一种多孔介质顶板材料预疏水相似模拟试验装置及方法

本发明涉及疏水相似模拟试验，特别是涉及一种多孔介质顶板材料预疏水相似模拟试验装置及方法。

背景技术：

1、深部工程岩体受“三高一扰动”特殊赋存环境的影响，富水地层煤层开采通常进行超前疏降水作业，但易引发顶板应力场的调整，进而导致其与采场地压联动，从而增加了致灾风险。对于深部处于富水地层的工程围岩，其在高应力、高水压赋存环境以及疏降水作用下的稳定性是保证煤层顶板施工安全的关键。

2、室内相似模型试验具有技术可靠、结果稳定，与现场监测相比周期较短，可视性高等诸多优点，近年来被广泛应用于深部地下工程研究。可通过模型试验的数据于原型结构的相似性反推到原型上，从而获得原型结构的定量或定性的结论。

3、然而现在的疏水相似模拟试验装置虽能模拟承压水地层的降压过程，但其未考虑真实的疏水环境及地层的渗流弱化现象，且承压水压应力水平不可控、位移可视化监测效率低、精度低。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种多孔介质顶板材料预疏水相似模拟试验装置及方法，本发明解决了现有技术中疏水相似模拟试验中存在承压水压应力水平不可控、位移可视化监测效率低和精度低的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种多孔介质顶板材料预疏水相似模拟试验装置，包括：

4、依次连接的相似模拟试验模块、力学加载模块和监测数据采集模块；

5、所述相似模拟试验模块用于模拟疏水相似实验，所述力学加载模块用于向所述相似模拟试验模块加载应力和承压水，所述监测数据采集模块用于采集实验变化数据，所述实验变化数据包括：承压水的水压数据、应力数据和位移数据；

6、其中，所述相似模拟试验模块，包括：

7、平面试验台、若干透明亚克力板、模拟岩层和第一型钢；

8、所述模拟岩层置于所述平面试验台的内部，所述第一型钢分别通过螺栓安装在所述平面实验台前端和后端，待模拟岩层达到强度时，拆除第一型钢，将所述透明亚克力板分别通过螺栓安装在平面试验台的前端和后端，其中，透明亚克力板四周贴紧密封条，平面试验台后端的透明亚克力板在距预设位置处留有进水连接口、出水连接口和出线连接口，并在所述螺栓、进水连接口、出水连接口、出线连接口下放置密封圈，并用固体胶密封。

9、优选地，所述力学加载模块包括：

10、应力加载子模块和承压水加载子模块；

11、所述应力加载子模块安装在所述平面试验台的上方，所述承压水加载子模块与所述平面试验台连接；

12、所述承压水加载子模块用于加载承压水，所述应力加载子模块用于加载应力。

13、优选地，所述应力加载子模块，包括：

14、加载板和多个应力伺服加载单元；

15、所述加载板位于所述平面试验台内模拟岩层上端，所述加载板的两侧安装有第二型钢，所述多个应力伺服加载单元位于所述加载板上端；

16、所述加载板用于均匀传递应力伺服加载单元加载的应力，所述多个应力伺服加载单元用于通过主机控制加载荷载的大小。

17、优选地，所述承压水加载子模块，包括：

18、疏水回路和供水回路；

19、所述供水回路用于控制进水的流量和压力，所述疏水回路用于控制出水的流量；

20、所述供水回路包括：

21、依次串联的扎孔软管、第一调节阀门、第一压力表、第一开关、压力泵和压力罐；

22、所述压力泵为可调节压力泵，为压力罐提供气体，所述压力罐用于平衡水量和压力，所述第一压力表用于监测进水的水压，所述第一调节阀门用于控制进水流量，所述扎孔软管为单侧扎孔软管，用于模拟承压水层的补给源，所述第一开关用于控制供水的启停；

23、所述疏水回路包括：

24、依次串联的出水连接口、第二开关、第二调节阀门、第二压力表和回水罐；

25、所述回水罐用于调节供水平衡；所述第二压力表用于监测出水水压，所述第二调节阀门用于控制出水流量，所述第二开关用于控制出水的启停。

26、优选地，所述监测数据采集模块，包括：

27、主机系统和均与主机系统连接的平面试验台上的应力采集子模块、孔隙水压力采集子模块、位移采集子模块；所述应力采集子模块、孔隙水压力采集子模块安装在平面试验台上的预设位置；

28、所述应力采集子模块用于采集预设位置的应力数据，所述孔隙水压力采集子模块用于采集预设位置的承压水数据，所述位移采集子模块用于采集位移数据。

29、一种多孔介质顶板材料预疏水相似模拟试验方法，所述方法包括：

30、构建相似模拟试验模型；

31、对所述相似模拟试验模型进行应力加载和疏水模拟并采集所述相似模拟试验模型各个测量点的承压水数据、应力数据和位移数据；

32、所述相似模拟试验模型的构建方法为：

33、确定待构建相似模拟试验模型的几何相似比；

34、根据所述几何相似比确定所述构建相似模拟试验模型所需要的材料用量；

35、根据所述材料用量，进行模型铺设，得到第一模型；

36、对所述第一模型进行位移定位线及定位点的布设，得到第二模型；

37、对所述第二模型进行水密性监测，得到第三模型；

38、对所述第三模型进行应力加载，得到第四模型；

39、对所述第四模型疏水模型得到构建好的相似模拟试验模型。

40、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

41、本发明提供了一种多孔介质顶板材料预疏水相似模拟试验装置及方法，装置包括：依次连接的相似模拟试验模块、力学加载模块和监测数据采集模块；所述相似模拟试验模块用于模拟疏水相似实验，所述力学加载模块用于向所述相似模拟试验模块加载应力和承压水，所述监测数据采集模块用于采集实验变化数据，所述实验变化数据包括：承压水的水压数据、应力数据和位移数据；其中，所述相似模拟试验模块，包括：平面试验台、若干透明亚克力板、模拟岩层和第一型钢；所述模拟岩层置于所述平面试验台的内部，所述第一型钢分别通过螺栓安装在所述平面实验台前端和后端，待模拟岩层达到强度时，拆除第一型钢。所述透明亚克力板分别通过螺栓安装在平面试验台的前端和后端，其中，透明亚克力板四周贴紧密封条。平面试验台后端的透明亚克力板在距预设位置处留有进水连接口、出水连接口和出线连接口，并在所述螺栓、进水连接口、出水连接口、出线连接口下放置密封圈，并用固体胶密封。实现了疏降水过程中的渗流过程，可以有效的模拟疏降水过程中多孔介质地层的力学与位移响应，明确顶板不同区位疏水诱致风险的主要因素，为矿井水防治提供依据。

技术特征：

1.一种多孔介质顶板材料预疏水相似模拟试验装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种多孔介质顶板材料预疏水相似模拟试验装置，其特征在于，所述力学加载模块包括：

3.根据权利要求2所述的一种多孔介质顶板材料预疏水相似模拟试验装置，其特征在于，所述应力加载子模块，包括：

4.根据权利要求2所述的一种多孔介质顶板材料预疏水相似模拟试验装置，其特征在于，所述承压水加载子模块，包括：

5.根据权利要求2所述的一种多孔介质顶板材料预疏水相似模拟试验装置，其特征在于，所述监测数据采集模块，包括：

6.一种多孔介质顶板材料预疏水相似模拟试验方法，应用于权利要求1-5中任一项所述的装置，其特征在于，所述方法包括：

技术总结
本发明提供了一种多孔介质顶板材料预疏水相似模拟试验装置，包括：依次连接的相似模拟试验模块、力学加载模块和监测数据采集模块；所述相似模拟试验模块用于模拟疏水相似实验，所述力学加载模块用于向所述相似模拟试验模块加载应力和承压水，所述监测数据采集模块用于采集实验变化数据，所述实验变化数据包括：承压水的水压数据、应力数据和位移数据；本发明解决了现有技术中疏水相似模拟试验中存在承压水压应力水平不可控、位移可视化监测效率低和精度低的问题。

技术研发人员：耿乾逞,姜鹏,王龙笑,由爽,孙利辉,纪洪广
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29