一种模拟破碎煤岩系统变质量渗透试验装置及测试方法

本技术涉及矿井突水溃沙治理，尤其涉及一种模拟破碎煤岩系统变质量渗透试验装置及测试方法。

背景技术：

1、突水溃沙是指近松散层采掘时含沙量较高的水沙混合流体溃入井下，并造成财产损失或人员伤亡的一种矿井地质灾害。我国西部煤层主要为侏罗系，煤层上覆岩层的主要特点是基岩较薄和风化严重，再加之煤层埋深普遍较浅，容易在采掘过程中出现覆岩断裂破坏，贯通上覆含水层形成导水通道引起水沙混合流体溃出。突水溃沙发生时往往具有突然性、破坏性、往复性的特点，事故的产生会使矿井系统遭受不同程度的破坏，轻者造成生产中断，井巷和生产设备损毁，严重会使通风系统破坏，造成众多人员伤亡以及其它一系列问题。与单纯的突水类灾害不同，对于突水的救治措施可以通过增大排水量加以解决，而溃沙时伴随水流倾泻的大量泥沙难以利用水泵向外抽排，极大加强了事故的处理难度，煤层突水溃沙一旦发生即具有高风险性。

2、破碎煤岩突水溃沙启动机制的研究，主要需要研究破碎煤岩在渗流失稳过程中固体颗粒的流失规律。由于煤炭资源实际地下开采隐蔽性的特点，使得破碎煤岩实际工作场合中引起的突水溃沙启动机制的研究很难开展现场试验，因此需要室内模拟该试验。目前还没有关于破碎煤岩突水溃沙启动机制研究的试验装置及测试方法。

技术实现思路

1、本技术实施例通过提供一种模拟破碎煤岩系统变质量渗透试验装置及测试方法，能够实现模拟研究破碎煤岩在渗流失稳过程中固体颗粒的流失规律。

2、为了实现上述目的，本发明实施例的技术方案是：

3、第一方面，本发明实施例提供了一种模拟破碎煤岩系统变质量渗透试验装置，包括变质量渗透仪、压力加载机构、数据采集机构、流体输入机构和颗粒过滤采集机构；

4、所述变质量渗透仪包括底座、压筒、流体透过板和活塞；

5、所述底座设置有输出通道，所述输出通道的输入端起始于所述底座的上表面；

6、所述压筒设置于所述底座上，且内腔与所述输出通道的输入端连通；

7、所述流体透过板允许流体通过；

8、所述压筒的底部和上部均卡设一个所述流体透过板；

9、试验样品设置于所述压筒的内腔并位于两个所述流体透过板之间；

10、所述活塞设置有输入通道，所述输入通道的输出端位于所述活塞的底面，所述活塞卡设于所述压筒的上部，且所述输入通道的输出端与卡设于所述压筒上部的所述流体透过板连通；

11、所述压力加载机构被配置为向所述活塞施加不同数值的压力；

12、所述流体输入机构与所述输入通道的输入端连通，被配置为向所述变质量渗透仪的内腔输入不同压力梯度和不同流量的流体；

13、所述颗粒过滤采集机构包括第一重量采集结构、收集桶、过滤结构、第二重量采集结构和烘干结构；

14、所述过滤结构包括多个，多个过滤结构的过滤网孔的直径不一致，按所述直径从大到小从上向下依次卡设于所述收集桶内；

15、所述输出通道的输出端连通于所述收集桶，且位于最上层过滤结构的上方；

16、所述收集桶放置于所述第一重量采集结构上；

17、所述烘干结构被配置为渗透试验完成后将每个所述过滤结构上的溃出颗粒烘干得到烘干颗粒；

18、所述第二重量采集结构被配置为称量每个所述过滤结构上的烘干颗粒的重量得到颗粒分布情况；

19、所述压力加载机构、流体输入机构、第一重量采集结构和第二重量采集结构均与所述数据采集机构电连接，所述数据采集机构被配置为获取不同加载压力、不同压力梯度和不同流量分别与试验样品的颗粒溃出量、所述颗粒分布情况的变化关系。

20、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述流体透过板包括凹槽和第一通孔；

21、所述凹槽为多个且为条状，由所述流体透过板的表面向下凹进，以所述流体透过板的圆心为中心旋转阵列设置；

22、每个所述凹槽的底面至所述流体透过板的底面设置多个所述第一通孔，且相邻两个所述凹槽下设置的所述第一通孔数量不一致；

23、所述第一通孔的直径可调。

24、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述输出通道包括锥形孔和第二通孔；

25、所述锥形孔从所述底座的上表面延伸至所述底座的内部，且大开口朝上与所述压筒的内腔连通，小开口与所述第二通孔连通；

26、所述第二通孔的中轴线与所述底座的中轴线垂直，且贯穿所述底座。

27、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，模拟破碎煤岩系统变质量渗透试验装置还包括剪切试验机；

28、所述剪切试验机被配置为测量所述试验样品的抗剪强度。

29、第二方面，本发明另一实施例提供了一种模拟破碎煤岩系统变质量渗透测试方法，基于上述的模拟破碎煤岩系统变质量渗透试验装置，包括：

30、将多个粒径区间的骨架颗粒按照第一预设比例进行混合得到骨架混合料，将多个粒径区间的填充颗粒按照第二预设比例进行混合得到填充混合料，将所述骨架混合料和所述填充混合料按照第三预设比例进行混合得到试验样品；

31、将所述试验样品设置于变质量渗透仪的压筒的内腔并位于两个流体透过板之间，安装活塞；

32、根据初始孔隙度通过压力加载机构向所述试验样品加载轴向压力，并通过流体输入机构向所述变质量渗透仪中输入不同压力梯度的流体；

33、通过颗粒过滤采集机构收集试验样品的溃出颗粒，获取颗粒溃出量、颗粒分布，并将数据传输至数据采集机构获得不同加载压力、不同压力梯度和不同流量分别与试验样品的颗粒溃出量、颗粒分布的变化关系。

34、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述将所述骨架混合料和所述填充混合料进行混合得到试验样品之后还包括：将所述试验样品浸液体饱和。

35、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述通过颗粒过滤采集机构收集试验样品的颗粒溃出量、颗粒分布之前，还包括：

36、试验样品孔隙流体压力测试。

37、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述将所述骨架混合料和所述填充混合料进行混合得到试验样品之后，还包括：

38、测量所述试验样品的抗剪强度。

39、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述初始孔隙度的计算公式为：

40、。

41、式中，φ0为初始孔隙度，m1为试验样品中骨架混合料的质量，ρ1为试验样品中骨架混合料的密度，m2为试验样品中填充混合料的质量，ρ2为试验样品中填充混合料的密度，r为变质量渗透仪的压筒的内径，h为试验样品压缩后的高度。

42、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述通过流体输入机构向所述变质量渗透仪中输入不同压力梯度的流体中压力梯度计算公式为：

43、。

44、式中，gp为压力梯度，p1为变质量渗透仪输出端的压力，p2为变质量渗透仪输入端的压力，h为试验样品压缩后的高度。

45、本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

46、本发明实施例提供的模拟破碎煤岩系统变质量渗透试验装置，在实际模拟破碎煤岩变质量渗透试验时，首先将多个粒径区间的骨架颗粒按照第一预设比例进行混合得到骨架混合料，将多个粒径区间的填充颗粒按照第二预设比例进行混合得到填充混合料，将骨架混合料和填充混合料进行混合得到试验样品。之后将试验样品设置于变质量渗透仪的压筒的内腔并位于两个流体透过板之间，安装活塞。然后根据初始孔隙度通过压力加载机构向试验样品加载轴向压力，并通过流体输入机构向变质量渗透仪中输入不同压力梯度的流体。流体由变质量渗透仪的上方进入，经压筒上部的流体透过板进入试验样品参与渗透，经压筒下部的流体透过板流出，通过颗粒过滤采集机构收集试验样品的溃出颗粒，获取颗粒溃出量、颗粒分布情况，并将数据传输至数据采集机构获得不同加载压力、不同压力梯度和不同流量分别与试验样品的颗粒溃出量、颗粒分布情况的变化关系。本技术实施例提供的模拟破碎煤岩系统变质量渗透试验装置能够实现模拟研究破碎煤岩在渗流失稳过程中固体颗粒的流失规律，为突水溃沙的起动机制以及溃沙机理提供理论与试验依据，进而指导溃沙灾害的防治，达到资源安全开发。