本发明属于岩土相关，具体涉及一种松散层渗流稳定性测试装置及测试方法。
背景技术：
1、我国华北矿区主采煤层主要位于深部地层，基岩含水层主要成分为砂岩含水层，且富水性较弱，水位和富水性往往会随着采掘活动的扩大与持续排水而下降。但由于含水层普遍初始水位较高，水压较大，一定时间内难以完全将含水层水体完全疏排，在采掘进行中基岩含水层仍保留一部分水体伴随着采掘活动的扩大进行持续排水。持续的排水为松散砂体的运移提供动水力，导致大量砂体自上覆松散层被水体运移进入采掘工作面，致使突水溃砂事故发生，造成严重的工程灾害。因此，亟需对疏排水后深部松散层稳定性测试的装置及方法。
技术实现思路
1、为此，本发明提供了一种松散层渗流稳定性测试装置及测试方法，以解决现有技术无法对疏排水后深部松散层稳定性测试的问题。
2、为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
3、第一方面，本发明提供了一种松散层渗流稳定性测试装置，包括：
4、可视化固液混合承载容器、铰接式裂缝通道、垂向加载装置、体积压力控制装置、位移应力控制器和主控计算机；
5、所述垂向加载装置设置在所述可视化固液混合承载容器的顶部；所述垂向加载装置与所述位移应力控制器电连接；
6、所述可视化固液混合承载容器左侧壁上设置有加压阀门、出水阀门和多个孔隙水压力传感器；所述加压阀门与所述体积压力控制装置之间连接有给水管道；所述孔隙水压力传感器与所述体积压力控制装置电连接；
7、所述可视化固液混合承载容器下端设置有防水凹槽底板；所述铰接式裂缝通道的上部设置于所述防水凹槽底板的凹槽内；所述铰接式裂缝通道下部的下方设置有水砂混合物收集箱；所述水砂混合物收集箱的底部设置有排水管道；所述排水管道连接有集水箱；
8、所述体积压力控制装置和所述位移应力控制器分别与所述主控计算机电连接。
9、进一步地，所述可视化固液混合承载容器还包括盖板和容器环壁；所述盖板与所述容器环壁固定连接形成腔体；所述所述盖板与所述容器环壁接触面设置有密封胶圈；所述盖板中心设置有通孔；所述可视化固液混合承载容器右侧设置有泄压球阀和多个测压管；所述可视化固液混合承载容器的内腔与所述防水凹槽底板的凹槽连通。
10、进一步地，所述铰接式裂缝通道包括两个可调节通道臂；所述可调节通道臂包括至少三个隔水滑移合页板、至少两个裂缝通道合页板和至少三个螺纹杆；所述裂缝通道合页板的两端分别与相邻两个所述隔水滑移合页板的一端部上表面或下表面铰接；所述隔水滑移合页板的另一端与所述螺纹杆的一端固定连接；所述隔水滑移合页板两侧设置有限位条；所述限位条与所述防水凹槽底板的凹槽侧壁上的限位槽对应；所述裂缝通道合页板设置有储物槽。
11、进一步地，所述垂向加载装置包括加载底座、承压柱、加载压头、加载油缸、加载活塞和压力传感器；所述承压柱一端向上穿过所述盖板中心的通孔，所述承压柱柱面与所述通孔的接触面设置有密封装置；所述加载底座的上表面与所述承压柱另一端固定连接；所述加载底座置于所述盖板下端；所述加载压头置于所述承压柱的上端；所述加载活塞上部套设于所述加载油缸内；所述加载活塞下端与所述加载压头固定连接；所述压力传感器置于所述加载油缸内部；所述压力传感器与所述位移应力控制器电连接。
12、进一步地，还包括支撑钢架；所述垂向加载装置上部、所述水砂混合物收集箱底部和所述防水凹槽底板底部分别与所述支撑钢架固定连接。
13、进一步地，还包括多个可调节连接杆；所述可调节连接杆包括异向铰接管夹、双孔铰接杆和单侧铰接杆；所述异向铰接管夹与所述支撑钢架的支撑柱固定连接；所述异向铰接管夹的铰接孔与所述双孔铰接杆的一端铰接；所述双孔铰接杆的另一端与所述单侧铰接杆的一端铰接；所述单侧铰接杆的另一端与所述螺纹杆铰接。
14、进一步地，所述水砂混合物收集箱包括箱体和过滤装置；所述过滤装置包括多个挂式长臂和透水板；所述挂式长臂下端与所述透水板固定连接；所述挂式长臂上端设置有挂钩，所述挂钩挂设在所述箱体的环壁顶端。
15、进一步地，所述水砂混合物收集箱底部和所述集水箱底部均设置有精密称重装置；所述可视化固液混合承载容器周围至少设置一个高速摄像机。
16、第二方面，本发明提供了一种松散层渗流稳定性测试方法，应用于上述任一所述松散层渗流稳定性测试装置，所述测试方法包括：
17、将砂样放置在可视化固液混合承载容器中，基于所述松散层渗流稳定性测试装置对所述砂样进行疏排水实验和深部松散层渗流实验，得到实验数据；
18、依据所述实验数据，通过结构稳定性判别公式确定松散层渗流稳定性。
19、进一步地，所述实验数据至少包括砂样颗粒平均粒径、可视化固液混合承载容器的底面积、垂向加载装置总质量、初始自由液面位置与防水凹槽底板之间的距离、水的容重、砂体颗粒摩擦系数、自由液面位置的水压、防水凹槽低板的水压、裂缝宽度和可视化固液混合承载容器直径；所述依据所述实验数据，通过结构稳定性判别公式确定松散层渗流稳定性，包括：
20、依据所述实验数据得到垂向力、摩擦力、基质吸力、渗透压力和水压力；
21、依据所述垂向力、摩擦力、基质吸力、渗透压力和水压力确定应力之和；
22、依据所述实验数据、摩擦力和所述应力之和，通过结构稳定性判别公式确定松散层渗流稳定性；所述结构稳定性判别公式为：
23、；
24、其中，f为状态值，f≥则松散层结构为失稳状态，f＜则松散层结构为稳定状态；为应力之和；d为裂缝宽度；l为可视化固液混合承载容器直径； 为摩擦力。
25、本发明采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：
26、（1）本发明的松散层渗流稳定性测试装置，通过控制可视化固液混合承载容器内部的各种因素模拟接近现实的情况，如，控制水力压差，使内部环境接近现实水流情况；设置垂向加载装置模拟深部垂向应力对砂层的作用；设置出口阀门实现深部地层疏排水条件；设置铰接式裂缝通道实现不同裂缝宽度、形态及粗糙度情况下的突水溃砂情况。
27、（2）本发明的松散层渗流稳定性测试方法，基于松散层渗流稳定性测试装置，将实验设置为两个阶段，第一阶段为疏排水实验，第二阶段为深部松散层渗流实验，并通过上述两个阶段的实验收集相关疏排水及水砂突涌的实验数据，依据实验数据，通过结构稳定性判别公式确定松散层渗流稳定性，实现了在采掘前判断松散层渗流稳定性，能有效减少因为缺少稳定性判断导致的工程损失。
28、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
1.一种松散层渗流稳定性测试装置，其特征在于，包括：可视化固液混合承载容器（1）、铰接式裂缝通道（2）、垂向加载装置（3）、体积压力控制装置（4）、位移应力控制器（5）和主控计算机（6）；
2.根据权利要求1所述的松散层渗流稳定性测试装置，其特征在于，所述可视化固液混合承载容器（1）还包括盖板（105）和容器环壁（106）；所述盖板（105）与所述容器环壁（106）固定连接形成腔体；所述所述盖板（105）与所述容器环壁（106）接触面设置有密封胶圈；所述盖板（105）中心设置有通孔；所述可视化固液混合承载容器（1）右侧设置有泄压球阀（107）和多个测压管（108）；所述可视化固液混合承载容器（1）的内腔与所述防水凹槽底板（104）的凹槽连通。
3.根据权利要求1所述的松散层渗流稳定性测试装置，其特征在于，所述铰接式裂缝通道（2）包括两个可调节通道臂（21）；所述可调节通道臂（21）包括至少三个隔水滑移合页板（211）、至少两个裂缝通道合页板（212）和至少三个螺纹杆（213）；所述裂缝通道合页板（212）的两端分别与相邻两个所述隔水滑移合页板（211）的一端部上表面或下表面铰接；所述隔水滑移合页板（211）的另一端与所述螺纹杆（213）的一端固定连接；所述隔水滑移合页板（211）两侧设置有限位条（214）；所述限位条（214）与所述防水凹槽底板（104）的凹槽侧壁上的限位槽（109）对应；所述裂缝通道合页板（212）设置有储物槽（215）。
4.根据权利要求2所述的松散层渗流稳定性测试装置，其特征在于，所述垂向加载装置（3）包括加载底座（301）、承压柱（302）、加载压头（303）、加载活塞（304）、加载油缸（305）和压力传感器（306）；所述承压柱（302）一端向上穿过所述盖板（105）中心的通孔，所述承压柱（302）柱面与所述通孔的接触面设置有密封装置；所述加载底座（301）的上表面与所述承压柱（302）另一端固定连接；所述加载底座（301）置于所述盖板（105）下端；所述加载压头（303）置于所述承压柱（302）的上端；所述加载活塞（304）上部套设于所述加载油缸（305）内；所述加载活塞（304）下端与所述加载压头（303）固定连接；所述压力传感器（306）置于所述加载油缸（305）内部；所述压力传感器（306）与所述位移应力控制器（5）电连接。
5.根据权利要求3所述的松散层渗流稳定性测试装置，其特征在于，还包括支撑钢架（9）；所述垂向加载装置（3）上部、所述水砂混合物收集箱（7）底部和所述防水凹槽底板（104）底部分别与所述支撑钢架（9）固定连接。
6.根据权利要求5所述的松散层渗流稳定性测试装置，其特征在于，还包括多个可调节连接杆（22）；所述可调节连接杆（22）包括异向铰接管夹（221）、双孔铰接杆（222）和单侧铰接杆（223）；所述异向铰接管夹（221）与所述支撑钢架（9）的支撑柱固定连接；所述异向铰接管夹（221）的铰接孔（224）与所述双孔铰接杆（222）的一端铰接；所述双孔铰接杆（222）的另一端与所述单侧铰接杆（223）的一端铰接；所述单侧铰接杆（223）的另一端与所述螺纹杆（213）铰接。
7.根据权利要求1所述的松散层渗流稳定性测试装置，其特征在于，所述水砂混合物收集箱（7）包括箱体（701）和过滤装置（702）；所述过滤装置（702）包括多个挂式长臂（703）和透水板（704）；所述挂式长臂（703）下端与所述透水板（704）固定连接；所述挂式长臂（703）上端设置有挂钩（705），所述挂钩（705）挂设在所述箱体（701）的环壁顶端。
8.根据权利要求1所述的松散层渗流稳定性测试装置，其特征在于，所述水砂混合物收集箱（7）底部和所述集水箱（8）底部均设置有精密称重装置；所述可视化固液混合承载容器（1）周围至少设置一个高速摄像机。
9.一种松散层渗流稳定性测试方法，其特征在于，应用于权利要求1-8中任一所述松散层渗流稳定性测试装置，所述测试方法包括：
10.根据权利要求9所述的松散层渗流稳定性测试方法，其特征在于，所述实验数据至少包括砂样颗粒平均粒径、可视化固液混合承载容器的底面积、垂向加载装置总质量、初始自由液面位置与防水凹槽底板之间的距离、水的容重、砂体颗粒摩擦系数、自由液面位置的水压、防水凹槽低板的水压、裂缝宽度和可视化固液混合承载容器直径；所述依据所述实验数据，通过结构稳定性判别公式确定松散层渗流稳定性，包括：
