循环供水式破碎岩石渗透试验系统_郁邦永.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 破碎岩体的渗透性问题一直是岩土工程中的重要研究课题。例如在采矿工程中的采空区垮落带， 破碎岩体中存在大量空隙，其渗透性远强于完整岩 石， 容易引起突水溃沙等重大地质灾害[1-3]。破碎岩 石渗透试验是研究破碎岩体渗透性能的重要手段， 循环供水式破碎岩石渗透试验系统 郁邦永 1,2,3， 潘书才1， 郭静那2， 张 英 1 （1.常州工程职业技术学院 建筑工程学院， 江苏 常州 213164； 2.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点 实验室， 江苏 徐州 221116； 3.无锡市瑞尔精密机械有限公司， 江苏 无锡 214222） 摘要 为克服现有破碎岩石渗透试验系统中间断供水、 颗粒无法精确收集、 自动化程度低等困 难， 设计了循环供水式破碎岩石渗透试验系统， 主要由轴向加载及控制系统、 渗透仪、 渗透压力 控制系统和数据采集系统 4 部分组成， 其最大轴向荷载 200 kN、 最大渗透压力 10 MPa， 破碎岩 石试样直径 100 mm、 高度 150～200 mm。系统具有以下特点 设计交替供水装置， 能够实现循环 供水， 用以研究渗透性强且孔隙结构调整周期长的破碎岩石； 通过质量流量计与电子秤的配合， 实现流失质量的实时收集； 设置多套伺服控制系统并开发相应的控制程序， 实现渗透试验过程 的自动化控制。最后， 通过破碎砂岩在压实过程中的渗透试验进行系统性能验证， 试验结果表明 该系统能够很好地满足试验需求。 关键词 破碎岩石； 渗透试验； 循环供水； 渗透率； 孔隙度 中图分类号 TD712文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 11-0137-05 Seepage Testing System with Circulating Water Supply for Broken Rock YU Bangyong1,2,3, PAN Shucai1, GUO Jingna2, ZHANG Ying1 （1.Institute of Construction Engineering Technology, Changzhou Vocational Institute of Engineering, Changzhou 213164, China; 2.State Key Laboratory for Geomechanics 3.Wuxi RL Precision Machinery Co., Ltd., Wuxi 214222, China） Abstract In order to overcome the difficulties such as intermittent water supply, failure to collect particles accurately and low degree of automation in the existing seepage testing system for broken rock, this paper designs a seepage testing system with circulating water supply for broken rock. It is mainly composed of four parts axial loading and control system, seepage apparatus, water pressure control system and data acquisition system. The maximum axial load is 200 kN, the maximum seepage pressure is 10 MPa, the diameter of sample is 100 mm, and the height is 150 -200 mm. In addition, the system has the following characteristics the design of alternate water supply device can realize circulating water supply, and it is used to study the broken rock with strong permeability and long period of pore structure adjustment. Using the mass flow meter and electronic scale, the real-time collection of lost mass is realized. Using multiple servo control systems and control program, automatic control of the test process was realized. Finally, the perance of the system is verified by the seepage test of the broken sandstone under compaction, and the test results show that the system can meet the test requirements well. Key words broken rock; seepage testing system; circulating water supply; permeability; porosity DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.029 郁邦永， 潘书才， 郭静那， 等.循环供水式破碎岩石渗透试验系统 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11） 137-141， 145. YU Bangyong, PAN Shucai, GUO Jingna, et al. Seepage Testing System with Circulating Water Supply for Broken Rock ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 137-141, 145.移动扫码阅读 基金项目 常州市科技资助项目 （CJ20190020） ； 江苏省高等学校自 然科学研究面上资助项目 （18KJB440002） ； 江苏省住建系统科技资 助项目 （2017ZD169） 137 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 1循环供水式破碎岩石渗透试验系统 Fig.1Seepage testing system with circulating water supply for broken rock 渗透性参量的测试和计算可为岩土工程设计提供重 要的科学依据。目前关于破碎岩体渗透性能的试验 研究已取得了丰硕成果[4-13]。 但这些研究均存在流失 颗粒无法实时收集、间断式供水、自动化程度低等 缺点，对于渗透周期长和大流量要求的试验尚存在 明显的局限性。因此， 在前期研究的基础上， 重新设 计了轴向加载装置、供水装置和颗粒收集装置， 并 实现了伺服控制，使其满足破碎岩石大流量渗透试 验要求， 最后进行了初步的试验研究。 1系统主要功能及参数 常规破碎岩石渗透试验系统的基本功能包括轴 向加载及控制、 试样密封、 渗透压力控制、 流动方向 控制、信号采集与处理等，但由于破碎岩石颗粒在 渗透过程中存在颗粒破碎、孔隙结构调整和细小颗 粒流失等现象，试验系统还增加了进水水源循环供 应、 渗透流量精确测量、 流失颗粒实时收集、 液压油 源温度稳定控制等功能。 1 ） 根据以往的测试结果可知， 渗透过程中进水 水源的间断供给会引起渗透流量测试结果的较大波 动， 从而影响试验结果。因此， 采用交替供水装置， 实现渗透水源的不间断供应。 2） 由于破碎岩石在压实过程中孔隙度变化范围 大， 渗透性由强变弱， 渗透率跨越多个数量级， 常规 的金属浮子液体流量计不能满足测试要求，因此， 选用测量精度更高的科氏力质量流量计。 3） 由于试验过程中会有细小颗粒随水流出， 现有 的试验系统大多数采用量筒或电子秤进行间断式测 量， 无法实现实时测量， 因此， 选用带通讯功能的高 精度电子秤。 4） 由于单次渗透试验时间较长， 有时需要 10～ 20 h， 液压油源长时间连续工作会造成油温升高， 导 致轴向压力和渗透压力波动，因此，采用专门的冷 却装置。 试验系统具有如下特点 ①开放性 在渗流试验 中，试样中细小岩石颗粒及水流冲蚀和溶蚀作用下 的次生颗粒能够随水流出， 无滞留现象； ②持续性 提供稳定的渗透压力，并保证长时间不间断地向试 样注水； ③实时性 能够对渗透流量、 渗透压力、 流 失颗粒质量等数据进行实时采集；④完备性各子 系统之间能够相互配合使用，不需要再配置其他仪 器设备；⑤简便性整个试验过程中要求安全可靠 和操作简单，数据到信号可直接导入计算机并顺利 读取。 为了保证破碎岩石渗透性测试数据的准确性和 可靠性， 参照前期相关试验的结果， 提出试验系统的 主要技术参数 最大轴向力 200 kN； 最大轴向位移 100 mm； 最大渗透压力 10 MPa； 最大渗透流量 120 L/h； 试样直径 100 mm， 高度 150～200 mm； 力控制精 度为1.0； 位移控制精度为1.0； 流量测量精度 为 0.5； 流失颗粒测量精度为 0.01 g； 轴向加载控 制方式 力控制和位移控制； 数据采集频率 不小于 1 次/s； 液压油温度≤50 ℃ （连续工作 20 h ） 。 2系统组成及各部件关键技术 试验系统主要包括 4 个部分Ⅰ轴向加载及控 制系统； Ⅱ渗透仪； Ⅲ渗透压力控制系统； Ⅳ数据采 集系统。 循环供水式破碎岩石渗透试验系统如图 1。 各子部分之间的相互连接和匹配，是试验系统稳定 可靠的关键所在。 1） 轴压加载及控制系统。 在破碎岩石渗透试验 中，为了固定装有试样的渗透仪和平衡试样内部的 孔隙水压力，需要设计轴向加载装置。系统设计了 伺服控制压力机作为承载和加载结构，轴向加载控 制方式可设置为力控制和位移控制 2 种，最大轴向 压力 200 kN， 控制精度为 10 N， 最大轴向位移 100 mm， 控制精度为 0.01 mm。 2） 渗透仪。现有破碎岩石渗透试验系统多数采 用自下而上的渗透方向，这会导致渗透仪内部滞留 部分流失颗粒，从而影响试验数据的采集。系统针 对此问题将渗透方向改为自上而下，并将渗透仪底 座设计为锥面，以保证水和颗粒顺利流出。渗透仪 安装于压力机活塞和工作台之间， 主要包括活塞 （可 注水） 、 渗透缸筒、 密封圈、 垫圈、 上透水板、 下透水 138 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 2渗透仪 Fig.2Seepage apparatus 板、 和底座 （锥面底板） 等。其中， 上透水板上设计均 布密布的通孔，以便将进入缸筒的水流分散，保证 渗透水压力均匀分布，从而更好地模拟地下水对破 碎岩体的侵蚀行为。下透水板设计有大孔 （直径 10 mm） ， 能够保证流失颗粒顺利地向下运移。 底板带有 锥面，可利用水流和颗粒的自重来保证细小颗粒自 由流出。渗透仪如图 2。 3） 渗透压力控制系统。现有破碎岩石渗透试验 系统大多采用间断式供水，对于单次供水量不超过 1 L 的系统[7]， 试样的吸水和内部孔隙结构的调整会 造成较大的试验误差；对于单次供水量较大（不超 过 40 L） 的系统[10-12]， 由于渗透压力对试样孔隙结构 的影响，双作用缸注水重启后的测试数据波动较 大，同样导致试验误差。为实现长时间不间断地渗 透行为，系统采用了交替供水装置，主要包括连续 供水泵、 伺服电机和伺服控制器。其中， 连续供水泵 型号为 KX4DY， 额定排水压力 10 MPa， 最大过水流 量 100 L/h， 高速 1 400 r/min， 低速 0.1 r/min。 泵设有 2 个腔体， 交替充水和排水， 保证排水口的供水量和 压力， 是实现不间断供水的关键部件。此外， 渗透压 力控制系统主要由水箱、 连续供水泵、 伺服电机、 伺 服控制器、 进水管、 出水管等组成。供水原理为 伺 服控制器控制伺服电机和连续供水泵从水箱吸水， 同时控制出水压力，进而向试样提供长时间不间断 的水源。 4） 数据采集系统。数据采集装置主要由位移传 感器、 载荷传感器、 压力传感器、 质量流量计、 电子 秤、 八通道数据采集仪和 PC 计算机组成。其中， 科 氏力质量流量计型号为 YK-LK-10D，流量测量量 程为 0～120 L/h，精度等级0.15，工作压力 0～20 MPa， 具有方便安装、 精确度高、 稳定性好、 工作可靠 和耐高压等优点。安装时要求通过法兰盘垂直固 定，并连接到渗透回路中，同时保证各连接处的密 封性。该流量计能够保证在小流量、高水压条件下 精确地采集流量数据，是低渗透性破碎岩石渗透试 验的关键部件之一。由于细小岩石颗粒随水流出， 也有部分岩石成分溶解于水， 常规的测试手段 （筛网 或纱布过滤后收集、 液体流量计） 难以精确得到流失 颗粒的质量， 因此， 系统采用了型号为 CHS-D 的电 子秤， 精度为 0.01 g， 最大承重质量为 20 kg， 可精确 测量渗透仪出水端混合液体的质量，同时，自带的 通讯功能可实现测量数据的实时采集。 3渗透性参量计算方法 设试样高度为 Hs， 上端和下端的水流压力分别 为 p1和 p2， 由于下端与大气直接联通， 可记渗透压 力 p20， 故试样中渗透压力梯度 Gp p2-p1 Hs - p1 Hs 。 已有研究表明，水在破碎岩石中的渗流行为服从 Forchheimer 关系[7， 14] ρlca ∂V ∂t p1 Hs -μ0 k V-ρlβV 2 （1） 式中 ρl为水的密度； ca为加速度系数； V 为水 渗流速度； t 为时间； μ0为水的动力黏度； k 为渗透 率； β 为非达西 β 因子。 当渗流系统达到稳定状态后，有 ∂V ∂t 0，则式 （1） 可简化为 p1 Hs μ0 k VρlβV 2 （2 ） 根据试验得到的渗透压力和水流量时间序列， 按式 （2） 可得到渗流稳定状态下渗透率的数值。 4试验系统的应用 为验证循环供水式破碎岩石渗透试验系统能否 满足试验需求及试验结果是否可靠，进行了破碎砂 岩压实过程中的渗透试验。试验过程中轴向压实选 择荷载控制方式， 加载速率设为 0.05 kN/s； 单个试 样选取 2、 4、 8、 12、 16 MPa 5 个水平进行渗透测试， 孔隙水压依次设为 5、 10、 15、 20 MPa/m。 4.1试样制备 试验所用破碎岩石为红砂岩，其主要矿物组分 包括长石 29，石英 23，方解石 15，浊沸石 139 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 表 2试样在渗透过程中的测试参数 Table 2Test parameters in the process of seepage 轴向应力 /MPa 孔隙度 孔压梯度 / （MPa m-1） 渗流速度 /10-3（m s-1） 初始状态 2 4 8 12 16 0.415 0.309 0.247 0.195 0.167 0.152 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 4.43 5.59 7.42 12.31 1.42 1.91 2.91 4.21 0.57 0.79 1.03 1.60 0.39 0.47 0.66 0.99 5 10 15 20 5 10 15 20 0.27 0.35 0.47 0.78 0.26 0.39 0.51 0.76 13， 高岭石 9， 伊利石 7和其它矿物成分 4， 干密度为 2 450 kg/m3，单轴抗压强度为 67.4 MPa， 抗拉强度为 8.3 MPa， 黏聚力为 12.5 MPa， 内摩擦角 为 33.2。 利用破碎机将完整岩块破碎，再将破碎后的砂 岩颗粒筛分到 5 个粒径区间，分别为 2.5～＜5 mm， 5～＜8 mm， 8～＜10 mm， 10～＜12 mm 和 12～15 mm。考 虑到工程实际中，破碎岩体由多种尺度岩块组成， 试验所用试样为上述 5 个粒径区间内的岩石颗粒混 合组成。此外， 为克服维数灾难， 各粒径区间内颗粒 的质量分数按照 Talbot 级配理论进行计算[15]。 单个试样取岩石颗粒 1 500 g， 不同 Talbot 指数 下， 不同初始配比下试样粒径分布见表 1。最后， 将 制备好的试样放入水中浸泡， 不少于 72 h， 保证其 达到饱和状态。 4.2试验步骤 1） 试样安装。按照从下到上为底座、 缸筒、 下透 水板、 试样、 垫圈、 上透水板和进水活塞的顺序进行 渗透仪拼接和试样安装，其中将备用试样放置于渗 透仪缸筒中后，需轻微振捣密实并将试样上表面整 理平整，测量试样初始高度并计算初始孔隙度（不 考虑颗粒内部空隙） 。 2） 装机。将渗透仪安装至压力机操作平台。注 意渗透仪上的注水活塞与压力机上压头对齐，尽量 减少偏心加载造成的部件磨损，也便于试验后渗透 仪的拆卸。启动压力机， 施加 200 N 左右的荷载， 检 查渗透仪的固定情况。 3 ） 检查。开机之前检查控制柜开关、 质量流量 计、电子秤等设备是否正常，油路和渗透回路是否 正常连接； 将渗透回路加压至 10 MPa， 观察各部件 和连接处是否有漏水现象， PC 端控制界面上位移传 感器、 力传感器、 压力传感器、 质量流量计、 电子秤 等部件的参数设置是否正确。 4） 试验。首先施加轴向荷载至设定值， 保持活 塞位移， 启动渗透压力控制系统， 调节渗透仪进水端 水压， 对试样进行渗透试验， 同时观察出水口水流和 颗粒流失现象，待流量稳定后调节至下一渗透水压 继续试验。按照制定的试验方案进行不同轴向应力 和渗透水压下的试验， 并实时采集渗透水压、 进水流 量和出水口质量的实时数据。 5） 停止试验。单个试样的渗透试验结束后， 首 先关闭水源，保存数据；然后卸掉轴压并关闭压力 机； 最后， 卸掉渗透仪并拆除试样。 4.3试验结果 以 Talbot 指数 n 为 0.2 的试样为例，试样在渗 透过程中的测试参数见表 2， 孔压梯度-渗流速度曲 线如图 3。可以看出， 随着轴向应力的增大， 孔压梯 度-渗流速度曲线由直线过渡为曲线，这说明渗流 过程的 Non-Darcy 流现象更加明显， 这与文献[7]的 结论是相符的。 根据试验得到的渗透压力和水流量时间序列， 表 1不同初始配比下试样粒径分布 Table 1Grain size distribution of samples with different initial gradations Talbot 指数 质量百分比/ 2.5～＜5 mm 5～＜8 mm 8～＜10 mm 10～＜12 mm 12～15 mm 0.234.5126.2713.3611.3714.49 0.430.5126.0514.1912.5716.68 0.626.7225.5814.9113.7619.03 0.823.2124.8915.5214.9121.47 140 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 3孔压梯度-渗流速度曲线 Fig.3Pressure gradient-seepage velocity curves 按式 （2） 进行拟合， 可得到不同配比破碎砂岩在各 级应力状态下渗透率的数值，渗透率-孔隙度关系 曲线如图 4， 渗透率-轴向应力曲线如图 5。 从图 4 可以看出， 破碎砂岩在压实过程中， 随着 孔隙度的减小， 渗透率逐渐减小， 变化范围为 3.5 10-14～67.210-14m2， 并伴有局部波动， 尤其是在压实 后期， 孔隙度小于 0.25 以后。这主要是因为压实过 程中出现颗粒的再次破碎和迁移，从而造成试样内 部孔隙结构的调整，水流通道的复杂性和随机性加 大， 宏观上表现为渗透率的波动。 从图 5 可以看出，渗透率随着轴向应力的增大 而减小， 当轴向应力小于 4 MPa 时， 渗透率快速减 小， 占总降幅的 84.4～91.1； 4 MPa 后， 渗透率缓 慢减小并趋于稳定。此外，初始粒径配比对试样渗 透率有明显影响， 在相同轴向应力下， Talbot 指数越 大， 试样渗透率越大。 这主要是因为 Talbot 指数大的 试样中大颗粒数量较多，更容易形成空隙并为水流 提供有效通道。 5结论 1） 随着轴向应力的增大， 孔压梯度-渗流速度 曲线由直线过渡为曲线， Non-Darcy 流现象更明显。 2） 随着孔隙度的减小， 渗透率逐渐减小， 变化范 围为 3.510-14～67.210-14m2， 并伴有局部波动， 尤其 是在孔隙度小于 0.25 以后。 3） 渗透率随着轴向应力的增大而减小， 渗透率- 轴向应力曲线的减小过程可分为 2 个阶段轴向应 力小于 4 MPa 时， 渗透率快速减小； 4 MPa 后， 渗透 率缓慢减小并趋于稳定。 4） 系统能够应用于破碎岩石渗透试验研究， 为 探究承压破碎岩体孔隙结构调整和渗透性演化机制 提供试验平台， 但试验仅为初步研究， 尚未涉及流失 颗粒的收集及试样质量流失率的计算， 因此， 在后期 研究中需进一步对此项功能进行利用和验证。 参考文献 ［1］ 钱鸣高， 缪协兴， 许家林， 等.岩层控制的关键层理论 ［M］ .徐州 中国矿业大学出版社， 2002. ［2］ PENG S S. 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