一种岩层底板渗流突水试验装置及试验方法与流程

本发明属于矿体开采技术领域，尤其涉及一种岩层底板渗流突水试验装置及试验方法。

背景技术：

矿井突水灾害一直是我国煤矿安全面临的一大难题，随着开采深度增加和开采强度的不断增大，深部开采时遇到的高承压水问题也更加复杂和突出。在深部煤层开采时，在高水压作用的影响下，底板岩石的力学性质、强度指标和变形模量均发生变化，同时，水压作用也会改变底板应力分布，而应力改变会引起裂隙的扩展和发育，从而会改变岩体的渗透性质导致岩层顶底板发生突水灾害。

在采矿活动中，岩层的开挖和底板的变形、失稳、破坏，会导致底板形成导水裂隙带。当裂隙带发展到含水层时，在岩层的底板中出现一条或多条导水通道，含水层中的水将沿着裂隙带涌向采空区，发生突水灾害。突水具有时间短、水量大、突发性和破坏性强等特点，极易造成淹没掘进巷道和工作人员伤亡的重大事故，对矿山安全产生巨大的威胁，充分认识采空区突水特征和灾害孕育机理，提出有针对性的防治措施，深入揭示突水机理，对于煤矿安全生产有重要的社会价值和经济意义，随采深增加，会遇到高渗透压问题。因此开展岩层在承压水作用下发生完全变形时的渗流试验，能够更加全面地探索岩层底板突水灾变的演化规律和控制因素，揭示深部岩层底板发生突水灾害的内在机理，为预防岩层底板突水灾害和预测岩层底板突水前兆提供基本试验数据。

专利200610166463.0公开了一种弯曲岩样渗透性试验装置，设在缸筒内的岩样同时受挤压和上顶的力,岩样在渗透的同时发生弯曲变形,在结构破坏的一瞬间,渗流速度发生急剧的变化,以此模拟突水的特征,并验证突水是伴随着结构破坏的渗流失稳过程，但是岩层底板时刻受到高水压的作用，因此上述专利不能很好的模拟承压水作用下岩层底板受到弯矩时的渗流特性。

技术实现要素：

本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种岩层底板渗流突水试验装置，用于探究岩层底板在承压水作用下弯曲变形时的渗流特性。

本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种采用上述试验装置的试验方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种岩层底板渗流突水试验装置，包括轴向加载系统以及渗透仪，所述渗透仪包括设置于所述轴向加载系统的承载台与加载头之间的缸筒以及滑设于所述缸筒内的压头，所述缸筒内固定设有支撑环，所述压头的底端呈锥形且正对所述支撑环的中心，所述压头与所述支撑环之间设有用于放置底板岩样的空间和密封胶料，所述缸筒位于所述底板岩样和缸筒底板之间的空腔内通过进水管填充有高压水，所述进水管上设有流量计和水压传感器。

进一步的，所述压头的顶端延伸至所述缸筒外并正对所述加载头，所述压头伸出至所述缸筒外的侧壁上设有出水口，所述压头内设有连通所述出水口和缸筒内腔的出水通道。

进一步的，还包括与所述轴向加载系统、流量计和水压传感器电性连接的数据采集系统。

进一步的，还包括水压供给系统，所述水压供给系统包括液压缸、供油泵和供水泵，所述供油泵通过供油管道与所述液压缸内位于活塞上方的油压腔连通，所述供水泵通过供水管道与所述液压缸内位于活塞下方的水压腔连通，所述水压腔的出口与所述进水管道对接。

进一步的，所述供水管道上设有截止阀。

进一步的，所述供油管道上设有溢流阀、减压阀和单向节流阀。

进一步的，所述缸筒、压头、底板岩样及支撑环同轴设置。

为解决上述第二个技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种岩层底板渗流突水试验方法，使用上述试验装置，包括如下步骤：

步骤一：将底板岩样搁置于支撑环上，并将密封胶料充填在缸筒内壁与底板岩样外缘之间的空间中；

步骤二：等密封胶料固结并具有完全密封性能后，通过轴向加载系统向压头加载，压头的锥形底端作用于底板岩样；同时，通过进水管通水对底板岩样的下部施加稳定的水压；

步骤三：轴向加载系统的加载头不断加载，对底板岩样开展弯曲变形条件下的渗流试验，直至试样破坏为止；并实时记录压力传感器、水流量计以及轴向加载系统输出的数据。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、通过在岩样的顶部施加弯曲载荷，实现岩样的弯曲变形，同时在岩样的下表面完全处于渗透水压中，从而可以研究岩层底板在承压水作用下弯曲变形时的渗流特性，更加完全地还原了工程实际背景，为岩层顶底板突水机理的研究提供更加准确的试验数据。

2、采用圆锥形压头和支撑环联合加载的方式，能够实现圆板状岩样沿半径方向受到相同的弯曲变形，保证渗流过程中的应力条件相同，同时也有效解决应力集中问题。

3、克服了常规渗流试验中的密封问题，锥形压头和支撑环联合加载方式可以使圆板状岩样下表面与支撑环接触部分更加紧密，加以密封材料固结填充，可以加强装置的密封性能。

4.在压头中都设有水流通道，让试验过程中试样底板渗出的水流排出渗流装置之外，以免水流囤积产生水压对加载装置数据的采集产生影响，保证加载数据采集的准确性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明渗透仪的结构示意图。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1和图2，一种岩层底板渗流突水试验装置，包括轴向加载系统ⅱ、渗透仪ⅰ和数据采集系统ⅳ，渗透仪ⅰ设置在轴向加载系统ⅱ的承载台与加载头之间。具体的，渗透仪ⅰ包括设置设置于承载台上的缸筒9，缸筒9内位于加载头的下方匹配滑动设置有压头8，缸筒9内位于压头8的下方同轴匹配固定设有支撑环3，压头8的底端呈圆锥形5且正对支撑环3的中心，压头8与支撑环3之间设有用于放置圆板状底板岩样10的空间和密封胶料4，缸筒9位于底板岩样10和缸筒底板11之间的密闭空腔3内通过进水管1填充有高压水，缸筒9与缸筒底板11通过连接螺栓2紧固连接。进水管1上设有与数据采用系统ⅳ电性连接的流量计20和水压传感器25，数据采集系统ⅳ还连接至轴向加载系统ⅱ，用于对加载压力及加载头轴向移动距离等数据进行采集。至于轴向加载系统ⅱ和数据采集系统ⅳ的具体结构均为现有技术，在此不再赘述，如数据采集系统ⅳ可以包括数据采集仪23和与计算机连接的计算机24。

本实施例中，通过在岩样10的顶部施加弯曲载荷，实现岩样10的弯曲变形，同时在岩样10的下表面完全处于渗透水压中，加载过程中的加载力、轴向位移、水压及水流量通过数据采集系统ⅳ采集，从而可以研究岩层底板在承压水作用下弯曲变形时的渗流特性，更加完全地还原了工程实际背景，为岩层顶底板突水机理的研究提供更加准确的试验数据。

参见图2，为方便岩样10渗流水的流出，压头8的顶端延伸至缸筒9外，在压头8伸出至缸筒9外的侧壁上设有出水口7，压头8内设有连通出水口和缸筒内腔的出水流道6，出水口7通过管道连接至储水箱26，当岩样10底部高压水通过裂隙从岩样顶部渗出时，渗流水通过出水流道6经过出水口7可以及时排出至储水箱26中，从而可以避免缸筒9内岩样10与压头8间水压的升高。

参见图1，本实施例试验装置还包括水压供给系统ⅲ，水压供给系统ⅲ包括液压缸17、供油泵15和供水泵19，供油泵15通过供油管道与液压缸17内位于活塞上方的油压腔连通，供水泵19通过供水管道与液压缸17内位于活塞下方的水压腔连通，水压腔的出口与进水管道对接，供水管道上设有第一截止阀21，在进水管1上设有第二截止阀22，供油管道上设有溢流阀13、减压阀14、油压传感器18和单向节流阀16，供油泵15上还可以设置对油液进行冷却的冷却器。本实施例借助双作用液压缸油压和水压的转换，提供稳定持续的渗透压力，克服了常规渗流试验中渗透压力稳定性差、难于记录、水压小的缺点。

优选的，为提高加载的均匀性，缸筒9、压头8、底板岩样10及支撑环3同轴设置。为避免应力集中，压头8的圆锥部分设有一定的钝度。

参见图1，一种使用上述试验装置进行渗流试验的方法,包括以下步骤：

步骤一：将岩样10搁置于渗流装置的支撑环3之上，用密封胶料4将缸筒9内壁、岩样10外缘和支撑环3之间的空间充分填满；

步骤二：等密封胶料10固结并具有完全密封性能后，通过轴向加载系统ⅱ向压头8加载，传递于圆锥体，作用于岩样10，同时，通过水压供给系统ⅲ，对岩样10的下部作用稳定的水压；

步骤三：通过轴向加载系统ⅱ的位移控制系统对岩样10施加荷载开展岩样弯曲变形条件下的渗流试验；

步骤四：实时记录水压传感器25、油压传感器18、水流量计20以及轴向加载系统ⅱ输出的数据；

步骤五：通过调节水压供给系统ⅲ所提供的稳定水压，在不同水压、不同岩性、不同试样厚度条件下，开展圆板状岩样弯曲变形下的渗流试验。

本实施例从岩样底部通水，水压作用于整个岩石试样的下表面，同时在上部通过位移控制加载，发生弯曲变形，在整个弯曲变形的过程中，水压时时刻刻作用于岩石下表面，在这种水压作用下，对岩样施加弯曲载荷，进而研究岩石在高水压条件下，从完整岩样到产生裂隙，最后产生宏观破坏整个过程中的渗流特性。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。