[0001] 本发明涉及一种疏水井渗流试验装置，具体涉及一种用于疏水孔或井的间歇自动抽吸渗流试验装置及方法，属于含水层底部向下疏水降压井渗流技术领域。

[0002] 我国煤矿水文地质条件复杂，煤炭开采会受到老空(窑)水、地表水、松散孔隙水和基岩裂隙岩溶水等多种水源的严重威胁。对于深埋煤层的开采，煤层顶板含水层距离地面较远，随着煤矿开采规模和深度的不断增大，煤层顶板含水层承受的静水压力升高，从地面施工钻孔进行抽排水降压存在钻进深度大、时间长、造价高等劣势。采用从地下空间自下向上施工疏放水孔进行疏放水与地面施工抽排水孔对含水层进行疏水降压相比，施工难度低、疏放效率高、更为经济、合理。对于浅埋的地下工程，在需要疏水降压时，如果受地表地形条件限制难以施工抽排水井，在地下空间施工疏放水孔也将提高工程效益。

[0003] 含水层底部疏水降压时，含水层的水通过花管汇入疏放水管在自重和水压的作用下并沿着疏放水管流经管底阀开关排放，可分解为含水层和钻孔两个子系统，可通过渗流‑汇管流耦合模型来描述。根据含水层汇入疏放水孔花管流量Q 的能力及疏放水孔口阀实际疏排
放水量Q 的大小，疏放水管内可以形成满管及非满管两种流态。疏放水花管内水头压力P对含水层汇入疏放水孔花管水量 具有显著的影响，假定疏放水孔花管内水头压力为P＝0时，含水层汇入疏放水孔花管内水量为 当P>0时，含水层具有较好汇入疏放水花管水量的能力，汇入量没有得到充分排放，其汇入量 当P＝0时(为大气压强)，疏放水花管内充入空气，疏放水孔为非满管流，也可能存在一种满管流临界状态即 恰好使疏放水管形成满管流， 当P<0时，疏放水孔下部为满管，疏放水孔花管内形成负压，具有一定的抽吸效应，将增大含水层汇入疏放水孔花管内流量，

[0004] 本发明人前期已经开展了关于含水层底部疏水降压井的相关物理模型试验的研究并发表了专利，例如于2019.07.02公布的申请公开号为CN109959598A的一种含水层底部渗流箱渗流试验方法，以及于2019.07.26公布的申请公开号为CN110057741A的一种含水层底部渗流箱渗流试验模型装置。两个发明专利研究了含水层底部水降压井内水压为0的条件下，渗流箱径、井长与含水层疏放水渗流之间的关系；并采用数值模拟软件MIDAD GTS MX开展了承压含水层底部渗流箱渗流试验研究；该模型很好的模拟了渗流箱内孔隙水压为0时的疏放水渗流特征，得到了含水层底部疏放水渗流砂槽的试验模型。

[0005] 基于上述两个发明专利，在实际试验过程中发现由含水层底部向上形成的渗流井(孔)其渗流特征与传统意义渗流井存在明显差异，当P<0时，疏放水孔下部为满管，疏放水孔花管内形成负压，具有一定的抽吸效应，将增大含水层汇入疏放水孔花管内流量，的情况采用上述两个发明是无法实现的。含水层内水流在汇入疏放水孔过程可能会携带一定细小颗粒，在水流流速较小及较稳定时该部分细小颗粒可堵塞含水层汇入疏放水孔的渗流通道，导致疏放水效率进一步下降。如果疏放水管内能形成一种动态变化的水压，改变疏放水花管周围渗流流速，“振动式”式抽吸，将能很好地预防渗流通道堵塞，甚至可以扩展渗流通道，增大渗流速度。当然，这种负压的形成条件比较复杂，与含水层的厚度、水压、渗流孔的半径、倾角等因素均有关系，需要设计专有试验装置开展相关研究。

[0006] 因此建立由含水层底板向上形成疏放水孔的渗流模型，对研究地下空间仰斜钻孔疏放水的渗流特征及提高含水层向下疏放水效率具有重要意义。

[0036] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的解释说明。

[0037] 如图1‑3所示，图1单孔疏放水渗流模型中，s为水位降低，lw为疏放水孔(井)管进入含水层的长度，M为含水层厚度，H0为初始水位高度，l0为疏放水孔(井)进入含水层前钻进长度，P为疏放水花管内孔隙水压力， 为花管内水头压力为P时汇入疏放水孔(井)花管的排水量，Q 为阀排出水量，

[0038] 实施例：本发明提供的一种用于疏水孔或井的间歇自动抽吸渗流试验装置，包括砂箱渗流系统、供水循环系统、自动抽吸系统、流量监测系统、水压监测系统和数据采集系统；砂箱渗流系统由安装有可拆卸密封盖2的渗流砂箱1、贴合在渗流砂箱1内壁上的隔水软绵17以及由下至上铺设在渗流砂箱1内部的多孔渗透钢板13、下部强透水不锈钢丝网14、渗透砂体16、上部强透水不锈钢丝网18组成；自动抽吸系统由设置在渗透砂体16内部的进水花管15通过贯穿连接在渗流砂箱1底部的进水花管变径转换接头11依次连接疏放水管、疏放水阀48、疏放水管变径接头45和电磁重力阀42组成；供水循环系统由中转水箱33分别连接与供水口21连接的供水管路、与饱和进水口12连接的饱和进水管路以及与渗流集水桶41连接的回水管路组成；流量监测系统包括设置在渗流集水桶41下端的高精度电子称40、连接在供水口21与供水管路之间的供水口流量计23以及连接在电磁重力阀42上方疏放水管上的放水口流量计44，形成双流量测试体系，可以实现满管流与非满管流的高精度连续监测；水压监测系统包括设置在渗流砂箱1侧壁垂直方向上的多个水压监测传感器束5和顶部水压传感器3，以及设置在疏放水管上的疏放水管顶部水压传感器49，渗透砂体16内部埋设与水压监测传感器束5连接的砂槽内导压管4，用以测试渗透砂体15距进水花管15不同位置的水压变化。

[0039] 高精度电子称40的选用精度为0.01g，供水口流量计23和放水口流量计44的流量选用量程均在0.1～30m3/h之间，精度为5‰。

[0040] 渗流砂箱1为安装有可拆卸密封盖2的圆柱形或半圆柱密封透明箱体，渗透砂体16为透明渗透介质，其内部可以设置裂隙、溶隙或采动断裂岩体等形成不同类型渗透介质，开展相关试验测试其底部疏放水时的渗流特征；渗流砂箱1的内壁上粘贴隔水软绵17，渗透砂体16可以紧密贴合隔水软棉17进而避免了边界渗流影响效应，上部铺设的上部强透水不锈钢丝网18用以防护渗流过程中水流对渗透砂体16的冲刷，下部铺设的下部强透水不锈钢丝网14及多孔渗透钢板13用以高强度透水且防止渗透砂体16颗粒流出；渗流砂箱1的顶部侧壁开设有供水口21，底部开设有饱和进水口12用以饱和渗透砂体16并安装进水花管变径转换接头11用以连接进水花管15。

[0041] 进水花管15为管身布满渗透孔透明圆管，外部包裹连接有防砂不锈钢丝网，进水花管15的周围为负压区6；可通过进水花管变径转换接头11调整进入渗流砂体16内的角度，其长度和直径可以调节，进水花管15底部可实现透水或不透水两种工况；进水花管变径转换接头11的中部连接井管排气口10用以排除疏放水管内水柱上升上部气体。疏放水管包括疏放水硬管47和疏放水可塑管46，疏放水硬管47的上端与进水花管变径转换接头11连接、下端通过疏放水管变径接头45连接疏放水可塑管46，疏放水可塑管46为可弯曲变形且可固定的透明管，疏放水可塑管46的下端通过疏放水管变径接头45连接电磁重力阀42。

[0042] 电磁重力阀42的外部连接有电磁重力阀电源43；电磁重力阀42的上端设置电磁铁402，电磁铁402的中部设置连接疏放水管的电磁重力阀进水管401；电磁重力阀42的内底面向上固定连接支撑活塞仓406，支撑活塞仓406的上部配合连接有球形托板404，球形托板
404的上端固定连接铁制密封阀403、下端接触连接支撑活塞405，铁制密封阀403紧密吸合在电磁铁402的底部；支撑活塞405的下端铰接重力杠杆407，重力杠杆407的另一端连接配重砝码408；支撑活塞仓406的外侧与电磁重力阀42内壁之间设置与电磁重力阀进水管401连通的电磁重力阀放水口409，电磁重力阀放水口409的下端与渗流集水桶41连接。

[0043] 球形托板404的下半部为半球形，上半部的上端面为水平截面，铁制密封阀403固定连接在球形托板404的水平截面上；球形托板404的中部直径与支撑活塞仓406内壁之间的宽度相配合，并滑动连接在支撑活塞仓406内；电磁重力阀42的上端还设置有电磁重力阀排气孔410。

[0044] 供水管路由稳压箱28通过稳压箱进水口29、稳压箱进水管32、稳压箱进水口阀30、稳压箱增压泵31以及通过稳压箱出水口25、供水口供水管22、供水口阀24连接在中转水箱33和供水口21之间组成；饱和进水管路由饱和进水管36、饱和供水泵34、饱和进水口阀35连接在中转水箱33和饱和进水口12之间组成；回水管路由中转水箱回水管38、中转水箱水泵
37、中转水箱回水阀39连接在中转水箱33和渗流集水桶41之间组成。

[0045] 稳压箱28的上部设置有稳压箱溢流阀26，稳压箱溢流阀26与中转水箱33之间通过稳压箱溢流阀回水管27连接；可拆卸密封盖2的上部设置密封盖稳压溢流阀19并连接有密封盖稳压溢流回水管20，密封盖稳压溢流阀19上设置有排气孔可以排放渗流砂箱1内饱和过程中顶部的气体，密封盖稳压溢流回水管20的另一端与稳压箱溢流阀回水管27连通形成双重稳压模式，其溢流通过溢流回水管流入中转水箱33，可以更好的保证渗流砂箱1顶部在开展承压水渗流试验时上部供水口水压稳定。

[0046] 数据采集系统包括由数据采集计算机9通过数码相机采集线8连接数码相机7的图像采集电路，以及由数据采集计算机9通过数据采集传输线51、数据采集器50和多根数据采集线分别连接流量监测系统和水压监测系统的数据采集电路。

[0047] 一种用于疏水孔或井的间歇自动抽吸渗流试验装置的试验方法，包括以下步骤：

[0048] S1、试验装置的组装：将砂箱渗流系统分别与供水循环系统、自动抽吸系统、流量监测系统、水压监测系统及数据采集系统相连接，渗流砂箱底部的饱和进水口与饱和进水管连接、供水口供水管与供水口连接。

[0049] S2、疏放水井管的安装：将疏放水硬管、疏放水阀、疏放水管顶部水压传感器、进水花管变径转换接头连接，然后将疏放水可塑管的上部连接在疏放水硬管上、下部与疏放水管变径接头、放水口流量计及电磁重力阀连接，电磁重力阀放水口插入渗流集水桶、渗流集水桶放置在高精度电子秤上；电磁重力阀电源与电磁重力阀连接；调整疏放水可塑管形状至预设模式并维持形状不变。

[0050] S3、渗流砂箱安装及渗透砂体的铺设：首先安装并检查渗流砂箱内壁粘贴的隔水软绵，确认完好后依次在渗流砂箱的底部圆心处安装进水花管变径转换接头、井管排气孔、铺设多孔渗透钢板、下部强透水不锈钢丝网、进水花管并固定好角度、填充渗透砂体、埋设砂槽内导压管并与水压监测传感器束连接、铺设上部强透水不锈钢丝网并盖上可拆卸密封盖，安装密封盖稳压溢流阀并保持稳压溢流阀排气孔开口。

[0051] S4、渗透砂体的饱和：关闭疏放水阀、井管排气孔、供水口阀，打开饱和供水泵、饱和进水口阀，让水从渗流砂箱底部入进水口缓慢进入，逐渐充填砂体至预定水位以使砂体内空气逐渐向上排出，维持密封盖稳压溢流阀排气孔开口，当密封盖稳压溢流阀排气孔有水流出时，关闭饱和进水口阀，关闭电磁重力阀电源、打开疏放水阀将渗流砂箱内水体缓慢排出至渗流集水桶并由中转水箱水泵抽吸至中转水箱；渗流砂箱内水流排出后，关闭疏放水阀，再次打开饱和供水泵及饱和进水口阀缓慢饱和，至密封盖稳压溢流阀排气孔有水流出时，关闭饱和进水口阀，打开疏放水阀，重复该过程5次以上，使渗流砂箱内渗透砂体充分饱和固结，在最后一次饱和结束后，关闭密封盖稳压溢流阀排气孔口，关闭饱和进水口阀、关闭疏放水阀。

[0052] S5、渗透砂体渗流增压：当进行承压含水层底部疏放水井渗流试验时，需在渗流砂箱上部增加水压，维持饱和进水口阀、疏放水阀、供水口阀、井管排气孔以及密封盖稳压溢流阀排气孔口关闭状态，设定稳压箱溢流阀与密封盖稳压溢流阀稳压数值、打开稳压箱增压泵、稳压箱进水口阀，当稳压箱溢流阀通过稳压箱溢流阀回水管回水时打开供水口阀，当密封盖稳压溢流阀通过密封盖稳压溢流阀回水管回水时，渗透砂体渗流增加完成，维持稳压箱增压泵及稳压箱溢流阀与密封盖稳压溢流阀设定压力值，稳压箱增压泵、稳压箱溢流阀回水管与密封盖稳压溢流阀回水管、中转水箱形成独立的稳定增压循环系统。

[0053] S6、测试流量监测系统、水压监测系统及数据采集系统：连接、打开水压监测的各传感器、数码相机、高精度电子秤、供水口和放水口流量计、数据采集器及数据采集计算机，检查各监测设备是否正常，确认正常后开展下一步，并在试验过程中实时监测数据。

[0054] 各压力传感器布设在渗流砂箱侧壁上的不同位置以及疏放水管上，用以监测水头压力，数码相机来观测渗透箱中有无负压动态抽吸“空化”、“增流”、“水塞流”、“贴壁流”等现象，各水压监测管的水头采用数码相机同步监测，采集的数据通过数据线输入电脑进一步处理。

[0055] S7、间歇抽吸渗流模式设置：打开渗流箱外部的疏放水阀，使渗流箱内的水汇入进水花管、疏水管向外渗流，保持顶部供水水压稳定、供水循环装置循环供水，观察疏放水可塑管是否为满管流、疏放水管顶部水压传感器压力值，判断需要电磁重力阀上配重砝码的重量。

[0056] 当疏放水可塑管为非满管流、疏放水管顶部水压传感器压力为0时，给电磁重力阀设定试验所需获得水柱高度对应磁引力，根据疏放水管内水流大小增加合适配重砝码，使电磁重力阀铁质密封阀在重力砝码作用下会向电磁铁移动，当水流冲击力小于配重砝码产生向上推力时，铁质密封阀会与电磁铁在电磁引力作用下紧密结合，电磁引力大小可以设定，在配重砝码和电磁引力共同作用下，疏放水管内水柱将持续上升、疏放水管内上部气压增加将通过井管排气孔自动排出，井管上部排气孔为单向排气孔管内气压大于外部气压自动打开、否则关闭，外部气体不能进入；当疏放水管内水柱高度产生的重力大于电磁重力阀与配重砝码形成向上托举力之和时，铁质密封阀将向下打开，一旦其离开电磁铁，电磁引力消失，疏放水管内水流将快速向下流动在其上方形成负压，此时井管排气孔关闭，进水花管周围形成负压，渗透砂体进入进水花管内水流增加；当进入进水花管内水流不足以满足疏放水管内满管流态时，疏放水管内再一次形成非满管流，当流量较小时，电磁重力阀在配重砝码作用下铁质密封阀再次向电磁铁移动结合，疏放水管内再次形成一定满管水柱，当水柱高度达到一定程度后，铁质密封阀脱离电磁铁形成满管流，重复操作可形成间歇式满管抽吸渗流现象。

[0057] 井管排气孔在井管内气压大于外界气压时会自动排气，为此上述过程不会影响进水花管内气压为0时的渗流状态，在疏放水管满管快速渗流形成间歇式抽吸效应时进水花管内部及周围渗透砂体内压力小于0，该效应将增大渗透砂体汇入进水花管的流量，进水花管间歇式的负压抽吸也可以避免含水层内水流在汇入疏放水孔过程可能会携带的一定细小颗粒，在水流流速较小及较稳定时堵塞含水层汇入疏放水孔的渗流通道，甚至可以扩展渗流通道，进一步放大增渗效应。

[0058] 负压的形成条件比较复杂，与含水层的厚度、水压、渗流孔的半径、倾角等因素均有关系，针对不同的条件，可以通过逐级调整电磁重力阀的磁引力以及配重砝码的重量，观测形成的最优间歇式抽吸的效应；疏放水管的形状对其内形成的满管水柱向下渗流也有一定的影响，在埋设好的进水花管后，可以改变疏放水可塑管形状开展研究；此时只要关闭疏放水阀，调整疏放水可塑管形状后，重复上述形成可间歇抽吸渗流模式步骤即可。

[0059] S8、向中转水箱抽吸渗流集水桶中的水：在开展的一组试验结束时，关闭稳压箱供水泵、稳压箱进水口阀、供水口阀，当渗透砂箱渗流结束时，打开中转水箱水泵抽吸渗流集水箱的水进入中转水箱。

[0060] S9、更换进水花管：打开可拆卸密封盖、取出上部强透水不锈钢丝网、渗透砂体、砂槽内导压管，清除干净渗透砂体后更换进水花管，然后重复上述步骤S3至S8。

[0061] S10、完成各组试验，进行数据整理、分析。

[0062] 试验原理：

[0063] 在疏放水物理模型试验内，涉及含水层和疏放水孔两系统为渗流‑管流耦合模型，含水层底部疏放水孔出水口高程低于汇水管，在疏放水管内形成满管水柱疏放水时，类似于虹吸管放水口效应在疏放水管上部产生抽吸，但在汇水口位置为含水层渗流系统其汇水速率较差，“类虹吸现象”将短暂存在后消失，合理利用该抽吸效应可对上覆含水层形成高效疏水降压效果。

[0064] 在疏放水物理模型中，距离井心不同水平和垂直位置布设孔隙水压力监测点，系统监测不同井径、井长的疏放水模型的渗流场的分布特征，重点分析间歇自动抽吸效应在进水花管附近形成动态负压过程对其周围渗透砂体的渗流通道扩展及其周围水压的动态演化过程，采用数码相机实时监测透明疏放水管内“满管流”、“水塞流”、“贴壁流”、“空化”等现象并分析其引起渗透砂体内渗流量、水压分布变化机理等。

[0065] 渗流箱的渗流量由疏放水口流量计及电子秤称量，渗流出的水集中抽排入集水箱进一步循环利用，各水压监测管的水头采用数码相机同步监测，采集的数据输入计算机后进一步处理。

[0066] 电磁重力阀的组成：该阀主要通过一组电磁铁402和重力阀连接组成，电磁铁402的下端由上至下分别是铁制密封阀403，位于下底面支撑活塞仓406内的球形托板404、支撑活塞405、重力杠杆407、配重砝码408以及电磁重力阀放水口409；如图3所示，电磁重力阀位于电磁重力阀进水管401的出水口处。

[0067] 电磁重力阀的工作原理如下：

[0068] 阶段一：当电磁重力阀上部的电磁重力阀进水管401内没有水或流量较小时，电磁重力阀在配重砝码的重力(重力为G码)作用下对铁质密封阀产生向上为托举力(G拖，可通过杠杆原理由重力G码换算获得)，铁制密封阀向上与电磁铁接触，使得电磁铁产生磁力吸附住铁质密封阀(吸力为F，该值大小可根据需要设定)，则此时铁制密封阀与电磁铁之间的作用力大小为G拖+F方向向上(忽略阀口的自重)。

[0069] 阶段二：当上部水柱开始蓄水时，铁质密封阀开始受到向下的水压力，设水的压力是G水，水柱逐渐升高的过程中G水不断增大，但此时G拖+F始终是大于G水则此时铁质密封阀依旧关闭不打开。

[0070] 阶段三：当上部水柱达到一定高度时，使G水大于G拖+F，此时铁质密封阀被水流冲开，使得铁质密封阀与电磁铁之间分离，电磁铁对铁质密封阀的吸力消失。从铁质密封阀被水流冲开的时候起，水柱开始逐渐下降，即G水不断减小，此时G水及其产生的动水压力之和始终是大于G拖，则阀保持打开，此时放水。

[0071] 阶段四：当疏放水管内水柱下降到一定的高度时甚至为非满管时，其渗流水的重力G水及其动水压力之和小于G拖，此时铁质密封阀在G拖的作用下，向上与电磁铁接触，此时电磁重力阀关闭，即回到阶段一。

[0072] 以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。