一种测试矿井水可视化渗流及净化特性的实验系统技术方案

本发明专利技术提供一种测试矿井水可视化渗流及净化特性的实验系统，属于岩石渗流领域。其试验装置包括试样制备系统；由固定架、钢化玻璃套筒、外箍体、锥形底盘、轴向加载组件、分区套筒等组成的可视化渗流系统；由可调频率水泵组成的供水系统；由水质检测装置、压力传感器、测压表、摄像机、流量计和计算机组成的数据采集及分析系统。其实验方法包括控制试样轴压、水压、渗流路径下的渗流特性和水净化关系。本发明专利技术可以准确模拟不同级配的破碎煤岩体在周期来压、径高比、渗流路径、水压等作用影响下的渗流特性和矿井水净化程度，能够可视化探究渗流与净化耦合关系，用以揭示不同条件下采空区顶板渗流特性和矿井水的净化程度。板渗流特性和矿井水的净化程度。板渗流特性和矿井水的净化程度。

【技术实现步骤摘要】
一种测试矿井水可视化渗流及净化特性的实验系统


[0001]本专利技术涉及一种研究破碎煤岩体渗流和水净化的实验装置和方法，属于岩石渗流领域，具体涉及一种用于研究采空区上覆岩体不同区带渗流及水净化特性的实验装置和方法。

技术介绍

[0002]我国是一个煤炭资源大国，煤炭产量居世界首位，由于我国经济发展高度依赖煤炭，当前及未来较长时期煤炭仍将作为我国的主体能源格局不会改变。随着我国大型能源基地建设和煤炭资源开发向西部生态脆弱区转移，煤炭规模开发使本已脆弱的生态环境和有限的水资源更加受到影响，西部生态脆弱区水资源短缺已成为制约我国煤炭工业科学发展的关键因素。近年来，很多西部煤矿由于高强度开采影响及矿井疏排水，加上干流上游截流，引起地表水系逐年干涸，导致大面积植被衰败减少，草原退化，加速了荒漠化进程，水资源短缺及其破坏，已经严重影响了煤矿区人民的生活，是制约矿区煤炭工业发展的重要因素，同时也是西部生态脆弱地区资源开发面临的紧迫问题。
[0003]为了减缓水资源流失等问题，学者们提出在采空区建设地下水库的概念，地下水库工程是以实现水资源的地下调蓄和实现地表水、地下水联合调度为目的，是地下水人工补给-地下储水-人工开采的统一体。因此，研究采空区上覆岩层垮落带破碎煤岩体、裂隙带和弯曲下沉带岩体渗流特性尤为重要。为了绿色、循环利用水资源，急需改善地下水库储水水质清洁程度，因此渗流过程中对水质的影响问题亟待解决。
[0004]目前对矿井水在破碎煤岩体中的渗流动力学过程研究较多，对于采空区上覆整个岩层下破碎煤岩体渗流特性和水净化程度研究较少，为了更加符合现场情况，因此本实验方法系统地考虑采空区上覆岩体不同区域煤岩分布、破碎程度、围压和水压大小下的渗流特性和水净化程度。其中对于渗流过程中可施加符合现场周期来压规律的加卸载，对于渗透率相差较大的不同区域可设置不同渗流路径。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种测试矿井水可视化渗流及净化特性的实验系统，研究破碎煤岩体在周期来压、径高比、渗流路径、水压等作用影响下的渗流和净化特性，用以揭示不同条件下采空区顶板渗流特性和矿井水的净化程度。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提出一种测试矿井水可视化渗流及净化特性的实验方法，具体实验流程包括：制备破碎煤岩体、加卸载、注水、渗流特性分析、检测水质对比净化程度。能够模拟采空区不同区域不同加载条件下矿井水的渗流和净化特性，从而为确定水井的合理位置提供指导；能够模拟垮落岩体不同级配条件下矿井水的渗流和净化特性；能够模拟采空区不同煤岩配比条件下矿井水的渗流和净化特性，模拟放顶煤开采条件下采空区残留煤体对矿井水的净化效果；能够模拟矿井水从“垮落带
→
裂隙带
→
地表”的完整渗流过程。
[0007]所述制备破碎煤岩体分为不同煤岩配比和不同煤岩体级配，其中不同煤岩配比根据采空区顶板水平分布不同区域和竖直不同区域带煤岩分布所制备；不同级配破碎煤岩体的选取依据采空区上覆岩层不同区域带的破碎程度来制备。
[0008]所述加卸载条件分为渗流前加载、渗流过程中加卸载，其中渗流前所施加载荷值大小依据采空区上覆岩层垮落带、裂隙带和弯曲下沉带的围压来设定；渗流过程中加卸载根据采空区顶板周期来压情况来设定。
[0009]所述注水条件依据现场不同时间空间所累积的上部水流对采空区顶板产生的水压情况来设定。
[0010]为了真实准确反映采空区顶板不同厚度破碎煤岩体渗流特性，设置多组符合现场情况径高比的煤岩组合体进行实验，考虑到不同区域渗透率相差较大，存在渗透率远小于破碎煤岩体的岩石，设计分区套筒对破碎煤岩体进行分隔近似代替渗透率极小的岩石，定向改变其渗流路径。
[0011]所述渗流特性分析，检测水质对比净化程度，其中包括渗流前后水质的含盐量、电导率、COD、PH值、硫酸根离子和水中悬浮物，研究现场采空区上覆岩体在不同条件下渗流储水情况和水质净化程度。
[0012]进一步地，为探究由下往上渗流和净化特性的关系，输入水管和输出水管均设置转换阀门，实验时可相互交换连通，模拟现场由上往下渗流到采空区的净化特性和由下往上抽水利用的渗流和净化特性。
[0013]进一步地，为了提高水净化效率，可在破碎煤岩体试样中添加不同物理化学添加剂作为对比实验。
[0014]为实现上述目的，本专利技术提供一种测试矿井水可视化渗流及净化程度的试验装置，包括：试样制备系统、可视化渗流系统、供水系统、数据采集及分析系统；
[0015]所述试样制备系统包括振动筛分设备、搅拌机、电子称和混合筒。
[0016]所述可视化渗流系统包括可视化渗流系统和数据采集及分析系统，可视化渗流系统分为可拆卸固定架(11)和外筒组合体(12)两部分，外筒组合体固定在可拆卸固定架上，且内嵌轴向加载组件(13)和破碎煤岩体分区套筒(14)。其中外筒组合体由钢化玻璃筒(121)、外箍体(122)和锥形储水体(128)装配而成；其中轴向加载组件置于分区套筒顶部，并通过固定在可拆卸固定架上的液压千斤顶(15)提供轴向荷载；可调频率水泵(31)通过注水管(33)与轴向加载组件中注水口连通；盛水筒1(21)和盛水筒2(22)通过输出水管与外筒组合体中的下输水口(129)连通。
[0017]进一步地，所述固定装置由四根带螺纹圆杆、螺帽、承压顶板和承压底板组装而成，方便拆卸携带。
[0018]进一步地，所述钢化玻璃筒(121)为透明材料，实现渗流路径可视化，采用高速摄像机录制玻璃体内煤岩体渗流与水质变化过程，探究不同条件下渗流与净化细观耦合关系。
[0019]进一步的地，所述输水管均采用透明材料，且分别在输入输出水管中设置椭圆形集水器，采用高速摄像机录制渗流过程中两集水器中水的色度和浑浊度变化，探究不同条件下渗流与净化宏观耦合关系。
[0020]进一步地，所述盛水筒2(22)内置过滤仪器，并且均采用透明材料，可视化检测渗
流净化后水质中悬浮杂质含量。
[0021]进一步地，所述钢化玻璃筒内嵌有两个分隔薄壁圆筒，用于隔离破碎煤岩体改变渗流路径，其中分区套筒可设置不同尺寸。
[0022]进一步地，所述钢化玻璃套筒底部设置凸环与分别与设置凹槽的锥形底盘和设置凹槽的外箍体铆接，并在接触面处设有密封环以提高密封性能和防止应力集中。
[0023]进一步地，所述钢化玻璃套筒的外箍体在竖直方向上设有刻度尺，通过可视化钢化玻璃套筒观测在不同压力作用下破碎煤岩体的变形，并对不同高径比破碎煤岩体进行试验。
[0024]进一步地，所述轴向加载组件设有凹槽用于安装压力传感器，上透水板固定在压力传感器上。相比液压千斤顶测得的轴压数据，压力传感器可以很大程度地降低误差，测得试样真实轴向荷载。
[0025]进一步地，玻璃套筒、轴向加载装置，锥形底盘和外箍体的直径可设置不同尺寸，用于研究不同高径比条件下的渗流特性和净化程度。
[0026]所述供水系统包括储水池和可调频率抽水泵。
[0027本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测试矿井水可视化渗流实验装置，包括可视化渗流系统和数据采集及分析系统，可视化渗流系统分为可拆卸固定架(11)和外筒组合体(12)两部分，外筒组合体固定在可拆卸固定架上，且内嵌轴向加载组件(13)和破碎煤岩体分区套筒(14)。其中外筒组合体由钢化玻璃筒(121)、外箍体(122)和锥形储水体(128)装配而成；其中轴向加载组件置于分区套筒顶部，并通过固定在可拆卸固定架上的液压千斤顶(15)提供轴向荷载；可调频率水泵(31)通过注水管(33)与轴向加载组件中注水口连通；盛水筒1(21)和盛水筒2(22)通过输出水管与外筒组合体中的出水口(129)连通，输入输出水管中均设置流量计和水质检测装置实时检测，连同压力传感器显示仪(41)和摄像机的数据通过数据线导入计算机(42)分析。2.根据权利要求1所述，为探究由下往上渗流和净化特性的关系，输入水管和输出水管均设置转换阀门，试验时可相互交换连通，从而分别模拟由上往下和由下而上的渗流和净化特性。3.根据权利要求1所述，钢化玻璃筒(121)和输水管均透明材料，实现渗流路径可视化，采用高速摄像机录制玻璃体内煤岩体渗流与水质变化过程，探究不同条件下渗流与净化细观耦合关系；且分别在输入输出水管中设置椭圆形集水器，采用高速摄像机录制渗流过程中两集水器中水的色度和浑浊度变化，探究不同条件下渗流与净化宏观耦合关系。4.根据权利要求1所述，破碎煤岩体分区套筒(14)包括分区外套筒(141)和内套筒(142)，用于隔离破碎煤岩体改...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢党虎，徐飞，张琪，左建平，孙运江，左书豪，杜超杰，王二云，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：