CN109541182A - 一种可视化检测裂隙注浆模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可视化检测裂隙注浆模拟试验装置及试验方法，属于地层裂隙注浆技术领域，包括：注浆池通过第一高压管路与高压注浆泵的入口连通；试验箱体试验箱体由透明有机玻璃板构成，试验箱体的上端预留注浆圆孔，试验箱体侧壁底端设有位移刻度，注浆圆孔内设置有注浆管，注浆管下端插入煤层底板模拟裂隙中，注浆管上端位于试验箱体上方；高压注浆泵的出口通过第二高压管路与注浆管上端连通；第二高压管路上沿浆液流动方向依次设置有监测系统、单向阀和限压阀，溢流阀设置在注浆管上。本发明以有机玻璃试验箱体为容纳空间，通过高压注浆泵往煤层底板模拟裂隙内注浆，以实现煤层底板裂隙的高压注浆效果的模拟，实用性能强、模拟精确度高。

Description

一种可视化检测裂隙注浆模拟试验装置及试验方法
技术领域
本发明属于地层裂隙注浆技术领域，具体涉及一种可视化检测裂隙注浆模拟试验装置及试验方法。
背景技术
在矿山地层裂隙注浆施工中，采用高压注浆技术可以短时间内充填裂隙、改善稳定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。随着煤层埋深的不断加大，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，更加难以判定浆液的扩散程度和结石程度，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，施工过程中，围岩的稳定性较差，极易产生地层裂隙，现阶段注浆施工难度大，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，给地下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
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种可视化检测裂隙注浆模拟试验装置，系统地进行深部地层裂隙注浆扩散规律、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。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可视化检测裂隙注浆模拟试验装置，包括注浆池、高压注浆泵、监测系统、单向阀、溢流阀、限压阀、煤层底板模拟裂隙和试验箱体：
所述煤层底板模拟裂隙为块状结构，所述煤层底板模拟裂隙的顶面一部分为平面另一部分为凹凸不平的曲面；
所述注浆池，用于存储浆液，所述注浆池通过第一高压管路与所述高压注浆泵的入口连通；
所述试验箱体，用于容纳所述煤层底板模拟裂隙，所述煤层底板模拟裂隙四周与所述试验箱体内壁接触，所述试验箱体由透明有机玻璃板构成，所述试验箱体的上端设置有箱盖，所述箱盖中间预留有注浆圆孔，所述试验箱体侧壁底部设有位移刻度，所述注浆圆孔内设置有注浆管，所述注浆管下端插入所述煤层底板模拟裂隙中，所述注浆管上端位于所述试验箱体上方；
所述高压注浆泵，用于向所述煤层底板模拟裂隙内施加压力水并注浆，所述高压注浆泵的出口通过第二高压管路与所述注浆管上端连通；
所述第二高压管路上沿浆液流动方向依次设置有所述监测系统、单向阀和限压阀，所述溢流阀设置在所述注浆管上；
所述单向阀，用于控制所述浆液由所述高压注浆泵向所述试验箱体注入，不能从所述试验箱体倒流至所述高压注浆泵；
所述限压阀，用于控制注浆压力，及时限压稳流，满足注浆所需效果；
所述监测系统，用于实时监测注浆压力的传递变化规律和浆液扩散情况。
优选地，所述第一高压管路和第二高压管路均为高压软管。
优选地，所述煤层底板模拟裂隙由环氧树脂材料预制，预制可以改变模拟裂隙不同宽度和长度。
优选地，所述试验箱体为采用mm厚度的透明有机玻璃加工而成的立方体，所述试验箱体采用榫卯连接。
优选地，所述注浆管为抗腐蚀高压钢管。
优选地，所述溢流阀的出浆口为竖直向上设置。
优选地，所述监测系统包括流量计和压力计。
优选地，所述单向阀前端的第二高压管路上设置有滤装网，所述过滤网前端的所述第二高压管路上设置有清洗口，所述清洗口上设置有密封塞，用于过滤掉从所述注浆池内流出的浆液中的水泥颗粒。
本发明的另一目的在于提供一种可视化检测裂隙注浆模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：
步骤一、在所述试验箱体内预制所述煤层底板模拟裂隙，所述煤层底板模拟裂隙与所述试验箱体之间采用密封胶粘接；
步骤二、通过第一高压管路、第二高压管路和注浆管将所述注浆池、高压注浆泵、监测系统、单向阀、溢流阀、限压阀和试验箱体连通构成回路；
步骤三、先通过高压注浆泵向所述试验箱体注水模拟注浆过程；；
步骤四、根据不同注浆材料配比在所述注浆池分别配制不同注浆材料；
步骤五、配制好注浆材料后，采用所述高压注浆泵向所述试验箱体的煤层底板模拟裂隙内注入浆液；在注浆过程中，通过所述监测系统实时检测第二高压管路上浆液的压力和流量，监测注浆压力的传递变化规律，肉眼实时观察浆液的扩散情况；
步骤六、当浆体注满整个煤层底板模拟裂隙时，通过所述溢流阀自动溢出多余浆液，保证实时注浆效果；
步骤七、注浆结束后，当浆液达到设计养护期后，打开所述试验箱体，获取注浆结实体，进行微观研究和强度试验，分析评价注浆效果；
步骤八、清洗管路，重复进行不同注浆材料试验。
本发明提供的可视化检测裂隙注浆模拟试验装置及试验方法具有以下有益效果：
(1)本发明以试验箱体为容纳空间，在试验箱体内装有模拟地层不同裂隙，通过高压注浆泵往煤层底板模拟裂隙内注浆，以实现地层的裂隙高压注浆的模拟；通过设置透明试验箱体就能实现煤层底板模拟裂隙注浆效果的研究，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。
(2)本发明的透明试验箱体采用20mm厚的有机玻璃构造而成，可承受60MPa超高压的注浆压力，有机玻璃成透明状，可用肉眼观测注浆过程，可模拟深埋地层裂隙的注浆效果研究。
(3)本发明在高压管路中安装了单向阀，可控制浆液流向，注浆管路上的过滤装置用以过滤掉从浆池内流出的浆液中的水泥颗粒。
(4)本发明在高压管路中安装了限压阀，可调整注浆压力，稳定浆液流动。
(5)本发明在试验箱体上方安装了溢流阀，当浆液实时充满裂隙时，可通过溢流阀自动溢出多余浆液。
附图说明
图1为本发明实施例1的可视化检测裂隙注浆模拟试验装置的结构示意图。
附图标记说明：
1-注浆池；2-高压注浆泵；3-监测系统；4-单向阀；5-溢流阀；6-限压阀；7-煤层底板模拟裂隙；8-试验箱体；9-第一高压管路；10-注浆管；11-位移刻度；12-第二高压管路；13-浆液；14-箱盖；15-过滤网；16-密封塞。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述，对技术方案进行清楚、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。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围，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。
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。
实施例1
本发明提供了一种可视化检测裂隙注浆模拟试验装置，具体如图1所示，包括注浆池1、高压注浆泵2、监测系统3、单向阀4、溢流阀5、限压阀6、煤层底板模拟裂隙7和试验箱体8：本实施例中，监测系统3包括流量计和压力计。各部分的结构和功能如下所述：
煤层底板模拟裂隙7为块状结构，煤层底板模拟裂隙7的顶面一部分为平面另一部分为凹凸不平的曲面；
注浆池1，用于存储浆液13，注浆池1通过第一高压管路9与高压注浆泵2的入口连通；
试验箱体8，用于容纳煤层底板模拟裂隙7，煤层底板模拟裂隙7四周与试验箱体8内壁接触，试验箱体8由透明有机玻璃板构成，试验箱体8的上端设置有箱盖14，箱盖14中间预留有注浆圆孔，试验箱体8侧壁底部设有位移刻度11，注浆圆孔内设置有注浆管10，注浆管10下端插入煤层底板模拟裂隙7中，注浆管10上端位于试验箱体8上方；
高压注浆泵2，用于向煤层底板模拟裂隙7内施加压力水并注浆，高压注浆泵2的出口通过第二高压管路12与注浆管10上端连通；
第二高压管路12上沿浆液13流动方向依次设置有监测系统3、单向阀4和限压阀6，溢流阀5设置在注浆管10上；
单向阀4，用于控制浆液13由高压注浆泵2向试验箱体8注入，不能从试验箱体8倒流至高压注浆泵2；
限压阀6，用于控制注浆压力，及时限压稳流，满足注浆所需效果；
监测系统3，用于实时监测注浆压力的传递变化规律和浆液13扩散情况。
煤层底板模拟裂隙7由环氧树脂材料预制，预制可以改变模拟裂隙不同宽度和长度。
本实施例中，试验箱体8为采用20mm厚度的透明有机玻璃加工而成的立方体，试验箱体8采用榫卯连接。
为了防止单向阀4堵塞，单向阀4前端的第二高压管路12上设置有滤装网15，过滤网15前端的第二高压管路12上设置有清洗口，清洗口上设置有密封塞16，用于过滤掉从注浆池1内流出的浆液13中的水泥颗粒。
在本实施例中，高压注浆泵2可以实施单液或双液注浆。
在本实施例中，为了能够使注浆的浆液能够渗透煤层底板模拟裂隙7，本发明的第一高压管路9、第二高压管路12和注浆管10设置在透明有机玻璃试验箱体8的上方。第一高压管路9、第二高压管路12和注浆管10均通过试验箱体8上方预留注浆孔与煤层底板模拟裂隙7相连通。
为了能够节省空间和便于安装，如图1所示，本实施例的第一高压管路9和第二高压管路12均为高压软管。压力浆液通过单向阀4由高压注浆泵2向透明有机玻璃试验箱体8注入。
本实施例中，注浆管10为高压钢管。为了便于排出浆液，如图1所示，本发明的注浆管10的出浆口为竖直向上设置。本实施例中的溢流阀5设置在注浆管10上，用于溢出浆液。
本实施例还提供一种可视化检测裂隙注浆模拟试验装置的试验方法，具体步骤如下所述：
S1、在试验箱体8内预制煤层底板模拟裂隙7，煤层底板模拟裂隙7与试验箱体8之间采用密封胶粘接；
S2、通过第一高压管路9、第二高压管路12和注浆管10将注浆池1、高压注浆泵2、监测系统3、单向阀4、溢流阀5、限压阀6和试验箱体8连通构成回路；
S3、先通过高压注浆泵2向试验箱体8注水模拟注浆过程；；
S4、根据不同注浆材料配比在注浆池1分别配制不同注浆材料；
S5、配制好注浆材料后，采用高压注浆泵2向试验箱体8的煤层底板模拟裂隙7内注入浆液13；在注浆过程中，通过监测系统3实时检测第二高压管路12上浆液13的压力和流量，监测注浆压力的传递变化规律，肉眼实时观察浆液13的扩散情况；
S6、当浆体注满整个煤层底板模拟裂隙7时，通过溢流阀5自动溢出多余浆液13，保证实时注浆效果；
S7、注浆结束后，当浆液13达到设计养护期后，打开试验箱体8，获取注浆结实体，进行微观研究和强度试验，分析评价注浆效果；
S8、清洗管路，重复进行不同注浆材料试验。
分析可知，本实施例提供的可视化检测裂隙注浆模拟试验装置及试验方法具有以下有益效果：
本实施例的透明试验箱体采用20mm厚的有机玻璃构造而成，可承受60MPa超高压的注浆压力，有机玻璃成透明状，可用肉眼观测注浆过程，可模拟深埋地层裂隙的注浆效果研究；在高压管路中安装了单向阀，可控制浆液流向，注浆管路上的过滤装置用以过滤掉从所述浆池内流出的浆液中的水泥颗粒；在高压管路中安装了限压阀，可调整注浆压力，稳定浆液流动；在试验箱体上方安装了溢流阀，当浆液实时充满裂隙时，可通过溢流阀自动溢出多余浆液。
本实施例提供的深埋地层裂隙高压注浆模拟试验装置以透明有机玻璃试验箱体8为容纳空间，在试验箱体8内装有煤层底板模拟裂隙7，通过高压注浆泵2往煤层底板模拟裂隙7内注浆，以实现深埋地层裂隙不同浆体的高压注浆效果的模拟。本发明通过设置有机玻璃试验箱体8就能实现煤层底板模拟裂隙7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。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可视化检测裂隙注浆模拟试验装置，其特征在于，包括注浆池(1)、高压注浆泵(2)、监测系统(3)、单向阀(4)、溢流阀(5)、限压阀(6)、煤层底板模拟裂隙(7)和试验箱体(8)：
所述煤层底板模拟裂隙(7)为块状结构，所述煤层底板模拟裂隙(7)的顶面一部分为平面另一部分为凹凸不平的曲面；
所述注浆池(1)，用于存储浆液(13)，所述注浆池(1)通过第一高压管路(9)与所述高压注浆泵(2)的入口连通；
所述试验箱体(8)，用于容纳所述煤层底板模拟裂隙(7)，所述煤层底板模拟裂隙(7)四周与所述试验箱体(8)内壁接触，所述试验箱体(8)由透明有机玻璃板构成，所述试验箱体(8)的上端设置有箱盖(14)，所述箱盖(14)中间预留有注浆圆孔，所述试验箱体(8)侧壁底部设有位移刻度(11)，所述注浆圆孔内设置有注浆管(10)，所述注浆管(10)下端插入所述煤层底板模拟裂隙(7)中，所述注浆管(10)上端位于所述试验箱体(8)上方；
所述高压注浆泵(2)，用于向所述煤层底板模拟裂隙(7)内施加压力水并注浆，所述高压注浆泵(2)的出口通过第二高压管路(12)与所述注浆管(10)上端连通；
所述第二高压管路(12)上沿浆液(13)流动方向依次设置有所述监测系统(3)、单向阀(4)和限压阀(6)，所述溢流阀(5)设置在所述注浆管(10)上；
所述单向阀(4)，用于控制所述浆液(13)由所述高压注浆泵(2)向所述试验箱体(8)注入，不能从所述试验箱体(8)倒流至所述高压注浆泵(2)；
所述限压阀(6)，用于控制注浆压力，及时限压稳流；
所述监测系统(3)，用于实时监测注浆压力的传递变化规律和浆液(13)扩散情况。
2.根据权利要求1所述的可视化检测裂隙注浆模拟试验装置，其特征在于，所述第一高压管路(9)和第二高压管路(12)均为高压软管。
3.根据权利要求1所述的可视化检测裂隙注浆模拟试验装置，其特征在于，所述煤层底板模拟裂隙(7)由环氧树脂材料预制。
4.根据权利要求1所述的可视化检测裂隙注浆模拟试验装置，其特征在于，所述试验箱体(8)为采用20mm厚度的透明有机玻璃加工而成的立方体，所述试验箱体(8)采用榫卯连接。
5.根据权利要求1所述的可视化检测裂隙注浆模拟试验装置，其特征在于，所述注浆管(10)为抗腐蚀高压钢管。
6.根据权利要求1所述的可视化检测裂隙注浆模拟试验装置，其特征在于，所述溢流阀(5)的出浆口为竖直向上设置。
7.根据权利要求1所述的可视化检测裂隙注浆模拟试验装置，其特征在于，所述监测系统(3)包括流量计和压力计。
8.根据权利要求1所述的可视化检测裂隙注浆模拟试验装置，其特征在于，所述单向阀(4)前端的第二高压管路(12)上设置有过滤网(15)，所述过滤网(15)前端的所述第二高压管路(12)上设置有清洗口，所述清洗口上设置有密封塞(16)。
9.根据权利要求1至8任一项所述的可视化检测裂隙注浆模拟试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在所述试验箱体(8)内预制所述煤层底板模拟裂隙(7)，所述煤层底板模拟裂隙(7)与所述试验箱体(8)之间采用密封胶粘接；
步骤二、通过第一高压管路(9)、第二高压管路(12)和注浆管(10)将所述注浆池(1)、高压注浆泵(2)、监测系统(3)、单向阀(4)、溢流阀(5)、限压阀(6)和试验箱体(8)连通构成回路；
步骤三、先通过高压注浆泵(2)向所述试验箱体(8)注水模拟注浆过程；；
步骤四、根据不同注浆材料配比在所述注浆池(1)分别配制不同注浆材料；
步骤五、配制好注浆材料后，采用所述高压注浆泵(2)向所述试验箱体(8)的煤层底板模拟裂隙(7)内注入浆液(13)；在注浆过程中，通过所述监测系统(3)实时检测第二高压管路(12)上浆液(13)的压力和流量，监测注浆压力的传递变化规律，肉眼实时观察浆液(13)的扩散情况；
步骤六、当浆体注满整个煤层底板模拟裂隙(7)时，通过所述溢流阀(5)自动溢出多余浆液(13)；
步骤七、注浆结束后，当浆液(13)达到设计养护期后，打开所述试验箱体(8)，获取注浆结实体，进行微观研究和强度试验，分析评价注浆效果；
步骤八、清洗管路，重复进行不同注浆材料试验。
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