深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)裝置及方法，包括粘土拉伸變形裝置、粘土剪切變形裝置、粘土彎曲變形裝置和粘土滲透性裝置。首先對不同深度的原狀粘土試樣進(jìn)行拉伸、彎曲和剪切破壞試驗(yàn)，掌握粘土變形破壞規(guī)律；然后對粘土試樣進(jìn)行定量拉伸、剪切和彎曲，測試此時(shí)變形土樣的滲透性，通過對比變形前后粘土的滲透性，總結(jié)采動變形粘土的隔水性質(zhì)變化規(guī)律；最后對已知采礦工程條件下的隔水關(guān)鍵粘土層進(jìn)行采動變形預(yù)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)總結(jié)規(guī)律對隔水關(guān)鍵粘土層隔水性進(jìn)行評價(jià)，用于指導(dǎo)相關(guān)技術(shù)人員對水體下采煤做出正確決策。
【專利說明】深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)裝置及方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種煤系地層采動變形粘土實(shí)驗(yàn)裝置，尤其涉及一種深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]一般煤系地層有顯著的分層特性，第四系地層(松散層)主要由以粘土、砂質(zhì)粘土為主組成的隔水層(組)，與以沙層、沙礫層為主的含水層(組)交互沉積構(gòu)成。理論與實(shí)踐均證明，松散層中具備特定物理性質(zhì)的一定厚度的粘土層具有良好的隔水性能，在煤礦開采領(lǐng)域可以作為隔水關(guān)鍵層，阻隔其上部含水層與下部含水層的水力聯(lián)系，對于水體下安全采煤具有重要作用。
[0003]因采煤引起采空區(qū)周圍直至地表的巖層移動、變形和破壞的現(xiàn)象和過程稱為巖層移動。其中巖層移動與變形是指在采煤影響下巖層產(chǎn)生的下沉、傾斜、曲率、水平移動和水平變形。
[0004]如圖1所示，在上述5種移動與變形情況下，下沉和傾斜容易引起巖層的剪切變形，水平變形和水平移動容易引起巖層的拉伸和壓縮變形，而曲率引起巖層的彎曲變形。
[0005]由于粘土顆粒成扁平形狀，有定向排列作用，使平行于層面和垂直于層面方向的滲透性呈現(xiàn)顯著的各向異性，比如高嶺土的水平和垂直滲透比可達(dá)20之高。然而，變形后的粘土可產(chǎn)生縱向裂縫，尤其是塑性差的硬粘土。由于裂縫網(wǎng)絡(luò)的存在，使粘土的滲透系數(shù)接近于粗沙，這樣的粘土層失去了隔水的性質(zhì)。水體下采煤過程中，一旦誤判，就可能造成關(guān)水危險(xiǎn)。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中，對土的滲透和力學(xué)試驗(yàn)僅限于為土工建筑物、地基和堤壩的滲流、穩(wěn)定和沉降等問題服務(wù)，這些試驗(yàn)方法不能滿足采礦工程領(lǐng)域?qū)τ谡莆赵瓲钫惩潦荛_采擾動后滲流變化規(guī)律的需求。首先，由于結(jié)構(gòu)、組構(gòu)和物理化學(xué)環(huán)境的不同，不同性質(zhì)活性粘土的性質(zhì)迥然有別；其次，移動變形后的粘土由于埋深較大難以接受人工改造，失去隔水性能的粘土層短時(shí)間內(nèi)固結(jié)壓縮受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種能通過實(shí)驗(yàn)得到采動變形粘土的隔水性質(zhì)變化規(guī)律的深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)裝置及方法。
[0008]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0009]本發(fā)明的深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)裝置，包括粘土拉伸變形裝置、粘土剪切變形裝置、粘土彎曲變形裝置和粘土滲透性裝置；
[0010]所述粘土拉伸變形裝置包括固定在工作臺上的底座，所述底座上固定連接有固定架，所述底座上設(shè)有凹槽，所述凹槽中設(shè)有移動架，所述移動架嚙合有水平絲杠，所述絲杠的外端設(shè)有搖柄，所述固定架和移動架的上端分別設(shè)有托板和壓蓋，兩塊托板相對的一端設(shè)有標(biāo)尺，所述托板與壓蓋之間設(shè)有緊件，所述托板上表面和壓蓋下表面分別設(shè)有十字形網(wǎng)格。
[0011]本發(fā)明的應(yīng)用上述的深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)裝置進(jìn)行深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)的方法，包括步驟:
[0012]I)首先對不同深度的原狀粘土試樣進(jìn)行拉伸、彎曲和剪切破壞試驗(yàn)，掌握粘土變形破壞規(guī)律；
[0013]2 )然后對粘土試樣進(jìn)行定量拉伸、剪切和彎曲，測試此時(shí)變形土樣的滲透性，通過對比變形前后粘土的滲透性，總結(jié)采動變形粘土的隔水性質(zhì)變化規(guī)律；
[0014]3)最后對已知采礦工程條件下的隔水關(guān)鍵粘土層進(jìn)行采動變形預(yù)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)總結(jié)規(guī)律對隔水關(guān)鍵粘土層隔水性進(jìn)行評價(jià)，用于指導(dǎo)相關(guān)技術(shù)人員對水體下采煤做出正確決策。
[0015]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)裝置及方法，由于包括粘土拉伸變形裝置、粘土剪切變形裝置、粘土彎曲變形裝置和粘土滲透性裝置，可以對不同深度的原狀粘土試樣進(jìn)行拉伸、彎曲和剪切破壞試驗(yàn)，掌握粘土變形破壞規(guī)律，并對粘土試樣進(jìn)行定量拉伸、剪切和彎曲，測試此時(shí)變形土樣的滲透性，通過對比變形前后粘土的滲透性，總結(jié)采動變形粘土的隔水性質(zhì)變化規(guī)律，然后對已知采礦工程條件下的隔水關(guān)鍵粘土層進(jìn)行采動變形預(yù)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)總結(jié)規(guī)律對隔水關(guān)鍵粘土層隔水性進(jìn)行評價(jià)，用于指導(dǎo)相關(guān)技術(shù)人員對水體下采煤做出正確決策。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中采動引起巖層拉伸、彎曲和剪切變形示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中粘土拉伸變形裝置示意圖；
[0018]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中粘土剪切變形裝置示意圖；
[0019]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中粘土彎曲變形裝置示意圖；
[0020]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中粘土滲透性裝置示意圖；
[0021]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中粘土滲透性突變拉厚比；
[0022]圖7為本發(fā)明實(shí)施例中粘土失去隔水性拉厚比；
[0023]圖8為本發(fā)明實(shí)施例中Icm拉伸變形粘土承受極限水壓；
[0024]圖9為本發(fā)明實(shí)施例中試樣3粘土拉厚比與隔水性關(guān)系。
[0025]圖中:
[0026]21、工作臺，22、底座，23、固定架，24、托板，25、緊件，26、壓蓋，27、土試樣，28、標(biāo)尺，29、絲杠，210、移動架，211、搖柄；
[0027]31、工作臺，32、托板，33、緊件，34、壓蓋，35、土試樣，36、標(biāo)尺，37、絲杠，38、搖柄，39、固定架；
[0028]41、工作臺，42、固定桿，43、卡口環(huán)，44、圓筒；
[0029]51、端蓋，52、漏水孔，53、套管，54、壓力表，55、流量表，56、進(jìn)水管路，57、閥門。【具體實(shí)施方式】
[0030]下面將對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0031]本發(fā)明的深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)裝置，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:[0032]包括粘土拉伸變形裝置、粘土剪切變形裝置、粘土彎曲變形裝置和粘土滲透性裝置；
[0033]所述粘土拉伸變形裝置包括固定在工作臺上的底座，所述底座上固定連接有固定架，所述底座上設(shè)有凹槽，所述凹槽中設(shè)有移動架，所述移動架嚙合有水平絲杠，所述絲杠的外端設(shè)有搖柄，所述固定架和移動架的上端分別設(shè)有托板和壓蓋，兩塊托板相對的一端設(shè)有標(biāo)尺，所述托板與壓蓋之間設(shè)有緊件，所述托板上表面和壓蓋下表面分別設(shè)有十字形網(wǎng)格。
[0034]所述粘土剪切變形裝置包括一端夾緊在工作臺上的固定架，所述固定架的另一端嚙合有豎向絲杠，所述絲杠的下端設(shè)有搖柄，所述固定架和絲杠的上端分別設(shè)有托板和壓蓋，兩塊托板相對的一端設(shè)有標(biāo)尺，所述托板與壓蓋之間設(shè)有緊件，所述托板上表面和壓蓋下表面分別設(shè)有十字形網(wǎng)格。
[0035]所述粘土彎曲變形裝置包括通過卡口環(huán)固定在工作臺邊緣的固定桿，所述固定桿設(shè)有多個(gè)不同直徑的圓筒。
[0036]所述粘土滲透性試驗(yàn)裝置包括支撐在底架上的套管，所述套管的兩端分別設(shè)有端蓋，一端的端蓋連接有進(jìn)水管路，另一端的端蓋設(shè)有漏水孔，所述進(jìn)水管路上設(shè)有流量表、壓力表和閥門。
[0037]本發(fā)明的應(yīng)用上述的深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)裝置進(jìn)行深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)的方法，其較佳的【具體實(shí)施方式】包括步驟:
[0038]I)首先對不同深度的原狀粘土試樣進(jìn)行拉伸、彎曲和剪切破壞試驗(yàn)，掌握粘土變形破壞規(guī)律；
[0039]2)然后對粘土試樣進(jìn)行定量拉伸、剪切和彎曲，測試此時(shí)變形土樣的滲透性，通過對比變形前后粘土的滲透性，總結(jié)采動變形粘土的隔水性質(zhì)變化規(guī)律；
[0040]3)最后對已知采礦工程條件下的隔水關(guān)鍵粘土層進(jìn)行采動變形預(yù)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)總結(jié)規(guī)律對隔水關(guān)鍵粘土層隔水性進(jìn)行評價(jià)，用于指導(dǎo)相關(guān)技術(shù)人員對水體下采煤做出正確決策。
[0041]本發(fā)明的深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)裝置，用于對采礦領(lǐng)域的變形粘土隔水性實(shí)驗(yàn)，包括粘土拉伸變形裝置、粘土剪切變形裝置、粘土彎曲變形裝置和粘土滲透性裝置。評定方法包括粘土變形、滲透性評價(jià)指標(biāo)以及采動影響下粘土變形預(yù)計(jì)方法等。
[0042]具體實(shí)施例:
[0043]一、實(shí)驗(yàn)裝置:
[0044]1、粘土拉伸變形裝置:
[0045]如圖2所示，包括底座、固定架、移動架、絲杠、標(biāo)尺、托板和壓蓋等。底座通過螺釘固定在工作臺上，固定架和底座連接，用來固定整個(gè)結(jié)構(gòu)；移動架可在底座凹槽中來回滑動，通過絲杠伸縮和標(biāo)尺來控制拉伸變形量，以期對試樣加載不同的拉伸變形量；托板和壓蓋用來加緊粘土試樣，共有兩塊托板和兩塊壓蓋，在托板上表面和壓蓋下表面加工有“十”字形網(wǎng)格，防止試件滑動，托板和壓蓋間距通過緊件可調(diào)。
[0046]實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過絲杠控制移動架整體與固定架整體緊密對接，保證兩塊托板接觸面嚴(yán)絲合縫。把預(yù)先制備好的土樣放在托板正中心，保證試樣直徑與托板連接縫對齊，加上壓蓋后適當(dāng)施加壓力，調(diào)整好標(biāo)尺O刻度位置對準(zhǔn)中心縫后即完成了準(zhǔn)備工作。此后根據(jù)試驗(yàn)需求可對試樣做拉伸破壞性試驗(yàn)或是定量拉伸試驗(yàn)。
[0047]2、粘土剪切變形裝置:
[0048]如圖3所示，包括固定架、絲杠、標(biāo)尺、托板和壓蓋等。固定架下端夾在工作臺邊緣，通過螺釘固定使整個(gè)結(jié)構(gòu)牢固的卡在工作臺上；托板和壓蓋用來夾緊粘土試樣，同樣有兩塊托板和兩塊壓蓋，壓蓋和托板之間的距離通過緊件可調(diào)，在托板上表面和壓蓋下表面有“十”字形網(wǎng)格，防止試件滑動；右側(cè)的托板和壓蓋通過絲杠可上下移動，移動量通過標(biāo)尺控制，以期對試樣加載不同的剪切量。
[0049]實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先通過絲杠控制右側(cè)托板和壓蓋與左側(cè)對應(yīng)托板和壓蓋對齊，要求左右托板上平面處于同一水平。把預(yù)先制備好的土樣放在兩托板正中心，保證試樣直徑與托板連接縫對齊，加上壓蓋后適當(dāng)施加壓力，調(diào)整好標(biāo)尺O刻度位置對準(zhǔn)右側(cè)托板下表面后完成準(zhǔn)備工作。此后根據(jù)試驗(yàn)需求可以對試樣做剪切破壞性試驗(yàn)或是定量剪切試驗(yàn)。
[0050]3、粘土彎曲變形裝置:
[0051]如圖4所示，包括固定桿和不同直徑的圓筒組成。固定桿通過卡口環(huán)固定在工作臺邊緣，然后通過螺紋可連接不同直徑的圓筒；圓筒外徑光滑，直徑有l(wèi)Cm、3Cm、5Cm和IOcm四種規(guī)格，用于對粘土試樣進(jìn)行不同曲率條件下的彎曲變形試驗(yàn)。
[0052]實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)需求在固定桿上預(yù)裝圓筒，然后直接把預(yù)先制備的粘土試樣貼附在圓筒外表面，保證粘土與圓筒完全貼合，觀察和測試在該曲率條件下試樣的破壞變形情況。同時(shí)，可對粘土進(jìn)行反復(fù)彎曲變形和破壞試驗(yàn)。
[0053]4、粘土滲透性試驗(yàn)裝置:
[0054]如圖5所示，包括進(jìn)水管路、流量表、壓力表、套管、閥門、端蓋和底架等，各部分通過螺紋連接，在連接處墊加生膠帶、橡膠圈等防止漏水。底架用來支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)；端蓋正中心開有不同直徑的小孔，直徑有l(wèi)cm、2cm、3cm和5cm,不同厚度粘土試樣實(shí)驗(yàn)時(shí)選取不同開口大小的端蓋；套管采用鉆桿型號SZG73E (外徑73mm、內(nèi)徑為54mm)，總長20cm，用來裝粘土試樣，一般將粘土試樣貼到端蓋，粘土和套管之間用塑膠和玻璃膠密封；進(jìn)水管路用來控制進(jìn)水、水壓大小和水流量。
[0055]實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將進(jìn)水管路連接好，進(jìn)水閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，然后將端蓋打開，從端蓋處放入預(yù)制的和套管內(nèi)徑相同的圓餅形粘土試樣，試樣和套管之間用玻璃膠密封好后，安裝上端蓋即完成準(zhǔn)備工作。
[0056]二、試驗(yàn)方法:
[0057]1、試樣制備
[0058](I)試樣制備的所需儀器
[0059]a.細(xì)篩:孔徑 0.5mm、2mm。
[0060]b.臺秤:花潮(HC)電子秤,稱重2kg,最小分度值0.lg。
[0061]c.環(huán)刀:不鎊鋼材料制成，內(nèi)徑100mm、79.8mm、61.8謹(jǐn)、4Ctam和2Ctam,高度40mm.30mm、20mm 和 10mnin
[0062]d.擊樣器。
[0063]e.其他:包括切土刀、鋼絲鋸、烤箱、試樣盒、保濕膜和噴水壺等。
[0064](2)原狀粘土試樣制備
[0065]①將土樣從土樣筒或包裝袋中取出，剝?nèi)ハ灧夂湍z帶。檢查土樣結(jié)構(gòu)，當(dāng)確定土樣已受擾動或取土質(zhì)量不符合規(guī)定時(shí)，不應(yīng)制備土工試驗(yàn)的試樣。
[0066]②根據(jù)試驗(yàn)要求用環(huán)刀切取試樣時(shí)，應(yīng)在環(huán)刀內(nèi)壁涂一薄層凡士林，刃口向下放在土樣上將環(huán)刀垂直下壓，并用切土刀沿環(huán)刀外側(cè)切削土樣，邊壓邊削至土樣高出環(huán)刀，根據(jù)試樣的軟硬采用鋼絲據(jù)或切土刀整平環(huán)刀兩端土樣，擦凈環(huán)刀外壁，稱環(huán)刀和土的總質(zhì)
量并記錄。
[0067]③切削試樣時(shí)，應(yīng)對土樣的層次、氣味、顏色、夾雜物、裂縫和均勻性進(jìn)行描述，對低塑性和高靈敏度的軟土，制樣時(shí)不得擾動。切削的粘土試樣暫用保鮮膜封裝，并貼好標(biāo)簽，標(biāo)明土樣的來源和質(zhì)量等相關(guān)參數(shù)后備用。
[0068]④從余土中取代表性試樣測定含水率。
[0069](3)重塑粘土試樣制備
[0070]①將土樣從土樣筒或包裝袋中取出，剝?nèi)ハ灧夂湍z帶，對土樣的顏色、氣味、夾雜物和土類及均勻程度進(jìn)行描述，并將土樣切成碎塊，拌和均勻，取代表性土樣測定含水率。
[0071]②對均質(zhì)和含有機(jī)質(zhì)的土樣，宜采用天然含水率狀態(tài)下代表性土樣，供顆粒分析、界限含水率試驗(yàn)。對非均質(zhì)土應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目取足夠數(shù)量的土樣，置于通風(fēng)處涼干至可碾散為止，對砂土和進(jìn)行比重試驗(yàn)的土樣宜在105~110°C溫度下烘干，對有機(jī)質(zhì)含量超過50%的土、含石膏和硫酸鹽的土，應(yīng)在溫度65~70°C下烘干。
[0072]③將風(fēng)干或烘干的土樣放在PP板上用木碾碾散，對不含砂和礫的土樣，可用碎土器碾散(碎土器不得將土粒破碎)。
[0073]④對分散后的粗粒土和細(xì)粒土過篩，對含細(xì)粒土的礫質(zhì)土，應(yīng)先用水浸泡并充分?jǐn)嚢?，使粗?xì)顆粒分離后按不同試驗(yàn)項(xiàng)目的要求進(jìn)行過篩。
[0074]⑤將碾散的風(fēng)干土樣通過孔徑2_或5_的篩，取篩下足夠試驗(yàn)用的土樣，充分拌勻，測定風(fēng)干含水率，裝入保濕缸或塑料袋內(nèi)備用。
[0075]⑥根據(jù)試驗(yàn)所需的土量與含水率，制備試樣所需的加水量應(yīng)按下式計(jì)算:
[0076]
【權(quán)利要求】
1.一種深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括粘土拉伸變形裝置、粘土剪切變形裝置、粘土彎曲變形裝置和粘土滲透性裝置； 所述粘土拉伸變形裝置包括固定在工作臺上的底座，所述底座上固定連接有固定架，所述底座上設(shè)有凹槽，所述凹槽中設(shè)有移動架，所述移動架嚙合有水平絲杠，所述絲杠的外端設(shè)有搖柄，所述固定架和移動架的上端分別設(shè)有托板和壓蓋，兩塊托板相對的一端設(shè)有標(biāo)尺，所述托板與壓蓋之間設(shè)有緊件，所述托板上表面和壓蓋下表面分別設(shè)有十字形網(wǎng)格。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述粘土剪切變形裝置包括一端夾緊在工作臺上的固定架，所述固定架的另一端嚙合有豎向絲杠，所述絲杠的下端設(shè)有搖柄，所述固定架和絲杠的上端分別設(shè)有托板和壓蓋，兩塊托板相對的一端設(shè)有標(biāo)尺，所述托板與壓蓋之間設(shè)有緊件，所述托板上表面和壓蓋下表面分別設(shè)有十字形網(wǎng)格。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述粘土彎曲變形裝置包括通過卡口環(huán)固定在工作臺邊緣的固定桿，所述固定桿設(shè)有多個(gè)不同直徑的圓筒。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述粘土滲透性試驗(yàn)裝置包括支撐在底架上的套管，所述套管的兩端分別設(shè)有端蓋，一端的端蓋連接有進(jìn)水管路，另一端的端蓋設(shè)有漏水孔，所述進(jìn)水管路上設(shè)有流量表、壓力表和閥門。
5.一種應(yīng)用權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)裝置進(jìn)行深埋變形粘土隔水性試驗(yàn)的方法，其特征在于，包括步驟: . 1)首先對不同深度的原狀粘土試樣進(jìn)行拉伸、彎曲和剪切破壞試驗(yàn)，掌握粘土變形破壞規(guī)律； .2 )然后對粘土試樣進(jìn)行定量拉伸、剪切和彎曲，測試此時(shí)變形土樣的滲透性，通過對比變形前后粘土的滲透性，總結(jié)采動變形粘土的隔水性質(zhì)變化規(guī)律； . 3)最后對已知采礦工程條件下的隔水關(guān)鍵粘土層進(jìn)行采動變形預(yù)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)總結(jié)規(guī)律對隔水關(guān)鍵粘土層隔水性進(jìn)行評價(jià)，用于指導(dǎo)相關(guān)技術(shù)人員對水體下采煤做出正確決策。
【文檔編號】G01N1/28GK103674809SQ201310695576
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】許延春, 劉世奇, 李江華, 劉忠昌, 謝小鋒 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)