CN111323308B

CN111323308B - 一种膨胀浆液带压膨胀性能测试装置及测试方法

Info

Publication number: CN111323308B
Application number: CN202010238134.2A
Authority: CN
Inventors: 丁立培; 赵晓凡; 孙玉宁; 宋维宾; 孙志东; 王志明; 黄小明
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2022-05-20
Anticipated expiration: 2040-03-30
Also published as: CN111323308A

Abstract

一种膨胀浆液带压膨胀性能测试装置，包括承载底座、增压泵、注浆罐、测试筒、控制阀、泄压阀、压力表，增压泵、注浆罐及测试筒均与承载底座上端面连接，增压泵一端通过导流管与注浆罐连通，另一端通过导流管与测试筒一端连通，测试筒另一端与泄压阀相互连通，导流管与增压泵、注浆罐、测试筒连接位置处均设一个控制阀，测试筒与导流管及泄压阀连通位置处及增压泵输出端与导流管连接位置处均设一个压力表。其测试方法包括设备装配，检测预制，检测作业及设备复位等四个步骤。本发明一方面可有效满足多种不同类型浆液带压膨胀性能检测作业的需要；另一方面可同时实现对浆液膨胀力和膨胀量进行精确检测的需要，且检测精度高。

Description

一种膨胀浆液带压膨胀性能测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种膨胀浆液带压膨胀性能测试装置及其使用方法，属注浆封孔堵漏技术领域技术领域。

背景技术

煤矿井下瓦斯预抽可以有效降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力，达到防治瓦斯灾害的目的，同时抽出的高浓度瓦斯可以进行利用，避免资源浪费，但钻孔封孔质量直接影响瓦斯抽采效果。井下瓦斯抽采钻孔前期使用无机材料注浆封堵，经过一段时间后，受围岩压力作用封孔段周围煤岩体内易出现漏气通道，大大降低了瓦斯抽采效果，需对钻孔封孔段进行后期堵漏。为达到较好的堵漏效果后期常使用双液有机膨胀浆液进行注浆堵漏，利用膨胀浆液的膨胀性能达到封堵漏气通道、支撑围岩的作用。

使用有机膨胀浆液注浆堵漏时，用注浆泵将有机浆液注入到瓦斯抽采钻孔封孔段堵漏区域内，为使浆液能够进入钻孔围岩裂隙内，达到较好的堵漏效果，需使浆液达到一定的压力后利用自身膨胀固化特性封堵裂隙通道。因此，需研究膨胀浆液带压膨胀性能，如膨胀力及膨胀量等。

常用的膨胀力测试装置多采用应变片或压力传感器原理；利用应变片原理时，材料的弹性模量差异对膨胀力结果影响较大；利用压力传感器原理时，涉及到压力传感器安装、信号转换等，结构复杂，成本较高，操作繁琐。且上述两种测试方法均不易测带压液体膨胀性能，尤其是带压作用下浆液的膨胀量、膨胀率，此外传统的检测设备运行时，往往仅能实现在特定状态下检测的需要，无法有效对现场复杂施工环境进行模拟仿真，从而进一步影响了检测作业精度和效率。

因此，针对这一问题，迫切需要研发针对膨胀浆液的带压膨胀性能测试装置，进一步研究膨胀浆液注浆堵漏效果。

发明内容

本发明目的就在于克服上述不足，提供一种膨胀浆液带压膨胀性能测试装置及测试方法。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

一种膨胀浆液带压膨胀性能测试装置，包括承载底座、增压泵、注浆罐、测试筒、控制阀、泄压阀、压力表，其中承载底座为横端面呈矩形的平面板状结构，增压泵、注浆罐及测试筒均通过滑轨与承载底座上端面连接，其中增压泵一端通过导流管与注浆罐连通，另一端通过导流管与测试筒一端连通，测试筒另一端与泄压阀相互连通，且测试筒至少一个，各测试筒间相互并联，导流管与增压泵、注浆罐、测试筒连接位置处均设一个控制阀，测试筒与导流管及泄压阀连通位置处及增压泵输出端与导流管连接位置处均设一个压力表。

进一步的，所述的测试筒包括进浆法兰、检测法兰、承载检测腔、承压检测腔、承压隔膜、检测液，其中所述承载检测腔为圆柱体空心管状结构，其前端面与进浆法兰连接，后端面与检测法兰连接，所述进浆法兰、检测法兰、承载检测腔同轴分布，并构成闭合腔体结构，所述承载检测腔上端面设一个轴线与承载检测腔轴线垂直并相交的排气口，且所述排气口与控制阀连通，所述承压检测腔为“匚”字形腔体结构，其前端面与检测法兰连接并同轴分布，后端面设一个与承压检测腔同轴分布的泄压口，所述泄压口与泄压阀相互连通，所述承压检测腔与检测法兰共同构成闭合腔体结构，所述进浆法兰上设进液口，检测法兰上设导流口，所述进液口、导流口均与承载检测腔同轴分布，其中进液口直径不大于承载检测腔内径的1/10，并通过导流管与增压泵连通，并与承压检测腔连通，所述承压隔膜嵌于承压检测腔前端面内，与承压检测腔同轴分布并与承压检测腔内表面滑动连接，且承压隔膜前端面与检测法兰间间距为0至承压检测腔长度的1/2，所述检测液位于承压检测腔内，其体积与承压检测腔容积一致。

进一步的，所述的进浆法兰、检测法兰间通过至三条调节螺栓相互连接，所述调节螺栓环绕承载检测腔轴线均布并与承载检测腔轴线平行分布，所述进浆法兰、检测法兰测表面设与承载检测腔同轴分布的承载槽，所述承载检测腔两端及承压检测腔前端面均嵌于承载槽内并通过承载槽分别与进浆法兰、检测法兰连接，所述承载槽内设弹性密封环，且弹性密封环嵌于承载槽与承载检测腔和承压检测腔接触面间。

进一步的，所述的承压隔膜包括承载金属框、乳胶薄膜，所述承载金属框为与承压检测腔同轴分布的环装框架结构，其外表面与承压检测腔侧壁内表面滑动连接，所述乳胶薄膜嵌于承载金属框内，并与承载金属框同轴分布。

进一步的，所述的承载金属框后端面与承压检测腔后端面间通过至少三条承压弹簧连接，所述承压弹簧环绕承载金属框轴线均布并与承载金属框轴线平行分布，所述乳胶薄膜至少一层，每层乳胶薄膜厚度均不大于1毫米。

进一步的，所述的承载检测腔、承压检测腔侧壁上均设至少一条调温装置和至少一个温度传感器，所述调温装置环绕承载检测腔、承压检测腔轴线呈螺旋状结构均布，所述温度传感器嵌于承载检测腔、承压检测腔外表面。

进一步的，所述的承载底座下端面设至少四个定位块，所述定位块环绕承载底座轴线均布，所述注浆罐通过承载机架与承载底座上端面的滑轨滑动连接，其中注浆罐与导流管连通位置高出导流管与增压泵连接位置至少5毫米。

一种膨胀浆液带压膨胀性能测试装置的测试方法，包括如下步骤：

S1，设备装配，首先通过承载底座将本发明安装在指定工作位置，然后根据检测作业需要，设定泄压阀的泄压压力值，同时对承载检测腔、承压检测腔腔体进行加热，并设定检测温度。

S2，检测预制，完成S1步骤后，首先根据检测作业的需要，将检测液灌注到测试筒的承压检测腔内；配制待检测膨胀浆液；然后通过负压泵将承载检测腔内空气排空后，再驱动增压泵运行，由增压泵对注浆罐内的待检测浆液增压并输送至注浆罐的承载检测腔内，并使承载检测腔内注浆罐体积与承载检测腔容积一致，初始压力与检测压力保持一致，然后通过控制阀对承载检测腔内检测浆液保压备用；使承压检测腔内检测液压力与检测作业压力值保持一致，并通过控制阀对承压检测腔内检测液保压；

S3，检测作业，完成S2步骤后，对检测液整体进行保压，并在保压过程中随着待检测浆液凝固膨胀，使得待检测浆液体积膨胀作用力驱动承压检测腔的承压隔膜发生弹性形变，并通过承压隔膜弹性形变将待检测浆液体积膨胀量和膨胀作用力传递到承压检测腔的检测液中，收集通过卸压阀排出的浆液体积，从而通过压力表对检测液承受的待检测浆液膨胀作用力进行检测；待膨胀浆液完全固化后，观测压力表示数，完成膨胀作用力检测；对从卸压阀排出的检测液体积进行测量，从而达到待检测浆液膨胀后体积增加量；完成检测后，打开泄压阀使承压检测腔中检测液在待检测浆液膨胀作用力驱动下排出并泄压，直至承压检测腔内压力为零；最后将测试筒包括进浆法兰与承载检测腔拆分，将待检测浆液凝固后的固体物料从承载检测腔取出，通过检测设备对待检测浆液凝固后的固体物料的结构强度及微观结构检测分析；

S4，设备复位，完成S3步骤后，对承载检测腔、承压检测腔内表面进行清洗复位，即可返回S1步骤循环进行后续检测作业。

本发明较传统设备，一方面结构简单、性能可靠、操作简便且通用性好，可有效满足多种不同类型浆液带压膨胀性能检测作业的需要；另一方面可同时实现对浆液膨胀力和膨胀量进行精确检测的需要，且检测精度高，并可有效对多种复杂现场作业环境进行模拟仿真，从而有效提高了检测作业的精度和效率。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明局部结构示意图；

图3为测试筒局部结构示意图；

图4为本发明使用方法流程示意图。

具体实施方式

如图1和2所示一种膨胀浆液带压膨胀性能测试装置，包括承载底座1、增压泵2、注浆罐3、测试筒4、控制阀5、泄压阀6、压力表7，其中承载底座1为横端面呈矩形的平面板状结构，增压泵2、注浆罐3及测试筒4均通过滑轨8与承载底座1上端面连接，其中增压泵2一端通过导流管9与注浆罐3连通，另一端通过导流管9与测试筒4一端连通，测试筒4另一端与泄压阀6相互连通，且测试筒6至少一个，各测试筒6间相互并联，导流管9与增压泵2、注浆罐3、测试筒4连接位置处均设一个控制阀5，测试筒4与导流管9及泄压阀6连通位置处及增压泵2输出端与导流管9连接位置处均设一个压力表7。

重点说明的，所述的测试筒4包括进浆法兰41、检测法兰42、承载检测腔43、承压检测腔44、承压隔膜45、检测液46，其中所述承载检测腔44为圆柱体空心管状结构，其前端面与进浆法兰41连接，后端面与检测法兰42连接，所述进浆法兰41、检测法兰42、承载检测腔43同轴分布，并构成闭合腔体结构，所述承载检测腔43上端面设一个轴线与承载检测腔43轴线垂直并相交的排气口47，且所述排气口47与控制阀5连通，所述承压检测腔44为“匚”字形腔体结构，其前端面与检测法兰42连接并同轴分布，后端面设一个与承压检测腔44同轴分布的泄压口48，所述泄压口48与泄压阀6相互连通，所述承压检测腔44与检测法兰42共同构成闭合腔体结构，所述进浆法兰41上设进液口401，检测法兰42上设导流口402，所述进液口401、导流口402均与承载检测腔43同轴分布，其中进液口401直径不大于承载检测腔43内径的1/10，并通过导流管9与增压泵2连通，导流口402直径为承载检测腔44内径的30%—90%，并与承压检测腔44连通，所述承压隔膜45嵌于承压检测腔44前端面内，与承压检测腔44同轴分布并与承压检测腔44内表面滑动连接，且承压隔膜45前端面与检测法兰42间间距为0至承压检测腔44长度的1/2，所述检测液46位于承压检测腔44内，其体积与承压检测腔44容积一致。

进一步优化的，所述的进浆法兰41、检测法兰42间通过至三条调节螺栓403相互连接，所述调节螺栓403环绕承载检测腔43轴线均布并与承载检测腔43轴线平行分布，所述进浆法兰41、检测法兰42测表面设与承载检测腔43同轴分布的承载槽404，所述承载检测腔43两端及承压检测腔44前端面均嵌于承载槽404内并通过承载槽404分别与进浆法兰41、检测法兰42连接，所述承载槽404内设弹性密封环405，且弹性密封环405嵌于承载槽404与承载检测腔43和承压检测腔44接触面间。

需要说明的，所述的承压隔膜45包括承载金属框451、乳胶薄膜452，所述承载金属框451为与承压检测腔44同轴分布的环装框架结构，其外表面与承压检测腔44侧壁内表面滑动连接，所述乳胶薄膜452嵌于承载金属框451内，并与承载金属框451同轴分布。

进一步优化的，所述的承载金属框451后端面与承压检测腔44后端面间通过至少三条承压弹簧453连接，所述承压弹簧453环绕承载金属框451轴线均布并与承载金属框451轴线平行分布，所述乳胶薄膜452至少一层。

此外，所述的承载检测腔43、承压检测腔44侧壁上均设至少一条调温装置10和至少一个温度传感器11，所述调温装置10环绕承载检测腔43、承压检测腔44轴线呈螺旋状结构均布，所述温度传感器11嵌于承载检测腔43、承压检测腔44内表面。

其中，所述调温装置11为电加热丝、电热片、换热器、半导体制冷机构中的任意一种或几种公用；所述检测液46为去离子水、乳化油及液压油等受温度、压力影响较小的溶液中的任意一种。

本实施例中，所述的承载底座1下端面设至少四个定位块13，所述定位块13环绕承载底座1轴线均布，所述注浆罐3通过承载机架14与承载底座1上端面的滑轨8滑动连接，其中注浆罐3与导流管9连通位置高出导流管9与增压泵2连接位置至少5毫米。

本实施例中，所述的承载底座1上端面设一个负压泵15及一个控制电路16，其中所述负压泵15通过导流管9与测试筒4排气口47连通；所述控制电路15分别与增压泵2、控制阀5、泄压阀6、压力表7及测试筒4电气连接。

进一步的，所述的驱动电路16为基于工业单片机、可编程控制器中任意一种为基础的电路系统。

如图3所示，一种膨胀浆液带压膨胀性能测试装置的测试方法，包括如下步骤：

S2，检测预制，完成S1步骤后，首先根据检测作业的需要，将检测液灌注到测试筒的承压检测腔内；配制待检测膨胀浆液；然后通过负压泵将承载检测腔内空气排空后，再驱动增压泵运行，由增压泵对注浆罐内的待检测浆液增压并输送至注浆罐的承载检测腔内，并使承载检测腔内注浆罐体积与承载检测腔容积一致，初始压力与检测压力保持一致，然后通过控制阀对承载检测腔内检测浆液保压备用；（由于乳胶薄膜无法承受检测腔内带压检测液，所以需要先充满，然后在注浆同时，使用增压泵慢慢向检测腔内补压，最终使两个腔体内压力相等）使承压检测腔内检测液压力与检测作业压力值保持一致，并通过控制阀对承压检测腔内检测液保压；

其中在进行S2和S3步骤时，一方面可通过调温装置和至少一个温度传感器对承载检测腔、承压检测腔内待检测浆液和检测液的温度进行检测调节，在确保检测环境参数一致的同时，另实现对现场环境进行仿真作业的目的。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种膨胀浆液带压膨胀性能测试装置，其特征在于：所述膨胀浆液带压膨胀性能测试装置包括承载底座、增压泵、注浆罐、测试筒、控制阀、泄压阀、压力表，其中所述承载底座为横端面呈矩形的平面板状结构，所述的增压泵、注浆罐及测试筒均通过滑轨与承载底座上端面连接，其中所述增压泵一端通过导流管与注浆罐连通，另一端通过导流管与测试筒一端连通，测试筒另一端与泄压阀相互连通，且所述测试筒至少一个，各测试筒间相互并联，所述导流管与增压泵、注浆罐、测试筒连接位置处均设一个控制阀，所述测试筒与导流管及泄压阀连通位置处及增压泵输出端与导流管连接位置处均设一个压力表；所述的测试筒包括进浆法兰、检测法兰、承载检测腔、承压检测腔、承压隔膜、检测液，其中所述承载检测腔为圆柱体空心管状结构，其前端面与进浆法兰连接，后端面与检测法兰连接，所述进浆法兰、检测法兰、承载检测腔同轴分布，并构成闭合腔体结构，所述承载检测腔上端面设一个轴线与承载检测腔轴线垂直并相交的排气口，且所述排气口与控制阀连通，所述承压检测腔为“匚”字形腔体结构，其前端面与检测法兰连接并同轴分布，后端面设一个与承压检测腔同轴分布的泄压口，所述泄压口与泄压阀相互连通，所述承压检测腔与检测法兰共同构成闭合腔体结构，所述进浆法兰上设进液口，检测法兰上设导流口，所述进液口、导流口均与承载检测腔同轴分布，其中进液口直径不大于承载检测腔内径的1/10，并通过导流管与增压泵连通，并与承压检测腔连通，所述承压隔膜嵌于承压检测腔前端面内，与承压检测腔同轴分布并与承压检测腔内表面滑动连接，且承压隔膜前端面与检测法兰间间距为0至承压检测腔长度的1/2，所述检测液位于承压检测腔内，其体积与承压检测腔容积一致；所述的承压隔膜包括承载金属框、乳胶薄膜，所述承载金属框为与承压检测腔同轴分布的环装框架结构，其外表面与承压检测腔侧壁内表面滑动连接，所述乳胶薄膜嵌于承载金属框内，并与承载金属框同轴分布。

2.根据权利要求1所述的一种膨胀浆液带压膨胀性能测试装置，其特征在于：所述的进浆法兰、检测法兰间通过至少三条调节螺栓相互连接，所述调节螺栓环绕承载检测腔轴线均布并与承载检测腔轴线平行分布，所述进浆法兰、检测法兰测表面设与承载检测腔同轴分布的承载槽，所述承载检测腔两端及承压检测腔前端面均嵌于承载槽内并通过承载槽分别与进浆法兰、检测法兰连接，所述承载槽内设弹性密封环，且弹性密封环嵌于承载槽与承载检测腔和承压检测腔接触面间。

3.根据权利要求1所述的一种膨胀浆液带压膨胀性能测试装置，其特征在于：所述的承载金属框后端面与承压检测腔后端面间通过至少三条承压弹簧连接，所述承压弹簧环绕承载金属框轴线均布并与承载金属框轴线平行分布，所述乳胶薄膜至少一层，每层乳胶薄膜厚度均不大于1毫米。

4.根据权利要求1所述的一种膨胀浆液带压膨胀性能测试装置，其特征在于：所述的承载检测腔、承压检测腔侧壁上均设至少一条调温装置和至少一个温度传感器，所述调温装置环绕承载检测腔、承压检测腔轴线呈螺旋状结构均布，所述温度传感器嵌于承载检测腔、承压检测腔外表面。

5.根据权利要求1所述的一种膨胀浆液带压膨胀性能测试装置，其特征在于：所述的承载底座下端面设至少四个定位块，所述定位块环绕承载底座轴线均布，所述注浆罐通过承载机架与承载底座上端面的滑轨滑动连接，其中注浆罐与导流管连通位置高出导流管与增压泵连接位置至少5毫米。

6.根据权利要求1所述的膨胀浆液带压膨胀性能测试装置的测试方法，其特征在于：所述的膨胀浆液带压膨胀性能测试装置的测试方法包括如下步骤：

S1，设备装配，首先通过承载底座将膨胀浆液带压膨胀性能测试装置安装在指定工作位置，然后根据检测作业需要，设定泄压阀的泄压压力值，同时对承载检测腔、承压检测腔腔体进行加热，并设定检测温度;

S3，检测作业，完成S2步骤后，对检测液整体进行保压，并在保压过程中随着待检测浆液凝固膨胀，使得待检测浆液体积膨胀作用力驱动承压检测腔的承压隔膜发生弹性形变，并通过承压隔膜弹性形变将待检测浆液体积膨胀量和膨胀作用力传递到承压检测腔的检测液中，收集通过泄压阀排出的浆液体积，从而通过压力表对检测液承受的待检测浆液膨胀作用力进行检测；待膨胀浆液完全固化后，观测压力表示数，完成膨胀作用力检测；对从泄压阀排出的检测液体积进行测量，从而达到待检测浆液膨胀后体积增加量；完成检测后，打开泄压阀使承压检测腔中检测液在待检测浆液膨胀作用力驱动下排出并泄压，直至承压检测腔内压力为零；最后将测试筒包括进浆法兰与承载检测腔拆分，将待检测浆液凝固后的固体物料从承载检测腔取出，通过检测设备对待检测浆液凝固后的固体物料的结构强度及微观结构检测分析；

S4，设备复位，完成S3步骤后，对承载检测腔、承压检测腔内表面进行清洗复位，返回S1步骤循环进行后续检测作业。