CN106018753B - 覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩实验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩实验系统及方法，适用于采矿工程绿色开采领域中使用。它包括浆体压缩装置、泌水基座、泌水收集装置和取灰底座；浆体压缩装置包括柱状结构的灰浆桶，灰浆桶内部设置有加压活塞，加压活塞包括加压杆和活塞头，活塞头上设有放气螺栓；泌水基座包括底座，底座顶面向下凹陷，底座的凹陷处与灰浆桶之间设有带有孔洞的筛板，底座的凹陷下方开有导水槽，导水槽的底部连接泌水收集装置，泌水收集装置包括放水阀，放水阀上通过导水管连接量筒，量筒下方设有电子秤。其设计结构稳定，强度可靠，构造简单，便于人员操作，在保证安全的前提下得到实验结果。

Description

覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩实验系统及方法
技术领域
本发明涉及一种粉煤灰浆体压缩实验系统及方法，尤其适用于采矿工程绿色开采领域中使用的覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩实验系统及方法。
背景技术
我国仅统配煤矿的矿井“三下”压煤达137.9亿t，其中建筑物下94.68亿t，占总压煤量的69％。井工开采煤炭会造成地表塌陷，导致水土流失，造成经济损失和环境破坏。覆岩隔离注浆充填技术为上述问题的解决提供了新思路，并且已取得了显著成效。
在覆岩注浆充填过程中，充填粉煤灰浆体中起减沉作用的是最终形成的压实灰体，其中的水并不起作用。尽管充填体在注浆过程中是以浆液形式在覆岩采动空间内移动，但水将在注浆过程中不断流失。因而，从沉陷控制角度出发，实践中常采用注采比(压实灰体体积与采出空间体积的比值)来衡量注浆充填量。在工程(如工程量与费用计算)中，注浆充填量常采用干粉煤灰质量进行计量，此时需要建立干粉煤灰质量与压实灰体体积的换算关系，即当量压缩系数(单位质量干粉煤灰所形成的压实灰体积)。显然，当量压缩系数与注浆充填层位上方岩层深度有关。然而，由于地层结构的复杂性、不可视、难通达性，导致在地应力、采动应力和注浆压力的3重作用下，粉煤灰浆体压实后的灰体体积很难确定，从而降低注采比计算的准确性，影响注浆充填效果评价和费用预算。此外，粉煤灰浆体受压后必然会泌水，泌出水与井下涌水的关系以及对安全开采的影响同样值得研究。在此类实验研究方面，有关技术曾报道了干粉煤灰与矸石粉的压缩特性、混凝土泌水特性，其中，前者研究对象是干粉煤灰而非粉煤灰浆体，因而无法得出粉煤灰浆体的压缩系数，更不能得出其泌水特性；后者研究的对象是混凝土的泌水特性，但不能用于研究不同压力下粉煤灰浆体的压缩特性。也就是说，这2种现有技术均无法用于开展覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩特性的实验研究。因而，有必要研究一种覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩实验系统以及配套的实施方法。
发明内容
技术问题：本发明的目的是解决现有技术的不足之处，提供一种结构简单、易于操作、准确性高的覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩与泌水特性的实验系统与方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明的覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩实验系统，包括浆体压缩装置、泌水基座、泌水收集装置和取灰底座；所述浆体压缩装置包括柱状结构的灰浆桶，灰浆桶在顶部设置有顶盖，内部设置有加压活塞，所述加压活塞包括加压杆和设在灰浆桶内部并与加压杆连接的活塞头，活塞头上设有放气螺栓；所述泌水基座包括与灰浆桶匹配的底座，底座顶面向下凹陷，底座的凹陷处与灰浆桶之间设有带有孔洞的筛板，筛板下设有筛布，底座的凹陷下方开有导水槽，导水槽的底部通过底座上的开孔与泌水收集装置相连接，所述泌水收集装置包括设在底座上开孔处的放水阀，放水阀上通过导水管连接有用于读取泌水体积的量筒，量筒下方设有用于读取泌水质量的电子秤。
所述活塞侧面设有多股活塞密封胶圈；所述灰浆桶与底座之间设有底座密封胶圈；所述灰浆桶与顶盖和底座之间通过螺栓紧固；所述导水槽槽底靠近放水阀一侧高于远离放水阀一侧。
一种覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩实验方法，其步骤如下：
a.将灰浆桶内壁打磨光滑并且涂抹润滑油，将待实验的粉煤灰浆体放入灰浆桶中，用套筒扳手打开活塞上的放气螺栓使活塞头两侧空气导通；
b.利用万能试验机连接加压杆并将活塞头调整至水平，当活塞头底面与浆体液面刚刚接触时，用套筒扳手将放气螺栓关闭；
c.开启万能试验机并推动加压杆开始匀速加压，加压杆推动活塞头挤压灰浆桶内粉煤灰浆体，同时粉煤灰浆体内的水分通过筛板下筛布过滤出，顺着导水槽从放水阀流入量筒，记录流入量筒的泌水量和加压过程中灰浆桶内粉煤灰浆体压缩量，待粉煤灰浆体不再泌水，则万能试验机停止加压；
d.卸掉底座，安装取灰底座，所述取灰底座为与灰浆桶尺寸匹配的空心底座，利用万能试验机加压推动加压杆，使活塞头将粉煤灰浆体压实后产生的块状固体压入取灰底座；
e.根据活塞头的下压行程和泌出水量计算出粉煤灰当量压缩系数和泌水量；
f.重复上述步骤，根据需要变更万能试验机提供的压力，从而分析在不同载荷下粉煤灰浆体的压缩特性与泌水特性。
有益效果：本发明用活塞、灰浆桶和底座形成的空间模拟覆岩离层空间，筛布模拟能泌水的上下岩层，万能试验机通过加压杆对粉煤灰浆体施加载荷，准确地模拟了粉煤灰浆体在地层中的存在环境与压缩泌水状态。设置在粉煤灰浆体压缩实验系统底座下方的量筒可收集粉煤灰浆体在压力作用下泌出的水，用于分析其在不同载荷下的泌水特性，从而指导研究井下涌水量与粉煤灰浆体所含水量之间的关系；并可得出压实灰体的体积，求出一定载荷下的粉煤灰当量压缩系数/即单位质量干粉煤灰所形成的压实灰体积，指导注采比设计；本发明设计结构稳定，强度可靠，构造简单，便于人员操作，在保证安全的前提下得到实验结果。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的A-A剖面图；
图3是取灰底座使用示意图。
图中：1－加压杆；2－顶盖；3－螺栓；4－灰浆桶；5－放气螺栓；6－活塞头；7－活塞密封胶圈；8－粉煤灰浆体试样；9－底座密封胶圈；10－筛板；11－放水阀；12－导水槽；13－导水管；14－底座；15－量筒；16－电子秤；17－取灰底座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如图1所示，本发明的覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩实验系统，包括浆体压缩装置、泌水基座、泌水收集装置和取灰底座17；所述浆体压缩装置包括柱状结构的灰浆桶4，灰浆桶4在顶部设置有顶盖2，内部设置有加压活塞，所述加压活塞包括加压杆1和设在灰浆桶4内部并与加压杆1连接的活塞头6，所述活塞6侧面设有多股活塞密封胶圈7，活塞头6上设有放气螺栓5；所述泌水基座包括与灰浆桶4匹配的底座14，所述灰浆桶4与底座14之间设有底座密封胶圈9，底座14顶面向下凹陷，如图2所示，底座14的凹陷处与灰浆桶4之间设有带有孔洞的筛板10，筛板10下设有筛布，底座14的凹陷下方开有导水槽12，导水槽12的底部通过底座14上的开孔与泌水收集装置相连接，所述泌水收集装置包括设在底座14上开孔处的放水阀11，放水阀11上通过导水管13连接有用于读取泌水体积的量筒15，量筒15下方设有用于读取泌水质量的电子秤16。所述灰浆桶4与顶盖2和底座14之间通过螺栓3紧固，所述导水槽12槽底靠近放水阀11一侧高于远离放水阀11一侧。
一种覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩实验方法，其步骤如下：
a.将灰浆桶4内壁打磨光滑并且涂抹润滑油，将待实验的粉煤灰浆体放入灰浆桶4中，用套筒扳手打开活塞上的放气螺栓5使活塞头6两侧空气导通；
b.利用万能试验机连接加压杆1并将活塞头6调整至水平，当活塞头6底面与浆体液面刚刚接触时，用套筒扳手将放气螺栓关闭；
c.开启万能试验机并推动加压杆1开始匀速加压，加压杆1推动活塞头6挤压灰浆桶4内粉煤灰浆体，同时粉煤灰浆体内的水分通过筛板10下筛布过滤出，顺着导水槽12从放水阀11流入量筒15，记录流入量筒15的泌水量和加压过程中灰浆桶4内粉煤灰浆体压缩量，待粉煤灰浆体不再泌水，则万能试验机停止加压；
d.卸掉底座14，安装取灰底座17，如图3所示，取灰底座17为与灰浆桶4尺寸匹配的空心底座，利用万能试验机加压推动加压杆1，使活塞头6将粉煤灰浆体压实后产生的块状固体压入取灰底座17；
e.根据活塞头6的下压行程和泌出水量计算出粉煤灰当量压缩系数和泌水量；
f.重复上述步骤，根据需要变更万能试验机提供的压力，从而分析在不同载荷下粉煤灰浆体的压缩特性与泌水特性。
粉煤灰浆体试样8放于灰浆桶4中，底座14具有平衡与稳定作用，顶盖2起安全保护作用，加压杆1将万能试验机的压力传递到活塞头6，通过活塞头6对粉煤灰浆体试样8加压，同时打开放气螺栓5，活塞头6接触浆体后立即关闭。活塞密封胶圈7防止浆体流出，在压力的作用下，水在筛板10下的筛布过滤下泌出，底座密封胶圈9则防止浆体从灰浆桶4与底座14之间流出。水经过导水槽12流至放水阀11，打开放水阀11，水经过导水管13到达量筒15，通过量筒15与电子秤16得出实时泌水体积与质量，压缩完成后，卸掉底座14，安装取灰底座17取出压实灰体。本发明可以设定不同的压缩载荷，可以得出不同应力作用下，粉煤灰浆体试样8的压缩与渗透特性。

Claims (6)

1.一种覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩实验系统，其特征在于：它包括浆体压缩装置、泌水基座、泌水收集装置和取灰底座（17）；所述浆体压缩装置包括柱状结构的灰浆桶（4），灰浆桶（4）在顶部设置有顶盖（2），内部设置有加压活塞，所述加压活塞包括加压杆（1）和设在灰浆桶（4）内部并与加压杆（1）连接的活塞头（6），活塞头（6）上设有放气螺栓（5），顶盖（2）上形成有环状突出部，环状突出部内径尺寸等于加压杆（1）外径尺寸，环状突出部对加压活塞进行导向；所述泌水基座包括与灰浆桶（4）匹配的底座（14），底座（14）顶面向下凹陷，底座（14）的凹陷处与灰浆桶（4）之间设有带有孔洞的筛板（10），筛板（10）下设有筛布，底座（14）的凹陷下方开有导水槽（12），导水槽（12）的底部通过底座（14）上的开孔与泌水收集装置相连接，所述泌水收集装置包括设在底座（14）上开孔处的放水阀（11），放水阀（11）上通过导水管（13）连接有用于读取泌水体积的量筒（15），量筒（15）下方设有用于读取泌水质量的电子秤（16），所述取灰底座（17）为与灰浆桶（4）尺寸匹配的空心底座，以用来将粉煤灰浆体压实后产生的块状固体完整取出进行体积测量。
2.根据权利要求1所述的覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩实验系统，其特征在于：所述活塞头（6）侧面设有多股活塞密封胶圈（7）。
3.根据权利要求1所述的覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩实验系统，其特征在于：所述灰浆桶（4）与底座（14）之间设有底座密封胶圈（9）。
4.根据权利要求1所述的覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩实验系统，其特征在于：所述灰浆桶（4）与顶盖（2）和底座（14）之间通过螺栓（3）紧固。
5.根据权利要求1所述的覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩实验系统，其特征在于：所述导水槽（12）槽底靠近放水阀（11）一侧高于远离放水阀（11）一侧。
6.一种使用权利要求1所述覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩实验系统的适用于粉煤灰浆体压缩实验的覆岩隔离注浆充填粉煤灰浆体压缩实验方法，其特征在于步骤如下：
a. 将灰浆桶（4）内壁打磨光滑并且涂抹润滑油，将待实验的粉煤灰浆体放入灰浆桶（4）中，用套筒扳手打开活塞上的放气螺栓（5）使活塞头（6）两侧空气导通；
b. 利用万能试验机连接加压杆（1）并将活塞头（6）调整至水平，当活塞头（6）底面与粉煤灰浆体液面刚刚接触时，用套筒扳手将放气螺栓（5）关闭；
c. 开启万能试验机并推动加压杆（1）开始匀速加压，加压杆（1）推动活塞头（6）挤压灰浆桶（4）内粉煤灰浆体，同时粉煤灰浆体内的水分通过筛板（10）下筛布过滤出，顺着导水槽（12）从放水阀（11）流入量筒（15），记录流入量筒（15）的泌水量和加压过程中灰浆桶（4）内粉煤灰浆体压缩量，待粉煤灰浆体不再泌水，则万能试验机停止加压；
d. 卸掉底座（14），安装取灰底座（17），利用万能试验机加压推动加压杆（1），利用活塞头（6）将粉煤灰浆体压实后产生的圆柱状固体压入取灰底座（17）；
e. 根据活塞头（6）的下压行程、压实灰体的体积和泌出水量计算出粉煤灰当量压缩系数和粉煤灰浆体泌水量；
f. 重复上述步骤，根据需要变更万能试验机提供的压力，从而分析在不同载荷下粉煤灰浆体的压缩特性与泌水特性。
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