一种溃砂模拟试验装置和试验方法

摘要

本发明涉及砂土渗透破坏和矿井水文地质试验技术领域，特指一种模型试验条件下采矿及相关工程诱发溃砂过程监测的试验装置和方法，以“一种高水压、高应力和自动开采的矿井水害综合模拟系统及试验方法”（申请号：201010285897.9）为基础，其装置由可变溃砂口和止砂塞模块、侧向水源补给模块、溃砂过程监测模块和溃砂收集测试模块构成，其特征在于可提供不同垂直荷载、上覆低渗透性盖层不同厚度及性质、不同初始边界水头、降落漏斗动态变化、不同含水砂层厚度和颗粒级配、不同溃砂裂缝尺度的溃砂试验条件以及溃砂过程中渗透破坏范围、溃砂及涌水量、水头及水力梯度监测条件，同时获取溃砂试验参数；其试验方法的特征在于基于无穷远边界的水头控制和垂直荷载调控制方法、溃砂范围的识别方法和溃砂体重量、体积、溃砂实际涌水量的确定方法。

主权项

一种溃砂模拟试验装置包括设在模型箱（3）内的可变溃砂口和止砂塞模块、侧向水源补给模块、溃砂过程监测模块和溃砂收集测试模块，模型箱（3）包括侧壁（41），模型箱（3）内设有瞬态水位降落漏斗（20），瞬态水位降落漏斗（20）下方两侧设有倾斜向下的溃砂稳定坡面（19），模型箱（3）底部一侧设有排水口（25），其特征在于：可提供不同垂直荷载、初始边界水头及降落漏斗动态变化、含水砂层厚度和颗粒级配、溃砂裂缝尺度下的模型试验条件以及溃砂过程中渗透破坏、溃砂及涌水量、水头及水力梯度监测条件；所述可变溃砂口和止砂塞模块由溃砂口形状尺寸控制和溃砂启动的开关部件组成，其包括溃砂口模拟板（10）、止砂塞（15）及采动模拟液压缸活塞（16），所述溃砂口模拟板（10）为中心开有溃砂口（13）的圆形板，溃砂口模拟板（10）由钢板制作，溃砂口（13）的最大尺寸为90cm长和20cm宽，溃砂口（13）在溃砂口（13）的圆形钢板中心布置，不同溃砂口模拟板（10）可由不同形状和尺寸的（13）溃砂口构成；所述止砂塞（15）材料为钢材，止砂塞（15）上部止设有砂塞凸起（36），砂塞凸起（36）形状与溃砂口（13）一致并能嵌入和退出溃砂口（13），砂塞凸起（36）下部为矩形止砂塞平板（34），矩形止砂塞平板（34）板背设有纵横交错的导水槽（35），纵横交错的导水槽（35）下为管状帽（33），管状帽（33）扣在采动模拟液压缸活塞（16）上，管状帽（33）下方设有水砂分离筛（11），管状帽（33）向下移动落在水砂分离筛（11）上的中心通孔（32）处，止砂塞（15）下沉则溃砂口（13）打开；所述的采动模拟液压缸活塞（16）为止砂塞（15）的支撑部件，通过水砂分离筛（11）的中心通孔（32）伸缩，采动模拟液压缸活塞（16）下沉则止砂塞（15）下降；所述侧向水源补给模块由水源补给通道（5）及水头控制组件构成，所述水源补给通道（5）为由多层多通道组成的模型箱（3）外供水管路，供水管路包括多个分支管路（40），与模型箱（3）侧壁（41）垂直连接，由环状管路（42）连接供水，环状管路（42）通过连接的三路主管道（44）并联后经压力溢流阀（45）连接水源，管路过流总断面积从模型箱（3）向外逐级放大；所述边界水头自动控制由外设稳定水头大容量高压水箱、模型箱（3）侧壁的边界水头测点（43）、连接于三路主管道（44）的多路远程控制压力溢流阀（45）顺序连接组成，以无穷远为定水头，在压力控制体系中通过多路压力溢流阀（45）及时溢流，实现按既定降落漏斗控制边界水头；所述溃砂过程监测模块由压力‑倾角传感器（6）、孔隙水压力传感器（7）和信号线（18）组成，通过采动溃砂过程中含水砂层（8）内降落漏斗变化、水平向应力衰减和砂层内嵌标志物的径向倾角变化及其组合关系识别渗透破坏区域和临界水力梯度；所述孔隙水压力传感器（7）在溃砂口模拟板（10）上按120°角间隔径向排列成3列，间距10‑20cm，用以感应面水平朝向溃砂口（13）；所述压力‑倾角传感器（6）由侧压力传感器和倾角传感器组合而成，倾角监测的倾向方向为径向，侧压力监测的初始法线方向为径向水平，压力‑倾角传感器（6）与孔隙水压力传感器（7）布置在相同垂向剖面内，相互间隔120°角，径向间距5‑20cm，垂向高度上分布于瞬态水位降落漏斗（20）以下，分别布置在溃砂稳定坡面（19）上下；所述信号线（18）将压力‑倾角传感器（6）、孔隙水压力传感器（7）与数据采集装置相互来连接，在水砂流作用下传感器容许有一定的自由移动距离而不受信号线（18）束缚；所述溃砂收集测试模块包括水砂分离与监测组件、流量监测组件，所述流量监测组件由模型箱（3）底部排水口（25）内嵌的流量‑水压传感器（24）组成，用于监测涌水量和排水口（25）压力，所述水砂分离与监测组件由模型箱（3）下方三块互成120°角的基座（21）、基座上的压力传感器（22）、相邻的孔压传感器、水砂分离筛（11）和滤砂网（12）组成，水砂分离筛（11）内设有溃砂体（14），使用时称量溃砂体（14）的重量和体积，试验结束后打开模型清理溃砂体（14）并做颗粒级配分析；所述基座（21）上部由相互连接的传力及定位销（38）、限位保护套（39）构成，所述水砂分离筛（11）为三片可拆装组合结构，中部为圆形通孔（32），允许采动模拟液压缸活塞（16）自由通过，三段水砂分离筛（11），分别将其上重量传给压力传感器（22）；在止砂塞（15）下落后管状帽（37）恰好进入圆形通孔（32）并定位，采动模拟液压缸活塞（16）落至最底部。