CN113008514A - 一种采空区突水和注浆治理综合试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种采空区突水和注浆治理综合试验装置及方法，涉及隧道与地下工程灾害治理技术领域，包括加载机构、注浆机构和监测机构，加载机构包括压力施加机构、试验筒仓和加载活塞，试验筒仓设有可拆卸封堵其一端开口的盖板，加载活塞一端朝向试验筒仓内部腔体，压力施加机构驱动加载活塞改变与试验筒仓的相对位置和/或改变加载活塞位于筒仓内的端面输出水压；监测机构的传感器穿过试验筒仓侧壁布置在试验筒仓内部，注浆机构输出端朝向试验筒仓。采用相似材料并通过其调节强度和厚度模拟不同地质条件下的采空区围岩，通过水压和地应力加载模拟实际工程施工时采空区围岩受力情况，实现对不同赋存条件下采空区突水发生的精准演示。

Description

一种采空区突水和注浆治理综合试验装置及方法

技术领域

本公开涉及隧道与地下工程灾害治理技术领域，特别涉及一种采空区突水和注浆治理综合试验装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

采空区是指人为挖掘或天然地质灾害形成的空洞，具体包括地下矿产开采留下的空洞区及其围岩变形失稳发生位移、开裂、破碎垮落等现象，最终引起上覆岩土层产生整体地表变形与破坏的地区积水后形成采空区水，采空区水具有水量集中、积水区位置隐蔽、深度难确定等特征，一旦突水，发作迅猛，冲击力和破坏力大，严重威胁工作人员人身安全，造成巨大的社会和经济效益损失。

模型试验是研究采空区突水机理及注浆治理效果的重要方法。采空区突水涉及水文地质、工程地质、渗流力学、岩石力学等多学科领域，突水致灾过程异常复杂，与常规隧道工程突水灾害有较大的区别，不能一概而论。

发明人发现，目前鲜有针对采空区突水机制和注浆治理效果研究的试验设备。目前采空区突水机理的研究多依托于实际工程，采用现场调查与数值模拟相结合的方式进行，不具有普适性，对采空区的注浆治理研究更多是集中于充填开采阶段，无法明确采空区各赋存条件下的突水机理，也无法检测边突水边注浆治理下的治理效果，注浆技术被广泛应用于各种突水突泥灾害的治理情形，但多是滞后处理，针对实时动水作用下注浆材料和技术的研究较为缺乏；现有专利中，通过引起最大变化量时的积水量来反向推演出采空区突水的临界条件，或三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水的装置及方法，较为准确的模拟了煤炭开采过程对采空区积水状态的影响。这些装置及方法均一定程度上实现了采空区突水灾害的模拟，但模拟的情况较为单一，缺乏对采空区突水这一特定情形的致灾机理的系统研究和相应的注浆治理研究。

发明内容

本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种采空区突水和注浆治理综合试验装置及方法，采用相似材料并通过调节其强度和厚度模拟不同地质条件下的采空区围岩，通过水压和地应力加载模拟实际工程施工时采空区围岩受力情况，实现对不同赋存条件下采空区突水发生的精准演示，同时通过监测元件实时采集整个突水过程试验数据；在突水试验的基础上进行注浆加固并检测治理效果，建立针对采空区突水这一地质灾害的系统机理研究和注浆治理反馈，提供更为贴近实际参数的数据参考。

本公开的第一目的是提供一种采空区突水和注浆治理综合试验装置，采用以下技术方案：

包括加载机构、注浆机构和监测机构，加载机构包括压力施加机构、试验筒仓和加载活塞，试验筒仓设有可拆卸封堵其一端开口的盖板，加载活塞一端朝向试验筒仓内部腔体，压力施加机构驱动加载活塞改变与试验筒仓的相对位置和/或改变加载活塞位于筒仓内的端面输出水压；监测机构的传感器穿过试验筒仓侧壁布置在试验筒仓内部，注浆机构输出端朝向试验筒仓。

进一步地，所述加载活塞位于筒仓内一端的内部设有水压腔,水压腔连通压力施加机构的水压源,水压腔通过加载活塞端面上预设的水压通孔连通外部。

进一步地，所述加载活塞连接压力施加机构的活塞位移机构，活塞位移机构驱动活塞沿轴向往返运动。

进一步地，所述试验筒仓通过筒仓承载板安装在滑轨上，滑轨通过筒仓承载板带动试验筒仓移动以改变试验筒仓与加载活塞的相对位置，试验筒仓移动方向与试验筒仓轴线垂直。

进一步地，还包括机架，机架包括上下呈间隔布置的二级平台、一级平台，试验筒仓安装在一级平台上，加载活塞安装在二级平台上。

进一步地，所述注浆机构包括注浆泵和注浆管，注浆管一端连通注浆泵，另一端安装在机架上，用于向筒仓内输入浆液；一级平台上对应试验筒仓的加载位置设有采集孔，一级平台下方设有开口朝向采集孔的采集机构，用于收集试验筒仓内从开口端掉落的试验材料。

进一步地，所述监测机构包括处理器和连接处理器的传感器，试验筒仓侧壁上设有多个布线孔，传感器穿过布线孔探入并布置在试验筒仓内。

本公开的第二目的是提供一种采空区突水和注浆治理综合试验方法，利用如上所述的采空区突水和注浆治理综合试验装置，包括以下步骤：

盖板封堵试验筒仓，向试验筒仓内充填岩体试样，并在试样内埋设传感器；

调整试验筒仓与加载活塞的相对位置使其同轴设置，加载活塞对试验筒仓内的试样进行加载；

移除盖板，调整加载活塞对试样进行地应力加载和/或水压力加载，并采集试验过程中的参数；

撤去加载活塞，向试验筒仓内注浆以模拟治理，采集参数检查注浆效果。

进一步地，通过传感器对试验过程中多个位置的土压力、水压力、土体位移参数进行采集。

进一步地，通过注浆机构向试验筒仓内输送浆液，实时获取注浆过程中筒仓内的参数，直至达到设计参数停止注浆。

与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：

(1)采用相似材料并通过其调节强度和厚度模拟不同地质条件下的采空区围岩，通过水压和地应力加载模拟实际工程施工时采空区围岩受力情况，实现对不同赋存条件下采空区突水发生的精准演示，同时通过监测元件实时采集整个突水过程试验数据；在突水试验的基础上进行注浆加固并检测治理效果，建立针对采空区突水这一地质灾害的系统机理研究和注浆治理反馈，提供更为贴近实际参数的数据参考。

(2)所用多元信息监测系统实时动态采集采空区突水过程中围岩应力场与渗流场变化数据，布置在试验筒仓内的传感器能够对试样的参数数据进行实时采集，并发送到控制器的电脑端进行处理，从而通过电脑端输出压力、位移变化曲线，揭示采空区各赋存条件下突水机制。

(3)所用传力透水活塞内部为空腔机构，通过水管与水压加载系统的水压源连通，端面开设水压通孔，方便活塞位于试验筒仓内时对试样的水压加载，上部直接与液压油缸相连，能够通过位移实现应力记载；能够通过活塞对试样实现单独水压或应力加载，也能实现水压和应力的联合加载，提高了试验的系统性。

(4)能够进行对采空区水压、地应力条件、围岩强度、隔水岩体厚度等变量的系列化试验，根据试验结果优化采空区力学模型，通过注浆泵在模拟突水灾害的同时进行注浆治理，实时监测注浆效果，为选择合适的注浆材料提供参考，适用于矿山、隧道等地下工程，为实际类似工程提供借鉴，适用范围广。

(5)可进行多次重复试验，所需试验时间短，突出物直接采集，对环境无害，也避免了后续处理的工作量。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1、2中试验装置的整体结构示意图；

图2为本公开实施例1、2中试验筒仓的剖面示意图；

图3为本公开实施例1、2中加载活塞端部的剖面示意图；

图4是本公开实施例1、2中加载活塞的端面示意图；

图5是本公开实施例1、2中传感器布置在试验筒仓内的结构示意图。

图中，1.液压油缸、2.二级平台、3.传力透水活塞、4.试验筒仓、5.筒仓盖板、6.滑轨、7.步进电机、8.一级平台、9.突出物采集装置、10.注浆泵、11.数据采集仪、12.计算机、13.水管、14.水压加载仓、15.参数控制台、16.液压、水压加载动力装置、17.密封螺母、18.橡胶圈、19.密封腔、20.布线孔、21.导线、22.传感器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中的采空区突水装置及方法均一定程度上实现了采空区突水灾害的模拟，但模拟的情况较为单一，缺乏对采空区突水这一特定情形的致灾机理的系统研究和相应的注浆治理研究；针对上述问题，本公开提出了一种采空区突水和注浆治理综合试验装置及方法。

实施例1

本公开的一种典型的实施方式中，如图1-图5所示，提供一种采空区突水和注浆治理综合试验装置。

包括作为整体机架的试验台架、试验核心构件的试验腔体模块和监测机构，其中试验腔体模块包括加载机构和注浆机构，加载机构安装在试验台架上；

加载机构包括压力施加机构、试验筒仓和加载活塞，加载活塞为传力透水活塞，试验筒仓设有可拆卸封堵其一端开口的盖板，加载活塞一端朝向试验筒仓内部腔体，压力施加机构驱动加载活塞改变与试验筒仓的相对位置和/或改变加载活塞位于筒仓内的端面输出水压；监测机构的传感器穿过试验筒仓侧壁布置在试验筒仓内部，注浆机构输出端朝向试验筒仓。

压力施加机构包括活塞位移机构和水压源，在本实施例中，压力施加机构作为加载系统，其包括水压加载和地应力加载两部分，通过参数控制台统一控制。

地应力加载通过活塞位移机构实现，可以采用现有的液压加载，安装在试验台架上，连接加载活塞并驱动其沿轴向的往复运动；

当然，可以理解的是，也可以采用其他的活塞位移机构，比如采用电动伸缩杆，通过步进电机配合丝杠滑块机构的方式驱动加载活塞的运动，也可以采用气压加载，通过气压源通过比例伺服阀连通气缸，通过气缸驱动活塞位移机构动作，从而对试验筒仓内的试样进行加载。

根据试验筒仓中试样的需求选择合适的活塞位移机构即可，选用液压加载能够提供更高的出力，选择电动伸缩杆加载能够提供更为精确的位移加载，选择气压加载能够提供更快的相应速度，根据不同的需求进行选择即可。

具体的，通过电脑端设定压力值，自动维持压力加载并实时记录压力、位移数据的变化情况，设计最大轴压为200kN，可在5-10h内提供恒定的轴向压力，分步加载精度不低于0.5kN，最大活塞行程为1000mm，位移数据精度为1mm，能够输出压力与时间，位移与时间的数据表格。

水压加载通过水压源连通管路实现，水压源可以选用水泵；加载活塞位于筒仓内一端的内部设有水压腔,水压腔连通压力施加机构的水压源,水压腔通过加载活塞端面上预设的水压通孔连通外部。

所述传力透水活塞上部直接与液压油缸相连，传力结构实现对筒仓试验介质的地应力加载。

所述传力透水活塞内部为空腔机构，下部开有数个直径为4mm的小孔，呈放射状分布，通过水管与水压加载系统相连，实现对筒仓试验介质的水压力加载。

在不同的试验中，对试样施加的水压大小有所不同，在本实施例中，选用直径为4mm的孔，在其他实施方式中，可以根据需求对孔的直径进行调整；

当然，也可以根据需求对孔在端面上的排布方式进行调整，比如进行阵列布置，方便将水压施加在试样上即可。

水压加载设计最大水压为4MPa，最大水量为0.3L，通过电脑端设定压力值，实现水压的多级加载，并输出水压力与时间的数据表格，水压控制与记录精度为1kPa。

机架包括上下呈间隔布置的二级平台、一级平台，试验筒仓安装在一级平台上，加载活塞安装在二级平台上。

为了方便对试验筒仓内的试样进行填装和取出，所述试验筒仓通过筒仓承载板安装在滑轨上，滑轨安装在一级平台上，滑轨通过筒仓承载板带动试验筒仓移动以改变试验筒仓与加载活塞的相对位置，试验筒仓移动方向与试验筒仓轴线垂直，在本实施例中，通过步进电机与滑轨调节位置，移动试验筒仓的位置方便对其进行填装试样或取出试样。

对于试验台架，在本实施例中，采用高强钢结构，总体尺寸为1950mm×1200mm×3000mm(长×宽×高)，主要由两级平台构成，由于支撑试验筒、筒仓滑轨、传力透水活塞油缸。

一级平台上对应试验筒仓的加载位置设有采集孔，一级平台下方设有开口朝向采集孔的采集机构，用于收集试验筒仓内从开口端掉落的试验材料。

试验台架的一级平台尺寸为1950mm×1200mm×50mm(长×宽×厚)，距离地面1000mm，由六根方管支撑，后部开设直径为360mm的圆孔作为采集孔；

二级平台通过四根支撑柱与一级平台相连，距地面2000mm，承载液压加载模块。

突出物采集机构包括突出物采集装置，放置在一级平台后部开设圆孔下方，用以收集突水试验过程中产生的突出物。

所述试验筒仓为不锈钢材质，高度为500mm，内径为250mm，与试验台架后部开设圆孔配合形成临剖面，用来模拟隔水岩体。

所述注浆机构包括注浆泵和注浆管，注浆管一端连通注浆泵，另一端安装在机架上，用于向筒仓内输入浆液；

试验筒仓通过水管连接注浆泵，由注浆泵通过水管向腔体中输送浆液。

在本实施例中，所述注浆泵为手动式注浆泵，可以有效控制注浆压力和注浆速率。

所述监测机构包括处理器和连接处理器的传感器，试验筒仓侧壁上设有多个布线孔，传感器穿过布线孔探入并布置在试验筒仓内；

处理器可以选择计算机，计算机通过数据采集仪连接各个传感器，对传感器测取的数据进行采集后发送至计算机进行处理分析。

具体的，在本实施例中，所述试验筒仓下部开直径为180mm的孔，模拟巷道开挖临空面，并通过筒仓盖板进行间歇性阻挡，距筒仓底部100mm处一周范围内均匀开设6个布线孔，为传感器导线通道，孔口设有密封装置。

所述密封装置实测可耐受4MPa水压，可一次布设水压力及土压力传感器。

所述多元信息监测系统所使用传感器精度为1％，通过调整布线孔内传感器导线长度实现分层监测，实时采集数据。

所述的试样与目标试验区域为详细材料，模拟采空区围岩情况。

结合上述结构，对本实施例中试验装置的各个结构的连接关系进行描述：

如图1、图2、图3所示，试验装置由试验台架一级平台8、二级平台2、试验筒仓4、筒仓盖板5、液压油缸1、传力透水活塞3、滑轨6、步进电机7、突出物采集装置9、注浆泵10、水压加载仓14、参数控制台15、液压、水压动力装置16、数据采集仪11以及计算机12组成。

如图1所示，试验筒仓4放置在一级平台8上，液压油缸1放置在二级平台2上，下部与传力透水活塞3直接相连，通过水管13连接液压、水压加载动力装置16，另有水压加载仓14通过水管13分别与传力透水活塞3和液压、水压加载动力装置16相连，由参数控制台15控制统一加载，试验筒仓4下部均匀设有6个布线孔20，方便布设传感器22。

如图1所示，试验筒仓4由滑轨6和步进电机7控制，可调整位置方便填料。

如图1、3所示，传力透水活塞3内部为空腔机构，下部开设直径为4mm、且轴线与试验筒仓轴线平行的水压通孔若干，其通过水管13与水压加载仓14相连，实现水压力的加载，其上部直接与液压油缸1相连，传力结构实现对筒仓试验介质的地应力加载。

如图1所示，注浆泵10通过水管13向试验筒仓4中输送浆液，模拟一定强度和厚度的围岩。

如图1所示，试验台架一级平台8下设突出物收集装置9，试验过程中产生的突出物直接被收集，避免后续处理工序。

如图1所示，参数控制台15与液压、水压加载动力装置16相连，通过电脑端设置地应力、水压力值，液压加载系统自动维持压力加载，并实时记录压力、位移等参数的数据变化情况，能够输出压力与时间、位移与时间的表格数据。

如图1图5所示，试验筒仓下部均匀设有6个布线孔20，传感器导线21通过布线孔与数据采集仪11相连，再连接到计算机12，通过密封装置保证测量数据的准确性，密封腔19焊接在布线孔20周围筒仓壁上，与密封螺母17之间设置橡胶圈18，保证密封性，通过调整导线21在布线孔20内的长度，实现分层监测，对突水试验过程中各个高度的参数变化进行采集，保证试验的精确性。

采用相似材料并通过其调节强度和厚度模拟不同地质条件下的采空区围岩，通过水压和地应力加载模拟实际工程施工时采空区围岩受力情况，实现对不同赋存条件下采空区突水发生的精准演示，同时通过监测元件实时采集整个突水过程试验数据；在突水试验的基础上进行注浆加固并检测治理效果，建立针对采空区突水这一地质灾害的系统机理研究和注浆治理反馈，提供更为贴近实际参数的数据参考。

实施例2

本公开的另一典型实施方式中，如图所示，提出了一种采空区突水和注浆治理综合试验方法，利用如实施例1中所述的采空区突水和注浆治理综合试验装置。

包括以下步骤：

盖板封堵试验筒仓，向试验筒仓内充填岩体试样，并在试样内埋设传感器；

调整试验筒仓与加载活塞的相对位置使其同轴设置，加载活塞对试验筒仓内的试样进行加载；

移除盖板，调整加载活塞对试样进行地应力加载和/或水压力加载，并采集试验过程中的参数；

撤去加载活塞，向试验筒仓内注浆以模拟治理，采集参数检查注浆效果。

利用实施例1中的试验装置，配制相似材料模拟采空区围岩情况，通过电脑端设置液压和水压的压力值，通过液压加载系统逐一加载，真实模拟采空区赋存条件及突水过程，通过多元信息监测系统实时监测采空区突水过程中围岩应力场与渗流场变化，揭示采空区各赋存条件下突水机制；

通过注浆泵向腔体中输送浆液，模拟采空区注浆治理过程并实时监测，注浆结束后评判注浆效果，遴选采空区不同赋存条件下的注浆治理最优方案。

具体的，结合附图，采空区突水和治理综合试验方法的具体步骤如下：

试验前根据隧道、矿山工程不同地质条件进行土工试验测试介质基本物理性质配置相似材料；

试验筒仓盖板5将下部开孔封闭，充填腔体模拟一定厚度和强度的岩体材料，提前在介质中分层布设各类监测元件对试验过程中各位置的土压力、水压力、土体位移等参数进行采集；

试验填料后，通过步进电机7和滑轨6将筒仓4置于传力透水活塞3正下方，参数控制台15设置液压值，控制液压油缸1通过传力透水活塞3对腔体介质进行地应力加载；

进入水压加载阶段，移除盖板5产生临空面，参数控制台15设置水压值，水压加载系统通过传力透水活塞3上的密布小孔向腔体内加水，实现地应力和水压力联合加载；

通过水压力传感器22实时采集数据，同时参数控制台15记录压力、位移等重要参数，对试验中突水事故的发生进行全过程监测，分析监测装置12输出数据研究突水机理；

试验过程中产生的突出物直接通过一级平台8后部开设圆孔进入下方突出物采集装置9；

注浆治理模拟过程中，通过注浆泵10向腔体内输送浆液，通过介质中各监测元件对注浆过程中土压力、土体位移等重要参数实时采集，直至达到设计压力停止注浆，检查注浆效果。

能够进行考虑采空区水压、地应力条件、围岩强度、隔水岩体厚度等变量的系列化试验，从而能够通过此试验装置验证相应力学模型，并通过系列的试验数据对力学模型进行一定修正，为采空区围岩突水注浆工程提供理论支持。

能够通过多元信息监测系统实时监测采空区突水过程中围岩应力场与渗流场变化，揭示采空区各赋存条件下突水机制。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采空区突水和注浆治理综合试验装置，其特征在于，包括加载机构、注浆机构和监测机构，加载机构包括压力施加机构、试验筒仓和加载活塞，试验筒仓设有可拆卸封堵其一端开口的盖板，加载活塞一端朝向试验筒仓内部腔体，压力施加机构驱动加载活塞改变与试验筒仓的相对位置和/或改变加载活塞位于筒仓内的端面输出水压；监测机构的传感器穿过试验筒仓侧壁布置在试验筒仓内部，注浆机构输出端朝向试验筒仓。

2.如权利要求1所述的采空区突水和注浆治理综合试验装置，其特征在于，所述加载活塞位于筒仓内一端的内部设有水压腔,水压腔连通压力施加机构的水压源,水压腔通过加载活塞端面上预设的水压通孔连通外部。

3.如权利要求2所述的采空区突水和注浆治理综合试验装置，其特征在于，所述加载活塞连接压力施加机构的活塞位移机构，活塞位移机构驱动活塞沿轴向往返运动。

4.如权利要求1所述的采空区突水和注浆治理综合试验装置，其特征在于，所述试验筒仓通过筒仓承载板安装在滑轨上，滑轨通过筒仓承载板带动试验筒仓移动以改变试验筒仓与加载活塞的相对位置，试验筒仓移动方向与试验筒仓轴线垂直。

5.如权利要求1所述的采空区突水和注浆治理综合试验装置，其特征在于，还包括机架，机架包括上下呈间隔布置的二级平台、一级平台，试验筒仓安装在一级平台上，加载活塞安装在二级平台上。

6.如权利要求5所述的采空区突水和注浆治理综合试验装置，其特征在于，所述注浆机构包括注浆泵和注浆管，注浆管一端连通注浆泵，另一端安装在机架上，用于向筒仓内输入浆液；一级平台上对应试验筒仓的加载位置设有采集孔，一级平台下方设有开口朝向采集孔的采集机构，用于收集试验筒仓内从开口端掉落的试验材料。

7.如权利要求1所述的采空区突水和注浆治理综合试验装置，其特征在于，所述监测机构包括处理器和连接处理器的传感器，试验筒仓侧壁上设有多个布线孔，传感器穿过布线孔探入并布置在试验筒仓内。

8.一种采空区突水和注浆治理综合试验方法，利用如权利要求1-7任一项所述的采空区突水和注浆治理综合试验装置，其特征在于，包括以下步骤：

盖板封堵试验筒仓，向试验筒仓内充填岩体试样，并在试样内埋设传感器；

调整试验筒仓与加载活塞的相对位置使其同轴设置，加载活塞对试验筒仓内的试样进行加载；

移除盖板，调整加载活塞对试样进行地应力加载和/或水压力加载，并采集试验过程中的参数；

撤去加载活塞，向试验筒仓内注浆以模拟治理，采集参数检查注浆效果。

9.如权利要求8所述的采空区突水和注浆治理综合试验方法，其特征在于，通过传感器对试验过程中多个位置的土压力、水压力、土体位移参数进行采集。

10.如权利要求8所述的采空区突水和注浆治理综合试验方法，其特征在于，通过注浆机构向试验筒仓内输送浆液，实时获取注浆过程中筒仓内的参数，直至达到设计参数停止注浆。

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