CN104833389B - 灌浆封孔止浆可视化实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

一种灌浆封孔止浆可视化实验装置，包括相互连接的压力供给系统、供浆系统和封孔止浆可视化系统，压力供给系统提供的压力使供浆系统中的浆液注入到透明的封孔止浆可视化系统中，实验装置还包括一对注浆过程进行全程监控的监控系统。该实验方法包括以下步骤：调试并开启监控系统进行录像；关闭压力供给系统的调压阀等，向其中压入空气；开启供浆系统，在已设置好的启闭时间交替变换参数下，浆液在高压空气作用下进入封孔止浆可视化系统，并有效地模拟脉动灌浆；通过监控系统收集处理灌浆实验过程中的各项参数，并加以分析，完成实验。本发明的实验装置结构简单、组装方便、成本低，可有效模拟灌浆止浆过程的压力变化及封孔止浆参数。

Description

灌浆封孔止浆可视化实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于岩土工程基础处理灌浆领域，尤其涉及一种灌浆封孔止浆实验装置及方法。

背景技术

封孔工艺广泛运用于水利、矿山、路基及垃圾填埋等工程。现有灌浆封孔工艺大致可分为三类：止浆塞法、孔口封闭法及浆体封闭法，工程上灌浆封孔参数主要依据经验确定，易低压重复劈裂、浅层冒浆串浆、抱管等。

针对上述问题，亟需获得有效的灌浆封孔止浆工艺参数。目前，封孔工艺参数的研究主要集中在矿山工程，大多基于力学模型及现场试验。如：重庆大学葛浩龙等人提出了《煤矿井下水力压裂钻孔封孔力学模型及试验研究》(参见《岩土力学》2014年7月刊)，上海大屯能源公司吴吉南等人提出了《煤壁注水压气送浆封孔新工艺试验研究》(参见《江苏煤炭》2001年第1期)，中国矿业大学王圣程等人提出了《抽采钻孔带压注浆封孔技术的研究与应用》(参见《煤矿安全》第42卷第6期)。这些研究在一定程度上得到了矿山封孔参数，而灌浆工程封孔工艺与矿山封孔工艺存在较大差别。物理模型试验确定封孔工艺参数的成果少见，灌浆封孔止浆模拟试验是确定封孔参数及相关规律的有效途径和方法。

因此，如何设计研制一种实验装置，使其能有效地模拟灌浆止浆过程的压力变化，从而确定封孔止浆参数，这成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种结构简单、组装方便、操作容易、便于清洁安装、成本低的灌浆封孔止浆可视化实验装置，还相应提供一种步骤简单的灌浆封孔止浆可视化实验方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种灌浆封孔止浆可视化实验装置，所述实验装置包括压力供给系统、供浆系统和封孔止浆可视化系统；所述压力供给系统连接供浆系统，所述供浆系统连接封孔止浆可视化系统，所述压力供给系统提供的压力使供浆系统中的浆液注入到所述封孔止浆可视化系统中，所述封孔止浆可视化系统的外包管件为透明材料制作，所述封孔止浆可视化系统的顶部可拆卸式地装设有一孔口封闭器，所述实验装置还包括一对前述封孔止浆可视化系统的注浆过程进行全程监控的监控系统。

上述的灌浆封孔止浆可视化实验装置中，优选的：所述压力供给系统包括空气压缩机、通气软管、高压储气罐、调压阀和第一阀门；其中空气压缩机通过通气软管连通至高压储气罐；高压储气罐通过通气软管连通至所述供浆系统的高压储浆罐，所述调压阀和第一阀门设置在高压储气罐与高压储浆罐之间的通气软管上。所述压力供给系统可使得高压储浆罐内部处于特定气压状态，所述压力供给系统可调节气压大小，调压范围优选为0MPa～5MPa。

上述的灌浆封孔止浆可视化实验装置中，优选的：所述供浆系统包括螺杆增压泵、供浆软管和高压储浆罐，所述螺杆增压泵通过供浆软管与高压储浆罐连通，所述高压储浆罐上设置有气压表和泄气阀；所述供浆软管上安装有第二阀门。

上述的灌浆封孔止浆可视化实验装置中，优选的：所述封孔止浆可视化系统包括孔口封闭器(可根据需要拆装)、孔口管、灌浆管、外包管件、紧固件、支撑架、操作平台、基座和测量工具(优选白底红字标尺，立于外包管件侧后方)等，所述孔口封闭器与孔口管相连接(一般可通过螺纹连接)；所述灌浆管的上端嵌入孔口封闭器内，下端悬垂于所述外包管件内部的中心线处；所述外包管件的上端内嵌于孔口管中，下端则内嵌于所述基座中由基座支撑。更优选的：所述的外包管件为有机玻璃管，且该有机玻璃管主要由多根有机玻璃短管首尾内嵌组合而成，所述有机玻璃管的侧壁上沿不同高度开设有细孔。更优选的，单根有机玻璃短管的长度为1～2m；所述细孔的内径优选为2mm～10mm，间距为10cm～150cm，有机玻璃管的内径优选为1.5倍灌浆管外径。

上述的灌浆封孔止浆可视化实验装置中，优选的：所述孔口管通过螺栓等紧固件与一支撑架连接；所述支撑架则固定于一操作平台上。通过设置一操作平台，可在其上完成不同类型孔口封闭器的更换操作或拔管操作等；所述支撑架离地距离可自由调节，优选不低于4m。

上述的灌浆封孔止浆可视化实验装置中，优选的：所述供浆系统与封孔止浆可视化系统之间的灌浆软管上装设有一可控开关，所述可控开关为一可根据设计要求提前设置启闭时间交替变换参数的脉动模拟控制开关，且该可控开关由所述监控系统进行启闭控制。

上述的灌浆封孔止浆可视化实验装置中，优选的：所述监控系统包括监控平台和图像采集仪；所述图像采集仪立于监控平台上，图像采集仪能对实验全过程高清录像；所述监控平台优选为一可平移、可调节离地高度的可调式平台。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种基于上述实验装置的灌浆封孔止浆可视化实验方法，包括以下步骤：

①检查全系统的气密性，调试并开启监控系统的图像采集仪，开始进行高清录像；

②制备适量封孔浆液，通过螺杆增压泵将封孔浆液从孔口管泵入外包管件内，待凝一段时间(例如20min左右)，形成封孔浆体；

③关闭压力供给系统的调压阀和第一阀门，启动压力供给系统的空气压缩机，通过通气软管向压力供给系统的高压储气罐中压入空气，当高压储气罐内达到空气压缩机的额定排气压力后，空气压缩机暂停送气；

④对灌浆软管上装设的可控开关的启闭时间交替变换参数进行设置；然后关闭可控开关；

⑤制备足量灌浆浆液，通过螺杆增压泵将灌浆浆液泵入高压储浆罐中；将所述调压阀调节到实验所需压力值，打开第一阀门，使所述高压储气罐内的高压气体进入到所述高压储浆罐中，开启可控开关，可控开关在已设置好的启闭时间交替变换参数下进行周期性地启闭；所述高压储浆罐内的灌浆浆液在高压空气的作用下，经灌浆软管进入所述封孔止浆可视化系统；

⑥灌浆浆液经由灌浆管灌入其外包管件内，在压力作用下，灌浆浆液劈裂封孔浆体，通过外包管件侧壁开设的细孔喷出；通过监控系统收集处理灌浆实验过程中的各项参数，并加以分析；

⑦用加压清水清洗全系统，完成浆体封闭止浆效果模拟实验；

⑧通过孔口管、紧固件安装不同类型的孔口封闭器，适当取舍上述步骤完成多种工况的对比试验。

上述的实验方法，优选的：所述空气压缩机排气量控制不低于0.6m³/min，额定排气压力不低于1MPa，所述压力供给系统的调压范围为0MPa～5MPa；所述高压储气罐的设计压力不低于5MPa，容积不低于500L；调压阀的调压范围为0MPa～5MPa。

上述的实验方法，优选的：所述螺杆增压泵的灌浆量不低于600L/h；所述供浆软管尺寸为标准尺寸；所述高压储浆罐为圆筒状，其设计压力不低于5MPa，高压储浆罐的容积优选为100L～500L；所述气压表的量程优选为0MPa～5MPa。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明的实验装置通过调节各个组成设备，可调节灌浆压力大小，可改变灌浆方式，可调整有机玻璃管上细孔的孔径与间距，通过观测封孔止浆可视化系统在不同实验参数组合下的现象，对实验过程中的相关信息进行采集，便可对灌浆封孔止浆的客观规律进行研究，进而得出可供设计和实践选用的各种灌浆参数。

2.本发明的灌浆封孔止浆可视化实验装置可用于室内进行现有封孔止浆方法的实验验证，如传统孔口封闭器、浆体封闭新工艺及压滤式孔口封闭器的实验模拟；也可进行多种灌浆方式下的室内封孔止浆实验研究，如脉动灌浆与稳压灌浆；还可实现灌浆封孔止浆全过程可视化。

总体而言，本发明的灌浆封孔止浆可视化实验装置采用模块化设计，安装、拆卸和操作都非常便捷，便于清洁，成本低，实验方法操作简单，分析数据可靠，能够较好地反映工程实践，并为工程实践应用提供可靠的数据支撑和设计支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中灌浆封孔止浆可视化实验装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中单根有机玻璃短管的正视图。

图3为本发明实施例中单根有机玻璃短管的侧视图。

图4为本发明实施例中单根有机玻璃短管的俯视图。

图5为图1中A处的局部放大图。

图例说明

1、空气压缩机；2、通气软管；3、高压储气罐；4、调压阀；5、第一阀门；6、螺杆增压泵；7、供浆软管；8、第二阀门；9、高压储浆罐；10、气压表；11、泄气阀；12、灌浆软管；13、可控开关；14、监控平台；15、图像采集仪；16、孔口封闭器；17、孔口管；18、紧固件；19、支撑架；20、操作平台；21、灌浆管；22、外包管件；23、基座；24、测量工具；25、有机玻璃短管；26、细孔。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例：

一种如图1～图5所示本发明的灌浆封孔止浆可视化实验装置，该实验装置包括压力供给系统、供浆系统、监控系统和封孔止浆可视化系统；压力供给系统连接供浆系统，供浆系统连接封孔止浆可视化系统，压力供给系统提供的压力使供浆系统中的浆液注入到封孔止浆可视化系统中，监控系统对前述封孔止浆可视化系统的注浆过程进行全程高清监控。

如图1所示，本实施例中的压力供给系统包括空气压缩机1、通气软管2、高压储气罐3、调压阀4和第一阀门5；其中空气压缩机1通过通气软管2连通至高压储气罐3；高压储气罐3通过通气软管2连通至供浆系统的高压储浆罐9，调压阀4和第一阀门5设置在高压储气罐3与高压储浆罐9之间的通气软管2上。压力供给系统可使得高压储浆罐9内部处于特定气压状态，压力供给系统可调节气压大小，调压范围为0MPa～5MPa。

本实施例的供浆系统包括螺杆增压泵6和高压储浆罐9，螺杆增压泵6通过供浆软管7(供浆软管尺寸为标准尺寸)与高压储浆罐9连通，高压储浆罐9上设置有气压表10(气压表10的量程为0MPa～5MPa)和泄气阀11；供浆软管7上安装有第二阀门8。高压储浆罐9为圆筒状，其设计压力不低于5MPa，高压储浆罐9的容积为200L。

本实施例的封孔止浆可视化系统包括孔口封闭器16、孔口管17、灌浆管21、外包管件22、基座23和测量工具24(本实施例中的测量工具24为白底红字标尺，立于外包管件22左侧后方)，孔口封闭器16可拆卸式地装设于封孔止浆可视化系统的顶部，并与孔口管17相连接(例如通过螺纹连接)；灌浆管21的上端嵌入孔口封闭器16内，下端悬垂于外包管件22内部的中心线处；外包管件22的上端内嵌于孔口管17中，下端则内嵌于基座23中由基座23支撑。本实施例中的外包管件22为有机玻璃管，且该有机玻璃管主要由四根有机玻璃短管25首尾内嵌组合而成，有机玻璃管的侧壁上沿不同高度开设有四个细孔26，本实施例中，单根有机玻璃短管25的长度为1.5m；细孔26的内径为10mm，间距为150cm，有机玻璃管的内径为1.5倍灌浆管21的外径。

本实施例中的孔口管17通过螺栓等紧固件18与一支撑架19连接；支撑架19则固定于一操作平台20上；通过该操作平台20在其上完成不同类型孔口封闭器的更换操作或拔管操作。支撑架19离地距离可自由调节，本实施例中的距离为6m。

本实施例中的供浆系统与封孔止浆可视化系统之间的灌浆软管12上装设有一可控开关13，可控开关13为一可根据设计要求提前设置启闭时间交替变换参数的脉动模拟控制开关，且该可控开关13由监控系统进行启闭控制。

本实施例的监控系统包括监控平台14和图像采集仪15；图像采集仪15能对实验全过程高清录像；图像采集仪15立于监控平台14上；监控平台14为一可平移、可调节离地高度的可调式平台。

一种基于上述实验装置的灌浆封孔止浆可视化实验方法，包括以下步骤：

①检查全系统的气密性，调试并开启监控系统的图像采集仪15，开始进行高清录像；

②制备适量封孔浆液，通过螺杆增压泵6将封孔浆液从孔口管17泵入外包管件22内，待凝20min左右，形成封孔浆体；

③关闭压力供给系统的调压阀4和第一阀门5，启动压力供给系统的空气压缩机1，通过通气软管2向压力供给系统的高压储气罐3中压入空气，当高压储气罐3内达到空气压缩机1的额定排气压力后，空气压缩机1暂停送气；

④对灌浆软管12上装设的可控开关13的启闭时间交替变换参数进行设置；然后关闭可控开关13；

⑤制备足量灌浆浆液，通过螺杆增压泵6将灌浆浆液泵入高压储浆罐9中；将调压阀4调节到实验所需压力值，打开第一阀门5，使高压储气罐3内的高压气体进入到高压储浆罐9中，开启可控开关13，可控开关13在已设置好的启闭时间交替变换参数下进行周期性地启闭；高压储浆罐9内的灌浆浆液在高压空气的作用下，经灌浆软管12进入封孔止浆可视化系统；

⑥灌浆浆液经由灌浆管21灌入其外包管件22内，在压力作用下，灌浆浆液劈裂封孔浆体，通过外包管件22侧壁开设的细孔26喷出；通过监控系统收集处理灌浆实验过程中的各项参数，并加以分析；

⑦用加压清水清洗全系统，完成浆体封闭止浆效果模拟实验。

本实施例中的实验参数如表1：

表1：封孔模拟实验参数表

模拟4m孔深，灌入配制的封孔浆体，在最大脉动灌浆压力0.4MPa(持续时间2s，间隔时间4s)下，可承载脉动次数19次，灌浆量约60L。

Claims (3)

1.一种灌浆封孔止浆可视化实验装置，其特征在于：所述实验装置包括压力供给系统、供浆系统和封孔止浆可视化系统；所述压力供给系统连接供浆系统，所述供浆系统连接封孔止浆可视化系统，所述压力供给系统提供的压力使供浆系统中的浆液注入到所述封孔止浆可视化系统中，所述封孔止浆可视化系统的外包管件为透明材料制作，所述封孔止浆可视化系统的顶部可拆卸式地装设有一孔口封闭器（16），所述实验装置还包括一对前述封孔止浆可视化系统的注浆过程进行全程监控的监控系统；

所述压力供给系统包括空气压缩机（1）、通气软管（2）、高压储气罐（3）、调压阀（4）和第一阀门（5）；其中空气压缩机（1）通过通气软管（2）连通至高压储气罐（3）；高压储气罐（3）通过通气软管（2）连通至所述供浆系统的高压储浆罐（9），所述调压阀（4）和第一阀门（5）设置在高压储气罐（3）与高压储浆罐（9）之间的通气软管（2）上；

所述供浆系统包括螺杆增压泵（6）、供浆软管（7）和高压储浆罐（9），所述螺杆增压泵（6）通过供浆软管（7）与高压储浆罐（9）连通，所述高压储浆罐（9）上设置有气压表（10）和泄气阀（11）；所述供浆软管（7）上安装有第二阀门（8）；

所述封孔止浆可视化系统包括孔口管（17）、灌浆管（21）、外包管件（22）、基座（23）和测量工具（24），所述孔口封闭器（16）与孔口管（17）相连接；所述灌浆管（21）的上端嵌入孔口封闭器（16）内，下端悬垂于所述外包管件（22）内部的中心线处；所述外包管件（22）的上端内嵌于孔口管（17）中，下端则内嵌于所述基座（23）中由基座（23）支撑；

所述的外包管件（22）为有机玻璃管，且该有机玻璃管主要由多根有机玻璃短管（25）首尾内嵌组合而成，所述有机玻璃管的侧壁上沿不同高度开设有细孔（26）；

所述孔口管（17）通过紧固件（18）与一支撑架（19）连接；所述支撑架（19）则固定于一操作平台（20）上；通过该操作平台（20）在其上完成不同类型孔口封闭器（16）的更换操作或拔管操作；

所述供浆系统与封孔止浆可视化系统之间的灌浆软管（12）上装设有一可控开关（13），所述可控开关（13）为一可根据设计要求提前设置启闭时间交替变换参数的脉动模拟控制开关，且该可控开关（13）由所述监控系统进行启闭控制；

所述监控系统包括监控平台（14）和图像采集仪（15）；所述图像采集仪（15）立于监控平台（14）上；所述监控平台（14）为一可平移、可调节离地高度的可调式平台。

2.一种基于权利要求1所述实验装置的灌浆封孔止浆可视化实验方法，包括以下步骤：

①检查全系统的气密性，调试并开启监控系统的图像采集仪（15），开始进行高清录像；

②制备适量封孔浆液，通过螺杆增压泵（6）将封孔浆液从一孔口管（17）泵入外包管件（22）内，待凝一段时间形成封孔浆体；

③关闭压力供给系统的调压阀（4）和第一阀门（5），启动压力供给系统的空气压缩机（1），通过通气软管（2）向压力供给系统的高压储气罐（3）中压入空气，当高压储气罐（3）内达到空气压缩机（1）的额定排气压力后，空气压缩机（1）暂停送气；

④对灌浆软管（12）上装设的可控开关（13）的启闭时间交替变换参数进行设置；然后关闭可控开关（13）；

⑤制备足量灌浆浆液，通过螺杆增压泵（6）将灌浆浆液泵入所述高压储浆罐（9）中；将所述调压阀（4）调节到实验所需压力值，打开第一阀门（5），使所述高压储气罐（3）内的高压气体进入到所述高压储浆罐（9）中，开启可控开关（13），可控开关（13）在已设置好的启闭时间交替变换参数下进行周期性地启闭；所述高压储浆罐（9）内的灌浆浆液在高压空气的作用下，经灌浆软管（12）进入所述封孔止浆可视化系统；

⑥灌浆浆液经由灌浆管（21）灌入其外包管件（22）内，在压力作用下，灌浆浆液劈裂封孔浆体，通过外包管件（22）侧壁开设的细孔（26）喷出；通过监控系统收集处理灌浆实验过程中的各项参数，并加以分析；

⑦用加压清水清洗全系统，完成浆体封闭止浆效果模拟实验；

⑧通过孔口管（17）、紧固件（18）安装不同类型的孔口封闭器（16），调整上述步骤完成多种工况的对比试验。

3.根据权利要求2所述的实验方法，其特征在于：所述压力供给系统的调压范围为0MPa～5MPa；所述高压储气罐（3）的设计压力不低于5MPa，容积不低于500L；所述调压阀的调压范围为0MPa～5Mpa；所述高压储浆罐（9）的设计压力不低于5MPa，高压储浆罐（9）的容积为100L～500L。