有水砂通道，所述水砂通道上安装有输送管，所述固定箱的一侧固定有固定板，所述固定板的一侧设有支撑模块，所述支撑模块的上端设有水砂分离和计量设备，且输送管的一端连接在水砂分离和计量设备的一侧，所述固定箱的一侧设有支撑架，所述支撑架的上端固定有储能罐，所述储能罐的下端一侧连接有输气管，且输气管的一端连接在水仓的上端，所述试验舱内的底部设有水压传感器，所述输送管上设有蝶阀，所述输气管上设有阀门。

优选地，所述转动模块包括转动连接在固定箱内相对侧壁上的竖杆，所述竖杆上固定有第三齿轮，所述放置箱的上端贯穿设有转动杆，所述转动杆的一端转动连接在放置箱内的底部，所述转动杆上固定有第一齿轮，所述放置箱的一侧设有第一开口，所述固定箱的一侧设有和第一开口对应的第二开口，所述第一齿轮的一侧贯穿第一开口和第二开口并延伸至固定箱内，所述第一齿轮和第三齿轮相互啮合，四个第一螺杆上均固定有第二齿轮，且四个第二齿轮均和第三齿轮相互啮合，所述转动杆的另一端固定有转动块。

优选地，所述夹持模块包括分别抵触在试验舱两侧的第二夹持块，所述第一螺杆上贯穿设有移动块，所述移动块上设有第一螺纹通孔，且第一螺杆贯穿第一螺纹通孔，同一侧的两个移动块为一组，同一组的两个移动块之间共同固定有移动板，所述移动板上设有第二螺纹通孔，所述第二螺纹通孔内贯穿设有第二螺杆，所述第二螺杆的一端转动连接有连接板，所述第二螺杆的另一端固定有第一转动轮，所述连接板的一侧固定有保护箱，所述保护箱内设有缓冲模块，所述缓冲模块的一端固定有限位板，且两个第二夹持块的一侧分别固定在两个限位板的一侧，两个第二夹持块相互对应。

优选地，所述支撑模块包括设置在固定板一侧的第一滑块，所述固定板的一侧设有第一滑槽，且第一滑块安装在第一滑槽内，所述第一滑块上设有插孔，所述第一滑槽内的一端侧壁上等间距设有多个盲孔，所述插孔内贯穿设有插杆，且插杆的一端延伸至其中一个盲孔内，所述第一滑块的一侧转动连接有连接杆，所述固定箱的上端一侧铰接有转动板，且连接杆的一端转动连接在转动板的下端，所述转动板的上端设有凹槽，且水砂分离和计量设备的下端固定在凹槽内的底部，所述凹槽的一端侧壁上设有固定模块。

优选地，所述缓冲模块包括固定在保护箱内一端侧壁上的五个弹簧，所述保护箱内的相对侧壁上均设有第二滑槽，所述第二滑槽内安装有第二滑块，两个第二滑块之间共同固定有压板，且五个弹簧的一端均固定在压板的一侧，所述压板的另一侧固定有两个压杆，所述压杆的一端贯穿保护箱的侧壁并延伸至保护箱的一侧，两个压杆的一端均固定在限位板的一侧。

优选地，所述固定模块包括贯穿设置在凹槽一端侧壁上的第三螺杆，所述凹槽的一端侧壁上设有第三螺纹通孔，且第三螺杆贯穿第三螺纹通孔，所述第三螺杆的一端转动连接有第一夹持块，且第一夹持块的一侧抵触在水砂分离和计量设备的一侧，所述第三螺杆的另一端固定有第二转动轮。

优选地，所述固定箱的下端两侧均固定有两个垫板，所述垫板上设有第四螺纹通孔，所述第四螺纹通孔内贯穿设有螺栓。

优选地，所述水仓的下端侧壁上等间距设有多个出水孔，所述水仓的上端连接有进水管，所述进水管上设有封盖，所述试验舱内的一周侧壁上固定有密封圈，且密封圈的一侧抵触在水仓的一侧。

优选地，所述储能罐的上端连接有进气管，所述进气管的上端设有密封盖。

本发明还提出了一种水砂突涌试验的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、筛选粒径为0.3mm以下的干净河砂作为试验材料，将孔径尺寸为5mm的水砂通道安放在水砂通道安装槽内，再将输送管连接在水砂通道上；

s2、将检测合格的水压传感器安装在相应安装槽内，为保证带压状态下试验舱密封性，水压传感器安装过程中，在端头处涂抹一圈密封胶，并将安装好的传感器连接至静态应变测试系统；

s3、将试验舱安放至支撑板上，并在二者间放置密封圈以增强密封性，关闭蝶阀，将河砂装入试验舱至设计高度；

s4、启动试验系统，打开水仓上部的排气孔，采用试验系统的应力控制模式，对试验舱内的砂土进行一定程度的压实；

s5、将实验系统切换为位移控制模式后，向试验舱内注水，直至有水从水仓上部的排气孔溢出；

s6、关闭水仓上部的排气孔，采用试验系统的水压控制模式，将试验舱内的水压加至设计压力后，开启蝶阀的同时，启动水砂分离和计量设备，监测并采集实验过程中水压和水砂流量的变化；

s7、实验结束后，关闭水压水量双控伺服加载系统，再次打开水仓上部的排气孔，将水仓缓慢升至与试验舱分离，并对整套试验系统进行清理。

本发明中，在使用时，先将垫板通过螺栓固定在合适的位置上，然后转动转动块，转动块转动带动转动杆转动，转动杆转动带动第一齿轮转动，第一齿轮转动带动第三齿轮转动，第三齿轮转动带动四个第二齿轮转动，第二齿轮转动带动第一螺杆转动，第一螺杆转动带动移动块移动，移动块带动移动板移动，将移动板移动到合适的高度之后，转动第一转动轮，第一转动轮转动带动第二螺杆转动，第二螺杆转动带动连接板移动，连接板移动带动保护箱移动，保护箱移动带动限位板移动，限位板移动带动第二夹持块移动，从而对试验舱进行夹持固定，然后利用油缸的活塞杆带动水仓移动，从而对试验舱内的水砂混合物进行挤压，通过储能罐的作用将高压气体通过输气管输送到水仓内，当压力达到一定数值后，压力传感器发生警报，然后打开蝶阀，水砂混合物通过水砂通道和输送管落入到水砂分离和计量设备内，水砂分离和计量设备需要调节角度时，移动第一滑块，第一滑块移动带动连接杆移动，连接杆移动带动转动板转动，从而调节水砂分离和计量设备的角度，转动第二转动轮，第二转动轮转动时带动第三螺杆转动，第三螺杆转动带动第一夹持块移动，从而利用第一夹持块对水砂分离和计量设备进行夹持固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过通过第一转动轮、第二夹持块和移动板之间的配合，解决了试验舱不能稳固固定的问题，夹持块对试验舱进行夹持，达到了能对试验舱进行固定的效果，提高了试验舱的稳定性；

2、通过第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第一螺杆之间的配合，解决了不能调节夹持高度的问题，第一螺杆转动能带动移动块移动，实现了能对试验舱不同高度的部位进行夹持固定的功能，灵活性强；

3、通过第二螺杆、第二转动轮和第一夹持块之间的配合，解决了水砂分离和计量设备不能稳定固定的问题，实现了对水砂分离和计量设备进行固定的功能，提高试验成功率；

4、通过转动板、连接杆和第一滑块之间的配合，解决了不能调节水砂分离和计量设备角度的问题，实现了根据需要对水砂分离和计量设备进行角度调节的功能，实用性强；

综上所述，该系统解决了试验舱不能稳定固定的问题，同时也解决了水砂分离和计量设备稳定性差，无法进行角度调节的问题，能够根据需要随时进行调节，灵活性强，从而提高了试验数据的准确率，操作简单，方便使用。

附图说明

图1为本发明提出的一种水砂突涌试验系统的外部结构示意图；

图2为本发明提出的一种水砂突涌试验系统的固定箱的内部结构示意图；

图3为本发明提出的一种水砂突涌试验系统的夹持块的结构示意图；

图4为本发明提出的一种水砂突涌试验系统的第一齿轮的结构示意图；

图5为本发明提出的一种水砂突涌试验系统保护箱的内部结构示意图；

图6为本发明提出的一种水砂突涌试验系统的b处放大图；

图7为本发明提出的一种水砂突涌试验系统的a处放大图。

图中：1进气管、2第一螺杆、3输气管、4第一夹持块、5支撑架、6移动块、7移动板、8第一转动轮、9支撑杆、10承载板、11固定箱、12垫板、13螺栓、14放置箱、15转动杆、16转动块、17固定板、18连接杆、19第二转动轮、20转动板、21水砂分离和计量设备、22水砂通道安装槽、23输送管、24支撑板、25连接板、26试验舱、27水仓、28固定块、29油缸、30横梁、31第二齿轮、32第一齿轮、33第三齿轮、34竖杆、35密封圈、36进水管、37第一滑槽、38插杆、39第一滑块、40第二夹持块、41限位板、42压杆、43保护箱、44第二螺杆、45第三螺杆、46第二开口、47压板、48弹簧、49第二滑块、50第二滑槽、51储能罐。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-7，一种水砂突涌试验系统及监测方法，包括固定箱11，固定箱11的一侧固定有放置箱14，固定箱11内设有转动模块，转动模块上设有四个第一螺杆2，且四个第一螺杆2的一端均转动连接在固定箱11内的底部，四个第一螺杆2的一端均贯穿固定箱11的侧壁并延伸至固定箱11的上端，四个第一螺杆2的上端共同固定有横梁30，便于支撑和固定，横梁30上固定有油缸29，油缸29的活塞杆贯穿横梁30并延伸至横梁30的下端，油缸29的活塞杆末端固定有固定块28，油缸29活塞杆移动带动固定块28移动，固定块28的下端固定有水仓27，水仓27的下端贯穿设有试验舱26，试验舱26的两侧均设有夹持模块，且第一螺杆2贯穿夹持模块，固定块28移动带动水仓27移动，第一螺杆2转动带动夹持模块移动，从而对试验舱26的不同位置进行夹持固定；

固定箱11的上端固定有承载板10，承载板10的上端固定有四个支撑杆9，四个支撑杆9的上端共同固定有支撑板24，方便承载，支撑板24的上端设有放置槽，且试验舱26的下端固定在放置槽内的底部，支撑板24上设有水砂通道安装槽22，水砂通道安装槽22内安装有水砂通道，方便水砂混合物落下，水砂通道上安装有输送管23，便于对水砂混合物进行输送，固定箱11的一侧固定有固定板17，固定板17的一侧设有支撑模块，支撑模块的上端设有水砂分离和计量设备21，且输送管23的一端连接在水砂分离和计量设备21的一侧，输送管23将水砂混合物输送至水砂分离和计量设备21内，对水砂混合物进行分离，然后开始计量，从而得到试验数据；

固定箱11的一侧设有支撑架5，支撑架5的上端固定有储能罐51，储能罐51的下端一侧连接有输气管3，且输气管3的一端连接在水仓27的上端，便于对水仓27内增加压力，能更好的对砂土进行压实，试验舱26内的底部设有水压传感器，能够控制水压的大小，调节水压至合适的数值，输送管23上设有蝶阀，输气管3上设有阀门，固定箱11的下端两侧均固定有两个垫板12，垫板12上设有第四螺纹通孔，第四螺纹通孔内贯穿设有螺栓13，便于安装和拆卸，储能罐51的上端连接有进气管1，进气管1的上端设有密封盖，通过储能罐51的作用，能对水仓27进行施压，使水仓27对试验舱26内的砂土进行充分压实，然后再进行试验，防止因压实度不够影响试验结果。

本发明中，转动模块包括转动连接在固定箱11内相对侧壁上的竖杆34，竖杆34上固定有第三齿轮33，第三齿轮33转动带动竖杆34转动，放置箱14的上端贯穿设有转动杆15，转动杆15的一端转动连接在放置箱14内的底部，转动杆15上固定有第一齿轮32，转动杆15转动带动第一齿轮32转动，放置箱14的一侧设有第一开口，固定箱11的一侧设有和第一开口对应的第二开口46，第一齿轮32的一侧贯穿第一开口和第二开口46并延伸至固定箱11内，第一齿轮32和第三齿轮33相互啮合，四个第一螺杆2上均固定有第二齿轮31，且四个第二齿轮31均和第三齿轮33相互啮合，第三齿轮33转动带动第二齿轮31转动，转动杆15的另一端固定有转动块16，转动块16转动时带动转动杆15转动，进而带动四个第一螺杆2转动，第一螺杆2转动可以调节夹持模块的高度，从而对试验舱26的不同位置都能进行夹持固定。

本发明中，夹持模块包括分别抵触在试验舱26两侧的第二夹持块40，第一螺杆2上贯穿设有移动块6，移动块6上设有第一螺纹通孔，且第一螺杆2贯穿第一螺纹通孔，第一螺杆2转动带动移动块6移动，同一侧的两个移动块6为一组，同一组的两个移动块6之间共同固定有移动板7，移动块6移动带动移动板7移动，移动板7上设有第二螺纹通孔，第二螺纹通孔内贯穿设有第二螺杆44，第二螺杆44的一端转动连接有连接板25，第二螺杆44的另一端固定有第一转动轮8，第一转动轮8转动带动第二螺杆44转动，连接板25的一侧固定有保护箱43，保护箱43内设有缓冲模块，缓冲模块的一端固定有限位板41，且两个第二夹持块40的一侧分别固定在两个限位板41的一侧，两个第二夹持块40相互对应，第二螺杆44转动带动第二夹持块40移动，从而对试验舱26进行夹持固定，提高了试验舱26的稳定性，在受到外力作用时，可通过缓冲模块进行减震。

本发明中，支撑模块包括设置在固定板17一侧的第一滑块39，固定板17的一侧设有第一滑槽37，且第一滑块39安装在第一滑槽37内，第一滑块39上设有插孔，第一滑槽37内的一端侧壁上等间距设有多个盲孔，插孔内贯穿设有插杆38，且插杆38的一端延伸至其中一个盲孔内，方便移动和固定，第一滑块39的一侧转动连接有连接杆18，固定箱11的上端一侧铰接有转动板20，且连接杆18的一端转动连接在转动板20的下端，转动板20的上端设有凹槽，且水砂分离和计量设备21的下端固定在凹槽内的底部，凹槽的一端侧壁上设有固定模块，第一滑块39移动带动连接杆18移动，连接杆18移动带动转动板20转动，转动板20转动带动水砂分离和计量设备21转动，从而根据需要对水砂分离和计量设备21的角度进行调节，灵活性强。

本发明中，缓冲模块包括固定在保护箱43内一端侧壁上的五个弹簧48，保护箱43内的相对侧壁上均设有第二滑槽50，第二滑槽50内安装有第二滑块49，两个第二滑块49之间共同固定有压板47，且五个弹簧48的一端均固定在压板47的一侧，压板47的另一侧固定有两个压杆42，压杆42的一端贯穿保护箱43的侧壁并延伸至保护箱43的一侧，两个压杆42的一端均固定在限位板41的一侧，压杆42移动时挤压压板47，压板47移动挤压弹簧48，利用弹簧48的复位功能进行缓冲，从而提高了保护箱43的防护性。

本发明中，固定模块包括贯穿设置在凹槽一端侧壁上的第三螺杆45，凹槽的一端侧壁上设有第三螺纹通孔，且第三螺杆45贯穿第三螺纹通孔，第三螺杆45的一端转动连接有第一夹持块4，且第一夹持块4的一侧抵触在水砂分离和计量设备21的一侧，第三螺杆45的另一端固定有第二转动轮19，第二转动轮19转动带动第三螺杆45转动，第三螺杆45转动带动第一夹持块4移动，从而对水砂分离和计量设备21进行夹持固定，提高了水砂分离和计量设备21的稳定性。

本发明中，水仓27的下端侧壁上等间距设有多个出水孔，水仓27的上端连接有进水管36，进水管36上设有封盖，试验舱26内的一周侧壁上固定有密封圈35，且密封圈35的一侧抵触在水仓27的一侧，提高了实验过程中试验舱26的密封性能。

本发明还提出了一种水砂突涌试验监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、筛选粒径为0.3mm以下的干净河砂作为试验材料，将孔径尺寸为5mm的水砂通道安放在水砂通道安装槽22内，再将输送管23连接在水砂通道上；

s2、将检测合格的水压传感器安装在相应安装槽内，为保证带压状态下试验舱26密封性，水压传感器安装过程中，在端头处涂抹一圈密封胶，并将安装好的传感器连接至静态应变测试系统；

s3、将试验舱26安放至支撑板24上，并在二者间放置密封圈以增强密封性，关闭蝶阀，将河砂装入试验舱26至设计高度；

s4、启动试验系统，打开水仓27上部的排气孔，采用试验系统的应力控制模式，对试验舱26内的砂土进行一定程度的压实；

s5、将实验系统切换为位移控制模式后，向试验舱26内注水，直至有水从水仓27上部的排气孔溢出；

s6、关闭水仓27上部的排气孔，采用试验系统的水压控制模式，将试验舱26内的水压加至设计压力后，开启蝶阀的同时，启动水砂分离和计量设备21，监测并采集实验过程中水压和水砂流量的变化；

s7、实验结束后，关闭水压水量双控伺服加载系统，再次打开水仓27上部的排气孔，将水仓27缓慢升至与试验舱26分离，并对整套试验系统进行清理。

本发明中，在使用时，先将垫板12通过螺栓13固定在合适的位置上，然后转动转动块16，转动块16转动带动转动杆15转动，转动杆15转动带动第一齿轮32转动，第一齿轮32转动带动第三齿轮33转动，第三齿轮33转动带动四个第二齿轮31转动，第二齿轮31转动带动第一螺杆2转动，第一螺杆2转动带动移动块6移动，移动块6带动移动板7移动，将移动板7移动到合适的高度之后，转动第一转动轮8，第一转动轮8转动带动第二螺杆44转动，第二螺杆44转动带动连接板25移动，连接板25移动带动保护箱43移动，保护箱43移动带动限位板41移动，限位板41移动带动第二夹持块40移动，从而对试验舱26进行夹持固定，然后利用油缸29的活塞杆带动水仓27移动，从而对试验舱26内的水砂混合物进行挤压，通过储能罐51的作用将高压气体通过输气管3输送到水仓27内，当压力达到一定数值后，压力传感器发生警报，然后打开蝶阀，水砂混合物通过水砂通道和输送管23落入到水砂分离和计量设备21内，水砂分离和计量设备21需要调节角度时，移动第一滑块39，第一滑块39移动带动连接杆18移动，连接杆18移动带动转动板20转动，从而调节水砂分离和计量设备21的角度，转动第二转动轮19，第二转动轮19转动时带动第三螺杆45转动，第三螺杆45转动带动第一夹持块4移动，从而利用第一夹持块4对水砂分离和计量设备21进行夹持固定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。