CN218098680U - 大尺度三维伺服注浆试验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大尺度三维伺服注浆试验系统，涉及采矿工程技术领域。本实用新型包括注浆系统、回压系统、围压系统、三轴伺服控制系统、数据采集及处理系统、岩样。本实用新型通过设置立方体岩样，通过声发射仪对注浆的过程进行实时监测，可以对压裂后注入浆液封堵过程进行动态评价，解决了三轴压裂模拟装置只能进行压裂，不能进行注浆加固模拟试验的问题，并且可以模拟岩样在储层环境下，对煤岩样施加真三轴应力、还可以实现对浆液注入压力、注入频率、注入流量、注入时间与回压，围岩应力大小的控制，并实时监测、记录压裂介质的注入压力、注入流量以及气液出口的压力、排出的气液体质量、围岩应力大小、轴向和径向应变的数据。

Description

大尺度三维伺服注浆试验系统

技术领域

本实用新型属于采矿工程技术领域，特别是涉及一种大尺度三维伺服注浆试验系统。

背景技术

随着我国进入深部地下工程开采以来，岩体往往处于高地应力、高渗透力、强采动的环境，在它们的共同作用下，岩体发生裂隙和破碎，稳定性和整体性下降而引起工程事故的发生。注浆支护作一种常见的采矿工程施工技术，对于地下深井巷道围岩的加固和防渗都有显著的效果，通过注入水泥浆液等胶凝材料到围岩裂隙中，通过浆液的胶凝作用把裂隙岩体的缝隙凝结成完整的整体，从而提高了岩体自身的承载能力，达到围岩改性的目的。

目前，在地下采矿工程中，模拟岩体在高渗透压力和开挖卸荷破坏的共同作用下，对于岩体破坏过程进行模型试验较多，但是不能很好的对破坏的岩体进行注浆加固试验，对于能模拟多种因素影响下的真实岩体压裂注浆过程的大尺度三维伺服注浆试验系统及方法少有研究，不能进一步探究浆液在岩体中的扩散规律及破碎岩体在真三轴扰动条件下“压裂-注浆-固结-压裂”的循环实验。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种大尺度三维伺服注浆试验系统，解决了现有技术中的不能很好的对破坏的岩体进行注浆加固试验的技术问题。

为达上述目的，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种大尺度三维伺服注浆试验系统，包括注浆系统、回压系统、围压系统、三轴伺服控制系统、数据采集及处理系统、岩样、岩样注浆管，所述注浆系统包括浆液搅拌器，空气注入系统和精密注入泵，所述精密注入泵一侧连接有三轴仪，所述空气注入系统包括空气瓶、气体增压泵、缓冲容器、调压阀，所述空气瓶出气口与所述气体增压泵进口端连接，所述气体增压泵的一侧装设有电磁控制器，所述气体增压泵出口端与所述缓冲容器进口端连接，所述缓冲容器出口端与所述调压阀进口端连接，所述调压阀出口端与所述三轴仪气液进口连接，所述缓冲容器一侧装设有第一传感器，所述三轴仪包括压力室，且所述压力室位于所述三轴仪的中部，所述压力室具有十二条棱，且所述十二条棱侧均装设有包缝胶套，所述包缝胶套与所述围压系统相对应，所述数据采集及处理系统包括声发射仪；

所述岩样开设有中心孔，所述岩样注浆管的一端伸入所述中心孔内，所述岩样注浆管与所述三轴仪相对应，所述三轴伺服控制系统包括X轴加载系统、Y轴加载系统和Z轴加载系统，所述X轴加载系统、所述Y轴加载系统和所述Z轴加载系统分别与所述三轴仪相对应设置。

可选的，所述三轴仪的气液进口处装设有注浆管，所述浆液搅拌器包括搅拌室、装设于所述搅拌室内上部的浆液室、装设于所述搅拌室内下部的储水室、固定于所述搅拌室内中部的分离式挡板、装设于所述搅拌室两端的转动式U型槽、装设于所述搅拌室相对两侧中部的滑动式横杆、分别装设于所述滑动式横杆相对两端的两个横杆固定基座、贯穿装设于所述搅拌室内的转轴，所述转轴和所述滑动式横杆交叉连接，分离式挡板的一侧装设有控制按钮，所述浆液室一侧装设有第二传感器，所述转轴的一端通过管路连接有第一电磁阀和第三传感器，且所述管路的一端与所述注浆管相连接，所述精密注入泵的一侧装设有与所述注浆管相连接的管线，所述空气瓶的一侧通过管路与所述气体增压泵的进口端连接并装设有第一阀门，所述气体增压泵的出口端通过管路与所述缓冲容器的进口端连接并装设有第二阀门，所述缓冲容器的出口端通过管路与所述调压阀的进口端连接并装设有第三阀门，所述调压阀的出口端通过管路与所述注浆管连接并装设有第二电磁阀，所述管线一侧装设有第四阀门。

可选的，所述回压系统包括回压阀、装设于所述回压阀一端的回压缓冲器、装设于所述回压阀与所述回压缓冲器之间的第七传感器、装设于所述回压缓冲器一侧的控制阀、装设于所述控制阀一侧的回压泵、装设于所述回压阀另一端的气液分离器、装设于所述气液分离器出气端的湿式流量计、位于所述气液分离器下方的电子天平、装设于所述电子天平上侧的烧杯，且所述烧杯与所述气液分离器相对应，所述气液分离器的出液端连接有第六阀门，所述回压阀的一侧通过管路与三轴仪的气液出口相连接并装设有第七阀门，所述第六阀门位于所述电子天平上方与所述烧杯相对应。

可选的，所述围压系统包括围压跟踪泵、所述围压跟踪泵的一侧通过管路与所述包缝胶套相连接并依次装设有第五阀门和第五传感器，所述三轴仪还包括加载油缸，所述压力室的六个侧面均装设有加载压板，所述包缝胶套的外侧固定有压力定位槽，所述六个加载压板的外侧均固定有压力室盖板，其中相对的两个所述加载压板中部开设有圆形开孔，所述注浆管和回压系统的管路分别与两个所述圆形开孔相连接，所述加载油缸的下侧装设有油缸固定板，所述加载油缸通过管路与所述三轴伺服控制系统相连接，所述加载油缸与所述压力室盖板、所述加载压板之间装设有压力传递杆，所述加载油缸与所述油缸固定板之间装设有六根固定横杆，所述固定横杆周侧装设有杆帽。

可选的，所述X轴加载系统、所述Y轴加载系统和所述Z轴加载系统分别通过管路与所述加载油缸相连接，所述岩样注浆管包括空心注浆导管、可移动带螺纹螺丝和固定式带螺纹螺丝，数据采集及控制系统还包括电脑、注浆数据处理软件、自动化控制系统、数据采集卡，所述声发射仪通过管线与所述加载压板相连接，所述精密注入泵的一侧装设有第四传感器，所述X轴加载系统、所述Y轴加载系统和所述Z轴加载系统的一侧均装设有第六传感器、第八传感器和第九传感器。

本实用新型的实施例具有以下有益效果：

本实用新型的一个实施例通过设置立方体岩样，通过在岩样上安装岩样注浆管，然后与三轴仪上的注浆管连接，并向岩样注浆管内注入浆液，通过声发射仪对注浆的过程进行实时监测，可以对压裂后注入浆液封堵过程进行动态评价，解决了三轴压裂模拟装置只能进行压裂，不能进行注浆加固模拟试验的问题，并且可以模拟岩样在储层环境下，对煤岩样施加真三轴应力、还可以实现对浆液注入压力、注入频率、注入流量、注入时间与回压，围岩应力大小的控制，并实时监测、记录压裂介质的注入压力、注入流量以及气液出口的压力、排出的气液体质量、围岩应力大小、轴向和径向应变的数据。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施例的大尺度三维伺服注浆试验系统结构示意图；

图2为本发明一实施例的三轴仪结构示意图；

图3为本发明一实施例的注浆搅拌器结构示意图；

图4为本发明一实施例的岩样结构示意图；

图5为本发明一实施例的岩样注浆管结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

三轴仪1，空气注入系统2，浆液搅拌器3，精密注入泵4，围压跟踪泵5，回压泵6，声发射仪7，X轴加载系统8，Y轴加载系统9，空气瓶10，气体增压泵11，缓冲容器12，调压阀13，注浆管14，湿式流量计15，气液分离器16，烧杯17，电子天平18，回压阀19，回压缓冲器20，第一阀门21，第二阀门22,第三阀门23,第二电磁阀24,第一电磁阀25，第四阀门26，第五阀门27，第六阀门28，第七阀门29，电磁控制器30，第一传感器31，第二传感器32，第三传感器33，第四传感器34，第五传感器35，第六传感器36，第七传感器37，第八传感器38，搅拌室39，浆液室40，储水室41，横杆固定基座42，滑动式横杆43，分离式挡板44，转动式U型槽45，转轴46，压力室47，加载油缸48，压力室盖板49，加载压板50，压力定位槽51，包缝胶套52，压力传递杆53，固定拉杆54，控制阀55，油缸固定板56，杆帽57，岩样注浆管59，岩样60，中心孔61，空心注浆导管62，可移动带螺纹螺丝63，固定式带螺纹螺丝65。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。

为了保持本实用新型实施例的以下说明清楚且简明，本实用新型省略了已知功能和已知部件的详细说明。

请参阅图1-5所示，在本实施例中提供了一种大尺度三维伺服注浆试验系统，包括：注浆系统、回压系统、围压系统、三轴伺服控制系统、数据采集及处理系统、岩样60、岩样注浆管59，其特征在于，注浆系统包括浆液搅拌器3，空气注入系统2和精密注入泵4，精密注入泵4一侧连接有三轴仪1，空气注入系统2包括空气瓶10、气体增压泵11、缓冲容器12、调压阀13，空气瓶10出气口与气体增压泵11进口端连接，气体增压泵11的一侧装设有电磁控制器30，气体增压泵11出口端与缓冲容器12进口端连接，缓冲容器12出口端与调压阀13进口端连接，调压阀13出口端与三轴仪1气液进口连接，缓冲容器12一侧装设有第一传感器31，三轴仪1包括压力室47，且压力室47位于三轴仪1的中部，压力室47具有十二条棱，且十二条棱侧均装设有包缝胶套52，包缝胶套52与围压系统相对应，数据采集及处理系统包括声发射仪7；

岩样60开设有中心孔61，岩样注浆管59的一端伸入中心孔61内，岩样注浆管59与三轴仪1相对应，三轴伺服控制系统包括X轴加载系统8、Y轴加载系统9和Z轴加载系统，X轴加载系统8、Y轴加载系统9和Z轴加载系统分别与三轴仪1相对应设置。

本实施例一个方面的应用为：首先，将制备好的岩样60，推进压力室47内，然后启动围压系统、三轴伺服控制系统、回压系统、数据采集及控制系统，根据实验所需设定X轴加载系统8、Y轴加载系统9和Z轴加载系统的压力值及围压值，此时，数据采集及处理系统中的声发射仪7和多个传感器进行检测岩样60压裂的应力与应变的数据，待岩样60的峰值强度过后，岩样60压裂结束；其次进行注浆实验，将制备好的水泥浆液放到浆液搅拌器3内，同时启动浆液搅拌器3、空气注入系统2和精密注入泵4配合工作，然后空气瓶10中的气体经过气体增压泵11增压后到达缓冲容器12内，缓冲容器12内的气压将浆液搅拌器3中的浆液增压到三轴仪1的气液进口处，期间经过调压阀13可以更好的调节三轴仪1气液进口处的压力，精密注入泵4的目的是为了进一步使到达三轴仪1的气液进口的压力更加精确的达到实验需要值；其中围压系统主要有两个作用，其一是给装在三轴仪1内的岩样60加上试验所需要的围压值，其二使得包缝胶套52与岩样60的十二条棱紧贴，三轴伺服加载系统中的X轴加载系统8、Y轴加载系统9和Z轴加载系统通过三轴仪1进行加轴压达到实验值，通过各个传感器测量其应力及应变值。需要注意的是，本申请中所涉及的所有用电设备均可通过蓄电池供电或外接电源。

空气注入系统2工作原理：先打开第一阀门21、打开气体增压泵11和缓冲容器12之间管路上的第二阀门22，空气瓶10中的气体经过气体增压泵11增压后到达缓冲容器12内，缓冲容器12内的气压将浆液搅拌器3中浆液室内的浆液增压到三轴仪1的气液进口处，期间经过调压阀13可以更好的调节三轴仪1气液进口处的压力。精密注入泵4的目的是为了进一步使到达三轴仪1的气液进口的压力更加精确的达到实验需要值。

通过设置立方体岩样60，通过在岩样60上安装岩样注浆管59，然后与三轴仪1上的注浆管14连接，并向岩样注浆管59内注入浆液，通过声发射仪7对注浆的过程进行实时监测，可以对压裂后注入浆液封堵过程进行动态评价，解决了三轴压裂模拟装置只能进行压裂，不能进行注浆加固模拟试验的问题，并且可以模拟岩样60在储层环境下，对煤岩样施加真三轴应力、还可以实现对浆液注入压力、注入频率、注入流量、注入时间与回压，围岩应力大小的控制，并实时监测、记录压裂介质的注入压力、注入流量以及气液出口的压力、排出的气液体质量、围岩应力大小、轴向和径向应变的数据。

本实施例的三轴仪1的气液进口处装设有注浆管14，浆液搅拌器3包括搅拌室39、装设于搅拌室39内上部的浆液室40、装设于搅拌室39内下部的储水室41、固定于搅拌室39内中部的分离式挡板44、装设于搅拌室39两端的转动式U型槽45、装设于搅拌室39相对两侧中部的滑动式横杆43、分别装设于滑动式横杆43相对两端的两个横杆固定基座42、贯穿装设于搅拌室39内的转轴46，转轴46和滑动式横杆43交叉连接，分离式挡板44的一侧装设有控制按钮，浆液室40一侧装设有第二传感器32，转轴46的一端通过管路连接有第一电磁阀25和第三传感器33，且管路的一端与注浆管14相连接。

通过分离式挡板44将浆液室40和储水室41分隔开，转轴46贯穿连接在搅拌室39内，首先逆时针转动转动式U型槽45打开浆液室40将配制好的浆液加入到浆液室40内，待浆液放置好后，顺时针转动转动式U型槽45关闭浆液搅拌器3；启动浆液搅拌器3，滑动式横杆43在横杆固定基座42上滑动带动转轴46转动，从而带动搅拌室39转动，保证了在注浆实验的过程中浆液始终处于流动状态，避免了浆液出现分层、沉淀的现象发生，如果在注浆过程中需要改变浆液的浓度，启动分离式挡板44的控制按钮，使分离式挡板44移动较小距离，储水室41内的水进入到浆液室40，此时第二传感器32用于测量浆液室40内浆液的浓度，第三传感器33用于采集浆液注入岩样60的压力。

本实施例的精密注入泵4的一侧装设有与注浆管14相连接的管线，空气瓶10的一侧通过管路与气体增压泵11的进口端连接并装设有第一阀门21，气体增压泵11的出口端通过管路与缓冲容器12的进口端连接并装设有第二阀门22，缓冲容器12的出口端通过管路与调压阀13的进口端连接并装设有第三阀门23，调压阀13的出口端通过管路与注浆管14连接并装设有第二电磁阀24，管线一侧装设有第四阀门26。打开第四阀门26，启动精密注入泵4进行正常工作，打开第一阀门21，启动空气注入系统2进行工作，第二电磁阀24可以在电脑界面控制浆液室40内的浆液流入到调压阀13的启停，第二电磁阀24可以在电脑界面控制调压阀13处的浆液流入三轴仪1气液进口处的启停。

本实施例的回压系统包括回压阀19、装设于回压阀19一端的回压缓冲器20、装设于回压阀19与回压缓冲器20之间的第七传感器37、装设于回压缓冲器20一侧的控制阀55、装设于控制阀55一侧的回压泵6、装设于回压阀19另一端的气液分离器16、装设于气液分离器16出气端的湿式流量计15、位于气液分离器16下方的电子天平18、装设于电子天平18上侧的烧杯17，且烧杯17与气液分离器16相对应，气液分离器16的出液端连接有第六阀门28，回压阀19的一侧通过管路与三轴仪1的气液出口相连接并装设有第七阀门29，第六阀门28位于电子天平18上方与烧杯17相对应。

回压系统的目的是为了在三轴仪1气液出口处加载一个可以模拟地层的各种压力，保证三轴仪1出口压力的恒定，使排出的气液更加稳定，提高计量的精度；启动回压系统，打开第六阀门28和控制阀55，回压泵6首先对储存好的水或气体进增压直到达到实验所需的回压，如果三轴仪1中气液出口处的压力大于实验所需压力时，三轴仪1中的气体或液体就会排出；如果三轴仪1中气液出口处的压力小于或等于实验所需压力时回压阀19会自动将通向气液分离器16的管路密封住，达到三轴仪1中的气液进口和出口恒定压力差的目的，也就是说使用回压阀19防止了回压发生波动或下降的情况，其中回压缓冲器20用于储存回压泵6增压后的液体或气体，湿式流量计15用于测量三轴仪1气液出口排除的气体量，烧杯17用于存放三轴仪1气液出口排除的液体，电子天平18用于称量烧杯17中的体积，气液分离器16用于分离三轴仪1气液出口排出的气体和液体进行分离，提高测量的精确度，回压阀19和回压缓冲器20之间的第七传感器37用于测量回压缓冲器20经过回压泵6增压后的压力，回压系统启动前，打开第六阀门28和控制阀55，打开回压阀19与三轴仪1气液出口之间管路的第七阀门29，回压系统才能正常实验，实验气液分离器16的液体才会流入到烧杯17。

本实施例的围压系统包括围压跟踪泵5、围压跟踪泵5的一侧通过管路与包缝胶套52相连接并依次装设有第五阀门27和第五传感器35。启动围压系统前先打开第五阀门27，围压跟踪泵5内的气压通过管路进入三轴仪1中的压力室47使得包缝胶套52与岩样60紧贴，既给岩样60增加了围压，又防止后期注浆实验中浆液从岩样60六个面都溢出，使其只能从三轴仪1气液进口处的那一面，到三轴仪1气体出口处流出，第五传感器35采集围压跟踪泵5进入三轴仪1的压力。

本实施例的三轴仪1还包括加载油缸48，压力室47的六个侧面均装设有加载压板50，包缝胶套52的外侧固定有压力定位槽51，六个加载压板50的外侧均固定有压力室盖板49，其中相对的两个加载压板50中部开设有圆形开孔，注浆管14和回压系统的管路分别与两个圆形开孔相连接，加载油缸48的下侧装设有油缸固定板56，加载油缸48通过管路与三轴伺服控制系统相连接，加载油缸48与压力室盖板49、加载压板50之间装设有压力传递杆53，加载油缸48与油缸固定板56之间装设有六根固定横杆54，固定横杆54周侧装设有杆帽57，X轴加载系统8、Y轴加载系统9和Z轴加载系统分别通过管路与加载油缸48相连接，岩样注浆管59包括空心注浆导管62、可移动带螺纹螺丝63和固定式带螺纹螺丝65。

三轴伺服控制系统通过X轴加载系统8、Y轴加载系统9和Z轴加载系统三个方向的加载油缸48分别给X轴加载系统8、Y轴加载系统9和Z轴加载系统供压力，岩样注浆管59与岩样60配套使用，空心注浆导管62左端有固定式带螺纹螺丝65，右端为可移动带螺纹螺丝63，岩样注浆管59插入岩样60时，空心注浆导管62左端用薄膜包裹后在方入到岩样60中，在用胶凝剂浇筑，其中薄膜包裹为了防止空心注浆导管62被胶凝剂堵塞；压力室47用于存放岩样60，压力仓定位槽51用于固定压力室47及压力仓盖板49的位置，压力仓盖板49配合包缝胶套52，为三轴仪1构造出独立的工作环境，注浆管14和回压系统的管路分别与两个圆形开孔相连接，用以在三轴仪1气液出口加载一个可以模拟的地层的压力，从而保持三轴仪1气液出口的回压恒定，加载油缸48通过六根带有杆帽57的固定横杆54固定在油缸固定板56的上侧，加载油缸48用于传递三轴伺服控制系统提供的三轴压力，压力传递杆53用于传递加载油缸48的三轴压力。

本实施例的数据采集及控制系统还包括电脑、注浆数据处理软件、自动化控制系统、数据采集卡，声发射仪7通过管线与加载压板50相连接，精密注入泵4的一侧装设有第四传感器34，X轴加载系统8、Y轴加载系统9和Z轴加载系统的一侧均装设有第六传感器36、第八传感器38和第九传感器。声发射仪7选用8通道全信息发射分析仪，并配有8个声发射传感器，对注入浆液的过程进行实时监测，数据采集及控制系统还包括一些辅助设备，辅助设备包括仪器专用工具和操作柜，仪器专用工具用于设备的检修及维护，操作柜用于放置浆液搅拌器3、精密注入泵4、围压跟踪泵5、回压泵6、声发射仪7、回压缓冲器(20)和回压泵(6)，本装置还能开展不同工况下，不同注入压力、大尺寸岩样的渗透率测试试验，各种试验参数由电脑、注浆数据处理软件、自动化控制系统、数据采集卡进行控制、测量、显示、处理并打印，集成度高，使用方便可靠，为岩样裂隙的扩展、浆液的扩散规律等研究提供理论基础；第四传感器34用于采集精密注入泵4的注入压力，第六传感器36、第八传感器38和第九传感器分别用于采集X轴加载系统8、Y轴加载系统9和Z轴加载系统的压力应力和应变数据。

工作原理：首先制作立方体岩样60，并通过胶凝剂浇筑将岩样注浆管59与立方体岩样60一侧中央的一个中心孔61进行连接，静置24小时后进行后续试验，其中，可采用300mm×300mm×300mm的立方体模具浇筑制作出与岩石性质相似的岩样60，在制作的过程在岩样60一侧的中央留一个中心孔61，其孔径为Φ30mm,孔深200mm，并对岩样60六个面进行打磨光滑后插入岩样注浆管59，并对中心孔61与岩样注浆管周侧之间的环向孔隙使用胶凝剂浇筑，或者还可采用精密切割工具加工成300mm×300mm×300mm的立方体试件，并采用钻孔机床在试件的中央钻中心孔插入岩样注浆管59，并对中心孔61与岩样注浆管周侧之间的环向孔隙使用胶凝剂浇筑，静置24小时后进行后续试验；

将三轴仪1中的注浆管14与岩样60上的岩样注浆管59连接，并利用管路将三轴仪1与三轴伺服控制系统连接，将岩样注浆管59上的可移动带螺纹螺丝63与三轴仪1内的注浆管14连接，启动三轴液压伺服控制系统把岩样60推进压力室47内，通过围压系统，使得加载压板50、包缝胶套52和岩样60的六个表面均匀紧密接触并固定；

将回压系统通过管路与三轴仪1上的气液排出管相连，将空气注入系统2通过管路与三轴仪1上的注浆管14相连，回压系统的功能在三轴仪1气液出口加载一个高于大气压直至所模拟的地层压力，保持气液出口的回压恒定，使排出气体/液体更为平稳，并以较高的精度进行计量，至此，整个装置准备就绪，然后将数据采集及控制系统与各个系统进行连接，打开数据采集及控制系统监测各个系统的工作情况，通过采集、展示和输出各个传感器实时测的数据；

利用三轴伺服控制系统进行压裂试验，首先打开第五阀门27通过围压系统给岩样60加适宜的围压值,其次采用三轴伺服控制系统对岩样60进行加载试验,根据试验情况分别对X轴加载系统8、Y轴加载系统9、Z轴加载系统单独设置各个方向的压力值，直至试验破坏，保存压裂的实时数据，压裂试验结束；

打开转动式U型槽45，将配制好的浆液添加到浆液室40内，并合上转动式U型槽45，启动浆液搅拌器3，滑动式横杆43在电源的驱动下，在横杆固定基座42上滑动，引起搅拌室39的转动，使得浆液始终处于流动状态，此时通过第二传感器32采集浆液的浓度，避免其发生分层和沉淀现象；

其中，具体的浆液搅拌器的工作原理：首先逆时针转动转动式U型槽45打开浆液室40将配制好的浆液加入到浆液室内40，待浆液放置好后，顺时针转动转动式U型槽45关闭浆液搅拌器3，启动浆液搅拌器3，滑动式横杆43在横杆固定基座42上滑动带动转轴46转动，从而带动搅拌室39转动，保证了在注浆实验的过程中浆液始终处于流动状态，避免了浆液的分层、沉淀的现象，如果在注浆过程中需要改变浆液的浓度，启动分离式挡板44的控制按钮，分离式挡板44移动较小距离，储水室内的水进入到浆液室40，此时第二传感器32测量浆液室40内浆液的浓度；

然后打开第一阀门21、第二阀门22、第三阀门23使得空气瓶10内的空气通过气体增压泵11增压后储存到缓冲容器12中，其次打开第五阀门27通过围压跟踪泵5调控三轴仪1内岩样60的围压，然后通过调压阀13控制内部的气压进一步调控浆液注入岩样60的压力；启动回压系统，打开第六阀门28和控制阀55，回压泵6首先对储存好的水或气体进增压直到达到实验所需的回压，如果三轴仪1中气液出口处的压力大于实验所需压力时，三轴仪1中的气体或液体就会排出；如果三轴仪1中气液出口处的压力小于或等于实验所需压力时回压阀19会自动将通向气液分离器16的管路密封住，达到三轴仪1中的气液进口和出口恒定压力差的目的，也就是说使用回压阀19防止了回压发生波动或下降的情况，其中回压缓冲器20用于储存回压泵6增压后的液体或气体，湿式流量计15用于测量三轴仪1气液出口排除的气体量，烧杯17用于存放三轴仪1气液出口排除的液体，电子天平18用于称量烧杯17中的体积，气液分离器16用于分离三轴仪1气液出口排出的气体和液体进行分离，提高测量的精确度，回压阀19和回压缓冲器20之间的第七传感器37用于测量回压缓冲器20经过回压泵6增压后的压力，回压系统启动前，打开第六阀门28和控制阀55，打开回压阀19与三轴仪1气液出口之间管路的第七阀门29，回压系统才能正常实验，实验气液分离器16的液体才会流入到烧杯17；

打开空气注入系统2、数据采集及控制系统和声发射仪7使得气体增压泵11、精密注入泵4和声发射正常工作，声发射仪7通过管线与三轴仪1中的加载压板50连接，第一传感器31采集经气体增压泵11增压后的压力，第三传感器33采集浆液注入岩样60的压力，第四传感器34采集精密注入泵4的注入压力，第五传感器35采集回压泵6的压力，连接在三个加载油缸48上的第六传感器36、第八传感器38和第九传感器分别采集各轴的应力与应变值，第二传感器32采集浆液室40浆液的浓度，电子天平18用于采集浆液流出的质量，声发射仪7对注入浆液的过程进行实时监测；

通过三轴伺服控制系统中的X轴加载系统8，把岩样60从三轴仪1中推出，使用工具将可移动带螺纹螺丝63松动，最后卸下岩样60；

试验结束，关闭注浆系统、回压系统、围压系统、三轴伺服控制系统、空气注入系统，在保存各个传感器数据后，关闭数据采集及处理系统。

其中，“压裂-注浆-固结-压裂”即为完成上述注浆-固结操作后在过24h后，待浆液达到初凝后，重复原来压裂岩样的步骤，直至试件破坏。

上述实施例可以相互结合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

Claims (9)

1.一种大尺度三维伺服注浆试验系统，其特征在于，包括：注浆系统、回压系统、围压系统、三轴伺服控制系统、数据采集及处理系统、岩样(60)、岩样注浆管(59)，所述注浆系统包括浆液搅拌器(3)，空气注入系统(2)和精密注入泵(4)，所述精密注入泵(4)一侧连接有三轴仪(1)，所述空气注入系统(2)包括空气瓶(10)、气体增压泵(11)、缓冲容器(12)、调压阀(13)，所述空气瓶(10)出气口与所述气体增压泵(11)进口端连接，所述气体增压泵(11)的一侧装设有电磁控制器(30)，所述气体增压泵(11)出口端与所述缓冲容器(12)进口端连接，所述缓冲容器(12)出口端与所述调压阀(13)进口端连接，所述调压阀(13)出口端与所述三轴仪(1)气液进口连接，所述缓冲容器(12)一侧装设有第一传感器(31)，所述三轴仪(1)包括压力室(47)，且所述压力室(47)位于所述三轴仪(1)的中部，所述压力室(47)具有十二条棱，且所述十二条棱侧均装设有包缝胶套(52)，所述包缝胶套(52)与所述围压系统相对应，所述数据采集及处理系统包括声发射仪(7)；

所述岩样(60)开设有中心孔(61)，所述岩样注浆管(59)的一端伸入所述中心孔(61)内，所述岩样注浆管(59)与所述三轴仪(1)相对应，所述三轴伺服控制系统包括X轴加载系统(8)、Y轴加载系统(9)和Z轴加载系统，所述X轴加载系统(8)、所述Y轴加载系统(9)和所述Z轴加载系统分别与所述三轴仪(1)相对应设置。

2.如权利要求1所述的一种大尺度三维伺服注浆试验系统，其特征在于，所述三轴仪(1)的气液进口处装设有注浆管(14)，所述浆液搅拌器(3)包括搅拌室(39)、装设于所述搅拌室(39)内上部的浆液室(40)、装设于所述搅拌室(39)内下部的储水室(41)、固定于所述搅拌室(39)内中部的分离式挡板(44)、装设于所述搅拌室(39)两端的转动式U型槽(45)、装设于所述搅拌室(39)相对两侧中部的滑动式横杆(43)、分别装设于所述滑动式横杆(43)相对两端的两个横杆固定基座(42)、贯穿装设于所述搅拌室(39)内的转轴(46)，所述转轴(46)和所述滑动式横杆(43)交叉连接，分离式挡板(44)的一侧装设有控制按钮，所述浆液室(40)一侧装设有第二传感器(32)，所述转轴(46)的一端通过管路连接有第一电磁阀(25)和第三传感器(33)，且所述管路的一端与所述注浆管(14)相连接。

3.如权利要求2所述的一种大尺度三维伺服注浆试验系统，其特征在于，所述空气瓶(10)的一侧通过管路与所述气体增压泵(11)的进口端连接并装设有第一阀门(21)，所述气体增压泵(11)的出口端通过管路与所述缓冲容器(12)的进口端连接并装设有第二阀门(22)，所述缓冲容器(12)的出口端通过管路与所述调压阀(13)的进口端连接并装设有第三阀门(23)，所述调压阀(13)的出口端通过管路与所述注浆管(14)连接并装设有第二电磁阀(24)，所述精密注入泵(4)的一侧装设有与所述注浆管(14)相连接的管线，且所述管线一侧装设有第四阀门(26)。

4.如权利要求1所述的一种大尺度三维伺服注浆试验系统，其特征在于，所述回压系统包括回压阀(19)、装设于所述回压阀(19)一端的回压缓冲器(20)、装设于所述回压阀(19)与所述回压缓冲器(20)之间的第七传感器(37)、装设于所述回压缓冲器(20)一侧的控制阀(55)、装设于所述控制阀(55)一侧的回压泵(6)、装设于所述回压阀(19)另一端的气液分离器(16)、装设于所述气液分离器(16)出气端的湿式流量计(15)、位于所述气液分离器(16)下方的电子天平(18)、装设于所述电子天平(18)上侧的烧杯(17)，且所述烧杯(17)与所述气液分离器(16)相对应。

5.如权利要求4所述的一种大尺度三维伺服注浆试验系统，其特征在于，所述气液分离器(16)的出液端连接有第六阀门(28)，所述回压阀(19)的一侧通过管路与三轴仪(1)的气液出口相连接并装设有第七阀门(29)，所述第六阀门(28)位于所述电子天平(18)上方与所述烧杯(17)相对应。

6.如权利要求1所述的一种大尺度三维伺服注浆试验系统，其特征在于，所述围压系统包括围压跟踪泵(5)、所述围压跟踪泵(5)的一侧通过管路与所述包缝胶套(52)相连接并依次装设有第五阀门(27)和第五传感器(35)。

7.如权利要求1所述的一种大尺度三维伺服注浆试验系统，其特征在于，所述三轴仪(1)还包括加载油缸(48)，所述压力室(47)的六个侧面均装设有加载压板(50)，所述包缝胶套(52)的外侧固定有压力定位槽(51)，所述六个加载压板(50)的外侧均固定有压力室盖板(49)，其中相对的两个所述加载压板(50)中部开设有圆形开孔，所述注浆管(14)和回压系统的管路分别与两个所述圆形开孔相连接，所述加载油缸(48)的下侧装设有油缸固定板(56)，所述加载油缸(48)通过管路与所述三轴伺服控制系统相连接，所述加载油缸(48)与所述压力室盖板(49)、所述加载压板(50)之间装设有压力传递杆(53)，所述加载油缸(48)与所述油缸固定板(56)之间装设有六根固定横杆(54)，所述固定横杆(54)周侧装设有杆帽(57)。

8.如权利要求7所述的一种大尺度三维伺服注浆试验系统，其特征在于，所述X轴加载系统(8)、所述Y轴加载系统(9)和所述Z轴加载系统分别通过管路与所述加载油缸(48)相连接，所述岩样注浆管(59)包括空心注浆导管(62)、可移动带螺纹螺丝(63)和固定式带螺纹螺丝(65)。

9.如权利要求8所述的一种大尺度三维伺服注浆试验系统，其特征在于，数据采集及控制系统还包括电脑、注浆数据处理软件、自动化控制系统、数据采集卡，所述声发射仪(7)通过管线与所述加载压板(50)相连接，所述精密注入泵(4)的一侧装设有第四传感器(34)，所述X轴加载系统(8)、所述Y轴加载系统(9)和所述Z轴加载系统的一侧均装设有第六传感器(36)、第八传感器(38)和第九传感器。

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