[发明专利]一种破碎岩体-水-动力耦合试验系统

说明书

本发明公开了一种破碎岩体‑水‑动力耦合试验系统，包括整体式框架、压力室部分、压力加载控制部分、渗透液体供给控制部分、原位扰动激励控制部分、可视检测部分和集中电控部分。本发明可以精确地模拟破碎岩体在复杂原位扰动条件下的静载荷、冲击载荷、长时稳定载荷、周期性脉冲及振动载荷、实测扰动载荷、渗流压力等环境，扰动载荷控制精度高、模拟动载荷的复杂程度高、监测数据全面、安装拆卸方便、自动化程度高，便于研究多种岩样混合分层布置形式下复杂动载荷作用下破碎岩体内部的渗透压力梯度的响应规律及机理，可以为研究胶结破碎岩体重构隔水层渗透性等关键科学问题提供重要的试验平台和更准确的试验数据。

技术领域

本发明涉及一种岩体试验装置，具体是一种用于模拟复杂原位扰动和冲击载荷作用下破碎岩体的压实及渗透性耦合试验装置，属于岩土工程试验技术及装备领域。

背景技术

地下资源开采过程中，采空区上覆岩层在矿山压力作用下会产生剧烈的运动，导致顶板断裂和垮落，会对地下水系统造成破坏，破碎岩体稳定后会在上部岩层载荷的作用下逐渐压实，垮落破碎岩体的渗透性也发生显著变化，水在破碎岩体的渗流过程中，往往伴随不同粒径水平颗粒的流失，引起破碎岩体内部颗粒的重排和压实特性的改变，最终导致地表的沉陷变化。在现阶段“绿色采矿”和“科学采矿”的理念指导下，固体充填开采技术取得了重要发展，用于充填的破碎岩体或胶结破碎岩体对控制地表变形和保护含水层具有重要作用。因此，垮落和充填的破碎岩体压实过程中的渗透性对地下水系统的保护具有重要影响。

然而，在上部岩层的垮落冲击、工程机械的振动扰动、充填设备的周期性推压夯实等动载荷的影响下，垮落后的破碎岩体的变形、破裂和渗透等力学行为变得更加复杂。在这一背景下，许多关键科学问题的研究工作亟待开展，如：冲击扰动对破碎岩体重排效果的影响、周期振动压实对破碎岩体密实度的影响、复杂原位工程扰动对破碎岩体渗透性的影响等。由于破碎岩体的非均质性、结构及表面形状的多样性、随机性，且研究涉及颗粒运动、破裂、损伤、渗透等多种复杂问题，采用理论和数值模拟的研究手段具有显著局限性，实验室试验是该领域研究的主要研究手段之一。

但是，现有的试验装置和方法无法对破碎岩体-水-动力耦合问题进行系统试验，严重制约了绿色采矿理论与技术的发展。主要问题表现在以下几个方面：①通常简单使用万能试验机进行试验，设备适应性差，无法同时对破碎岩体进行压实、渗透、动力的耦合试验；②现有的试验技术通常是将简化后的冲击动载施加到岩体试样，动载荷的控制和施加不精确、且载荷形式简单，无法将现场测试得到的真实复杂的振动、冲击等动载信号在实验室精确地施加到破碎岩体，无法反映实际情况，进而导致实验结果与实际偏差较大；③监测得到的参数单一，现阶段对破碎岩体试验的监测结果大多是进出口液体压力、流量、试验机静载力、位移、不控制粒径的颗粒流失质量等，而无法对决定破碎岩体渗流特性的颗粒破裂分形特征、筒壁表面渗流路径、压力室内部渗透压力分布、控制最大粒径的颗粒流失质量、压力室筒壁侧压力和振动特性等重要参数进行监测；④安装拆卸困难、试验效率低，由于破碎岩体压力室要求刚度较大，压力室各部分厚度和重量较大，人力安装和拆卸困难，而且压实试验后的破碎岩体在局部形成真空，加剧了拆卸难度；⑤破碎颗粒堵塞下部透水板、管路等操作问题突出，影响试验数据的准确性。

因此，研制一种扰动载荷控制精度高、模拟动载荷的复杂程度高、监测数据全面、安装拆卸方便、自动化程度高、操作简单的模拟复杂原位扰动环境的破碎岩体-水-动力耦合试验系统对推动绿色保水采矿技术领域的研究有重要作用，具有重要的实用价值。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种破碎岩体-水-动力耦合试验系统，能够在自动反演复杂原位扰动载荷、模拟复杂的动载荷的前提下实现监测渗透压力沿加载方向的分布情况、获取破碎岩体分形维数、渗流路径演化、表面裂纹数量和开度等试验参数，为研究复杂动载荷作用下破碎岩体内部的渗透压力梯度的响应规律及机理提供更准确的试验数据。