CN107389898A - 动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置及方法，装置包括实验箱体、水压控制加载系统、垂直、侧向液压加载机构、双液化学注浆系统和与计算机连接的测试系统。方法采用在实验箱体内填充煤系地层物理相似模拟材料、隔水地层以及一定高度的含水层的工程地质力学实验模型，在循环动水压力、垂直与水平侧向应力条件下密闭地进行含水层注浆堵水加固可视化物理模拟试验，获取或定量描述和分析动水条件下含水砂岩层或流沙层内部双液化学浆液的扩散规律，实现相似涌水或突水条件下双液组分化学注浆堵水过程可视化模拟试验。该方法能有效认识和揭示开采动水条件下浆液的扩散与固结特征，确定合理注浆堵水参数并对注浆效果进行评价。

Description

动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置与方法

技术领域

本发明涉及煤矿动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置与方法，能够较好地模拟煤矿井巷工程流沙层段围岩体变形破坏规律，化学注浆加固堵水机理与控制效果。属矿井围岩灾害防治领域。

背景技术

随着地下煤矿开采深度增加、工程地质环境的恶化，经常会遇到涌水、流砂、淤泥等不良(有害)地层，易导致巷道顶板垮落、片帮、冒顶且造成永久支护的下沉变形，造成掘进施工条件进一步恶化，施工难度极大。同时围岩体中的节理、采动裂隙、不良地质构造等为地下水体提供了良好的导水通道，更易导致矿井涌水量突变增加甚至造成矿井水灾害，给工作面安全生产和正常掘进均带来较大巨大挑战。注浆堵水加固成为地下煤矿开采工程领域内大流量涌水灾害治理的主要手段，传统的颗粒型注浆材料，如水泥类，水泥-水玻璃类注浆材料可注性差，在动水条件下传统水泥浆液容易稀释、分散，越来越难以满足工程需要；而粘度低、流动性好，可注入微裂隙、具有较大的凝固时间调节范围的化学注浆材料近年来越来越多地应用于煤矿井下涌水工程治理中。

由于地下工程一般具有较为复杂的工程地质结构，长期以来，注浆加固施工工艺多依赖传统经验，浆液扩散与岩层固结规律、注浆效果由于裂隙介质非均质性、各向异性的特征，给注浆参数确定和效果评价带来一定的困难，开展相应的注浆过程可视化物理模型模拟试验的研究相对较少。

发明内容

本发明提供一种动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置与方法，目的在于通过这种方法实现相似涌水或突水条件下双液组分化学注浆堵水过程可视化模拟试验；能有效认识和揭示开采动水条件下浆液的扩散与固结特征，确定合理注浆堵水参数并对注浆效果进行评价，为进一步深入研究注浆堵水工艺及矿井水灾害治理技术提供理论基础。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供了一种动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置，包括一个钢构反力架，一个设置在钢构反力架下方的地层模型实验箱体，地层模型实验箱体内设有按照一定相似比例铺装的工程地质力学实验模型；在地层模型实验箱体的后侧和自平衡反力架下方分别设有侧部液压加载机构和顶部液压加载机构；在地层模型实验实验箱体两侧分别设有与渗流水压加载系统循环管道相连通的渗流进水通道；还包括一个与双液化学注浆系统相连、并延伸到地层模型实验箱体内的注浆管；在地层模型实验箱体上和工程地质力学实验模型内部分别设有连接到数据采集与控制系统的传感器；通过对地层模型实验箱体和其内的工程地质力学实验模型的施加机械压力和循环稳定水压力，进一步对注浆堵水加固效果进行评价。

进一步，所述顶部液压加载机构包括与液压加载控制系统相连的垂向作动器，垂向作动器连接活动推力隔板，活动推力隔板上设置若干个可进入地层模型实验箱体的圆形钻孔；所述侧部液压加载机构包括与液压加载控制系统相连的侧向作动器，侧向作动器连接外加推力隔板。

进一步，所述自平衡反力架外形尺寸为框型架，框型架的顶部和侧向分别设有与液压加载控制系统相连的垂向作动器和侧向作动器。

进一步，所述地层模型实验箱体为刚性框架结构，箱体的前面由多个透明钢化玻璃板拼装组成，玻璃板之间通过刚性条连接，玻璃板与板之间，玻璃板与刚性条之间分别设置有塑料密封条；箱体的后面采用宽为100mm，长为2500mm槽钢拼接而成，槽钢之间设有塑料密封条，外加推力隔板施压在槽钢上。

进一步，沿所述地层模型实验箱体刚性框架结构上方和后侧面设置有若干个与传感器数据采集与显示装置连接的压力传感器；地层模型实验箱体两侧面不同水平位置设置若干个微型水压力和流量传感器，传感器经密封装置连接数据采集器，并接入计算机数据采集系统。

进一步，所述渗流进水通道沿地层模型实验箱体高度方向设置为八个层位的分层渗流进水通道，地层模型实验箱体侧面设有不锈钢的箱体网孔过滤板，渗流进水通道与渗流水压加载系统相连接形成有压动水循环。

进一步，由渗流水压加载系统与地层模型实验箱体、水路循环管道、变频增压水泵和水压稳压装置串联构成有压动水循环系统；在地层模型实验箱体上设有压力流量控制器。

进一步，所述双液化学注浆系统包括相互连通的双组分化学浆液料罐、吸料管、双组分化学注浆泵、输料管、注射枪和注射管，双液化学注浆系统通过无缝刚性注浆管连通至地层模型实验箱体内的活动推力隔板上的若干个圆形钻孔，将双液化学注浆注入工程地质力学实验模型中。

相应地，本发明还提供了一种动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验方法，包括下述步骤：

1)建立模拟试验模型：

按照具体工程煤系地层柱状以及物理模型实验中各个地下岩层物理相似材料配比，分层加装非亲水性相似材料构成工程地质力学实验模型，同时在地层结构模型内部含水层上部和下部分别设置隔水层，在模型含水层下煤系地层不同水平设置压力传感器；在工程地质力学实验模型内含水层层位设置连接数据采集器并接入数据采集系统的水压力和流量传感器；

2)待工程地质力学实验模型自然干燥后在其外表面增加隔水膜；置于地层模型实验箱体中，并接入垂向作动器及液压加载控制系统；密闭试压；

3)启动液压加载控制系统，逐级施加垂直、侧向荷载，至预设定荷载，监测应力数据；

4)通过渗流水压加载系统的控制器启动水压水量控制泵组，在工程地质力学实验模型含水层部位按照一定流速施加循环稳定水压力，直至达到设置水压；

5)在地层模型实验箱体上部通过预留孔按照设计角度和深度在工程地质力学实验模型钻进注浆钻孔，钻孔终孔位于不同深度的含水层；

6)启动双液化学注浆系统，按照一定的注浆压力和流量沿注浆管向含水层注浆，采集记录注浆压力参数，根据实际情况进行数据调整或停止注浆；同时观测箱体水渗流压力、流量变化数据；

7)拔出注浆管，利用钻孔窥视仪或钻孔电视查看钻孔内部岩层加固范围及裂隙情况，打开地层结构模型，按层序拆除模型，分步拍照，记录实验过程中浆液扩散范围及流沙层加固情况，并结合注浆参数与工艺过程，对注浆堵水加固效果进行评价；

8)修改试验参数，重复步骤4)～7)；

9)分析不同时刻的地层结构模型中含水流沙层中水压力、流量变化特征，提出双液化学注浆在动水流沙层中的加固机理，并对注浆效果进行评价。

进一步，所述地层模型实验箱体2的耐压强度为12-15MPa；

所述作动器最大推力1000kN，最大拉力300kN，行程200mm；

所述渗流水压加载系统1的最大供水压力为0.1-0.3MPa；

所述双液化学注浆系统3注浆泵压力可以在0-12.5MPa之间调整，注浆流量为6-12.6L/min。

与现有技术比较，本发明的优点在于采用在实验箱体内填充煤系地层及不同粒径含水层流沙模拟材料的方式，在循环动水压力、垂直与侧向水平应力条件下密闭地进行砂岩含水层注浆堵水加固可视化物理模拟试验，获取或定量描述和分析动水条件下含水砂岩层或流沙层内部化学浆液的扩散规律，并对注浆效果进行评价，能够实现相似涌水或突水条件下双液组分化学注浆堵水过程可视化模拟试验；实验箱体加载系统具有水压、地应力载荷各自独立的控制系统，更精确、稳定性更优；测试系统实现了对水压力、流量参数的实时监测；能有效认识和揭示开采动水条件下浆液的扩散与固结特征，确定合理注浆堵水参数并对注浆效果进行评价，将会为进一步深入研究注浆堵水工艺及矿井水灾害治理技术提供理论基础。

附图说明

图1为本发明试验装置结构示意图；

图2为本发明试验装置侧视图；

图3为本发明渗流水压加载系统示意图；

图4为本发明双液化学注浆系统示意图。

图中：1-渗流水压加载系统；2-地层模型实验箱体；3-双液化学注浆系统；3-1、双组分化学浆液料罐；3-2、吸料管；3-3、双组分化学注浆泵；3-4、输料管；3-5、注射枪；3-6、注射管；4-液压加载控制系统；5-自平衡反力架；6-垂向作动器；7-活动推力隔板；8-圆形钻孔；9-注浆管；10-透明钢化玻璃板；11-渗流进水通道；12-箱体网孔过滤板；13-外加推力隔板；14-侧向作动器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

如图1所示，本发明的动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置，包括一个钢构反力架5，一个设置在钢构反力架5下方的地层模型实验箱体2，在地层模型实验箱体2的一侧和自平衡反力架5下方分别设有顶部液压加载机构和侧部液压加载机构；在与侧部液压加载机构相邻的地层模型实验实验箱体2两侧分别设有与渗流水压加载系统1循环管道相连通的渗流进水通道11；在工程地质力学结构模型中分别设有连接到数据采集与控制系统的传感器；还包括一个与双液化学注浆系统3相连、并延伸到地层模型实验箱体2内的注浆管9；通过对地层模型实验箱体2内的工程地质力学结构模型的施加机械压力和循环稳定水压力，进一步对注浆堵水加固效果进行评价。

其中，顶部液压加载机构包括与液压加载控制系统4相连的垂向作动器6，垂向作动器6连接活动推力隔板7；侧部液压加载机构包括与液压加载控制系统4相连的侧向作动器14，侧向作动器14连接外加推力隔板13，见图2所示。液压加载控制系统4用于参数采集、显示与控制。

自平衡反力架5外形尺寸为3000×3000×5000mm的框型架，框型架的顶部和侧向分别设有与液压加载控制系统4相连的垂向作动器6和侧向作动器14，垂向作动器6和侧向作动器14最大推力1000kN，最大拉力300kN，行程200mm，作动器尾部通过法兰连接。

其中，地层模型实验箱体2为刚性框架结构，长×高×宽为2500×2000×1500mm的长方体，耐压强度为12-15MPa；箱体的前面由多个透明钢化玻璃板10拼装组成，玻璃板之间通过刚性条连接，玻璃板与板之间，玻璃板与刚性条之间分别设置有塑料密封条；箱体的后面采用宽为100mm，长为2500mm槽钢拼接而成，槽钢之间设有塑料密封条，外加推力隔板13施压在槽钢上。

如图3结合图1所示，在地层模型实验箱体2宽度方向一侧沿高度方向设置八个层位的分层渗流进水通道11，箱体侧面设有不锈钢的箱体网孔过滤板12，分别与左右侧渗流水压加载系统1相连接；另一侧设有水体收集装置，总体形成有压动水循环。渗流水压加载系统1(包括蓄水箱)与地层模型实验箱体2、水路循环管道、变频增压水泵和水压稳压装置串联构成循环系统，渗流进水通道11通过变频增压水泵进行供水，系统最大供水压力为0.1-0.3MPa，在地层模型实验箱体2上设有压力流量控制器，地层模型实验箱体2上的压力信号变化经压力流量控制器转换分别控制变频增压水泵和进水阀门，来控制至地层模型实验箱体2的水流大小。

在地层模型实验箱体2内设有非亲水性相似材料的制作的地层模型，实验箱体顶部设有活动推力隔板7，活动推力隔板7上设置若干个可进入地层模型实验箱体2的圆形钻孔8，钻孔直径为42mm，活动推力隔板7上设有由法兰连接的垂向作动器；沿所述地层模型实验箱体2刚性框架结构上设置有若干个与传感器数据采集与显示装置连接的压力传感器；地层模型实验箱体2两侧面不同水平位置设置若干个微型水压力和流量传感器，传感器经密封装置连接数据采集器，并接入计算机数据采集系统。

如图4所示，本实验装置的双液化学注浆系统3包括相互连通的双组分化学浆液料罐3-1(A组分、B组分)、吸料管3-2、双组分化学注浆泵3-3、输料管3-4、注射枪3-5和注射管3-6，双液化学注浆系统3通过无缝刚性注浆管9连通至地层模型实验箱体2内，注浆泵压力可以在0-12.5MPa之间调整，注浆流量为6-12.6L/min；通过实验箱体顶部推力隔板上若干个圆形钻孔注入实验地层模型。

下面给出动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验方法，包括：

1)建立模拟试验模型：

按照地下工程地层柱状图和物理相似理论，根据相似比、岩层物理力学性质参数确定各个地下岩层物理相似材料配比；

分层加装非亲水性相似材料构成工程地质力学结构模型，同时在地层结构模型内部含水层上部和下部分别设置隔水层，隔水层由建筑用防水材料或薄膜铺底组成，含水层本层由非亲水性材料或一定粒度范围的细沙组成；在模型含水层下煤系地层不同水平设置压力传感器；在工程地质力学实验模型内含水层层位设置连接数据采集器并接入数据采集系统的水压力和流量传感器，传感器经密封装置连接数据采集器，接入计算机数据采集系统；

2)卸去地层模型实验箱体2前后的透明钢化玻璃板，养护工程地质力学结构模型，待工程地质力学结构模型自然干燥后在其外表面增加隔水膜；然后安装前后透明钢化玻璃板，并接入垂向作动器6及液压加载控制系统4；关闭地层模型实验箱体2上下所有阀门，密闭试压，各传感器测试、监测设备处于工作状态；

3)根据地下岩层实际情况估算周围地应力特征，启动液压加载控制系统4，逐级施加垂直、侧向荷载，至预设定荷载，监测应力数据；

4)根据地下含水层水压力基础参数，通过变频加压水泵在含水层部位(层位高度或面积)按照一定流速施加循环稳定水压力，通过控制器启动水压水量控制泵组，直至达到设置水压；

5)在地层模型实验箱体2上部通过预留孔利用小孔钻机按照设计参数(角度和深度)钻进注浆钻孔，钻孔终孔位于不同深度的含水层；

6)启动双液化学注浆系统3，按照一定的注浆压力和流量沿注浆管9向含水层注浆，采集记录注浆压力参数，根据实际情况进行数据调整或停止注浆；同时观测箱体水渗流压力、流量变化数据；

7)拔出注浆管9，利用钻孔窥视仪或钻孔电视查看钻孔内部岩层加固范围及裂隙情况，打开地层结构模型，按层序拆除模型，分步拍照，记录实验过程中浆液扩散范围及流沙层加固情况，并结合注浆参数与工艺过程，对注浆堵水加固效果进行评价；

8)修改试验参数，重复步骤4)～7)；

9)数据分析与提炼：将试验过程及采集不同试验数据和信息，分析不同时刻的地层结构模型中含水流沙层中水压力、流量变化特征，定量描述和分析动水条件下含水砂岩层或流沙层内部化学浆液的扩散特征，提出双液化学注浆在动水流沙层中的加固机理，并对注浆效果进行评价。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置，其特征在于，包括一个钢构反力架(5)，一个设置在钢构反力架(5)下方的地层模型实验箱体(2)，地层模型实验箱体(2)内设有工程地质力学实验模型；在地层模型实验箱体(2)的后侧和自平衡反力架(5)下方分别设有侧部液压加载机构和顶部液压加载机构；在地层模型实验实验箱体(2)两侧分别设有与渗流水压加载系统(1)循环管道相连通的渗流进水通道(11)；还包括一个与双液化学注浆系统(3)相连、并延伸到地层模型实验箱体(2)内的注浆管(9)；在地层模型实验箱体(2)上和工程地质力学实验模型中分别设有连接到数据采集与控制系统的传感器；通过对地层模型实验箱体(2)和其内的工程地质力学实验模型的施加机械压力和循环稳定水压力，进一步对注浆堵水加固效果进行评价。

2.根据权利要求1所述的动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置，其特征在于，所述顶部液压加载机构包括与液压加载控制系统(4)相连的垂向作动器(6)，垂向作动器(6)连接活动推力隔板(7)，活动推力隔板(7)上设置若干个可进入地层模型实验箱体(2)的圆形钻孔(8)；所述侧部液压加载机构包括与液压加载控制系统(4)相连的侧向作动器(14)，侧向作动器(14)连接外加推力隔板(13)。

3.根据权利要求2所述的动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置，其特征在于，所述自平衡反力架(5)外形尺寸为框型架，框型架的顶部和侧向分别设有与液压加载控制系统(4)相连的垂向作动器(6)和侧向作动器(14)。

4.根据权利要求1所述的动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置，其特征在于，所述地层模型实验箱体(2)为刚性框架结构，箱体的前面由多个透明钢化玻璃板(10)拼装组成，玻璃板之间通过刚性条连接，玻璃板与板之间，玻璃板与刚性条之间分别设置有塑料密封条；箱体的后面采用宽为100mm，长为2500mm槽钢拼接而成，槽钢之间设有塑料密封条，外加推力隔板(13)施压在槽钢上。

5.根据权利要求4所述的动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置，其特征在于，沿所述地层模型实验箱体(2)刚性框架结构上方和后侧面设置有若干个与传感器数据采集与显示装置连接的压力传感器；地层模型实验箱体(2)两侧面不同水平位置设置若干个微型水压力和流量传感器，传感器经密封装置连接数据采集器，并接入计算机数据采集系统。

6.根据权利要求1所述的动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置，其特征在于，所述渗流进水通道(11)沿地层模型实验箱体(2)高度方向设置为八个层位的分层渗流进水通道，地层模型实验箱体(2)侧面设有不锈钢的箱体网孔过滤板(12)，渗流进水通道(11)与渗流水压加载系统(1)相连接形成有压动水循环。

7.根据权利要求6所述的动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置，其特征在于，由渗流水压加载系统(1)与地层模型实验箱体(2)、水路循环管道、变频增压水泵和水压稳压装置串联构成有压动水循环系统；在地层模型实验箱体(2)上设有压力流量控制器。

8.根据权利要求1所述的动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置，其特征在于，所述双液化学注浆系统(3)包括相互连通的双组分化学浆液料罐(3-1)、吸料管(3-2)、双组分化学注浆泵(3-3)、输料管(3-4)、注射枪(3-5)和注射管(3-6)，双液化学注浆系统(3)通过无缝刚性注浆管(9)连通至地层模型实验箱体(2)内的活动推力隔板(7)上的若干个圆形钻孔(8)，将双液化学注浆注入到工程地质力学实验模型中。

9.动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)建立模拟试验模型：

按照具体工程煤系地层柱状以及物理模型实验中各个地下岩层物理相似材料配比，分层加装非亲水性相似材料构成工程地质力学实验模型，同时在地层结构模型内部含水层上部和下部分别设置隔水层，在模型含水层下煤系地层不同水平设置压力传感器；在工程地质力学实验模型内含水层层位设置连接数据采集器并接入数据采集系统的水压力和流量传感器；

2)待工程地质力学实验模型自然干燥后在其外表面增加隔水膜；置于地层模型实验箱体2中，并接入垂向作动器(6)及液压加载控制系统(4)；密闭试压；

3)启动液压加载控制系统(4)，逐级施加垂直、侧向荷载，至预设定荷载，监测应力数据；

4)通过渗流水压加载系统(1)的控制器启动水压水量控制泵组，在工程地质力学实验模型含水层部位按照一定流速施加循环稳定水压力，直至达到设置水压；

5)在地层模型实验箱体(2)上部通过预留孔按照设计角度和深度在工程地质力学实验模型钻进注浆钻孔，钻孔终孔位于不同深度的含水层；

6)启动双液化学注浆系统(3)，按照一定的注浆压力和流量沿注浆管(9)向含水层注浆，采集记录注浆压力参数，根据实际情况进行数据调整或停止注浆；同时观测箱体水渗流压力、流量变化数据；

7)拔出注浆管(9)，利用钻孔窥视仪或钻孔电视查看钻孔内部岩层加固范围及裂隙情况，打开地层结构模型，按层序拆除模型，分步拍照，记录实验过程中浆液扩散范围及流沙层加固情况，并结合注浆参数与工艺过程，对注浆堵水加固效果进行评价；

8)修改试验参数，重复步骤4)～7)；

9)分析不同时刻的地层结构模型中含水流沙层中水压力、流量变化特征，提出双液化学注浆在动水流沙层中的加固机理，并对注浆效果进行评价。

10.根据权利要求9所述的动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验方法，其特征在于，所述地层模型实验箱体(2)的耐压强度为12-15MPa；

所述作动器最大推力1000kN，最大拉力300kN，行程200mm；

所述渗流水压加载系统(1)的最大供水压力为0.1-0.3MPa；

所述双液化学注浆系统(3)注浆泵压力可以在0-12.5MPa之间调整，注浆流量为6-12.6L/min。