CN113514367B - 一种模拟岩体裂隙注浆过程的实验装置及压力监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明的涉及一种模拟岩体裂隙注浆过程的实验装置及压力监测系统，所述实验装置包括：第一盒体，所述第一盒体内部设置有第一通道，所述第一通道的两端分别设置有连通所述第一盒体的外部的开口；第二盒体，所述第二盒体内部设置有第二通道；所述第一盒体的所述第一通道的一端开口连通所述第二盒体的所述第二通道；多个压力感应探头，设置在第二盒体内，用于检测所述第二盒体的内部压力，多个所述压力感应探头共同连接一压力监测系统，所述压力感应探头用于将检测到的压力信号传输至该所述压力监测系统，本发明的装置为着重检测浆液扩散的压力变化区域，为探究岩体裂隙的内部环境提供可视化参照，可广泛应用于岩体裂隙动水注浆物理模型试验领域。

Description

一种模拟岩体裂隙注浆过程的实验装置及压力监测系统

技术领域

本发明涉及岩体裂隙动水注浆物理模型试验领域。更具体地说，本发明涉及一种模拟岩体裂隙注浆过程的实验装置及压力监测系统。

背景技术

天然岩体中存在不连续面/裂隙，这些不连续面的存在为岩体中水或其他有害物质的运移提供了通道。岩体工程中涌突水注浆治理难度大，裂隙水注浆技术尚未有成熟的技术和理论，由于缺乏科学指导，大多数深埋矿井及隧道都存在常年涌水问题。为解决岩体工程中含水构造中涌突水治理问题，需要深入研究裂隙水注浆过程中裂隙水渗流及浆液扩散规律和涌突水封堵的作用机制。因此开展裂隙水渗流及注浆扩散机制和堵水加固机理的研究对深埋矿井和隧道工程安全评估及加固有重大的理论意义和工程应用价值。

申请号为CN201710801622.8的发明专利介绍了一种多功能裂隙注浆实验室模拟装置，能够进行不同倾角光滑裂隙面的注浆模拟实验，但实际岩体裂隙因地质力学成因的不同，如张拉、剪切、压扭或张扭等力学过程，导致裂隙表面几何形态，主要是起伏度、粗糙度和不匹配或咬合程度以及填充性质上存在显著差异，这直接控制着裂隙的水力开度。如更深入到裂隙面对水力行为的影响时，地下水或浆液的流动与运移条件也显著受裂隙面凸起的咬合条件、起伏粗糙度条件控制，导致裂隙面内水流或浆液运移是非均匀、非稳定流动状态，局部凸起或者岛状低水力开度区会引发更复杂的水力行为，甚至出现裂隙面局部区域的紊流。对浆液流动而言，这些局部低水力开度区对浆液的阻挡、增加沉积和胶凝作用显得尤为重要，但反过来又降低了浆液扩散能力，这些性质均是光滑裂隙面类型的试验装置无法反映的浆液行为。大量文献调研也显示，目前缺乏能够可调节裂隙面非光滑且表征水力开度非均匀性的注浆试验装置。

申请号为CN201310033930.2的发明专利介绍了一种单裂隙非饱和渗流试验系统，此发明可通过改变常水头供水系统的水头高度，裂隙厚度、裂隙表面粗糙度等，监测并记录水流流到某位置的时刻，实现水平干裂隙中水流从无到有流体流动规律实验研究，但此发明的试验装置不具有可视化特性，同时也非针对注浆研究目的而研制，在其装置的裂隙内水流渗流过程无法直接观测。对浆液流动研究而言，浆液在裂隙中的扩散速率、扩散半径、沉淀与胶凝过程甚至地下水对浆液的稀释、牵引或阻碍等作用均需要定量数据来支撑，因而可视化测定上述注浆参数非常重要。

《岩石力学与工程学报》2012年第12期题为《水泥浆液裂隙注浆扩散规律模型试验与数值模拟》中研究了水泥浆液在静水和动水下平面裂隙中的扩散规律，其试验选用了山东大学研制的准三维裂隙注浆模型系统，模型系统可模拟固定开度的完整裂隙状态下的注浆扩散规律，然而实际岩体裂隙内有各种充填物，裂隙形态及其复杂，并非一定的矩形平面裂隙。

综上所述，现有技术中针对岩体裂隙渗流和浆液流动模拟的试验装置缺乏考虑裂隙面水力开度的非均质性、裂隙面起伏粗糙度特征以及局部凸起咬合状态等复杂非光滑平面裂隙条件，部分现有装置对注浆过程参数的透明化、可视化的定量观测仍不完善。为此，本发明专利研发了一种具有透明可视化功能，同时考虑裂隙面水力开度的非均质性的非光滑平面裂隙试验装置，用于动水注浆过程（包括浆液扩散规律、压力分散规律、局部低水力开度岛状区域的阻滞、沉积与胶凝控制作用等）的试验仿真研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟岩体裂隙注浆过程的实验装置及压力监测系统。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种模拟岩体裂隙注浆过程的实验装置，所述实验装置包括：

第一盒体，所述第一盒体内部设置有第一通道，所述第一通道的两端分别设置有连通所述第一盒体的外部的开口；

第二盒体，所述第二盒体内部设置有第二通道；

所述第一盒体的所述第一通道的一端开口连通所述第二盒体的所述第二通道；

所述第二盒体包括，第一面板、第二面板和第一中空体；所述第一面板设置有第一侧面和第二侧面，所述第一侧面和所述第二侧面为所述第一面板的两个相对面，所述第一中空体位于所述第一侧面与所述第二面板之间，所述第一中空体的一端连通所述第一盒体，所述第一中空体的另一端开口连通外部；

第一孔结构，所述第一孔结构为多个且均匀布设在所述第一侧面上；

第二孔结构，所述第二孔结构为多个且穿插布设在所述第一侧面的多个所述第一孔结构之间；

球形结构，所述球形结构为多个且均填充于所述第一孔结构内，所述球形结构均突出于所述第一孔结构的孔口；

多个压力感应探头，多个所述压力感应探头一一对应设置在多个所述第二孔结构内，用于检测所述第二盒体的内部压力，多个所述压力感应探头共同连接一压力监测系统，所述压力感应探头用于将检测到的压力信号传输至该所述压力监测系统。

优选地，所述第一盒体包括：

第三面板、第四面板和第二中空体，所述第三面板设置有第三侧面，所述第四面板设置有第四侧面，所述第三面板的第三侧面与所述第四面板的第四侧面相对设置，所述第二中空体位于所述第三侧面与所述第四侧面之间；所述第三侧面包括：

第一凹槽，所述第一凹槽的形状为第一类梯形；

所述第四侧面包括：

第二凹槽，所述第二凹槽为与所述第一凹槽形状一致的第二类梯形，所述第一凹槽与所述第二凹槽形成所述第一通道；

所述第一通道远离所述第二通道的一端为所述第一通道的小直径端。

优选地，所述第一盒体所述第二盒体均采用透明材质的材料制备。

优选地，所述第一盒体和所述第二盒体的材质为有机玻璃。

优选地， 所述球形结构为具有可塑性的材质制备。

优选地，所述球形结构包括乳胶小球。

优选地，所述第二面板上设置有连通所述第一中空体的矩形孔槽，所述第一盒体垂直插接在所述矩形孔槽内，所述第一盒体的所述第一通道连通所述矩形孔槽，

优选地，还包括：至少一个第三孔结构，所述第三孔结构贯穿设置在所述第一面板上，并连通所述第一中空体，所述第三孔结构位于所述第二侧面的开口连通注浆装置。

一种压力监测系统，其包括：

压力采集仪，用于获取所述压力感应探头采集的压力信号并显示：所述压力采集仪包括：

显示模块；

第一导线，其一端电连接所述若干所述压力感应探头，所述导线的另一端电连接所述显示模块；

电源模块，通过若干第二导线电连接所述显示模块以及压力感应探头，用于所述显示模块以及所述压力感应探头的电量供应。

优选地，所述压力感应探头包括：

壳体，具有密闭的空腔，设置在所述第二孔结构内；

压力传感器，其设置在所述壳体内；

其中，所述压力传感器用于检测所述第一中空体内的水压，并将水压信号传输至所述显示模块。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明的一种模拟岩体裂隙注浆过程的实验装置及压力监测系统，通过模拟岩层的内部裂隙结构以及水压溢流环境为实际的矿井、隧道等岩体工程研究提供可视化的实验参照，其中，第一盒体与第二盒体连通，从第一盒体注水流入至第二盒体，第二盒体模拟岩层的内部裂隙结构，通过在第二盒体内设置压力监测构件，同时，通过注浆的方式，改变第二盒体的内部压力，进而直观监测第二盒体内部的结构变化；第二盒体内设置有多个第一孔结构，呈与第二盒体的第一面板相适应的矩形阵列形状，且第一孔结构内均设置有球形结构，且相邻两球形结构之间设置适当的间隙，通过注水形成第二盒体内部水压，使多个球形结构发生形变、进而模拟岩层内部裂隙结构的贴合和分裂环境，注水过程中，实时监测水压变化以及第二盒体内部的结构变化，同时第一盒体和第二盒体均采用透明材质，为直观观测第二盒体内部的结构变形提供可视化条件。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为一种模拟岩体裂隙注浆过程的实验装置及压力监测系统的结构示意图；

图2为第二面板示意图；

图3为第一面板示意图；

图4为第三面板示意图；

图5为第四面板示意图；

图6为压力监测系统的结构示意图；

附图标记说明：

1、第二面板，2、第一面板，3、第三面板，4、第四面板，5、第三孔结构，6、第二孔结构，7、第一密封槽，8、矩形孔槽，9、第二密封槽，10、球形结构，11、第一螺栓孔，12、第二螺栓孔，13、第四螺栓孔，14、第二凹槽，15、第三螺栓孔，16、第二通道，17、第二中空体，18、第一出水口，19、第一进水口，20、第二出水口，21、第二盒体，22、第一盒体，23、第一孔结构，25、压力采集仪，26、显示模块，27、开关，28、U盘接口，29、第一导线，30、压力传感器，31、壳体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。

如图1-6所示，本发明的一种模拟岩体裂隙注浆过程的实验装置，所述实验装置包括：

第一盒体22，所述第一盒体22内部设置有第一通道24，所述第一通道24的两端分别设置有连通所述第一盒体22的外部的开口；

第二盒体21，所述第二盒体21内部设置有第二通道16；

所述第一盒体22的所述第一通道24的一端开口连通所述第二盒体21的所述第二通道16；

所述第二盒体21包括，第一面板1、第二面板2和第一中空体；所述第一面板1设置有第一侧面和第二侧面，所述第一侧面和所述第二侧面为所述第一面板1的两个相对面，所述第一中空体位于所述第一侧面与所述第二面板2之间，所述第一中空体的一端连通所述第一盒体22，所述第一中空体的另一端开口连通外部；

第一孔结构23，所述第一孔结构23为多个且均匀布设在所述第一侧面上；

第二孔结构6，所述第二孔结构6为多个且穿插布设在所述第一侧面的多个所述第一孔结构23之间；

球形结构10，所述球形结构10为多个且均填充于所述第一孔结构23内，所述球形结构均突出于所述第一孔结构23的孔口；

多个压力感应探头，多个所述压力感应探头一一对应设置在多个所述第二孔结构6内，用于检测所述第二盒体21的内部压力，多个所述压力感应探头共同连接一压力监测系统，所述压力感应探头用于将检测到的压力信号传输至该所述压力监测系统。

在上述技术方案中，第一盒体22的内部第一通道24为内表面平滑状态，模拟平顺水流单元，第二盒体21内部通过设置第一孔结构23，且第一孔结构23内设置的球形结构10，球形结构10的高度高于第一孔结构23，形成不规则的平面，模拟岩层内裂隙模拟单元；水流从第一盒体22的第一通道24的开口由外部注水，或者注符合模拟环境的浆液，然后通过第一通道24流入至第二通道16，进而进入第二盒体21，从第二盒体21的第一中空体远离第一盒体22的一端流出，且所述第一中空体远离第一盒体22的出口为第二出水口20；

其中，注水程序开始后，以恒定的水流速度注水，使第二盒体21内的水流形成稳态，进而形成稳定的水压；利用压力监测系统对稳态的水压形态进行监测并记录，得到稳态的水流压力；

进一步地，通过第三孔结构5，接通外部的注浆装置，以朝向第一中空体内注入液态浆液，进而改变第一中空体内的稳态水压力环境，然后利用压力监测系统监测改变稳定流态后的第一中空体的液态压力变化，并重点监测浆液扩散区域的压力变化，以得到实验数据参照；

进一步地，球形结构10为乳胶球材质，具有良好的可塑性，当水压发生变化时，可挤压球形结构10发生与压力方向一致的形变，以直观地模拟岩层的裂隙环境；上述的可塑性指的是：物质在外力或高温等条件下，发生形变而不破裂的性质；其中，球形结构的数量为多个，多个数量的球形结构在第一孔结构当中的布置情况可根据实际的模拟情况进行选择；其包括，将预设数量的球形结构，安设于第一孔结构23内的局部预设区域位置处，形成岩层内裂隙结构，形成球形结构阵列，在球形结构阵列以外的第一孔结构23内填充密封材料。

进一步地，岩层裂隙的内部包含裂隙分离部分和贴合部分，在第二盒体21中设置模拟该裂隙分离部分和贴合部分的球形结构10，然后第二盒体21在注浆过程中，检测动水注浆时，着重检测球形结构压力变化等，进而为真实探究岩层裂隙在动水注浆过程的结构压力变化提供实验参考；

上述的模拟裂隙分离部分和贴合部分的球形结构10为浆液扩散的关键区域，通过监测关键区域的压力变化，进而更贴切地得到真实岩层裂隙的内部环境在实际的自然条件下的压力情况。

进一步地，在第二盒体21中，第一面板1与第二面板2之间均通过密封胶密封，第一通道24接入外部开口出也均设置有密封装置；在第一盒体22中，第三面板3与第四面板4之间均通过密封胶密封，第二通道16接入外部开口出也均设置有密封装置；

在第一面板1位于第一中空体的周向外围设置有第一密封槽7，在第二面板2位于第一中空体的周向外围设置有第二密封槽9，当第一面板1与第二面板2闭合后沿第一密封槽7和第二密封槽9设置防水胶体；

在第一面板1位于第一中空体的外围设置有第一螺孔，在第二面板2位于第一中空体外围设置有第二螺孔，第一螺栓11孔与第二螺栓12孔相对应；在第三面板3位于第二中空体17的外围设置三螺栓孔，在第四面板4位于第二中空体17外围设置有第四螺孔，第三螺孔与第四螺孔相对应；第一螺栓11孔对应的第二螺栓12孔内均通过一螺杆可拆卸连接，且均设置有垫片；地三螺栓孔15对应的第四螺栓13孔内均通过一螺杆可拆卸连接，且均设置有垫片；

上述的各所述垫片的厚度均根据实际的安装需求进行设置，用于调节第一面板、第二面板之间的水平度和密封度。

在另一种技术方案中，所述第一盒体22包括：

第三面板3、第四面板4和第二中空体17，所述第三面板3设置有第三侧面，所述第四面板4设置有第四侧面，所述第三面板3的第三侧面与所述第四面板4的第四侧面相对设置，所述第二中空体17位于所述第三侧面与所述第四侧面之间；所述第三侧面包括：

第一凹槽，所述第一凹槽的形状为第一类梯形；

所述第四侧面包括：

第二凹槽14，所述第二凹槽14为与所述第一凹槽形状一致的第二类梯形，所述第一凹槽与所述第二凹槽14形成所述第一通道24；

所述第一通道24远离所述第二通道16的一端为所述第一通道24的小直径端，所述第二中空体17的小直径端为第一进水口19，所述第二中空体17的大直径端为第一出水口18。

如图4所示，在上述技术方案中，第一盒体22的第一凹槽和第二凹槽14扣合形成闭合的腔体，腔体的形状为具有相对端出口的类梯形空腔结构，以供形成水流通过得通道；其中，第一凹槽和第二凹槽14的形状和槽深均一致。

在另一种技术方案中，所述第一盒体22所述第二盒体21均采用透明材质的材料制备。

在上述技术方案中，透明材质能够提供可视化的观测环境。

在另一种技术方案中，所述第一盒体22和所述第二盒体21的材质为有机玻璃。

在上述技术方案中，有机玻璃（PMMA）为高分子透明材料，化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯，是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的高分子化合物，具有良好的透明度和结构稳定性，能够适应在压力不断变化的注浆环境下的实验操作。

在另一种技术方案中， 所述球形结构10为具有可塑性的材质制备。

在另一种技术方案中，所述球形结构10包括乳胶小球。

在上述技术方案中，乳胶小球具有良好的可塑性，当通过第三孔结构5注浆时，注浆的压力应大于乳胶小球的应力，进而才能使乳胶小球发生形变。

在另一种技术方案中，所述第一面板1上设置有连通所述第一中空体的矩形孔槽8，所述第一盒体22垂直插接在所述矩形孔槽8内，所述第一盒体22的所述第一通道24连通所述矩形孔槽8。

在上述技术方案中，当上设置有第一盒体22插接在矩形孔槽8后，周围填充密封防水材料，并在接触边涂抹密封胶，。

在另一种技术方案中，还包括：至少一个第三孔结构5，所述第三孔结构5贯穿设置在所述第一面板1上，并连通所述第一中空体，所述第三孔结构5位于所述第二侧面的开口连通注浆装置。

在上述技术方案中，第三孔结构5贯穿所述第二盒体21的第一面板1，连通外部的注浆装置，其可在第二盒体21内形成稳态的水流环境后在进行注浆操作，注浆目的在于扰乱原有的稳态水压，使第二盒体21内部环境趋近于实际的岩体裂隙环境，进而提供真实的实验参照环境。

一种压力监测系统，其包括：

压力采集仪25，用于获取所述压力感应探头采集的压力信号并显示：所述压力采集仪25包括：

显示模块26；

第一导线29，其一端电连接所述若干所述压力感应探头，所述导线的另一端电连接所述显示模块26；

电源模块，通过若干第二导线电连接所述显示模块26以及压力感应探头，用于所述显示模块26以及所述压力感应探头的电量供应。

在上述技术方案中，压力采集仪25还包括开关27和U盘接口28，开关27连通第一导线29，控制电路开关27。

在另一种技术方案中，所述压力感应探头包括：

壳体31，具有密闭的空腔，设置在所述第二孔结构6内；

压力传感器30，其设置在所述壳体31内；

其中，所述压力传感器30用于检测所述第一中空体内的水压，并将水压信号传输至所述显示模块。

在上述技术方案中，通道第二孔结构6中压力感应探头，并经压力传感器30将压力信号转换为电信号通过第一导线29将裂隙通道内的压力信息传输至压力采集仪25内，可以时刻监测裂隙内渗流注浆时压力变化。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图。

Claims (7)

1.一种模拟岩体裂隙注浆过程的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括：

第一盒体，所述第一盒体内部设置有第一通道，所述第一通道的两端分别设置有连通所述第一盒体的外部的开口；

第二盒体，所述第二盒体内部设置有第二通道；

所述第一盒体的所述第一通道的一端开口连通所述第二盒体的所述第二通道；

所述第二盒体包括，第一面板、第二面板和第一中空体；所述第一面板设置有第一侧面和第二侧面，所述第一侧面和所述第二侧面为所述第一面板的两个相对面，所述第一中空体位于所述第一侧面与所述第二面板之间，所述第一中空体的一端连通所述第一盒体，所述第一中空体的另一端开口连通外部；

第一孔结构，所述第一孔结构为多个且均匀布设在所述第一侧面上；

第二孔结构，所述第二孔结构为多个且穿插布设在所述第一侧面的多个所述第一孔结构之间；

球形结构，所述球形结构为多个且均填充于所述第一孔结构内，所述球形结构均突出于所述第一孔结构的孔口；

多个压力感应探头，多个所述压力感应探头一一对应设置在多个所述第二孔结构内，用于检测所述第二盒体的内部压力，多个所述压力感应探头共同连接一压力监测系统，所述压力感应探头用于将检测到的压力信号传输至该所述压力监测系统；

所述第一盒体包括：

第三面板、第四面板和第二中空体，所述第三面板设置有第三侧面，所述第四面板设置有第四侧面，所述第三面板的第三侧面与所述第四面板的第四侧面相对设置，所述第二中空体位于所述第三侧面与所述第四侧面之间；所述第三侧面包括：

第一凹槽，所述第一凹槽的形状为第一类梯形；

所述第四侧面包括：

第二凹槽，所述第二凹槽为与所述第一凹槽形状一致的第二类梯形，所述第一凹槽与所述第二凹槽形成所述第一通道；

所述第一通道远离所述第二通道的一端为所述第一通道的小直径端；

所述球形结构为具有可塑性的材质制备；

还包括：至少一个第三孔结构，所述第三孔结构贯穿设置在所述第一面板上，并连通所述第一中空体，所述第三孔结构位于所述第二侧面的开口连通注浆装置。

2.根据权利要求1所述的模拟岩体裂隙注浆过程的实验装置，其特征在于，所述第一盒体所述第二盒体均采用透明材质的材料制备。

3.根据权利要求1所述的模拟岩体裂隙注浆过程的实验装置，其特征在于，所述第一盒体和所述第二盒体的材质为有机玻璃。

4.根据权利要求1所述的模拟岩体裂隙注浆过程的实验装置，其特征在于，所述球形结构包括乳胶小球。

5.根据权利要求1所述的模拟岩体裂隙注浆过程的实验装置，其特征在于，所述第二面板上设置有连通所述第一中空体的矩形孔槽，所述第一盒体垂直插接在所述矩形孔槽内，所述第一盒体的所述第一通道连通所述矩形孔槽。

6.一种如权利要求1-5任一项所述实验装置的压力监测系统，其特征在于，包括：

压力采集仪，用于获取所述压力感应探头采集的压力信号并显示：所述压力采集仪包括：

显示模块；

第一导线，其一端电连接若干所述压力感应探头，所述导线的另一端电连接所述显示模块；

电源模块，通过若干第二导线电连接所述显示模块以及压力感应探头，用于所述显示模块以及所述压力感应探头的电量供应。

7.根据权利要求6所述的压力监测系统，其特征在于，所述压力感应探头包括：

壳体，具有密闭的空腔，设置在所述第二孔结构内；

压力传感器，其设置在所述壳体内；

其中，所述压力传感器用于检测所述第一中空体内的水压，并将水压信号传输至所述显示模块。

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