CN104298265A - 试验用恒压注浆-供水气动联合伺服控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种试验用恒压注浆-供水气动联合伺服控制系统，包括恒压双液注浆气动伺服控制系统、恒压供水气动伺服控制系统及支架。恒压双液注浆气动伺服控制部分包括储浆腔、备浆腔及气动伺服控制单元，恒压供水气动伺服控制部分包括储水腔、备水腔及气动伺服控制单元，储浆腔、备浆腔及储水腔、备水腔布置在整体构架内，整体构架安放在支架上。试验中可根据试验要求调整浆液配比、注浆压力以及孔隙水压力。配合使用恒压供水气动伺服控制装置，使系统稳定、高效运行，保证了室内注浆试验科学性和严谨性。
Description
技术领域
本发明涉及一种试验用恒压注浆-供水气动联合伺服控制系统。
背景技术
矿山、隧道等地下工程建设中，经常发生围岩变形大、涌水量大等问题，甚至会发生突水突泥灾害，造成巨大的人员财产损失。注浆作为一种加固软弱围岩、治理水害的一种有效手段在地下工程灾害治理中得到了越来越广泛的应用。模型试验是研究注浆治理过程中浆液扩散规律及加固机理的重要手段。注浆装置在模型试验中负责输送浆液及浆液的受压注入，是注浆模型试验的重要组成部分。模型试验由于模型架尺寸较小、注浆工艺和注浆参数变化繁复，对注浆装置提出了单、双液注浆可转变、浆液配比灵活调整、注浆压力高且稳定、注浆速率小的要求。目前国内没有专门用于室内注浆模拟试验的注浆装置，注浆模型试验多采用工程用注浆泵，大流量、高压力、无法实时监测并调节注浆参数，与模型试验需要的注浆系统不匹配，严重限制注浆模型试验的开展，进而影响了注浆理论的研究。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种试验用恒压注浆-供水气动联合伺服控制系统。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种试验用恒压注浆-供水气动联合伺服控制系统，包括一方形整体构架，所述整体构架中设置有六个圆柱形腔体，每两个相邻且通过控制球阀相连通的圆柱形腔体为一组，三组平行布置，第一组为水泥基材料储浆腔和水泥基材料备浆腔，第二组为化学材料储浆腔和化学材料备浆腔，第三组为储水腔和备水腔；每一组的腔体底部和顶部均通过底板和顶部密封固定，三组圆柱形腔体分别通过管道与缓冲罐连通，缓冲罐经减压阀与高压氮气罐组相通，圆柱形腔体与缓冲罐相连的管道上设置有高精度伺服调节阀；
所述水泥基材料储浆腔的顶板偏离中心位置开有与水泥基材料储浆腔相通的第一高压注气孔，且第一高压注气孔中安装有第一矿用快速接头；水泥基材料储浆腔的底板中心处钻设第一阶梯状圆孔，第一阶梯状圆孔上下分为第一过滤孔和第一出浆孔，第一出浆孔中安装有第二矿用快速接头；水泥基材料储浆腔中的顶板和底板的中心位置分别对应固定安装第一密封轴承和第二密封轴承，所述两密封轴承之间固定安装搅拌器。
所述第一过滤孔中设置有第一筛网垫片。
所述搅拌器包括搅拌轴、桨叶和叶轮，搅拌轴焊接交叉分布的桨叶，搅拌轴上部一侧加工钩头楔键，所述叶轮通过钩头楔键固定在搅拌轴上；所述第一高压注气孔位于叶轮侧上方，高压气体推动叶轮旋转。
所述水泥基材料储浆腔侧壁上安置第一机械式水位计和第一精密压力表。
所述水泥基材料备浆腔通过丝扣与第二圆盘状顶板和第二底板连接；所述的第二顶板上偏心位置对称钻设有第二高压注气孔和第一进浆孔，第二高压注气孔和第一进浆孔内分别安置第三、第四矿用快速接头；所述的水泥基材料备浆腔侧壁上安置第二机械式水位计，指示腔内浆液液面高度。
所述水泥基材料储浆腔和水泥基材料备浆腔通过第一圆孔和第二圆孔连通，所述圆孔内分别密封固定第一球阀和第二球阀；所述第一球阀和第二球阀分别通过延伸至所述水泥基材料储浆腔和水泥基材料备浆腔外部的第一手柄和第二手柄控制工作状态。
所述化学材料储浆腔通过丝扣与第三圆盘状顶板和第三底板连接，所述第三顶板中心位置钻设有用于安置矿用第五快速接头的第三高压注气孔；所述第三底板中心位置钻设有第二阶梯状圆孔，第二阶梯状圆孔上半部为第二过滤孔，下半部第二出浆孔；所述第二出浆孔内安置第六矿用快速接头，所述第二过滤孔内安放第二筛网垫片，防止浆液堵塞注浆管路；所述水泥基材料储浆腔侧壁上安置第三机械式水位计和第二精密压力表，指示腔内浆液液面高度和压力值。
所述的化学材料备浆腔通过丝扣与第四圆盘状顶板和第四底板连接，所述第四顶板上偏心钻设对称布置第四高压注气孔和第二进浆孔, 第四高压注气孔和第二进浆孔内分别安置第七、第八矿用快速接头；所述化学材料备浆腔侧壁上安置第四机械式水位计，指示腔内浆液液面高度。
所述化学材料储浆腔和化学材料备浆腔通过第三圆孔和第四圆孔连通，第三、第四圆孔内分别密封固定第三球阀和第四球阀；所述第三球阀和第三球阀分别通过延伸至化学材料储浆腔和化学材料备浆腔外部的第三手柄和第四手柄控制工作状态。
所述储水腔通过丝扣方式与第五圆盘状顶板和第五底板连接，所述第五顶板中心位置钻设有用于安置矿用第九快速接头的第五高压注气孔，所述第五底板中心位置钻设有用于安置第十矿用快速接头的出水孔；所述储水腔侧壁上安置第五机械式水位计和第三精密压力表，指示腔内液面高度和压力值。
所述备水腔通过丝扣与第六圆盘状顶板和第六底板连接，所述第六顶板偏心位置对称钻设有第六高压注气孔和进水孔, 第六高压注气孔和进水孔中分别安置第十一、第十二矿用快速接头；所述的备水腔侧壁上安置第六机械式水位计，指示腔内液面高度。
所述的储水腔和备水腔通过第五圆孔和第六圆孔连接，第五圆孔和第六圆孔中密封固定第五球阀和第六球阀；所述第五球阀和第六球阀分别通过延伸至储水腔和备水腔外部的第五手柄和第六手柄控制。
所述的高压氮气罐组由3个高压氮气罐并联组成，所述的缓冲罐有三个，其中第一缓冲罐和第二缓冲罐并联后通过第一减压阀与高压氮气罐组连通；
所述第一缓冲罐经第一高精度伺服压力调节阀与水泥基材料储浆腔和水泥基材料备浆腔并联连通；
所述的第二缓冲罐经第二高精度伺服压力调节阀与化学材料储浆腔和化学材料备浆腔并联连通；
所述第三缓冲罐通过第二减压阀与高压氮气罐组连通，经第三高精度伺服压力调节阀与储水腔和备水腔并联连通；所述高精度伺服压力调节阀能够保障注浆压力和水压力长期稳定。
所述方形整体构架通过高强螺栓安装于支架上；所述方形整体构架采用酚醛树脂材料加工而成。
本发明主体材料采用酚醛树脂材料加工而成，可同时满足无机材料(如水泥基材料)和化学材料(如树脂类材料)注浆需要，提高了注浆系统适用性；本发明使用过程中，可根据试验中浆液或水的需求量通过备用腔实时对储存腔补给，保证浆液或水的连续稳定供给。本发明采用缓解罐和高精度伺服压力调节阀，有效保证了气体压力供应的稳定性，大大提高了注浆过程或供水过程的可控性。
本发明具有以下优点：
1、整体框架采用酚醛树脂材料制成，即可以实现无机材料的注浆，也可以用来灌注化学材料；既可以灌注水泥浆等单液浆，也能够注双液浆，功能全面，适用性强。
2、采用储存腔和备用腔联合制式，能够通过阀门调整浆液配比，实现小流量高压注浆，同时也能够适用不同的注浆总量和供水量稳定无间断供给。
3、采用缓解罐和高精度伺服压力调节阀，有效保证了气体压力供应的稳定性，大大提高了注浆过程及供水过程的可控性。
4、针对颗粒状浆液，本发明设置了气动搅拌装置，使颗粒状浆液注浆过程中始终处于均匀状态，避免了浆液的沉淀和管路堵塞。
5、该系统结构紧凑、维护方便，提高了注浆或供水的效率以及可靠性，保证了相关试验的顺利开展。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明俯视图；
图3是本发明水泥基材料储浆腔及备浆腔侧视图；
图4是本发明化学材料储浆腔及备浆腔侧视图；
图5是本发明储水腔及备水腔侧视图；
其中，1-1.整体构架、2-1.水泥基材料储浆腔、2-2. 水泥基材料备浆腔、2-3.第一圆盘状顶板、2-4.第一底板、2-5.第一高压注气孔、2-6. 第一矿用快速接头、2-7顶板密封轴承、2-8.第一过滤孔、2-9.第一出浆孔、2-10. 第二矿用快速接头、2-11.第一筛网垫片、2-12底板密封轴承、2-13-1搅拌轴、2-13-2桨叶、2-13-3叶轮、2-13-4钩头楔键、2-14第一机械式水位计、2-15第一精密压力表、2-16第二顶板、2-17第二底板、2-18第二高压注气孔、2-19第一进浆孔、2-20第三矿用快速接头、2-21第四矿用快速接头、2-22第二机械式水位计、2-23第一圆孔、2-24第二圆孔、2-25第一球阀、2-26第二球阀、2-27第一手柄、2-28第二手柄、3-1化学材料储浆腔、3-2化学材料备浆腔、3-3第三顶板、3-4第四底板、3-5第三高压注气孔、3-6第五矿用快速接头、3-7第二过滤孔、3-8第二出浆孔、3-9第六矿用快速接头、3-10第二筛网垫片、3-11第三机械式水位计、3-12第二精密压力表、3-13第四顶板、3-14第四底板、3-15第四高压注气孔、3-16第二进浆孔、3-17第三机械式水位计、3-18第三圆孔、3-19第四圆孔、3-20第三球阀、3-21第四球阀、3-22第三手柄、3-23第四手柄、3-24第七矿用快速接头、3-25第八矿用快速接头、4-1储水腔、4-2备水腔、4-3第五顶板、4-4第五底板、4-5第五高压注气孔、4-6第九矿用快速接头、4-7出水孔、4-8第十矿用快速接头、4-9第五机械式水位计、4-10第三精密压力表、4-11第六顶板、4-12第六底板、4-13第六高压注气孔、4-14进水孔、4-15第十一矿用快速接头、4-16第十二矿用快速接头、4-17第六机械式水位计、4-18第五圆孔、4-19第六圆孔、4-20第六球阀、4-21第六球阀4-22第五手柄、4-23第六手柄、5-1-1第一高压氮气罐、5-1-2第二高压氮气罐、5-1-3、第三高压氮气罐、5-2-1第一缓冲罐、5-2-2第二缓冲罐、5-2-3第三缓冲罐，5-3-1第一减压阀、5-3-2第二减压阀、5-4-1第一高精度伺服调节阀、5-4-2第二高精度伺服调节阀、5-4-3第三高精度伺服调节阀、6-1支架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、图2所示，整体构架1-1由酚醛树脂材料制成，尺寸为910*640*550mm，内部加工6个Φ200*550mm的圆柱形腔体构造，腔体构造划分为3组，分别为第一腔体组、第二腔体组及第三腔体组，第一腔体组由水泥基材料储浆腔2-1和水泥基材料备浆腔2-2构成，第二腔体组由化学材料储浆腔3-1和化学材料备浆腔3-2构成，第三腔体组由储水腔4-1和备水腔4-2构成。
如图1、图2、图3所示，水泥基材料储浆腔2-1通过丝扣与第一圆盘状顶板2-3和第一底板2-4连接。第一顶板2-3于Φ120mm圆周上钻设Φ20mm第一高压注气孔2-5一个，第一孔高压注气孔2-5内安置第一矿用快速接头2-6。第一顶板2-3下表面中心处利用高强度胶粘结固定Φ8*19*6mm型顶板密封轴承2-7。第一底板2-4于Φ120mm圆周上钻设阶梯状圆孔一个，其中上部第一过滤孔2-8尺寸为Φ40*5mm，下部第一出浆孔2-9尺寸为Φ20*30mm。第一出浆孔2-9安置矿用第二矿用快速接头2-10，第一过滤孔2-8内安放第一筛网垫片2-11，防止水泥基浆液大颗粒物质堵塞注浆管路。
底板上表面中心处利用高强度胶粘结固定Φ8*19*6mm型密封轴承2-12。顶板密封轴承2-7和底板密封轴承2-12之间安放搅拌器。搅拌器包括搅拌轴2-13-1、桨叶2-13-2和叶轮2-13-3。搅拌轴2-13-1焊接交叉分布的桨叶2-13-2。搅拌轴2-13-1上部一侧加工钩头楔键2-13-4。叶轮2-13-2通过钩头楔键2-13-4固定在搅拌轴2-13-1上。所述第一高压注气孔2-5位于叶轮2-13-2侧上方，高压气体推动叶轮2-13-2旋转，带动搅拌器2-13工作，搅拌水泥基材料，防止沉淀。水泥基材料储浆腔2-1侧壁上安置第一机械式水位计2-14和第一精密压力表2-15，指示腔内浆液液面高度和压力值。
如图1、图2、图3所示，水泥基材料备浆腔2-2通过丝扣与圆盘状第二顶板2-16和第二底板2-17连接。第二顶板2-16于Φ120mm圆周上钻设对称布置的Φ20mm第二高压注气孔2-18和Φ20mm第一进浆孔2-19，孔内分别安置第三、第四矿用快速接头2-20、2-21。水泥基材料备浆腔2-2侧壁上安置第二机械式水位计2-22，指示腔内浆液液面高度。
如图1、图2、图3所示，水泥基材料储浆腔2-1和水泥基材料备浆腔2-2通过Φ25mm第一圆孔2-23和第二圆孔2-24连通，孔内密封固定第一球阀2-25和第二球阀2-26。第一球阀2-25和第二球阀2-26通过第一手柄2-27和第二手柄2-28控制工作状态。
如图1、图2、图4所示，化学材料储浆腔3-1通过丝扣与圆盘状第三顶板3-3和第三底板3-4连接。第三顶板3-3中心位置钻设Φ20mm第三高压注气孔3-5，安置第五矿用快速接头3-6。第三底板中心位置钻设钻设阶梯状圆孔，其中上部第二过滤孔3-7尺寸为Φ40*5mm，下部第二出浆孔3-8尺寸为Φ20*30mm。第二出浆孔3-8内安置第六矿用快速接头3-9，第二过滤孔内安放第二筛网垫片3-10，防止浆液堵塞注浆管路。水泥基材料储浆腔3-1侧壁上安置第三机械式水位计3-11和第二精密压力表3-12，指示腔内浆液液面高度和压力值。
如图1、图2、图4所示，化学材料备浆腔3-2通过丝扣与圆盘状第四顶板3-13和第四底板3-14连接。第四顶板3-13于Φ120mm圆周上钻设对称布置的Φ20mm第四高压注气孔3-15和Φ20mm第二进浆孔3-16,孔内分别安置第七、第八矿用快速接头3-24、3-25。化学材料备浆腔3-2侧壁上安置第四机械式水位计3-17，指示腔内浆液液面高度。
如图1、图2、图4所示，化学材料储浆腔3-1和化学材料备浆腔3-2通过Φ25mm第三圆孔3-18和第四圆孔3-19连通，孔内密封固定第三球阀3-20和第四球阀3-21。第三球阀3-20和第四球阀3-21通过第三手柄3-22和第四手柄3-23控制工作状态。
如图1、图2、图5所示，储水腔4-1通过丝扣方式与圆盘状第五顶板4-3和第五底板连接4-4。第五顶板4-3中心位置钻设Φ20mm第五高压注气孔4-5，安置第九矿用快速接头4-6。第五底板4-4中心位置钻设Φ20mm出水孔4-7，安置第十矿用快速接头4-8。储水腔侧4-1壁上安置第五机械式水位计4-9和第三精密压力表4-10，指示腔内液面高度和压力值。
如图1、图2、图5所示，备水腔4-2通过丝扣与圆盘状第六顶板4-11和第六底板4-12连接。第六顶板4-11于Φ120mm圆周上钻设对称布置的Φ20mm第六高压注气孔4-13和Φ20mm进水孔4-14,分别安置第十一、第十二矿用快速接头4-15、4-16。备水腔4-2侧壁上安置第六机械式水位计4-17，指示腔内液面高度。
如图1、图2、图5所示，储水腔4-1和备水腔4-2通过Φ25mm第五圆孔4-18和第六圆孔4-19连接，密封固定第五球阀4-20和第六球阀4-21。第五球阀4-20和第六球阀4-21通过第五手柄4-22和第六手柄4-23控制。
如图1、图2所示，气动伺服控制装置包括高压氮气罐组、缓冲罐、减压阀、高精度伺服调节阀。高压氮气罐组由第一、第二、第三高压氮气罐5-1-1、5-1-2、5-1-3并联组成。缓冲罐有3个。第一缓冲罐5-2-1和第二缓冲罐5-2-2并联，通过第一减压阀5-3-1与高压氮气罐组连通。第一缓冲罐5-2-1经第一高精度伺服压力调节阀5-4-1与水泥基材料储浆腔2-1和水泥基材料备浆腔2-2并联连通。第二缓冲罐5-2-2经第二高精度伺服压力调节阀5-4-2与化学材料储浆腔3-1和化学材料备浆腔3-2并联连通。第三缓冲罐5-2-3通过第二减压阀5-3-2与高压氮气罐组连通，经高第三精度伺服压力调节阀5-4-3与储水腔4-1和备水腔4-2并联连通。高精度伺服压力调节阀能够保障注浆压力和水压力长期稳定。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，支架6-1根据整体框架1-1尺寸，利用角钢加工而成，两者之间采用高强螺栓连接。
试验用恒压注浆-供水联合伺服控制系统使用方法：将整体框架1-1组装，并将其固定在支架6-1上。依次通过丝扣将6个腔体的顶板、底板连接在整体框架1-1上。水泥基材料储浆腔2-1组装过程中，注意搅拌轴2-13-1上下两端要插入到顶板密封轴承2-7和底板密封轴承2-12内，以防损毁搅拌器2-13。通过对应的矿用快速接头连接管路。通过各个备用腔进浆孔以及进水孔向备浆腔以及备水腔4-2内注入浆液及清水，观察水位计液面变化，以检测是否完好。旋转手柄，打开球阀,使浆液和清水进入到储浆腔以及储水腔4-1内，观察水位计液面变化。浆液和水充满后，关闭各个球阀。连接气动伺服控制装置，按照试验设计调整高精度伺服压力调节阀，开始实施试验。试验过程中，若储浆腔或储水腔液面下降至最低值，重新打开球阀补充浆液或清水。试验结束后，拆卸清理试验系统。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种试验用恒压注浆-供水气动联合伺服控制系统，其特征是，包括一方形整体构架，所述整体构架中加工平行布置的三个腔体组，每个腔体组包括两个通过高压球阀控制通断的圆柱形腔体，第一组为水泥基材料储浆腔和水泥基材料备浆腔，第二组为化学材料储浆腔和化学材料备浆腔，第三组为储水腔和备水腔；三组腔体分别通过高精度伺服调节阀与缓冲罐连通，缓冲罐经减压阀与高压氮气罐组相通；所述的圆柱形腔体上、下端口均通过丝扣与顶、底板连接；
所述水泥基材料储浆腔顶、底板分别钻设第一高压注气孔及第一阶梯状圆孔，所述第一阶阶梯状圆孔上部为过滤孔，下部为出浆孔；所述的水泥基材料储浆腔顶、底板中心位置均粘固密封轴承，所述的密封轴承之间安装搅拌器。
2.如权利要求1所述的试验用恒压注浆-供水气动联合伺服控制系统，其特征是，所述搅拌器包括搅拌轴、桨叶和叶轮，所述搅拌轴上焊接交叉分布的桨叶，且上部一侧加工钩头楔键；所述叶轮通过钩头楔键固定在搅拌轴上；所述第一高压注气孔位于叶轮侧上方，高压气体推动叶轮旋转；
所述水泥基材料储浆腔侧壁上安置第一机械式水位计和第一精密压力表；
所述水泥基材料备浆腔顶板对称钻设第二高压注气孔和第一进浆孔，侧壁上安置指示腔内浆液液面高度的第二机械式水位计。
3.如权利要求1所述的试验用恒压注浆-供水气动联合伺服控制系统，其特征是，所述化学材料储浆腔顶、底板分别钻设第三高压注气孔及第二阶梯状圆孔，所述的第二阶梯状圆孔上部为过滤孔，下部为出浆孔；所述化学材料储浆腔侧壁上安置指示腔内浆液液面高度和压力值的第三机械式水位计和第二精密压力表；所述的化学材料备浆腔顶板上钻设对称布置第四高压注气孔和第二进浆孔；所述化学材料备浆腔侧壁上安置指示腔内浆液液面高度的第四机械式水位计。
4.如权利要求1所述的试验用恒压注浆-供水气动联合伺服控制系统，其特征是，所述储水腔顶板钻设第五高压注气孔；所述储水腔侧壁上安置指示腔内液面高度和压力值的第五机械式水位计和第三精密压力表；
所述备水腔顶板对称钻设第六高压注气孔和进水孔；所述的备水腔侧壁上安置指示腔内液面高度的第六机械式水位计。
5. 如权利要求1所述的试验用恒压注浆-供水气动联合伺服控制系统，其特征是，所述高压球阀经延伸至整体构架外部的手柄控制工作状态。
6.如权利要求1所述的试验用恒压注浆-供水气动联合伺服控制系统，其特征是，所述的高压氮气罐组由3个高压氮气罐并联组成；所述的缓冲罐有三个，其中第一缓冲罐和第二缓冲罐并联后通过减压阀与高压氮气罐组连通；
所述第一缓冲罐经第一高精度伺服压力调节阀与水泥基材料储浆腔和水泥基材料备浆腔并联连通；
所述的第二缓冲罐经第二高精度伺服压力调节阀与化学材料储浆腔和化学材料备浆腔并联连通；
所述第三缓冲罐通过第二减压阀与高压氮气罐组连通，经第三高精度伺服压力调节阀与储水腔和备水腔并联连通。
7.如权利要求1所述的试验用恒压注浆-供水气动联合伺服控制系统，其特征是，所述方形整体构架通过高强螺栓安装于支架上；所述方形整体构架采用酚醛树脂材料加工而成。
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