一种用于疏水孔或井的间歇自动抽吸渗流试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于疏水孔或井的间歇自动抽吸渗流试验装置及方法，属于含水层底部向下疏水降压井渗流技术领域；试验装置包括砂箱渗流系统、供水循环系统、自动抽吸系统、流量监测系统、水压监测系统和数据采集系统；试验方法中通过控制电磁重力阀引力大小可在疏放水管内形成预期高度水柱，疏放水管内满管水柱的快速疏放形成抽吸负压可增加含水层进入疏放水管内的流量提高疏放水效率，当疏放水管内水流较小时电磁重力阀关闭，重新形成预期高度水柱，反复循环形成间歇自动控制快速抽吸效应。本发明专利技术装置具有结构简单、适用性强、经济节约的特点，基于本发明专利技术方法可以确定含水层高效快速的疏降水方法和工艺，揭示含水层底部疏水降压增渗机理。降压增渗机理。降压增渗机理。

【技术实现步骤摘要】
一种用于疏水孔或井的间歇自动抽吸渗流试验装置及方法


[0001]本专利技术涉及一种疏水井渗流试验装置，具体涉及一种用于疏水孔或井的间歇自动抽吸渗流试验装置及方法，属于含水层底部向下疏水降压井渗流


技术介绍

[0002]我国煤矿水文地质条件复杂，煤炭开采会受到老空(窑)水、地表水、松散孔隙水和基岩裂隙岩溶水等多种水源的严重威胁。对于深埋煤层的开采，煤层顶板含水层距离地面较远，随着煤矿开采规模和深度的不断增大，煤层顶板含水层承受的静水压力升高，从地面施工钻孔进行抽排水降压存在钻进深度大、时间长、造价高等劣势。采用从地下空间自下向上施工疏放水孔进行疏放水与地面施工抽排水孔对含水层进行疏水降压相比，施工难度低、疏放效率高、更为经济、合理。对于浅埋的地下工程，在需要疏水降压时，如果受地表地形条件限制难以施工抽排水井，在地下空间施工疏放水孔也将提高工程效益。
[0003]含水层底部疏水降压时，含水层的水通过花管汇入疏放水管在自重和水压的作用下并沿着疏放水管流经管底阀开关排放，可分解为含水层和钻孔两个子系统，可通过渗流
‑
管流耦合模型来描述。根据含水层汇入疏放水孔花管流量Q
汇
的能力及疏放水孔口阀实际疏放水量Q
排
的大小，疏放水管内可以形成满管及非满管两种流态。疏放水花管内水头压力P对含水层汇入疏放水孔花管水量具有显著的影响，假定疏放水孔花管内水头压力为P＝0时，含水层汇入疏放水孔花管内水量为当P>0时，含水层具有较好汇入疏放水花管水量的能力，汇入量没有得到充分排放，其汇入量当P＝0时(为大气压强)，疏放水花管内充入空气，疏放水孔为非满管流，也可能存在一种满管流临界状态即恰好使疏放水管形成满管流，当P<0时，疏放水孔下部为满管，疏放水孔花管内形成负压，具有一定的抽吸效应，将增大含水层汇入疏放水孔花管内流量，
[0004]本专利技术人前期已经开展了关于含水层底部疏水降压井的相关物理模型试验的研究并发表了专利，例如于2019.07.02公布的申请公开号为CN109959598A的一种含水层底部渗流箱渗流试验方法，以及于2019.07.26公布的申请公开号为CN110057741A的一种含水层底部渗流箱渗流试验模型装置。两个专利技术专利研究了含水层底部水降压井内水压为0的条件下，渗流箱径、井长与含水层疏放水渗流之间的关系；并采用数值模拟软件MIDAD GTS MX开展了承压含水层底部渗流箱渗流试验研究；该模型很好的模拟了渗流箱内孔隙水压为0时的疏放水渗流特征，得到了含水层底部疏放水渗流砂槽的试验模型。
[0005]基于上述两个专利技术专利，在实际试验过程中发现由含水层底部向上形成的渗流井(孔)其渗流特征与传统意义渗流井存在明显差异，当P<0时，疏放水孔下部为满管，疏放水孔花管内形成负压，具有一定的抽吸效应，将增大含水层汇入疏放水孔花管内流量，的情况采用上述两个专利技术是无法实现的。含水层内水流在汇入疏放水孔过程可能会携带一定细小颗粒，在水流流速较小及较稳定时该部分细小颗粒可堵塞含水层汇入疏放
水孔的渗流通道，导致疏放水效率进一步下降。如果疏放水管内能形成一种动态变化的水压，改变疏放水花管周围渗流流速，“振动式”式抽吸，将能很好地预防渗流通道堵塞，甚至可以扩展渗流通道，增大渗流速度。当然，这种负压的形成条件比较复杂，与含水层的厚度、水压、渗流孔的半径、倾角等因素均有关系，需要设计专有试验装置开展相关研究。
[0006]因此建立由含水层底板向上形成疏放水孔的渗流模型，对研究地下空间仰斜钻孔疏放水的渗流特征及提高含水层向下疏放水效率具有重要意义。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是：克服现有含水层底部疏水降压井模型在疏放水过程中，含水层底部疏放水花管位置存在负压现象影响渗透系数的问题，提供一种用于疏水孔或井的间歇自动抽吸渗流试验装置及方法，改变进水花管内水压并间歇式形式一种负压，形成一种间隙式抽吸的效应，一方面可防止渗流通道的堵塞、甚至起到扩大疏放水渗流通道的效果，另一方面汇入花管段内的负压可在进水花管周围形成更大的渗流水力梯度增加含水层渗流量，提高疏放水效率；并可为井下疏放水施工提供高效排水的理论依据、加快施工进程。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种用于疏水孔或井的间歇自动抽吸渗流试验装置，包括砂箱渗流系统、供水循环系统、自动抽吸系统、流量监测系统、水压监测系统和数据采集系统；所述砂箱渗流系统由设置有可拆卸密封盖的渗流砂箱、贴合在渗流砂箱内壁上的隔水软绵以及由下至上设置在渗流砂箱内部的多孔渗透钢板、下部强透水不锈钢丝网、渗透砂体、上部强透水不锈钢丝网组成，渗流砂箱的顶部侧壁上设置供水口、底部设置饱和进水口；所述自动抽吸系统由设置在渗透砂体内部的进水花管通过贯穿连接在渗流砂箱底部的进水花管变径转换接头依次连接疏放水管、疏放水阀、疏放水管变径接头和电磁重力阀组成；所述供水循环系统由中转水箱分别连接与供水口连接的供水管路、与饱和进水口连接的饱和进水管路以及与渗流集水桶连接的回水管路组成；所述流量监测系统包括设置在渗流集水桶下端的高精度电子称、连接在供水口与供水管路之间的供水口流量计以及连接在电磁重力阀上方疏放水管上的放水口流量计；所述水压监测系统包括设置在渗流砂箱侧壁垂直方向上的水压监测传感器束和顶部水压传感器，以及设置在疏放水管上的疏放水管顶部水压传感器，渗透砂体内部埋设与水压监测传感器束连接的砂槽内导压管。
[0009]所述渗流砂箱为设置有可拆卸密封盖的圆柱形或半圆柱密封透明箱体，所述渗透砂体为透明渗透介质；所述隔水软绵粘贴在渗流砂箱的内壁上，位于渗流砂箱内部的渗透砂体与隔水软绵紧密贴合。
[0010]所述进水花管为管身布满渗透孔透明圆管，外部包裹连接有防砂不锈钢丝网，进水花管的周围为负压区；所述进水花管变径转换接头的中部设置井管排气口；所述疏放水管包括疏放水硬管和疏放水可塑管，疏放水硬管的上端与进水花管变径转换接头连接、下端通过疏放水管变径接头连接疏放水可塑管，疏放水可塑管的下端通过疏放水管变径接头连接电磁重力阀。
[0011]所述电磁重力阀的外部连接有电磁重力阀电源；电磁重力阀的上端设置电磁铁，电磁铁的中部设置连接疏放水管的电磁重力阀进水管；电磁重力阀的内底面向上固定连接支撑活塞仓，支撑活塞仓的上部配合连接有球形托板，球形托板的上端固定连接铁制密封
阀、下端接触连接支撑活塞，铁制密封阀紧密吸合在电磁铁的底部；支撑活塞的下端铰接重力杠杆，重力杠杆的另一端连接配重砝码；支撑活塞仓的外侧与电磁重力阀内壁之间设置与电磁重力阀进水管连通的电磁重力阀放水口，电磁重力阀放水口的下端与渗流集水桶连接。
[0012]所述球形托板的下半部为半球形，上半部的上端面为水平截面，铁制密封阀固定连接在球形托板的水平截面上；球形托板的中部直径与支撑活塞仓内壁之间的宽度相配合，并滑动连接在支撑活塞仓内；电磁重力阀的上端还设置有电磁重力阀排气孔。
[0013]所述供水管路由稳压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于疏水孔或井的间歇自动抽吸渗流试验装置，其特征在于：包括砂箱渗流系统、供水循环系统、自动抽吸系统、流量监测系统、水压监测系统和数据采集系统；所述砂箱渗流系统由设置有可拆卸密封盖（2）的渗流砂箱（1）、贴合在渗流砂箱（1）内壁上的隔水软绵（17）以及由下至上设置在渗流砂箱（1）内部的多孔渗透钢板（13）、下部强透水不锈钢丝网（14）、渗透砂体（16）、上部强透水不锈钢丝网（18）组成，渗流砂箱（1）的顶部侧壁上设置供水口（21）、底部设置饱和进水口（12）；所述自动抽吸系统由设置在渗透砂体（16）内部的进水花管（15）通过贯穿连接在渗流砂箱（1）底部的进水花管变径转换接头（11）依次连接疏放水管、疏放水阀（48）、疏放水管变径接头（45）和电磁重力阀（42）组成；所述供水循环系统由中转水箱（33）分别连接与供水口（21）连接的供水管路、与饱和进水口（12）连接的饱和进水管路以及与渗流集水桶（41）连接的回水管路组成；所述流量监测系统包括设置在渗流集水桶（41）下端的高精度电子称（40）、连接在供水口（21）与供水管路之间的供水口流量计（23）以及连接在电磁重力阀（42）上方疏放水管上的放水口流量计（44）；所述水压监测系统包括设置在渗流砂箱（1）侧壁垂直方向上的水压监测传感器束（5）和顶部水压传感器（3），以及设置在疏放水管上的疏放水管顶部水压传感器（49），渗透砂体（16）内部埋设与水压监测传感器束（5）连接的砂槽内导压管（4）。2.根据权利要求1所述的一种用于疏水孔或井的间歇自动抽吸渗流试验装置，其特征在于：所述渗流砂箱（1）为设置有可拆卸密封盖（2）的圆柱形或半圆柱密封透明箱体，所述渗透砂体（16）为透明渗透介质；所述隔水软绵（17）粘贴在渗流砂箱（1）的内壁上，位于渗流砂箱（1）内部的渗透砂体（16）与隔水软绵（17）紧密贴合。3.根据权利要求1所述的一种用于疏水孔或井的间歇自动抽吸渗流试验装置，其特征在于：所述进水花管（15）为管身布满渗透孔透明圆管，外部包裹连接有防砂不锈钢丝网，进水花管（15）的周围为负压区（6）；所述进水花管变径转换接头（11）的中部设置井管排气口（10）；所述疏放水管包括疏放水硬管（47）和疏放水可塑管（46），疏放水硬管（47）的上端与进水花管变径转换接头（11）连接、下端通过疏放水管变径接头（45）连接疏放水可塑管（46），疏放水可塑管（46）的下端通过疏放水管变径接头（45）连接电磁重力阀（42）。4.根据权利要求1所述的一种用于疏水孔或井的间歇自动抽吸渗流试验装置，其特征在于：所述电磁重力阀（42）的外部连接有电磁重力阀电源（43）；电磁重力阀（42）的上端设置电磁铁（402），电磁铁（402）的中部设置连接疏放水管的电磁重力阀进水管（401）；电磁重力阀（42）的内底面向上固定连接支撑活塞仓（406），支撑活塞仓（406）的上部配合连接有球形托板（404），球形托板（404）的上端固定连接铁制密封阀（403）、下端接触连接支撑活塞（405），铁制密封阀（403）紧密吸合在电磁铁（402）的底部；支撑活塞（405）的下端铰接重力杠杆（407），重力杠杆（407）的另一端连接配重砝码（408）；支撑活塞仓（406）的外侧与电磁重力阀（42）内壁之间设置与电磁重力阀进水管（401）连通的电磁重力阀放水口（409），电磁重力阀放水口（409）的下端与渗流集水桶（41）连接。5.根据权利要求4所述的一种用于疏水孔或井的间歇自动抽吸渗流试验装置，其特征在于：所述球形托板（404）的下半部为半球形，上半部的上端面为水平截面，铁制密封阀（403）固定连接在球形托板（404）的水平截面上；球形托板（404）的中部直径与支撑活塞仓（406）内壁之间的宽度相配合，并滑动连接在支撑活塞仓（406）内；电磁重力阀（42）的上端还设置有电磁重力阀排气孔（410）。
6.根据权利要求1所述的一种用于疏水孔或井的间歇自动抽吸渗流试验装置，其特征在于：所述供水管路由稳压箱（28）通过稳压箱进水口（29）、稳压箱进水管（32）、稳压箱进水口阀（30）、稳压箱增压泵（31）以及通过稳压箱出水口（25）、供水口供水管（22）、供水口阀（24）连接在中转水箱（33）和供水口（21）之间组成；所述饱和进水管路由饱和进水管（36）、饱和供水泵（34）、饱和进水口阀（35）连接在中转水箱（33）和饱和进水口（12）之间组成；所述回水管路由中转水箱回水管（38）、中转水箱水泵（37）、中转水箱回水阀（39）连接在中转水箱（33）和渗流集水桶（41）之间组成。7.根据权利要求6所述的一种用于疏水孔或井的间歇自动抽吸渗流试验装置，其特征在于：所述稳压箱（28）的上部设置有稳压箱溢流阀（26），稳压箱溢流阀（26）与中转水箱（33）之间通过稳压箱溢流阀回水管（27）连接；所述可拆卸密封盖（2）的上部设置密封盖稳压溢流阀（19）并连接有密封盖稳压溢流回水管（20），密封盖稳压溢流回水管（20）的另一端与稳压箱溢流阀回水管（27）连通。8.根据权利要求1所述的一种用于疏水孔或井的间歇自动抽吸渗流试验装置，其特征在于：所述数据采集系统包括由数据采集计算机（9）通过数码相机采集线（8...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文学，郝清扬，薛景元，姜彤，董金玉，孙培源，梁博文，漆基孝，王晨彬，饶微，张若晨，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：