一种弱胶结地层水砂溃涌模拟试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及煤矿顶板水砂溃涌灾害防治技术领域，尤其是涉及一种弱胶结地层水砂溃涌模拟试验装置。


背景技术：

2.煤层顶板水砂溃涌是侏罗纪煤田开发过程中发生频率较高的灾害之一。由于水砂体溃入具有突然性，往往给工作面安全生产带来极大危害。采掘工作面推进过程中的水砂溃涌，一方面水体的突然涌入可能造成淹没工作面和其他工作场所；另一方面砂体的溃入还会引发大范围的顶板垮塌，造成压死、掩埋采场支架，甚至造成人员伤亡的重大事故。比如神东的哈拉沟矿区地处陕北黄土高原北部和毛乌素沙漠东南缘的接壤地区，哈拉沟煤矿多次发生水砂溃涌灾害，对矿井安全生产造成极大影响；内蒙古新上海庙一号煤矿于2014年7月27日在111084工作面回采时发生水砂溃涌灾害，瞬时最大涌水、砂量达到1500m3/h，导致轨道顺槽被淤积1000m左右，经济损失巨大；陕西铜川照金煤矿于2016年4月25日在zf202工作面回采到剩余317m时发生水砂溃涌事故，造成11人死亡，该事故是黄陇煤田在深埋条件下基岩溃砂造成严重后果的首例典型案例。以上案例均发生在侏罗纪煤田受弱胶结含水层威胁的矿井，由此可见，工作面顶板弱胶结地层水砂溃涌灾害对煤矿安全开采危害性巨大。
3.以往通常认为工作面回采产生的导水裂隙带波及至含水层或通过其他优势通道间接揭露含水层时，水会通过导水砂通道进入井下，当水力坡度达到或超过水砂溃涌的临界水力坡度时，便有可能会发生水砂溃涌事故。针对侏罗纪煤田煤层顶板水砂溃涌的研究主要集中在砂体单个颗粒临界启动流速、砂体液化流动的判据、水砂混合物失稳、水平变形指标、水砂通道形成、颗粒流数值模拟、水砂混合物运动等方面，取得了较多成果，有效指导了水砂溃涌灾害的防控和治理。
4.但以上研究多集中在薄基岩水砂溃涌的导水砂通道、临界水力坡度、水砂相互作用等方面，其理论基础为有限元、离散元、流体动力学、结构力学等，其理论和实践较为复杂，无法直观的了解砂体粒径、水压和水砂通道对弱胶结地层水砂溃涌的控制作用，针对薄基岩水砂溃涌的试验装置无法针对弱胶结地层水砂溃涌进行模拟，并且尚未发现有针对弱胶结地层水砂溃涌模拟的试验装置及方法。


技术实现要素：

5.针对砂体粒径、水压和水砂通道对水砂溃涌的控制作用无法量化及水砂溃涌装置无法可视化的问题，本实用新型的目的是提供一种弱胶结地层水砂溃涌模拟试验装置。
6.本实用新型提供一种弱胶结地层水砂溃涌模拟试验装置，包括：装置本体、水砂溃涌观察组件、可视化组件和水供压组件；所述水砂溃涌观察组件与所述装置本体连接；所述可视化组件设置在所述装置本体外壁，所述水供压组件设置在所述装置本体顶部。
7.进一步，所述装置本体包括：闷板、试验筒体和底板，所述试验筒体的顶端设置有
法兰盘，且所述闷板通过螺栓穿过所述法兰盘与所述试验筒体连接；所述试验筒体的底端设置有法兰盘，且所述底板通过螺栓穿过所述法兰盘与所述试验筒体连接；在所述底板的底端一周设置有支架；所述底板上设置有窄槽，所述水砂溃涌观察组件安装在所述底板底部。
8.进一步，所述可视化组件包括：焊板、压板、垫圈和钢化玻璃，所述焊板设置在所述试验筒体外壁上，利用紧固装置依次将所述压板、所述垫圈和所述钢化玻璃安装在所述焊板上。
9.进一步，所述紧固装置采用螺栓。
10.进一步，所述可视化组件设置有3组，且高低错落地设置在所述试验筒体外壁。
11.进一步，3组所述可视化组件在所述试验筒体外壁圆周均匀布置，即3组所述可视化组件的外法线彼此之间的夹均为120
°
。
12.进一步，所述水供压组件包括：四通接头和压力表，所述压力表与所述四通接头的顶端连接，所述四通接头的水平两端分别安装卸压阀和加压泵；所述四通接头的底端与所述装置本体连接。
13.进一步，所述水砂溃涌观察组件包括：两块调整滑板和调节装置，两块所述调整滑板之间的缝隙形成水砂溃涌通道，且所述水砂溃涌通道与所述底板上的窄槽对应设置；所述调节装置与所述底板连接，且其一端为自由端，另一端与所述调整滑板连接。
14.进一步，所述调节装置包括：螺杆、螺母和固定块，所述固定块与所述底板连接，所述螺杆穿过所述固定块与所述调整滑板连接，所述螺母设置在所述螺杆与所述固定块接触的两端，用于拧紧固定所述螺杆。
15.进一步，在每块所述调整滑板上均安装有两个所述调节装置。
16.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：通过在试验装置中模拟侏罗纪煤田弱胶结地层，利用水砂溃涌观察组件调整装置本体底部水砂溃涌通道的宽度，利用水供压组件对装置本体内部逐级升压，观察不同粒径的弱胶结砂岩水砂溃涌临界水压，可以定量化模拟弱胶结地层在不同水砂溃涌通道宽度和水压条件下是否能够水砂溃涌，利用可视化组件能够直观地观测到不同粒径的弱胶结地层在变化的水砂溃涌通道宽度和变化的水压条件下装置本体内部发生的变化，为水砂溃涌灾害的防治提供依据。
附图说明
17.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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他的附图。
18.图1为本实用新型实施例一种弱胶结地层水砂溃涌模拟试验装置示意图；
19.图2为本实用新型实施例水砂溃涌观察组件示意图；
20.图3为本实用新型实施例试验筒体不同角度的主视示意图；
21.图4为本实用新型实施例试验筒体a
‑
a截面俯视示意图；
22.图5为本实用新型实施例闷板主视示意图。
23.附图标记说明：
24.1：底板；2：试验筒体；3：焊板；4：压板；5：垫圈；6：钢化玻璃；7：紧固装置；8：法兰盘；9：闷板；10：螺栓；11：四通接头；12：压力表；13：支架；14：调节装置；15：调整滑板；16：水砂溃涌通道。
具体实施方式
25.下面将结合实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
27.此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
28.本实用新型提供的弱胶结地层水砂溃涌模拟试验装置是利用试验装置对不同粒径的弱胶结地层在不同裂隙宽度和水压条件下水砂溃涌进行定量化模拟和分析，进而得到弱胶结地层水砂溃涌的临界水力坡度，为水砂溃涌灾害防控提供依据。
29.如图1至图5所示，首先对弱胶结地层水砂溃涌模拟实验装置进行组装：利用螺栓10将闷板9安装到试验筒体2的上端，利用螺栓10将底板1、试验筒体2和支架13进行安装。底板1上设置调节装置14用来调整两块调整滑板15之间水砂溃涌通道16的宽度。调节装置14包括：螺杆、螺母和固定块，固定块与底板1连接，螺杆穿过固定块与调整滑板15连接，螺母设置在螺杆与固定块接触的两端，用于拧紧固定螺杆。当需要调节水砂溃涌通道16的宽度时，将螺杆两侧的螺母松开，此时两块调整滑板15相对运动，直到达到理想试验的宽度，再将螺母拧紧固定。这种调节方式可以实现水砂溃涌通道16自由宽度的变化和调整，比现行试验方法中频繁更换底板1的方式高效且便捷。无需定制特定宽度的底板1，就能达到随意调节水砂溃涌通道宽度的目的。
30.利用紧固装置7依次将压板4、o型垫圈5和钢化玻璃6安装到试验筒体2的焊板3上。紧固装置7可以是螺栓10。在闷板9中部安装卡套式四通接头11，四通接头11上端安装量程最大为1mpa的压力表12，水平两端分别安装卸压阀和加压泵。组装步骤具体可以分为三步：
31.第一步：加工直径219mm，厚度10mm，高度500mm的铸铁试验筒体2，在其上下段焊接外径32mm的法兰盘8，利用螺栓10将闷板9安装到试验筒体2的上端；同时利用螺栓10将底板1、试验筒体2和支架13进行安装。
32.第二步：在试验筒体2的上、中、下部分别焊接3个长200mm、宽60mm、厚12mm的焊板3，焊板3的中心分别距离试验筒体2的底端130mm，250mm和370mm。焊板3外法线彼此之间的夹角为120
°
，利用10个螺栓10依次将长200mm、宽60mm、厚20mm的压板4以及长156mm、宽36mm、厚10mm的钢化玻璃6和o型垫圈5安装到焊板3上，其中钢化玻璃6耐压须超过1mpa。在试验筒体2外部圆周均匀设置3组高低错落的钢化玻璃6，能从上、中、下分别观察到内部弱胶结地层的填满状况和水砂溃涌的即时状态。
33.第三步：在闷板9中部安装卡套式四通接头11，四通接头11上端安装量程最大为1mpa的压力表12，四通接头11水平两端分别安装卸压阀和加压阀。
34.利用本实用新型的实验装置进行弱胶结地层水砂溃涌模拟试验的步骤如下：
35.s1筛选砂粒：利用一套孔径大小不同的标准筛来分离出四组不同粒径区间的砂粒，分别为0.1～0.25mm、0.25～0.5mm、0.5～1.0mm和1.0～2.0mm，配比体积比10％的黏土，用来模拟弱胶结的细砂岩、中砂岩、粗砂岩和砾岩；
36.s2砂体填充：将粒径0.1～0.25mm的砂粒分次装入试验装置中，每次厚度不超过5cm，然后通过将试验装置放置在振动器上振动使砂体在试验装置内铺设均匀，每次振动时间不少于1min，直至砂体将试验装置完全填充；
37.s3调整水压测试：利用试验装置底板1上的旋钮14调整两块调整滑板15，使水砂溃涌通道16宽度为0.1cm，通过加压泵对试验装置内的水压进行加压使装置内的砂体充满水并饱和，装置内的水压稳定在0.1mpa至少10min，如果水砂溃涌通道16溃砂量占总砂量的10％及以上，则说明已经发生了水砂溃涌；如果水砂溃涌通道16未发生水砂溃涌(溃砂量占总砂量的10％以下)，则继续升高水压至0.2mpa至少10min，查看水砂溃涌通道16是否发生水砂溃涌现象，如未水砂溃涌则再次升高水压，每次升高0.1mpa，查看水砂溃涌通道16是否发生水砂溃涌现象，通过循环升高水压，直至水压升高至0.5mpa，如果中途发生水砂溃涌现象，则水砂溃涌通道16宽度为0.1cm的试验停止，记录水砂溃涌通道16为0.1cm时的弱胶结细砂岩水砂溃涌临界水压；如果水压升高至0.5mpa，试验装置仍然未发生水砂溃涌，则利用试验装置底板1上的旋钮14调整两块滑板15，进行下一个水砂溃涌通道16宽度的试验；
38.s4调整水砂溃涌通道的宽度：首先停止加压泵工作，打开四通接头11上的卸压阀对试验装置内及逆行卸压，使试验装置内的压力完全释放；然后利用试验装置底板1上的旋钮14调整两块调整滑板15，使水砂溃涌通道16宽度为0.2cm，进行0.2cm水砂溃涌通道16的试验，然后依次完成0.3cm、0.5cm、1.0cm、1.5cm和2.0cm水砂溃涌通道16的试验，即重复步骤s3；
39.s5更换不同粒径的砂粒：完成粒径0.1～0.25mm砂粒的弱胶结细砂岩水砂溃涌模拟试验后，将0.1～0.25mm砂体移出试验装置，清洗试验装置；接着将0.25～0.5mm的砂粒装入试验装置中，然后再依次进行s2
‑
s4的步骤，完成0.25～0.5mm砂粒的弱胶结中砂岩水砂溃涌模拟实验后，再按照s2
‑
s4的步骤依次完成0.5～1.0mm砂粒的弱胶结粗砂岩和1.0～2.0mm砂粒的弱胶结砾岩水砂溃涌试验。
40.本实用新型采用不同粒径的砂粒与黏土混合模拟弱胶结地层，利用粒径为0.1～0.25mm、0.25～0.5mm、0.5～1.0mm和1.0～2.0mm的砂粒配比10％(体积比)的黏土来模拟弱胶结的细砂岩、中砂岩、粗砂岩和砾岩地层，将试验装置底部水砂溃涌通道16宽度分别设置为0.1cm、0.2cm、0.3cm、0.5cm、1.0cm、1.5cm和2.0cm，利用加压泵和稳压器将试验装置内的
砂体水压由0.1mpa逐渐加压直至水砂溃涌发生或达到0.5mpa，实现查明砂体粒径、水压和窄槽宽度对水砂溃涌控制作用的定量化研究。
41.利用本实用新型的装置进行试验，分别把砂体粒径、水压以及水砂溃涌通道宽度作为研究对象，通过将其中一个设置为定量，调整另外两个参数的数据测试是否发生水砂溃涌，不仅模拟了弱胶结地层的结构，量化了指标，还能够直观的观察到发生水砂溃涌的条件，为水砂溃涌灾害的防治提供依据。
42.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。