1.本发明属于地质环境检测技术领域，具体地，涉及一种破碎岩体渗透系数测试方法与试验装置。
背景技术：2.煤炭资源高强度开采形成约200万hm2的采煤沉陷区，随着国家经济与国家城市化进程的快速发展，采空塌陷带来的地质安全问题日益突出，重大工程建设与可建设土地供应之间的紧张矛盾日益加剧。越来越多的采煤沉陷区(采空区)亟待进行治理转化为可建设用地。在采煤沉陷区治理众多方法中，注浆充填是应用最广和治理效果最好的方法之一。而采用破碎岩体渗透系数又是进行注浆充填设计的关键性参数。
3.相关技术中，传统获得地层渗透系数的方法主要有压水试验和抽水试验。煤层开采后上覆地层发生垮落，地层破碎，开展压水试验和抽水试验均需要借助勘探钻孔进行，破碎地层钻孔施工难度较大，费用高，周期长。且采空区埋深往往较深，几十米甚至几百米，试验设备费用高，安装代价大。此外，抽水试验在同一个地层的试验结果常常存在数量级差异，数据离散，准确度低。
技术实现要素：4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
5.为此，本发明的实施例提出一种破碎岩体渗透系数测试方法，该测试方法具有试验周期短、成本低、可重复操作的优点。
6.本发明的实施例提出一种破碎岩体渗透系数试验装置，该试验装置具有试验周期短、成本低、可重复操作的优点。
7.本发明实施例的破碎岩体渗透系数测试方法，包括以下步骤：
8.s1、准备试验箱体，将试验样品铺装在实验箱体内；
9.s2、关闭实验箱体的出口端阀门，打开试验箱体的进口端阀门，将外界水源通过进口端阀门注入试验箱体内，并使实验箱体内的水浸没试验样品；
10.s3、打开实验箱体出口端阀门，使试验箱体内的水通过出口端阀门排出，并调节出口端阀门的大小以控制出口端的流量q1大于进口端的流量q2，以使进口端一侧的液面高度h1大于出口端一侧的液面高度h2；
11.s4、调整出口端阀门的大小以使进口端流量与出口端流量相等，并记录此时进口端一侧的液面高度为进口端标定高度h1、出口端一侧的液面高度为出口端标定h2和所述进口端的流量为进口端标定流量q；
12.s5、利用得出渗透系数k；
13.其中，l为实验箱体的长度，b为试验箱体的宽度。
14.本发明实施例的破碎岩体渗透系数测试方法利用调节进口端阀门和出口端阀门，
实现试验样品的渗透平衡，并用记录的参数可以很方便的计算出渗透系数。
15.此外，本发明实施例的破碎岩体渗透系数测试方法在完成试验后，将试验箱体的水排出，还可以再次利用同一试验样品进行试验得出新的渗透系数，进而可以增加数据的准确性。
16.因此，本发明实施例的破碎岩体渗透系数测试方法具有试验周期短、试验成本低、试验可重复操作的优点。
17.在一些实施例中，s2中，所述进口端的流量q1与所述进口端的最大流量之比大于等于65％且小于等于83％，
18.s3中，所述出口端的流量q1与所述进口端的流量q2之比大于等于1.1且小于等于1.2。
19.在一些实施例中，s3中调节出口端阀门的大小以使出口端一侧的液面高度h2与进口端一侧的液面高度h1的比值大于等于70％且小于等于80％。
20.在一些实施例中，s4中，记录所述进口端标定高度h1、所述出口端标定高度h2和所述进口端标定流量q的步骤包括：每一个预设时间间隔记录一次所述进口端标定高度h1、所述出口端标定高度h2和所述进口端标定流量q，相邻两次记录中后次记录的所述进口端标定高度与前次记录的所述进口端标定高度之比大于97％，且所述相邻两次记录中后次记录的所述出口端标定高度与前次记录的所述出口端标定高度之比大于97％。
21.在一些实施例中，本发明实施例的破碎岩体渗透系数测试方法还包括以下步骤：
22.s6、重复s2、s3、s4和s5，以得出多个渗透系数；
23.s7：对多个所述渗透系统求平均值。
24.在一些实施例中，s6中，多个所述渗透系数之间的误差不大于d0，其中d0＝2
×
10-n
。
25.在一些实施例中，本发明实施例的破碎岩体渗透系数测试方法还包括以下步骤：
26.在s1之前，
27.利用筛析法，获得限制粒径d
60
、有效粒径d
10
和累计颗粒含量为30％的粒径d
30
；
28.计算不均匀系数和曲率系数，确定破碎岩体块度尺寸和级配；
29.根据所述破碎岩体块度尺寸和级配配置所述试验样品。
30.在一些实施例中，s1中，所述实验样品铺设高度为所述试验箱体高度的80％～85％。
31.在一些实施例中，s2中，所述试验箱体中浸没所述试验样品的水位高度高于所述试验样品高度1～2cm。
32.本发明实施例的破碎岩体渗透系数试验装置，可实现根据上述实施例中任一项所述的破碎岩体渗透系数测试方法，所述试验装置包括：
33.试验箱体，所述试验箱体包括在所述试验箱体长度方向间隔布置的进水口和出水口，所述进水口在所述试验箱体高度方向上位于所述出水口的上方，所述试验样品可配置在所述试验箱体内；
34.进口端阀门和出口端阀门，所述进口端阀门设在所述试验箱体的邻近所述进水口的一端用于调节所述进水口的流量大小，所述出口端阀门设在试验箱体的邻近所述出水口的一端用于调节所述出水口的流量大小；
35.第一流量计和第二流量计，所述第一流量计用于测量所述进水口的流量，所述第二流量计用于测量所述出水口的流量；
36.第一水位标尺和第二水位标尺，所述第一水位标尺与所述试验箱体相连且邻近所述进水口设置，所述第一水位标尺用于测量所述试验箱体邻近所述进水口一端的水位高度，所述第二水位标尺与所述试验箱体相连且邻近所述出水口设置，所述第二水位标尺用于测量所述试验箱体邻近所述出水口一端的水位高度；
37.储水箱和排水箱，所述储水箱通过第一管道与所述进水口连通，所述排水箱通过第二管道与所述出水口连通；
38.水泵，所述水泵设在所述第一管道上，所述水泵用于抽取储水箱的水并通过所述进水口排入所述试验箱体内。
附图说明
39.图1是本发明实施例的破碎岩体渗透系数测试方法的流程示意图。
40.图2是本发明实施例的破碎岩体渗透系数试验装置的结构示意图。
41.图3是本发明实施例的破碎岩体渗透系数试验装置的试验箱体的结构示意图。
42.附图标记：
43.试验箱体1；进水口11；出水口12；
44.进口端阀门21；出口端阀门22；
45.第一流量计31；第二流量计32；
46.第一水位标尺41；第二水位标尺42；
47.储水箱5；
48.排水箱6；
49.第一管道71；第二管道72；
50.水泵8。
具体实施方式
51.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
52.下面根据附图描述本发明实施例的破碎岩体渗透系数测试方法。
53.如图1所示，本发明实施例的破碎岩体渗透系数测试方法，包括以下步骤：
54.s1、准备试验箱体1，将试验样品铺装在实验箱体内。可以理解的是，试验箱体1为长方形箱体，试验箱体1的材质可以为钢化有机玻璃，当然还可以为其它具有硬度较高的透明材质制成。可选地，试验箱体1的长度l＝100～120cm，试验箱体1的宽度b＝30～40cm，试验箱体1的高度h＝50～60cm，优选地，试验箱体1的尺寸为l＝100cm、b＝30cm、h＝50cm，当然，试验箱体1还可以根据实际情况选择不同尺寸。
55.此外，优选地，试验样品铺设高度为试验箱体1高度的80％～85％，避免实验样品铺设高度较高，在实验过程中从试验箱体1中溢出，影响试验结果。
56.s2、关闭实验箱体的出口端阀门22，打开试验箱体1的进口端阀门21，将外界水源通过进口端阀门21注入试验箱体1内，并使实验箱体内的水浸没试验样品。可以理解的是，
调整进口端阀门21与出口端阀门22的开口大小，可以调整进口端的流速和出口端的流速，优选地，如图2所示，进水口11与出水口12分别设在试验箱体1的左右两侧，即进水口11设在试验箱体1的左端，出水口12设在试验箱体1的右端，且进水口11在试验箱体1高度方向(如图1中的上下方向)位于出水口12的上方。
57.此外，优选地，试验箱体1中浸没试验样品的水位高度高于试验样品高度1～2cm，以保证试验样品能够完全浸没在水里。
58.s3、打开实验箱体出口端阀门22，使试验箱体1内的水通过出口端阀门22排出，并调节出口端阀门22的大小以控制出口端的流量q1大于进口端的流量q2，以使进口端一侧的液面高度h1大于出口端一侧的液面高度h2。
59.可以理解的是，如图2所示，根据进水口11与出水口12的位置，使出口端的流量q1大于进口端的流量q2，那么，试验箱体1中邻近出水口12的水会快速排出，从而会导致试验箱体1内的液面倾斜，即试验箱体1中左端液面高度高于试验箱体1中右端液面高度，因此，可以利用水位标尺分别测出进口端一侧的液面高度h1和出口端一侧的液面高度h2。
60.s4、调整出口端阀门22的大小以使进口端流量与出口端流量相等，并记录此时进口端一侧的液面高度为进口端标定高度h1、出口端一侧的液面高度为出口端标定h2和进口端的流量为进口端标定流量q。
61.可以理解的是，进口端流量与出口端流量相等时，试验箱体1内的试验样品达到了渗流平衡。
62.s5、利用得出渗透系数k；其中，l为实验箱体的长度，b为试验箱体1的宽度。
63.需要说明的是，根据达西定律q＝kia，和可以得出渗透系数k，其中，i为水力比降，a为渗流端面面积。
64.也就是说，本发明实施例的破碎岩体渗透系数测试方法利用调节进口端阀门21和出口端阀门22，实现试验样品的渗透平衡，并用记录的参数可以很方便的计算出渗透系数。
65.此外，本发明实施例的破碎岩体渗透系数测试方法在完成试验后，将试验箱体1的水排出，还可以再次利用同一试验样品进行试验得出新的渗透系数，进而可以增加数据的准确性。
66.因此，本发明实施例的破碎岩体渗透系数测试方法具有试验周期短、试验成本低、试验可重复操作的优点。
67.优选地，s2中，进口端的流量q1与进口端的最大流量之比大于等于65％且小于等于83％。s3中，出口端的流量q1与进口端的流量q2之比大于等于1.1且小于等于1.2。
68.可以理解的是，为了保证出水口12一侧的水流速度大于进水口11的水流速度，使得试验箱体1的左端水位高度大于试验箱体1的右端水位高度，因此需要保证出口端的流量q2大于进口端的流量q1。
69.优选地，s3中调节出口端阀门22的大小以使出口端一侧的液面高度h2与进口端一侧的液面高度h1的比值大于等于70％且小于等于80％。
70.可以理解的是，由于出口端水流速度大于进口端水流速度，因此，试验箱体1内的
水会逐渐减少，作为优先地，则使出口端一侧的液面高度h2与进口端一侧的液面高度h1的比值大于等于70％且小于等于80％，从而避免试验箱体1内的水流出过快，导致试验箱体1内的水量不足。
71.换言之，将试验箱体1中的水位控制在进口端一侧的液面高度h1与出口端一侧的液面高度h2之差占进口端一侧的液面高度h1的20％～30％。
72.需要说明的是，利用出水口12排水时，需要持续观察试验箱体1两端的水位变化，因此，优选地，每间隔5分钟进行一次记录，直至出口端一侧的液面高度h2与进口端一侧的液面高度h1的比值大于等于70％且小于等于80％。
73.优选地，s4中，记录进口端标定高度h1、出口端标定高度h2和进口端标定流量q的步骤包括：每一个预设时间间隔记录一次进口端标定高度h1、出口端标定高度h2和进口端标定流量q，相邻两次记录中后次记录的进口端标定高度与前次记录的进口端标定高度之比大于97％，且相邻两次记录中后次记录的出口端标定高度与前次记录的出口端标定高度之比大于97％。
74.可以理解的是，在s3中的试验箱体1中的水位达到预设值(即端一侧的液面高度h2与进口端一侧的液面高度h1的比值大于等于70％且小于等于80％)后，调整出口端阀门22，使进口端流量与出口端流量相等。此时，由于调整阀门大小为动态过程，优选地，每间隔移动时间进行一次记录，即该预设时间为5分钟。
75.也就是说，调整出口端阀门22后使进口端的流量与出口端的流量相等，进行多次记录，每次记录数据之间会有波动，优选地，在相邻两次记录中后次记录的进口端标定高度与前次记录的进口端标定高度之比大于97％，且相邻两次记录中后次记录的出口端标定高度与前次记录的出口端标定高度之比大于97％时，认为渗流达到平衡。
76.在一些实施例中，本发明实施例的破碎岩体渗透系数测试方法还包括以下步骤：
77.s6、重复s2、s3、s4和s5，以得出多个渗透系数；
78.s7：对多个渗透系统求平均值。
79.可以理解的是，在重复s2、s3、s4和s5之前，可以将试验箱体1中的水通过出水口12排出，再重复步骤s2、s3、s4和s5。也就是说，本发明实施例的破碎岩体渗透系数测试方法可以实现重复操作，并且还具有试验周期短的优点。
80.优选地，s6中，多个渗透系数之间的误差不大于d0，其中d0＝2*10-n
。
81.可以理解的是，一般地，地层渗透系数可表示为：整数a*10-n
，而多次测试取得的多个渗透系数存在差异，因此，将每个渗透系数用该表达式表示，并且保证表达式中n的值相等，那么，优选地，两个渗透系数中的整数a之差不大于2。
82.在一些实施例中，本发明实施例的破碎岩体渗透系数测试方法还包括以下步骤：
83.在s1之前，利用筛析法，获得限制粒径d
60
、有效粒径d
10
和累计颗粒含量为30％的粒径d
30
；计算不均匀系数和曲率系数，确定破碎岩体块度尺寸和级配；根据破碎岩体块度尺寸和级配配置试验样品。
84.可以理解的是，在s1之前，需要进行颗粒分析，即对测试破碎地层的岩块进行粒形和级配的分析，也就是说，利用筛析法进行分析。
85.需要说明的是，不均匀系数为：曲率系数为：
86.下面描述根据附图本发明实施例的破碎岩体渗透系数试验装置。
87.如图2和图3所示，本发明实施例的破碎岩体渗透系数试验装置，可实现根据上述实施例中任一项的破碎岩体渗透系数测试方法，试验装置包括：试验箱体1、进口端阀门21、出口端阀门22、第一流量计31、第二流量计32、第一水位标尺41、第二水位标尺42、储水箱5、排水箱6和水泵8。
88.如图1和图2所示，试验箱体1包括在试验箱体1长度方向(如图1中的左右方向)间隔布置的进水口11和出水口12，即进水口11设在试验箱体1的左端，出水口12设在试验箱体1的右端，进水口11在试验箱体1高度方向上位于出水口12的上方，出水口12邻近试验箱体1的底部设置，以便与排水，试验样品可配置在试验箱体1内。
89.进口端阀门21设在试验箱体1的邻近进水口11的一端用于调节进水口11的流量大小，出口端阀门22设在试验箱体1的邻近出水口12的一端用于调节出水口12的流量大小。
90.第一水位标尺41与试验箱体1相连且邻近进水口11设置，第一水位标尺41用于测量试验箱体1邻近进水口11一端的水位高度，第二水位标尺42与试验箱体1相连且邻近出水口12设置，第二水位标尺42用于测量试验箱体1邻近出水口12一端的水位高度。
91.储水箱5通过第一管道71与进水口11连通，排水箱6通过第二管道72与出水口12连通。
92.第一流量计31用于测量进水口11的流量，第二流量计32用于测量出水口12的流量。具体地，第一流量计31设在第一管道71上且位于进口端阀门21的左侧，第二流量计32设在第二管道72上且位于出口端阀门22的右侧。
93.水泵8设在第一管道71上，水泵8用于抽取储水箱5的水并通过进水口11排入试验箱体1内，并且水泵8邻近储水箱5设置，以便于抽取储水箱5内的水。
94.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
95.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
96.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
97.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
98.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
99.尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。
技术特征：1.一种破碎岩体渗透系数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、准备试验箱体，将试验样品铺装在实验箱体内；s2、关闭实验箱体的出口端阀门，打开试验箱体的进口端阀门，将外界水源通过进口端阀门注入试验箱体内，并使实验箱体内的水浸没试验样品；s3、打开实验箱体出口端阀门，使试验箱体内的水通过出口端阀门排出，并调节出口端阀门的大小以控制出口端的流量q1大于进口端的流量q2，以使进口端一侧的液面高度h1大于出口端一侧的液面高度h2；s4、调整出口端阀门的大小以使进口端流量与出口端流量相等，并记录此时进口端一侧的液面高度为进口端标定高度h1、出口端一侧的液面高度为出口端标定h2和所述进口端的流量为进口端标定流量q；s5、利用得出渗透系数k；其中，l为实验箱体的长度，b为试验箱体的宽度。2.根据权利要求1所述的破碎岩体渗透系数测试方法，其特征在于，s2中，所述进口端的流量q1与所述进口端的最大流量之比大于等于65％且小于等于83％，s3中，所述出口端的流量q1与所述进口端的流量q2之比大于等于1.1且小于等于1.2。3.根据权利要求1所述的破碎岩体渗透系数测试方法，其特征在于，s3中调节出口端阀门的大小以使出口端一侧的液面高度h2与进口端一侧的液面高度h1的比值大于等于70％且小于等于80％。4.根据权利要求1所述的破碎岩体渗透系数测试方法，其特征在于，s4中，记录所述进口端标定高度h1、所述出口端标定高度h2和所述进口端标定流量q的步骤包括：每一个预设时间间隔记录一次所述进口端标定高度h1、所述出口端标定高度h2和所述进口端标定流量q，相邻两次记录中后次记录的所述进口端标定高度与前次记录的所述进口端标定高度之比大于97％，且所述相邻两次记录中后次记录的所述出口端标定高度与前次记录的所述出口端标定高度之比大于97％。5.根据权利要求1所述的破碎岩体渗透系数测试方法，其特征在于，还包括以下步骤：s6、重复s2、s3、s4和s5，以得出多个渗透系数；s7：对多个所述渗透系统求平均值。6.根据权利要求5所述的破碎岩体渗透系数测试方法，其特征在于，s6中，多个所述渗透系数之间的误差不大于d0，其中d0＝2
×
10-n
。7.根据权利要求1-6中任一项所述的破碎岩体渗透系数测试方法，其特征在于，还包括以下步骤：在s1之前，利用筛析法，获得限制粒径d
60
、有效粒径d
10
和累计颗粒含量为30％的粒径d
30
；计算不均匀系数和曲率系数，确定破碎岩体块度尺寸和级配；根据所述破碎岩体块度尺寸和级配配置所述试验样品。8.根据权利要求1所述的破碎岩体渗透系数测试方法，其特征在于，s1中，所述实验样品铺设高度为所述试验箱体高度的80％～85％。9.根据权利要求1所述的破碎岩体渗透系数测试方法，其特征在于，s2中，所述试验箱
体中浸没所述试验样品的水位高度高于所述试验样品高度1～2cm。10.一种破碎岩体渗透系数试验装置，其特征在于，可实现根据权利要求1-9中任一项所述的破碎岩体渗透系数测试方法，所述试验装置包括：试验箱体，所述试验箱体包括在所述试验箱体长度方向间隔布置的进水口和出水口，所述进水口在所述试验箱体高度方向上位于所述出水口的上方，所述试验样品可配置在所述试验箱体内；进口端阀门和出口端阀门，所述进口端阀门设在所述试验箱体的邻近所述进水口的一端用于调节所述进水口的流量大小，所述出口端阀门设在试验箱体的邻近所述出水口的一端用于调节所述出水口的流量大小；第一流量计和第二流量计，所述第一流量计用于测量所述进水口的流量，所述第二流量计用于测量所述出水口的流量；第一水位标尺和第二水位标尺，所述第一水位标尺与所述试验箱体相连且邻近所述进水口设置，所述第一水位标尺用于测量所述试验箱体邻近所述进水口一端的水位高度，所述第二水位标尺与所述试验箱体相连且邻近所述出水口设置，所述第二水位标尺用于测量所述试验箱体邻近所述出水口一端的水位高度；储水箱和排水箱，所述储水箱通过第一管道与所述进水口连通，所述排水箱通过第二管道与所述出水口连通；水泵，所述水泵设在所述第一管道上，所述水泵用于抽取储水箱的水并通过所述进水口排入所述试验箱体内。
技术总结本发明提出一种破碎岩体渗透系数测试方法和试验装置，所述测试方法包括以下步骤：准备试验箱体，将试验样品铺装在实验箱体内，关闭出口端阀门，打开进口端阀门，将外界水源注入试验箱体内，并浸没试验样品，打开出口端阀门，使试验箱体内的水通过出口端阀门排出，并调节出口端阀门的大小以控制出口端的流量Q1大于进口端的流量Q2，调整出口端阀门的大小以使进口端流量与出口端流量相等，并记录此时进口端一侧的液面高度为进口端标定高度h1、出口端一侧的液面高度为出口端标定h2和所述进口端的流量为进口端标定流量Q，利用公式得出渗透系数k。本发明的破碎岩体渗透系数测试方法具有试验周期短、试验成本低、试验可重复操作的优点。的优点。的优点。
技术研发人员：王玉涛 刘小平 曹晓毅 刘浩琦 毛旭阁 张宝元 田延哲 赵文豪 刘新星 白仲荣 张宏刚 陈超 刘震 曹明明 孟庄涵
受保护的技术使用者：中煤科工生态环境科技有限公司
技术研发日：2022.07.20
技术公布日：2022/11/1
