一種水沙運移模擬試驗裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及水沙運移參數(shù)采集、監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種水沙運移模擬試驗裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國西部有豐富的地下礦產(chǎn)資源，煤炭遠(yuǎn)景儲量85%在西部。在西部大開發(fā)中，作 為礦產(chǎn)資源承接地，礦產(chǎn)資源開發(fā)中屯、西移。很多礦區(qū)地處沙漠地區(qū)，自然地理條件差，植 被稀少，地質(zhì)環(huán)境脆弱，地表廣布沙丘沙梁，發(fā)生突水潰沙可能性很大，因此在開采前，必須 要對礦井潰沙災(zāi)害進行有效的防治。
[0003] 發(fā)生突水潰沙災(zāi)害時，很多情況下是由于對突水機理研究不夠深入，由于煤礦面 積較大，想獲取相關(guān)參數(shù)實施困難，試驗周期長且測量的數(shù)據(jù)具有局限性。在實驗室條件下 該些參數(shù)易于測量，在突水潰沙區(qū)域該些量也能夠?qū)崿F(xiàn)測量，因此室內(nèi)選取的參數(shù)具有可 行性。對該些參數(shù)規(guī)律的研究成果可應(yīng)用于煤礦突水潰沙防治的工程實踐中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了更好的研究孔隙介質(zhì)中水沙兩相混合流的運移規(guī)律，本發(fā)明提供了一種水沙 運移模擬試驗裝置，能夠在實驗室里模擬突水潰沙過程，獲取有關(guān)參數(shù)。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案；一種水沙運移模擬試驗裝置，包括水流控制系統(tǒng)、模型 箱、水沙收集系統(tǒng)和參數(shù)采集系統(tǒng)；所述的水流控制系統(tǒng)包括加壓進水裝置，安裝在加壓進 水裝置水管上的壓力表和流量表；所述的模型箱一側(cè)的側(cè)壁上設(shè)有進水口、模型箱另一側(cè) 的側(cè)壁上設(shè)有水沙出口，水沙出口上方設(shè)有出水口；所述的加壓進水裝置的水管連接模型 箱的進水口；所述的模型箱的底部設(shè)有水壓監(jiān)測裝置；所述的水沙收集系統(tǒng)包括水沙收集 裝置；所述的參數(shù)采集系統(tǒng)包括計算機和與之連接的信號采集器，所述的信號采集器與水 壓監(jiān)測裝置連接。
[0006] -種利用上述水沙運移模擬試驗裝置進行試驗的方法，包括W下步驟：
[0007]S1;洗沙，將沙樣進行水洗，去除沙樣中的粘±或粘粒成分，將水洗后的沙樣放入 烘干箱烘干5小時；
[0008]S2;篩分，選取10、18、35、60、200目的篩網(wǎng)，對烘干后的沙樣進行不同粒徑的篩 分，獲得粒徑為2~0. 5mm的粗沙、粒徑為0. 5~0. 25mm的中沙和粒徑為0. 25~0. 075的 細(xì)沙=種沙樣；
[0009]S3;配樣，將篩選出來的S種沙樣按照不同級配要求進行配比，并對試樣的密度、 總孔隙度、顆粒級配進行測定；
[0010] S4 ;鋪沙，將模型箱等分為S個區(qū)域，相鄰區(qū)域間用擋板隔開；將配制好的沙樣按 照從左到右的方式分區(qū)域均勻鋪設(shè)在模型箱底部，兩相鄰區(qū)域的沙樣之間填充與試驗沙樣 粒徑和級配相同的彩沙，彩沙鋪設(shè)寬度為2~3cm，高度與沙樣一致；
[0011] S5;飽水，打開模型箱進水口和出水口，關(guān)閉水沙出口；打開加壓進水裝置，調(diào)節(jié) 閥口控制水流w較小的流量進入模型箱，逐漸浸潤沙樣，直至水從出水口溢出，此過程中保 證沙樣不隨水流溢出；關(guān)閉進水口和出水口，將模型箱靜置30分鐘；
[0012]S6;水沙運移模擬，打開水沙出口、加壓進水裝置和信號采集器，調(diào)節(jié)進水閥口，使 其由小到大逐級增大進水流速，通過透明玻璃觀察沙樣和彩沙的運移規(guī)律，收集水沙出口 流出的水沙并用秒表計時；
[0013]S7;斷面測量，將模型箱頂部的玻璃板垂直上抬移開，用刻度尺量取水沙運移后形 成的斷面形態(tài)，再用相機拍攝沙樣軌跡圖片；
[0014]S8;用與模型箱同等寬度的薄鐵片將模型箱內(nèi)最上層0. 5cm的沙層均勻移走，用 相機拍攝模型箱內(nèi)沙樣軌跡圖片；
[0015]S9;重復(fù)步驟S8,向下逐層移沙直至沙樣軌跡圖片全部采集完畢。
[0016] 本發(fā)明的有益效果；本發(fā)明能夠在實驗室里模擬突水潰沙過程，并通過參數(shù)采集 裝置獲取水流速度、水壓等參數(shù)，為進一步對突水潰沙的水動力條件W及突水潰沙過程中 的形態(tài)演化規(guī)律進行研究提供科學(xué)依據(jù)。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明試驗裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2是本發(fā)明試驗裝置模型箱結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖中，1、進水口，2、水流緩沖裝置，3、微孔，4、刻度，5、出水口，6、水沙出口。
【具體實施方式】
[0020] 為了更好地表述本發(fā)明技術(shù)方案的細(xì)節(jié)及其有益效果，現(xiàn)結(jié)合附圖作進一步說 明。
[0021] 如圖1所示，一種水沙運移模擬試驗裝置，包括水流控制系統(tǒng)、模型箱、水沙收集 系統(tǒng)和參數(shù)采集系統(tǒng)；所述的水流控制系統(tǒng)包括加壓進水裝置，安裝在加壓進水裝置水管 上的壓力表和流量表；所述的模型箱一側(cè)的側(cè)壁上設(shè)有進水口 1、模型箱另一側(cè)的側(cè)壁上 設(shè)有水沙出口 6,水沙出口 6上方設(shè)有出水口 5 ;所述的加壓進水裝置的水管連接模型箱的 進水口 1 ;所述的模型箱的底部設(shè)有水壓監(jiān)測裝置；所述的水沙收集系統(tǒng)包括水沙收集裝 置；所述的參數(shù)采集系統(tǒng)包括計算機和與之連接的信號采集器，所述的信號采集器與水壓 監(jiān)測裝置連接。
[0022] 在本實施例中，所述的模型箱內(nèi)部，距進水口 1處設(shè)有一水流緩沖裝置2,模型箱 內(nèi)除水流緩沖裝置2外的其它區(qū)域為裝沙區(qū)域。所述的水流緩沖裝置2包括一塊開有均勻 孔網(wǎng)的固定擋板，所述的固定擋板距進水口 150mm，固定擋板的四周與模型箱密封連接，所 述的固定擋板和進水口 1所在的側(cè)壁之間設(shè)有海綿，確保試驗水流為均勻出流的面狀流。 所述的固定擋板遠(yuǎn)離進水口 1的一側(cè)罩有一層100目的篩網(wǎng)，防止沙上混入。
[002引所述的模型箱內(nèi)部的長寬高分別為600111111、100111111、100111111，進水口1、出水口5和水 沙出口 6的直徑為20mm，箱體材質(zhì)采用厚度為20mm的透明鋼化玻璃。模型箱底部，距水流 緩沖裝置2100mm、250mm和400mm處分別設(shè)有=個規(guī)格為M10*l. 5的微孔3,用于埋設(shè)孔隙 水壓力計探頭，孔隙水壓力計通過數(shù)據(jù)采集器連接計算機終端。模型箱內(nèi)部，距水流緩沖裝 置2150mm、300mm和450mm處分別設(shè)有3個3mm厚的卡槽，用來放置擋板，使沙樣能夠均勻 分區(qū)域鋪設(shè)。
[0024] 所述的水壓監(jiān)測裝置采用3只服LY-H型孔隙水壓力傳感器，傳感器的直徑10mm， 長度130mm，量程分別0~lOOkPa，2只；0~300kPa，1只，預(yù)備適應(yīng)不同水壓的實際需求， 精度等級0. 25%，輸出電壓0~5V，所述的壓力傳感器連接一用于校正結(jié)果的測壓管。信 號采集器采用DATA14邸貼15數(shù)據(jù)采集器，采集頻率不低于1次/S。
[0025] 所述的模型箱頂部為一可開合的密閉玻璃板，玻璃板與模型箱接觸的四個側(cè)面之 間設(shè)有一層3mm厚的塑料軟板，增加模型箱的隔水性能，玻璃板的四周設(shè)有多個用于固定 玻璃板位置的螺絲釘。
[0026] 所述的加壓進水裝置采用高壓水累，所述的加壓進水裝置的水管上設(shè)置有自帶刻 度的閥口，能夠定量微調(diào)控制進水流量，滿足試驗所需要的流量大小和調(diào)節(jié)精度。加壓進水 裝置通過調(diào)節(jié)水累來控制水流速度達(dá)到試驗所需的流速。
[0027] 所述的模型箱的側(cè)面及其頂部均刻有精度為1mm的刻度4,用來標(biāo)記沙樣及彩沙 位置，能夠直接觀察并量測兩相流的運動過程。所述的流量表采用的是禍街流量計，量程可 按需要自行調(diào)節(jié)，可滿足試驗要求，精度± 1 %，儀表顯示面板的主顯示屏可自動記錄流量 累計量、瞬時流量、流量信號頻率值及輸出電流值。體積流量或質(zhì)量流量可進行自定義調(diào) 節(jié)，讀數(shù)可保留小數(shù)點后兩位。
[0028] 本試驗裝置水源由?？诘乃涮峁?，由高壓水累將水從水箱中抽到模型箱內(nèi)。操 作箱內(nèi)設(shè)有操作控制系統(tǒng)，主要功能是控制試驗裝置電源，開啟、關(guān)閉水累。壓力表主要顯 示進水口 1處壓力值，將信號反饋給操作箱，并且可W設(shè)定闊值，當(dāng)水壓達(dá)到設(shè)定闊值時， 操作箱自動斷開水累電源，保證模型箱不被高水壓壓裂。
[0029] 一種利用上述的水沙運移模擬試驗裝置進行試驗的方法，包括W下步驟：
[0030]S1;洗沙，將沙樣進行水洗，去除沙樣中的粘±或粘粒成分，將水