一种溃砂模拟试验装置和试验方法
专利汇可以提供一种溃砂模拟试验装置和试验方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 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。，下面是一种溃砂模拟试验装置和试验方法专利的具体信息内容。
1.一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。
2.一种溃砂模拟试验方法，其特征在于：基于无穷远边界的水头控制和垂直荷载调整控制方法、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；
所述基于无穷远边界的水头控制方法是试验中，以无穷远边界水头为定水头，按水头降落漏斗实测和理论计算规律，通过水源补给通道（5），采用计算机自动控制模型边界水头随降落漏斗扩大而逐渐降低的过程；所述垂直荷载调整控制方法是以低渗透性盖层（4）为过渡性地层，其上为一个与模型等直径的压力调整水囊（2），用于适应沉降变形和调整垂直伺服荷载的均匀分布，
其试验步骤为：
a、打开模型箱（3），移除采动模拟活动板（27），在基座（21）上固定压力传感器（22），同时在临近安装孔隙水压力传感器（7），顺序安装水砂分离筛（11），放上滤砂网（12），将压力-倾角传感器（6）、孔隙水压力传感器（7）连接好信号线（18），提升采动模拟液压缸，安装止砂塞（15）；
b、安装溃砂口模拟板（10），对正溃砂口（13）与止砂塞（15），用玻璃胶密封溃砂口模拟板（10）与采动模拟顶( 底) 板（9）、模型箱（3）侧壁的间隙，暂时密封溃砂口间隙，注水试验密封性，确保密封可靠，打开液压系统控制采动模拟液压缸，令止砂塞（15）略微下沉，打开放水口（25）放出箱内积水；
c、在溃砂口模拟板上按120°角标记测试位置布置全部测试信号线，其中孔隙水压力传感器（7）等径向间距布置，透水石水平朝向溃砂口（13），留下恰当长度的压力-倾角传感器（6）测试电缆，压力-倾角传感器（6）信号线首先向模型中间走线，然后逆水砂流方向向上延伸到指定位置，连接完成后做好位置测量和记录；
d、将特定颗粒级配砂土逐层密实、铺进模型箱，一边铺一边定位压力-倾角传感器（6）的位置并做好记录，所有压力-倾角传感器（6）倾角监测的倾向方向与径向一致；
e、从排水口（25）反向模型箱（3）内注水，逐步加水至水头超过含水砂层（8）表面，检测孔隙水压力传感器（7）是否工作正常后停止注水，关闭排水口（25）；施加垂向荷载（1）至上部地层自重应力值，检测压力传感器（22）是否工作正常，在稳定的垂向应力下保持2-3小时，压密砂土层至沉降稳定；打开水源补给通道（5）和水头补给控制组件，维持边界水头稳定，观测孔隙水压力和边界水头测点水压力变化正常后，打开出水通道，监测模型内渗流压力的变化和涌水量的动态特征，逐步降低边界水头模拟降落漏斗扩大，监测孔隙水压变化是否正常；关闭出水通道通过侧向水源通道恢复水位，打开出水通道使水位下降50%，再从侧向水源补给向模型箱（3）内继续缓慢注水使水位上升至含水砂层（8）表面，如此重复2-3次，排除气体，检测孔隙水压力传感器（7）是否工作正常后，保持箱内砂土饱和，关闭出水通道和维持边界水头稳定；
f、分析各传感器得到的监测曲线信号是否正常，如c-e步任何一步异常，返回到第c步；
g、保持关闭出水通道，卸去垂直荷载（1），在含水砂层（8）上铺设低渗透性盖层（4）至设计厚度，一般为黏土层，铺设完毕后压覆压力调整水囊（2），施加垂直荷载（1）至设计值，保持1-2天沉降稳定后等待试验；
h、溃砂试验开始计时，打开水源补给通道（5）和水头补给控制组件，维持边界水头稳定，采集背景数据5-10分钟，数据变化稳定后打开排水口（25），监测模型内渗透压力的变化和涌水量的动态特征，启动采动模拟液压缸控制止砂塞（15）下沉，形成溃砂裂缝，在检测到压力传感器（22）反馈的重量突然增加后即止砂塞（15）顺利落到水砂分离筛（11）上，此后各监测模块同时检测并记录溃砂过程中水压、含水砂层（8）内侧向应力、溃砂量随时间变化和涌水量随时间变化参数；
在试验过程中还可以使用原模型系统的垂直应力、温度、pH值监测系统进行数据采集，采取涌水样，做悬浮物颗粒级配和含量分析；
i、监测反馈的溃砂量，当水砂分离筛（11）内砂体超过容积80%后，关闭水源补给通道（5）和水头补给控制模块停止试验，排干模型内水分、卸去垂直荷载（1）后打开模型箱（3），检查并记录拆模型发现的各种现象，否则继续试验；
j、变换含水砂层（8）厚度、颗粒级配、侧向补给水源初始水头及形成降落漏斗后的边界水头、溃砂口（13）裂缝张开度、上覆低渗透性盖层（4）厚度及性质、垂直荷载，重复1-9过程，发现多种试验现象并监测记录试验数据；
k、试验结束，统计分析试验结果。
3.根据权利要求2所述的溃砂模拟试验方法，其特征在于：所述的溃砂范围的识别方法是以互成120°角的三组传感器观测数据为基础，根据孔隙水压力和测点位置关系绘制渗流形成的降落漏斗和计算水力梯度，根据压力-倾角联合观测点倾角、侧向压力变化，在含水砂层内划分出倾角角度稳定区、有规律变化区和无规律变化区，侧压力稳定区、有规律变化区和无规律变化区，通过分区叠加识别出渗透破坏的范围，判别出临界水力梯度。
4.根据权利要求2所述的溃砂模拟试验方法，其特征在于：所述溃砂体重量、体积、溃砂实际涌水量的确定方法如下：自由水位面以下重力传感器（22）所测重力扣除水砂分离筛（11）重量后的溃砂体水下浮重量W’，ΔW’为W’增量，溃砂监测涌水量为Q’，已知砂土比重为Gs，水下堆积孔隙比为e，水的重度为γw，则试验中溃砂体（14）固体颗粒的实际重量W按式计算，溃砂体（14）固体颗粒的体积V按 式计算，溃砂过程中实际
涌水量Q按 式计算。
一种溃砂模拟试验装置和试验方法
技术领域
背景技术
发明内容
水量，根据溃砂过程动态监测曲线，密度观测传感器（14）获得的水砂混合流密度历时曲线，可分析不同时刻溃砂量、涌水量及其变化特征。
具体实施方式
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