一种可模拟复杂扰动条件下破碎岩体渗透性试验方法技术

本发明专利技术公开了一种可模拟复杂扰动条件下破碎岩体渗透性试验方法，可以在单独的静载试验或动载试验的基础上实现静载试验+原位扰动载荷试验、或动载试验+原位扰动载荷试验，进而可以精确地模拟破碎岩体在复杂原位扰动条件下的静载荷、冲击载荷、长时稳定载荷、周期性脉冲及振动载荷、实测扰动载荷、渗流压力等环境，扰动载荷控制精度高、模拟动载荷的复杂程度高、监测数据全面、自动化程度高，便于研究多种岩样混合分层布置形式下复杂动载荷作用下破碎岩体内部的渗透压力梯度的响应规律及机理，可以为研究胶结破碎岩体重构隔水层渗透性等关键科学问题提供重要的试验平台和更准确的试验数据。

A test method for permeability of fractured rock mass under complex disturbance conditions

【技术实现步骤摘要】
一种可模拟复杂扰动条件下破碎岩体渗透性试验方法
本专利技术涉及一种岩体试验装置，具体是一种用于模拟复杂原位扰动和冲击载荷作用下破碎岩体的压实及渗透性耦合试验装置，属于岩土工程试验技术及装备领域。
技术介绍
地下资源开采过程中，采空区上覆岩层在矿山压力作用下会产生剧烈的运动，导致顶板断裂和垮落，会对地下水系统造成破坏，破碎岩体稳定后会在上部岩层载荷的作用下逐渐压实，垮落破碎岩体的渗透性也发生显著变化，水在破碎岩体的渗流过程中，往往伴随不同粒径水平颗粒的流失，引起破碎岩体内部颗粒的重排和压实特性的改变，最终导致地表的沉陷变化。在现阶段“绿色采矿”和“科学采矿”的理念指导下，固体充填开采技术取得了重要发展，用于充填的破碎岩体或胶结破碎岩体对控制地表变形和保护含水层具有重要作用。因此，垮落和充填的破碎岩体压实过程中的渗透性对地下水系统的保护具有重要影响。然而，在上部岩层的垮落冲击、工程机械的振动扰动、充填设备的周期性推压夯实等动载荷的影响下，垮落后的破碎岩体的变形、破裂和渗透等力学行为变得更加复杂。在这一背景下，许多关键科学问题的研究工作亟待开展，如：冲击扰动对破碎岩体重排效果的影响、周期振动压实对破碎岩体密实度的影响、复杂原位工程扰动对破碎岩体渗透性的影响等。由于破碎岩体的非均质性、结构及表面形状的多样性、随机性，且研究涉及颗粒运动、破裂、损伤、渗透等多种复杂问题，采用理论和数值模拟的研究手段具有显著局限性，实验室试验是该领域研究的主要研究手段之一。但是，现有的试验装置和方法无法对破碎岩体-水-动力耦合问题进行系统试验，严重制约了绿色采矿理论与技术的发展。主要问题表现在以下几个方面：①通常简单使用万能试验机进行试验，设备适应性差，无法同时对破碎岩体进行压实、渗透、动力的耦合试验；②现有的试验技术通常是将简化后的冲击动载施加到岩体试样，动载荷的控制和施加不精确、且载荷形式简单，无法将现场测试得到的真实复杂的振动、冲击等动载信号在实验室精确地施加到破碎岩体，无法反映实际情况，进而导致实验结果与实际偏差较大；③监测得到的参数单一，现阶段对破碎岩体试验的监测结果大多是进出口液体压力、流量、试验机静载力、位移、不控制粒径的颗粒流失质量等，而无法对决定破碎岩体渗流特性的颗粒破裂分形特征、筒壁表面渗流路径、压力室内部渗透压力分布、控制最大粒径的颗粒流失质量、压力室筒壁侧压力和振动特性等重要参数进行监测；④安装拆卸困难、试验效率低，由于破碎岩体压力室要求刚度较大，压力室各部分厚度和重量较大，人力安装和拆卸困难，而且压实试验后的破碎岩体在局部形成真空，加剧了拆卸难度；⑤破碎颗粒堵塞下部透水板、管路等操作问题突出，影响试验数据的准确性。因此，研制一种扰动载荷控制精度高、模拟动载荷的复杂程度高、监测数据全面、自动化程度高、操作简单的破碎岩体渗透性试验方法对推动绿色保水采矿
的研究有重要作用，具有重要的实用价值。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种可模拟复杂扰动条件下破碎岩体渗透性试验方法，能够在自动反演复杂原位扰动载荷、模拟复杂的动载荷的前提下实现监测渗透压力沿加载方向的分布情况、获取破碎岩体分形维数、渗流路径演化、表面裂纹数量和开度等试验参数，为研究复杂动载荷作用下破碎岩体内部的渗透压力梯度的响应规律及机理提供更准确的试验数据。为实现上述目的，破碎岩体渗透试验系统包括整体式框架、压力室部分、压力加载控制部分、渗透液体供给控制部分、原位扰动激励控制部分、可视检测部分和集中电控部分；所述的压力加载控制部分固定设置在整体式框架的内底部，包括液压泵站和加载液压缸，加载液压缸竖直固定设置在整体式框架上、且加载液压缸的伸缩端竖直向上顶出设置，加载液压缸通过液压管路和控制阀组与液压泵站连接；所述的压力室部分包括设置在整体式框架内部的压力室，压力室包括压力室底座、可视化压力室筒壁和压力室顶盖；压力室底座通过压力室底座定位安装部件同轴可拆卸定位安装在加载液压缸的伸缩端顶端，压力室底座内部设有贯穿压力室底座设置的渗液出口通道，渗液出口通道的入口端与压力室底座的顶平面贯通，渗液出口通道的出口端通过出口渗液流量传感器连接渗液处理装置，可视化压力室筒壁的底部同轴密闭固定设置在压力室底座上，可视化压力室筒壁与压力室底座共同围成桶型结构，可视化压力室筒壁的内壁上自上而下均布设有多个渗透水压传感器，可视化压力室筒壁的内壁上还设有筒壁侧压力动态传感器，可视化压力室筒壁的内腔底部设有外径尺寸与可视化压力室筒壁的内径尺寸配合的下透水板、且下透水板上均布设有多个与渗液出口通道连通设置的透水通孔；压力室顶盖同轴设置在可视化压力室筒壁的顶部、且压力室顶盖的外径尺寸与可视化压力室筒壁的内径尺寸配合，压力室顶盖上设有贯穿压力室顶盖的液体入孔、且液体入孔的孔口位置设有孔口注液压力传感器，压力室顶盖的底部固定设有外径尺寸与可视化压力室筒壁的内径尺寸配合的上透水板、且上透水板上均布设有多个与液体入孔连通设置的透水通孔；渗液处理装置包括固液分离机构，固液分离机构上设有用于称量排出的试样岩粒的电子称；所述的渗透液体供给控制部分包括渗流液泵送装置和与渗流液泵送装置电连接的渗流泵送电控装置，渗流液泵送装置的输入端通过管路与渗流液供给箱连接，渗流液泵送装置的输出端通过管路与液体入孔连通连接；所述的原位扰动激励控制部分包括扰动信号执行装置和扰动信号激励电控装置；扰动信号执行装置包括定位压头和定位压座，定位压座同轴固定设置在压力室顶盖的顶部，定位压头对应定位压座的位置竖直安装在整体式框架上、且定位压头上设有定位压头升降结构，定位压头的底部和定位压座的顶部是配合设置的球面结构，定位压头上设有交流励磁线圈，定位压座上设有直流励磁线圈，定位压头或定位压座上还设有原位扰动动态压力传感器；扰动信号激励电控装置包括可控交流激励模块和直流供电模块，可控交流激励模块与交流励磁线圈电连接，直流供电模块与直流励磁线圈电连接；所述的可视检测部分包括数字化图像采集器，数字化图像采集器对应可视化压力室筒壁定位架设安装；所述的集中电控部分包括计算机、数据采集模块、压力加载控制回路、注液控制回路、原位扰动激励控制回路、可视检测控制回路、数据分析计算回路，计算机分别与液压泵站、渗流泵送电控装置、扰动信号激励电控装置和数据采集模块电连接，数据采集模块分别与渗透水压传感器、孔口注液压力传感器、出口渗液流量传感器、筒壁侧压力动态传感器、原位扰动动态压力传感器、数字化图像采集器、渗液处理装置的电子称电连接；具体试验方法包括以下步骤：a.试验准备：将破碎岩体试样置入压力室内后加装安装有定位压座的压力室顶盖，调整定位压头上的升降结构使定位压头上移让位后，将压力室送入整体式框架内，并通过加载液压缸伸缩端顶面上的定位结构和压力室底座定位安装部件将压力室底座同轴定位安装在加载液压缸的伸缩端顶端，再次调整定位压头上的升降结构使定位压头下降并与贴近定位压座后连接水路管路和电气管路；b.试验过程：计算机通过压力加载控制回路控制液压泵站工作使加载液压缸顶升对压力室内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可模拟复杂扰动条件下破碎岩体渗透性试验方法，破碎岩体渗透试验系统包括整体式框架(1)、压力室部分、压力加载控制部分、渗透液体供给控制部分、原位扰动激励控制部分、可视检测部分和集中电控部分；/n所述的压力加载控制部分固定设置在整体式框架(1)的内底部，包括液压泵站(2)和加载液压缸(3)，加载液压缸(3)竖直固定设置在整体式框架(1)上、且加载液压缸(3)的伸缩端竖直向上顶出设置，加载液压缸(3)通过液压管路和控制阀组与液压泵站(2)连接；/n所述的压力室部分包括设置在整体式框架(1)内部的压力室(38)，压力室(38)包括压力室底座(4)、可视化压力室筒壁(9)和压力室顶盖(14)；压力室底座(4)通过压力室底座定位安装部件同轴可拆卸定位安装在加载液压缸(3)的伸缩端顶端，压力室底座(4)内部设有贯穿压力室底座(4)设置的渗液出口通道(5)，渗液出口通道(5)的入口端与压力室底座(4)的顶平面贯通，渗液出口通道(5)的出口端通过出口渗液流量传感器连接渗液处理装置(6)，可视化压力室筒壁(9)的底部同轴密闭固定设置在压力室底座(4)上，可视化压力室筒壁(9)与压力室底座(4)共同围成桶型结构，可视化压力室筒壁(9)的内壁上自上而下均布设有多个渗透水压传感器(37)，可视化压力室筒壁(9)的内壁上还设有筒壁侧压力动态传感器(12)，可视化压力室筒壁(9)的内腔底部设有外径尺寸与可视化压力室筒壁(9)的内径尺寸配合的下透水板(11)、且下透水板(11)上均布设有多个与渗液出口通道(5)连通设置的透水通孔；压力室顶盖(14)同轴设置在可视化压力室筒壁(9)的顶部、且压力室顶盖(14)的外径尺寸与可视化压力室筒壁(9)的内径尺寸配合，压力室顶盖(14)上设有贯穿压力室顶盖(14)的液体入孔(15)、且液体入孔(15)的孔口位置设有孔口注液压力传感器(25)，压力室顶盖(14)的底部固定设有外径尺寸与可视化压力室筒壁(9)的内径尺寸配合的上透水板(10)、且上透水板(10)上均布设有多个与液体入孔(15)连通设置的透水通孔；渗液处理装置(6)包括固液分离机构，固液分离机构上设有用于称量排出的试样岩粒的电子称；/n所述的渗透液体供给控制部分包括渗流液泵送装置(30)和与渗流液泵送装置(30)电连接的渗流泵送电控装置(32)，渗流液泵送装置(30)的输入端通过管路与渗流液供给箱(29)连接，渗流液泵送装置(30)的输出端通过管路与液体入孔(15)连通连接；/n所述的原位扰动激励控制部分包括扰动信号执行装置和扰动信号激励电控装置(35)；扰动信号执行装置包括定位压头(21)和定位压座(17)，定位压座(17)同轴固定设置在压力室顶盖(14)的顶部，定位压头(21)对应定位压座(17)的位置竖直安装在整体式框架(1)上、且定位压头(21)上设有定位压头升降结构，定位压头(21)的底部和定位压座(17)的顶部是配合设置的球面结构，定位压头(21)上设有交流励磁线圈(20)，定位压座(17)上设有直流励磁线圈，定位压头(21)或定位压座(17)上还设有原位扰动动态压力传感器(19)；扰动信号激励电控装置(35)包括可控交流激励模块(34)和直流供电模块(33)，可控交流激励模块(34)与交流励磁线圈(20)电连接，直流供电模块(33)与直流励磁线圈电连接；/n所述的可视检测部分包括数字化图像采集器(27)，数字化图像采集器(27)对应可视化压力室筒壁(9)定位架设安装；/n所述的集中电控部分包括计算机(36)、数据采集模块(28)、压力加载控制回路、注液控制回路、原位扰动激励控制回路、可视检测控制回路、数据分析计算回路，计算机(36)分别与液压泵站(2)、渗流泵送电控装置(32)、扰动信号激励电控装置(35)和数据采集模块(28)电连接，数据采集模块(28)分别与渗透水压传感器(37)、孔口注液压力传感器(25)、出口渗液流量传感器、筒壁侧压力动态传感器(12)、原位扰动动态压力传感器(19)、数字化图像采集器(27)、渗液处理装置(6)的电子称电连接；/n其特征在于，具体试验方法包括以下步骤：/na.试验准备：将破碎岩体试样置入压力室(38)内后加装安装有定位压座(17)的压力室顶盖(14)，调整定位压头(21)上的升降结构使定位压头(21)上移让位后，将压力室(38)整体送入整体式框架(1)内，并通过加载液压缸(3)伸缩端顶面上的定位结构和压力室底座定位安装部件将压力室底座(4)同轴定位安装在加载液压缸(3)的伸缩端顶端，再次调整定位压头(21)上的升降结构使定位压头(21)下降并与贴近定位压座(17)后连接水路管路和电气管路；/nb.试验过程：计算机(36)通过压力加载控制回路控制液压泵站(2)工作使加载液压缸(3)顶升对压力室(38)...

【技术特征摘要】
1.一种可模拟复杂扰动条件下破碎岩体渗透性试验方法，破碎岩体渗透试验系统包括整体式框架(1)、压力室部分、压力加载控制部分、渗透液体供给控制部分、原位扰动激励控制部分、可视检测部分和集中电控部分；
所述的压力加载控制部分固定设置在整体式框架(1)的内底部，包括液压泵站(2)和加载液压缸(3)，加载液压缸(3)竖直固定设置在整体式框架(1)上、且加载液压缸(3)的伸缩端竖直向上顶出设置，加载液压缸(3)通过液压管路和控制阀组与液压泵站(2)连接；
所述的压力室部分包括设置在整体式框架(1)内部的压力室(38)，压力室(38)包括压力室底座(4)、可视化压力室筒壁(9)和压力室顶盖(14)；压力室底座(4)通过压力室底座定位安装部件同轴可拆卸定位安装在加载液压缸(3)的伸缩端顶端，压力室底座(4)内部设有贯穿压力室底座(4)设置的渗液出口通道(5)，渗液出口通道(5)的入口端与压力室底座(4)的顶平面贯通，渗液出口通道(5)的出口端通过出口渗液流量传感器连接渗液处理装置(6)，可视化压力室筒壁(9)的底部同轴密闭固定设置在压力室底座(4)上，可视化压力室筒壁(9)与压力室底座(4)共同围成桶型结构，可视化压力室筒壁(9)的内壁上自上而下均布设有多个渗透水压传感器(37)，可视化压力室筒壁(9)的内壁上还设有筒壁侧压力动态传感器(12)，可视化压力室筒壁(9)的内腔底部设有外径尺寸与可视化压力室筒壁(9)的内径尺寸配合的下透水板(11)、且下透水板(11)上均布设有多个与渗液出口通道(5)连通设置的透水通孔；压力室顶盖(14)同轴设置在可视化压力室筒壁(9)的顶部、且压力室顶盖(14)的外径尺寸与可视化压力室筒壁(9)的内径尺寸配合，压力室顶盖(14)上设有贯穿压力室顶盖(14)的液体入孔(15)、且液体入孔(15)的孔口位置设有孔口注液压力传感器(25)，压力室顶盖(14)的底部固定设有外径尺寸与可视化压力室筒壁(9)的内径尺寸配合的上透水板(10)、且上透水板(10)上均布设有多个与液体入孔(15)连通设置的透水通孔；渗液处理装置(6)包括固液分离机构，固液分离机构上设有用于称量排出的试样岩粒的电子称；
所述的渗透液体供给控制部分包括渗流液泵送装置(30)和与渗流液泵送装置(30)电连接的渗流泵送电控装置(32)，渗流液泵送装置(30)的输入端通过管路与渗流液供给箱(29)连接，渗流液泵送装置(30)的输出端通过管路与液体入孔(15)连通连接；
所述的原位扰动激励控制部分包括扰动信号执行装置和扰动信号激励电控装置(35)；扰动信号执行装置包括定位压头(21)和定位压座(17)，定位压座(17)同轴固定设置在压力室顶盖(14)的顶部，定位压头(21)对应定位压座(17)的位置竖直安装在整体式框架(1)上、且定位压头(21)上设有定位压头升降结构，定位压头(21)的底部和定位压座(17)的顶部是配合设置的球面结构，定位压头(21)上设有交流励磁线圈(20)，定位压座(17)上设有直流励磁线圈，定位压头(21)或定位压座(17)上还设有原位扰动动态压力传感器(19)；扰动信号激励电控装置(35)包括可控交流激励模块(34)和直流供电模块(33)，可控交流激励模块(34)与交流励磁线圈(20)电连接，直流供电模块(33)与直流励磁线圈电连接；
所述的可视检测部分包括数字化图像采集器(27)，数字化图像采集器(27)对应可视化压力室筒壁(9)定位架设安装；
所述的集中电控部分包括计算机(36)、数据采集模块(28)、压力加载控制回路、注液控制回路、原位扰动激励控制回路、可视检测控制回路、数据分析计算回路，计算机(36)分别与液压泵站(2)、渗流泵送电控装置(32)、扰动信号激励电控装置(35)和数据采集模块(28)电连接，数据采集模块(28)分别与渗透水压传感器(37)、孔口注液压力传感器(25)、出口渗液流量传感器、筒壁侧压力动态传感器(12)、原位扰动动态压力传感器(19)、数字化图像采集器(27)、渗液处理装置(6)的电子称电连接；
其特征在于，具体试验方法包括以下步骤：
a.试验准备：将破碎岩体试样置入压力室(38)内后加装安装有定位压座(17)的压力室顶盖(14)，调整定位压头(21)上的升降结构使定位压头(21)上移让位后，将压力室(38)整体送入整体式框架(1)内，并通过加载液压缸(3)伸缩端顶面上的定位结构和压力室底座定位安装部件将压力室底座(4)同轴定位安装在加载液压缸(3)的伸缩端顶端，再次调整定位压头(21)上的升降结构使定位压头(21)下降并与贴近定位压座(17)后连接水路管路和电气管路；
b.试验过程：计算机(36)通过压力加载控制回路控制液压泵站(2)工作使加载液压缸(3)顶升对压力室(38)内的破碎岩体试样输入压力载荷，同时计算机(36)通过注液控制回路控制渗流泵送电控装置(32)工作使渗流液经液体入孔(15)向压力室(38)内的破碎岩体试样注入渗流液，计算机(36)通过可视检测控制回路控制数字化图像采集器(27)工作；渗透水压传感器(37)实时向数据采集模块(28)反馈压力室(38)内的、流经渗透水压传感器(37)的渗流液的水压数据，计算机(36)根据数据采集模块(28)采集的渗透水压传感器(37)数据和内置程序计算并建立渗透水在压力室(38)内部的渗透压力沿加载方向的水压分布模型；数字化图像采集器(27)按照设定时间间隔向数据采集模块(28)发送通过可视化压力室筒壁(9)观测到的破碎岩体试样的图像数据，原位扰动动态压力传感器(19)实时向数据采集模块(28)反馈压力室顶盖(14)承受的压力数据，孔口注液压力传感器(25)实时向数据采集模块(28)反馈注入的渗流液初始压力数据，出口渗液流量传感器实时向数据采集模块(28)反馈排出的渗流液压力数据，筒壁侧压力动态传感器(12)实时向数据采集模块(28)反馈可视化压力室筒壁(9)对破碎岩体试样的围压数据，渗液处理装置(6)的电子称向数据采集模块(28)反馈渗漏排出的岩粒的质量数据，计算机(36)首先分别对数据采集模块(28)采集的数字化图像采集器(27)图像数据、压力室顶盖(14)承受的压力数据、注入的渗流液初始压力数据、排出的渗流液压力数据、围压数据、排出的岩粒质量数据进行误差分析计算和均值输出，然后根据内置的灰度图像分形维数解析程序、渗流路径数字化重构程序、破碎岩体表面裂纹统计程序构建破碎岩体分形维数模型、渗流路径演化模型、表面裂纹模型和表面裂纹开度模型；
进行静载试验时，计算机(36)控制加载液压缸(3)输出稳定的额定静载荷，模拟破碎岩体承受长时稳定载荷的情况；
进行静载+预设动载荷试验时，在计算机(36)中设定静载荷大小、加载速度、动载荷的形式、周期、振幅、峰值大小、循环次数、叠加方式特征数据，然后计算机(36)控制加载液压缸(3)输出稳定...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨小军，高峰，马占国，龚鹏，高亚楠，张志镇，杨玉贵，邢燕，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32