CN106680467A - 一种深埋地层高压注浆模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深埋地层高压注浆模拟试验装置，其包括高压罐，用于容纳模拟深埋地层；压力机，用于向所述高压罐内的所述模拟深埋地层施加竖向地应力；高压注浆泵，通过高压管路与所述高压罐相连通，用于向所述高压罐内施加压力水并注浆；排浆管，与所述高压罐相连通；和传感器，置于所述模拟深埋地层中，用于实时监测注浆压力的传递变化规律和浆液扩散情况。本发明以高压罐为容纳空间，通过高压注浆泵往模拟深埋地层内注浆，以实现深埋地层的高压注浆的模拟。本发明通过设置高压罐就能实现模拟深埋地层的地面预注浆技术的研究，使得本发明具有结构简单、实用性能强和模拟精确度高的特点。同时，本发明还提供一种深埋地层高压注浆模拟试验方法。

Description

一种深埋地层高压注浆模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于地层注浆技术领域，具体而言，本发明涉及一种深埋地层高压注浆模拟试验装置及试验方法。

背景技术

在矿山井筒施工中，采用地面预注浆技术可以大幅度降低井筒涌水量、改善凿井条件和加快施工速度；同时，可对不稳定地层进行注浆加固，确保围岩稳定。随着新建井筒穿过地层深度的不断加大，围岩承受的地应力和水压力也越来越大，地层的裂隙特征也发生了变化，特别是微孔隙发育，注浆浆液渗透性差，难以形成防治水帷幕，严重地影响了建井工期，增加了施工难度和工程造价。

由于深埋地层处于高地应力、高水压状态，注浆施工难度大，注浆压力、浆液扩散半径与岩石渗透系数及裂隙率的关系缺乏研究资料和工程实践经验，给井筒地面预注浆设计和施工带来难题。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种深埋地层高压注浆模拟试验装置，系统地进行深部地层的地面预注浆可注性、渗流规律、压力衰减和注浆效果的研究，并提出了相应的试验方法，其技术方案如下：

一种深埋地层高压注浆模拟试验装置，其包括高压罐，用于容纳模拟深埋地层；压力机，用于向所述高压罐内的所述模拟深埋地层施加竖向地应力；高压注浆泵，通过高压管路与所述高压罐相连通，用于向所述高压罐内施加压力水并注浆；排浆管，与所述高压罐相连通；和传感器，置于所述模拟深埋地层中，用于实时监测注浆压力的传递变化规律和浆液扩散情况。

如上述的深埋地层高压注浆模拟试验装置，进一步优选为：所述高压管路为高压软管。

如上述的深埋地层高压注浆模拟试验装置，进一步优选为：还包括单向阀，所述单向阀安装在所述高压管路上，用于控制压力水由所述高压注浆泵向所述高压罐内注入，以模拟深埋地层中的承压水。

如上述的深埋地层高压注浆模拟试验装置，进一步优选为：所述高压罐包括油缸套，所述油缸套的上端为开口设置，所述油缸套的下端设有穿插口；油缸活塞，所述油缸活塞的活塞杆部穿过所述油缸套的穿插口；和顶盖，安装在所述油缸套的上端位置。

如上述的深埋地层高压注浆模拟试验装置，进一步优选为：所述油缸套的外径为500mm，所述油缸套的内径为400mm，所述油缸套的高度为1000mm。

如上述的深埋地层高压注浆模拟试验装置，进一步优选为：所述顶盖为采用20mm厚度的钢板加工而成，与所述油缸套采用螺栓连接。

如上述的深埋地层高压注浆模拟试验装置，进一步优选为：所述油缸套为厚壁圆筒结构，采用铸造工艺加工而成；优选地，所述油缸套采用20mm厚度的铸钢材料铸造而成，可承受60MPa的注浆压力。

如上述的深埋地层高压注浆模拟试验装置，进一步优选为：所述排浆管为高压钢管；所述排浆管的出浆口为竖直向下设置。

如上述的深埋地层高压注浆模拟试验装置，进一步优选为：还包括：

溢流阀，设置在所述排浆管上，用于溢出浆液；优选地，还包括过滤装置，设置在所述排浆管上，用于过滤掉从所述高压罐内溢出的浆液中的水泥颗粒；再优选地，所述过滤装置设置在所述溢流阀的前端位置。

一种如上述的深埋地层高压注浆模拟试验装置的试验方法，其步骤包括：

步骤一、将深埋地层的模拟材料装入所述高压罐内，在所述高压罐内形成所述模拟深埋地层；

步骤二、将所述高压罐吊放到所述压力机内；

步骤三、通过所述压力机对所述高压罐施加竖向荷载；

步骤四、通过所述高压注浆泵向所述模拟深埋地层中注入压力水，以模拟裂隙承压水；继续调整所述压力机的压力值，以精确所述模拟深埋地层的地压值；

步骤五、调整好地压值后，采用所述高压注浆泵向所述高压罐的所述模拟深埋地层注入水泥浆；在注浆过程中，通过埋入在所述模拟深埋地层中的所述传感器实时监测注浆压力的传递变化规律和浆液扩散情况；

步骤六、当注浆压力高于设计值时，通过所述溢流阀自动溢出多余浆液、保证注浆压力稳定在设计值；

步骤七、注浆结束后，当浆液达到设计养护期后，打开所述高压罐，获取注浆结实体，进行其微观研究和强度试验，以分析评价其注浆效果。

分析可知，与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

一、本发明提供的深埋地层高压注浆模拟试验装置以高压罐为容纳空间，在高压罐内装有模拟深埋地层，通过高压注浆泵往模拟深埋地层内注浆，以实现深埋地层的高压注浆的模拟。本发明通过设置高压罐就能实现模拟深埋地层的地面预注浆技术的研究，使得本发明具有结构简单、实用性能强和模拟精确度高的特点。

二、本发明的油缸套为大直径油缸套并且采用20mm厚的高强铸钢材料铸造而成，可承受60MPa超高压的注浆压力，可模拟2000m深埋地层的地面预注浆技术研究。

三、本发明在高压管路中安装了单向阀，可实现在高地压和高承压水的模拟深埋地层中进行模拟注浆。

四、本发明在排浆管中安装了溢流阀，当注浆压力高于设计值时，可自动溢出多余浆液、保证注浆压力稳定在设计压力值。

附图说明

图1为本发明优选实施例的深埋地层高压注浆模拟试验装置的结构示意图；

图中：1-高压注浆泵；2-高压管路；3-单向阀；4-油缸套；5-高压管阀门；6-模拟深埋地层；7-油缸活塞；8-排浆管；9-过滤装置；10-溢流阀；11-出浆口；12-长柱式压力机上盖板；13-长柱式压力机下盖板；14-高压罐。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明优选实施例的深埋地层高压注浆模拟试验装置主要包括高压罐14，用于容纳模拟深埋地层6；压力机(未图示)，用于向高压罐14内的模拟深埋地层6施加竖向地应力；高压注浆泵1，通过高压管路2与高压罐14相连通，用于向高压罐14内施加压力水并注浆；排浆管8，与高压罐14相连通；和传感器(未图示)，置于模拟深埋地层6中，用于实时监测注浆压力的传递变化规律和浆液扩散情况。优选为，传感器为分布式光纤传感器。

总而言之，本发明提供的深埋地层高压注浆模拟试验装置以高压罐14为容纳空间，在高压罐14内装有模拟深埋地层6，通过高压注浆泵1往模拟深埋地层6内注浆，以实现深埋地层的高压注浆的模拟。本发明通过设置高压罐14就能实现模拟深埋地层6的地面预注浆技术的研究，使得本发明具有结构简单、实用性能强和模拟精确度高的特点。

在本发明中，高压注浆泵1可以实施单液或双液注浆。

在本发明中，为了能够使注浆的浆液能够渗透模拟深埋地层6，本发明的高压管路2和排浆管8对称设置在高压罐14的两侧。高压管路2和排浆管8均通过高压管阀门5与高压罐14相连通。

为了能够节省空间和便于安装，如图1所示，本发明的高压管路2为高压软管。为了防止注入高压罐14内压力水返回高压注浆泵1，如图1所示，本发明还包括单向阀3，单向阀3安装在高压管路2上，压力水通过单向阀3由高压注浆泵1向高压罐14注入；在高压管路2(即进浆管路)上安装了单向阀3(即单向控制阀)，可实现在高地压和高承压水的深埋地层中进行模拟注浆。

为了能够提供模拟深埋地层6的安装空间并提供模拟运行工作，如图1所示，本发明的高压罐14为大直径高压罐。具体为，高压罐14包括油缸套4，油缸套4的上端为开口设置，油缸套4的下端设有穿插口；油缸套4的外径为500mm，油缸套4的内径为400mm，油缸套的高度为1000mm；油缸活塞7，油缸活塞7的活塞杆部穿过油缸套4的穿插口，油缸活塞7的本体部的直径为400mm；顶盖，安装在油缸套4的上端位置；具体为，顶盖为采用20mm厚度的钢板加工而成，与油缸套4采用螺栓连接，优选地，在本发明中采用高强螺栓。优选为，油缸套4为厚壁圆筒结构，采用铸造工艺加工而成，油缸套可承受注浆压力为60MPa。优选地，油缸套采用20mm厚度的高强铸钢材料铸造而成，可承受60MPa的注浆压力，可模拟2000m深埋地层的地面预注浆技术研究。

如图1所示，在本发明中，排浆管8为高压钢管。为了便于排出浆液，如图1所示，本发明的排浆管8的出浆口11为竖直向下设置。如图1所示，本发明还包括溢流阀10，设置在排浆管8上，用于溢出浆液。为了对溢流阀10进行保护以及对模拟深埋地层6进行保护，如图1所示，本发明还包括过滤装置9，设置在排浆管8上，用于过滤掉溢出浆液中的水泥颗粒。优选为，过滤装置9位于溢流阀10的前端位置。

为了能够精确实现对高压罐14内的模拟深埋地层6施加竖向地应力，本发明的压力机为长柱式压力机。长柱式压力机包括长柱式压力机上盖板12和长柱式压力机下盖板13；其施加竖向地应力的方式为，长柱式压力机上盖板12位于高压罐14的顶盖的上方，长柱式压力机下盖板13位于高压罐14的油缸活塞7的下方；通过长柱式压力机上盖板12和长柱式压力机下盖板13的收紧实现施加竖向地应力。

本发明还提供一种深埋地层高压注浆模拟试验方法，其步骤包括：

步骤一、根据相似理论，进行相似材料配制试验，得到深埋地层的模拟材料，将深埋地层的模拟材料装入高压罐14的油缸套4内，在高压罐14的油缸套4内形成模拟深埋地层6；

步骤二、将高压罐14吊放到压力机的长柱式压力机下盖板13上，安装并调试好深埋地层高压注浆模拟试验装置；

步骤三、下放压力机的长柱式压力机上盖板12，通过压力机对高压罐14施加竖向荷载，由油缸活塞7运动施加给模拟深埋地层6竖向垂直应力；

步骤四、通过高压注浆泵1向模拟深埋地层6中注入压力水，以模拟裂隙承压水；继续调整压力机的压力值，以精确模拟深埋地层6的地压值；

步骤五、当一切准备就绪后，采用高压注浆泵1向高压罐14的油缸套4内的模拟深埋地层6注入水泥浆；在注浆过程中，通过埋入在模拟深埋地层6中的分布式光纤传感器实时监测注浆压力的传递变化规律和浆液扩散情况；

步骤六、当注浆压力高于设计值时，通过溢流阀10自动溢出多余浆液、保证注浆压力稳定在设计值；

步骤七、注浆结束后，当浆液达到设计养护期后，打开高压罐14，获取注浆结实体，进行其微观研究和强度试验，以分析评价其注浆效果。

分析可知，与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

一、本发明提供的深埋地层高压注浆模拟试验装置以高压罐14为容纳空间，在高压罐14内装有模拟深埋地层6，通过高压注浆泵1往模拟深埋地层6内注浆，以实现深埋地层的高压注浆的模拟。本发明通过设置高压罐14就能实现模拟深埋地层6的地面预注浆技术的研究，使得本发明具有结构简单、实用性能强和模拟精确度高的特点。

二、本发明的油缸套4为大直径油缸套并且采用20mm厚的高强铸钢材料铸造而成，可承受60MPa超高压的注浆压力，可模拟2000m深埋地层的地面预注浆技术研究。

三、本发明在高压管路2中安装了单向阀3，可实现在高地压和高承压水的模拟深埋地层6中进行模拟注浆。

四、本发明在排浆管8中安装了溢流阀10，当注浆压力高于设计值时，可自动溢出多余浆液、保证注浆压力稳定在设计压力值。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种深埋地层高压注浆模拟试验装置，其特征在于，包括：

高压罐，用于容纳模拟深埋地层；

压力机，用于向所述高压罐内的所述模拟深埋地层施加竖向地应力；

高压注浆泵，通过高压管路与所述高压罐相连通，用于向所述高压罐内施加压力水并注浆；

排浆管，与所述高压罐相连通；和

传感器，置于所述模拟深埋地层中，用于实时监测注浆压力的传递变化规律和浆液扩散情况。

2.根据权利要求1所述的深埋地层高压注浆模拟试验装置，其特征在于：

所述高压管路为高压软管。

3.根据权利要求1所述的深埋地层高压注浆模拟试验装置，其特征在于，还包括：

单向阀，所述单向阀安装在所述高压管路上，用于控制压力水由所述高压注浆泵向所述高压罐内注入，以模拟深埋地层中的承压水。

4.根据权利要求1所述的深埋地层高压注浆模拟试验装置，其特征在于，所述高压罐包括：

油缸套，所述油缸套的上端为开口设置，所述油缸套的下端设有穿插口；

油缸活塞，所述油缸活塞的活塞杆部穿过所述油缸套的穿插口；和

顶盖，安装在所述油缸套的上端位置。

5.根据权利要求4所述的深埋地层高压注浆模拟试验装置，其特征在于：

所述油缸套的外径为500mm，所述油缸套的内径为400mm，所述油缸套的高度为1000mm。

6.根据权利要求4所述的深埋地层高压注浆模拟试验装置，其特征在于：

所述顶盖为采用20mm厚度的钢板加工而成，与所述油缸套采用螺栓连接。

7.根据权利要求4所述的深埋地层高压注浆模拟试验装置，其特征在于：

所述油缸套为厚壁圆筒结构，采用铸造工艺加工而成；优选地，所述油缸套采用20mm厚度的铸钢材料铸造而成，可承受60MPa的注浆压力。

8.根据权利要求1所述的深埋地层高压注浆模拟试验装置，其特征在于：

所述排浆管为高压钢管；所述排浆管的出浆口为竖直向下设置。

9.根据权利要求8所述的深埋地层高压注浆模拟试验装置，其特征在于，还包括：

溢流阀，设置在所述排浆管上，用于溢出浆液；优选地，还包括过滤装置，设置在所述排浆管上，用于过滤掉从所述高压罐内溢出的浆液中的水泥颗粒；再优选地，所述过滤装置设置在所述溢流阀的前端位置。

10.一种根据权利要求1至9任一所述的深埋地层高压注浆模拟试验装置的试验方法，其特征在于，步骤包括：

步骤一、将深埋地层的模拟材料装入所述高压罐内，在所述高压罐内形成所述模拟深埋地层；

步骤二、将所述高压罐吊放到所述压力机内；

步骤三、通过所述压力机对所述高压罐施加竖向荷载；

步骤四、通过所述高压注浆泵向所述模拟深埋地层中注入压力水，以模拟裂隙承压水；继续调整所述压力机的压力值，以精确所述模拟深埋地层的地压值；

步骤五、调整好地压值后，采用所述高压注浆泵向所述高压罐的所述模拟深埋地层注入水泥浆；在注浆过程中，通过埋入在所述模拟深埋地层中的所述传感器实时监测注浆压力的传递变化规律和浆液扩散情况；

步骤六、当注浆压力高于设计值时，通过所述溢流阀自动溢出多余浆液、保证注浆压力稳定在设计值；

步骤七、注浆结束后，当浆液达到设计养护期后，打开所述高压罐，获取注浆结实体，进行其微观研究和强度试验，以分析评价其注浆效果。