CN103954490A - 矿山软岩注浆试件室内模拟制作方法及制作装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿山软岩注浆试件室内模拟制作方法及制作装置，属于岩土工程领域，它首先加工一个模拟制作装置，该装置包括试件加载***、浆液搅拌***、注浆***和监测***；制作时，将制作好的软岩试件固定在加载油缸内，然后模拟出现场注浆环境开始注浆，当达到设定的注浆压力试验值和注浆时间时停止注浆，待初凝后取出软岩注浆试件进行养护，将所有组养护好的软岩注浆试件分别进行力学实验，根据渗透水量、浆液水灰比及软岩试件含水率分析得出注浆过程中水分转化规律；最后对实验结果进行分析优选出适合现场施工注浆的注浆参数，包括浆液类型与被注介质的匹配关系、注浆压力和注浆时间，为以后现场施工注浆提供依据。

Description

矿山软岩注浆试件室内模拟制作方法及制作装置

技术领域

本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种矿山软岩注浆试件室内模拟制作方法和制作装置。

背景技术

在矿山、隧道、边坡和水利水电工程等领域中，软岩对于其工程稳定性影响显著，主要表现在：(1)软岩力学强度较低，出现大变形及失稳破坏等灾害的可能性大；(2)软岩多含岩溶水，其对支护的侵蚀性较强，影响工程使用寿命。实践表明，对于软弱岩体，一般的锚、网、棚、架等支护手段难以有效控制其变形破坏，现场多采用锚杆-注浆(简称锚注)加固方法对软岩进行改性，从而使被注岩体力学性质增强，变形破坏缓解。

锚注时的注浆环节是软岩加固工程成功与否的关键，研究注浆加固过程中浆液扩散规律和渗透水变化特征是分析注浆机理的基础，对注浆后试件进行力学试验是研究注浆效果的前提。目前，随着注浆机械、材料及工艺的进步，注浆技术得到了快速发展，然而注浆机理发展却相对滞后，不能科学有效地指导注浆实践，导致了现场施工靠经验估算的弊端。

为了有效地指导注浆实践，通常需要把现场的软岩试件拿到室内进行注浆，将注浆后的试件再进行研究分析，确定注浆过程中，浆液类型与被注介质的匹配关系、注浆压力和注浆时间等，从而为以后现场施工注浆提供依据。

中国专利公开号(ZL200720310235.6)公开了一种“高压注浆试验模型装置”，利用该装置注浆时，仅能考虑单轴压缩和注浆压力，并不能考虑围压影响，且不能保证浆液均匀注入被注试件，导致注浆后的岩石试件难以模拟实际注浆环境，无法准确确定现场的注浆参数。

基于上述原因，有必要设计一种综合考虑围压、轴压、注浆压力及渗透作用的软岩注浆试件的制作方法。

发明内容

为了科学有效地指导注浆实践，确定注浆参数，为以后现场施工注浆提供依据，本发明提供了一种矿山软岩注浆试件室内模拟制作方法，该方法充分模拟现场实际注浆环境，制作出适合研究分析的软岩注浆试件。

本发明同时提供一种实施该方法的装置。

一种矿山软岩注浆试件室内模拟制作方法，其特征在于，主要步骤如下：

第一步，加工试件制作装置

该装置由试件加载***、浆液搅拌***、注浆***和监测***组成；

所述的试件加载***包括一个底座和四个立柱焊接组成的试验框架，试验框架上设有竖向的用于安放软岩试件的加载油缸，试验框架的底座上设有液压千斤顶，加载油缸与液压千斤顶在同一轴线上；加载油缸中的下部设有刚性实体托盘，刚性实体托盘的底面与液压千斤顶接触；加载油缸的上部设有液压加载控制装置，液压加载控制装置和加载油缸用高强度螺栓连接；

所述的浆液搅拌***是在搅拌桶内设有搅拌叶轮，搅拌叶轮通过手动摇杆实现搅拌功能；搅拌桶上方设置有物料入口，物料入口上方设有物料盖，两者通过螺纹连接；

所述注浆***包括高压注浆泵，高压注浆泵的进口与搅拌桶连通，高压注浆泵的出口连接耐高压管路，耐高压管路伸入液压加载控制装置并与注浆管连接，耐高压管路与液压加载控制装置连接的外缘采用法兰密闭；高压管路上设有压力表、溢流阀和高压阀门；

所述监测***包括压力传感器、渗透水管路和渗透水接收计量装置，压力传感器通过数据线与外部的压力信号接收装置相连，渗透水管路穿过加载油缸外壁与加载油缸的活塞接触，使渗透水通过渗透水管路流入到渗透水接收计量装置中；

第二步，制作软岩试件

将准备试验的软岩按标准尺寸制作软岩试件，在软岩试件上钻上注浆孔，注浆孔中***注浆管，将压力传感器粘贴于软岩试件之上，并连接上数据线；

第三步，将软岩试件固定在加载油缸上

打开液压加载控制装置和加载油缸之间的连接，将软岩试件放入加载油缸中并精确置于加载油缸的刚性渗透性活塞之上，在软岩试件上面安装刚性垫圈，将耐高压管路穿过法兰及液压加载控制装置，并与注浆管连接牢固；

第四步，将压力传感器的数据线沿着注浆***的高压管路从液压加载控制装置中导出并连接好法兰，然后将加载油缸和液压加载控制装置用高强度螺栓连接牢固；

第五步，接通压力传感器和压力信号接收装置；

第六步，对压力表进行调零；

第七步，打开物料盖，将注浆物料及水倒入浆液搅拌桶，转动手动摇杆，使浆液搅拌均匀，搅拌过程中可关闭物料盖；

第八步，打开加载油缸，使油均匀填满软岩试件与油缸之间的缝隙，驱动液压加载控制装置与液压千斤顶为软岩试件加载，模拟现场的围压和轴压，当压力接收装置的压力值达到需要模拟地压的试验值时，停止操作液压加载控制装置和液压千斤顶，使得软岩试件的围压和轴压保持不变，模拟出现场注浆环境；

第九步，根据现场经验设定一系列对应的注浆压力试验值和注浆时间；

第十步：选择一组对应的注浆压力试验值和注浆时间作为设定测试值，然后关闭高压阀门，打开注浆泵，待注浆压力表的压力达到设定测试值时，打开高压阀门，使高压浆液注入软岩试件中，当达到浆时间设定测试值时，停止注浆，待初凝后取出软岩注浆试件，进行养护；在注浆过程中渗透水接收装置定量接收注浆过程中所产生的渗透水，即自由水；在该过程中，须一直摇动手动摇杆，以保证进入高压注浆泵的浆液配比均匀；

第十一步：按照第十步方法，制作出多组不同注浆压力试验值和注浆时间下的软岩注浆试件，并进行养护；

第十二步：将所有组养护好的软岩注浆试件分别进行力学实验，根据渗透水量、浆液水灰比及软岩注浆试件含水率分析得出注浆过程中水分转化规律；最后对实验结果进行分析优选出适合现场施工注浆的注浆参数，包括浆液类型与被注介质的匹配关系、注浆压力和注浆时间。

为了实现上述方法，本发明提供了一种矿山软岩注浆试件室内模拟制作装置，其特征在于，该装置由试件加载***、浆液搅拌***、注浆***和监测***组成；

所述的试件加载***包括一个底座和四个立柱焊接组成的试验框架，试验框架上设有竖向的用于安放软岩试件的加载油缸，试验框架的底座上设有液压千斤顶，加载油缸与液压千斤顶在同一轴线上；加载油缸中的下部设有刚性实体托盘，刚性实体托盘的底面与液压千斤顶接触；加载油缸的上部设有液压加载控制装置，液压加载控制装置和加载油缸用高强度螺栓连接；

所述的浆液搅拌***是在搅拌桶内设有搅拌叶轮，搅拌叶轮通过手动摇杆实现搅拌功能；搅拌桶上方设置有物料入口，物料入口上方设有物料盖，两者通过螺纹连接；

所述注浆***包括高压注浆泵，高压注浆泵的进口与搅拌桶连通，高压注浆泵的出口连接耐高压管路，耐高压管路伸入液压加载控制装置并与注浆管连接，耐高压管路与液压加载控制装置连接的外缘采用法兰密闭；高压管路上设有压力表、溢流阀和高压阀门；

所述监测***包括压力传感器、渗透水管路和渗透水接收计量装置，压力传感器通过数据线与外部的压力信号接收装置相连，渗透水管路穿过加载油缸外壁与加载油缸的活塞接触，使渗透水通过渗透水管路流入到渗透水接收计量装置中。

本发明的积极效果：

1、通过加载油缸与液压千斤顶的作用，对软岩试件施以围压及轴压，模拟软岩试件的三轴环境，注浆***可充分保证注浆压力，浆液搅拌***可以保证全过程进入注浆机的浆液均匀可靠，从而准确模拟现场施工环境，使得制作出来的软岩注浆试件更贴近于现场实际，为以后现场施工注浆提供依据。

2、本发明设置的监测***可保障试验整个过程正常进行，并且通过渗透水接收计量装置可准确计量注浆过程中的渗透水，进而分析注浆过程中的水分转化规律。

3、本发明适用范围广，只需提供的现场注浆围岩应力资料，就可以利用本发明方法制作出模拟现场施工环境的软岩注浆试件，根据软岩注浆试件力学分析结果进而优选出适合现场的最佳注浆参数，为矿山注浆提供了一种实用便捷的方法。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图，图中示出了试件的加载情况；

图2是本发明A-A方向剖面图。

其中，1、手动摇杆；2、搅拌桶；3、物料入口；4、物料盖；5、管路；6、高压注浆泵；7、溢流阀；8、压力信号接收装置；9、耐高压管路；10、数据线；11、压力表；12、高压阀门；13、法兰；14、液压加载控制装置；15、刚性垫圈；16、软岩试件；17、立柱；18、注浆管；19、加载油缸支架；20、加载油缸；21、缝隙；22、渗透水管路；23、压力传感器；24、支架；25、渗透水接收计量装置；26、液压千斤顶；27、底座；28、刚性实体托盘；29、刚性渗透性活塞；30、搅拌叶轮；31、滚动轴承。

具体实施方式

下面将结合附图与具体实施例对本发明技术方案进行进一步描述。

如图1和图2所示的本发明矿山软岩注浆试件室内模拟制作装置的使用状态图，从图中可以看出：它由试件加载***、浆液搅拌***、注浆***和监测***组成；

所述的试件加载***包括由底座27和四个立柱17焊接组成的试验框架，试验框架上设有竖向的加载油缸20，加载油缸20通过加载油缸支架19安装在试验框架上，试验框架的底座27上设有液压千斤顶26，加载油缸与液压千斤顶26在同一轴线上；加载油缸20中的下部设有刚性实体托盘28，刚性实体托盘28的底面与液压千斤顶26连接；加载油缸20的上部设有液压加载控制装置14，液压加载控制装置14和加载油缸20用高强度螺栓连接；在加载油缸20中布置软岩试件16；软岩试件16内部布置注浆管18，软岩试件16表面用隔油膜封闭，在软岩试件16和加载油缸20的缝隙21中充满液压油，以实现对软岩试件的围压加载；在软岩试件16顶面设有刚性垫圈15、底面设有刚性渗透性活塞29，刚性垫圈15和刚性渗透性活塞29的周侧设有密封装置。

所述的浆液搅拌***是在搅拌桶2内设有拌拌叶轮30，搅拌叶轮30通过手动摇杆1实现搅拌功能，手动摇杆1通过滚动轴承31安装在搅拌桶2上；搅拌桶2上方设置有物料入口3，物料入口3上方设有物料盖4，两者通过螺纹连接。

所述注浆***包括高压注浆泵6，高压注浆泵6的进口通过管路5与搅拌桶2连通，高压注浆泵6与耐高压管理9相连接，耐高压管路9通过法兰13与液压加载控制装置14连接并伸入液压加载控制装置14，进而与软岩试件内部的注浆管18连通；

所述监测***是在耐高压管路9上设有溢流阀7、压力表11和高压阀门12，在软岩试件上粘贴有压力传感器23，压力传感器23通过数据线10与外部的压力信号接收装置8相连；监测***还包括渗透水管路22和安装在支架24上的渗透水接收计量装置25，渗透水管路22穿过加载油缸20外壁与刚性渗透性活塞29接触，使渗透水通过该管路流入到渗透水接收计量装置25中。

利用上述装置在室内模拟制作软岩注浆试件的方法如下：

第一步，将准备试验的软岩按标准尺寸制作软岩试件16，在软岩试件16上钻上注浆孔，按照试验要求将压力传感器23粘贴于软岩试件16之上，并连接上数据线10；

第二步，打开液压加载控制装置14和加载油缸20之间连接，依次放入刚性实体托盘28及刚性渗透性活塞29，连接渗透水管路22，将软岩试件16放入加载油缸20中并精确置于刚性渗透性活塞29之上，在软岩试件16上面安装刚性垫圈15；

第三步，连接注浆管18及耐高压管路9，并将两者通过法兰13与液压加载控制装置14连接牢固，将注浆管18***软岩试件16的注浆孔中，将数据线10沿着注浆管路从液压加载控制装置14中导出，然后将加载油缸20和液压加载控制装置14用高强度螺栓连接牢固；

第四步，将渗透水接收计量装置25安装在渗透水接收装置支架24上，并将渗透水管路22置于透水接收计量装置25内部；

第五步，将数据线10与压力传感器接收装置8连接；

第六步，将高压注浆泵6通过连接管路5与浆液搅拌桶2相连，注浆泵与耐高压管路9相连，在耐高压管路上安装压力表11、溢流阀7和高压阀门12，并对压力表11进行调零；

第七步，打开物料盖4，将注浆物料及水倒入浆液搅拌桶2，转动手动摇杆1，使浆液搅拌均匀，搅拌过程中可关闭物料盖4；

第八步，打开加载油缸20，使油均匀填满软岩试件16与油缸之间的缝隙21，驱动液压加载控制装置14与液压千斤顶26为软岩试件16加载，模拟现场的围压和轴压，当压力接收装置8的压力值达到需要模拟地压的试验值时，停止操作液压加载控制装置14和液压千斤顶26，使得软岩试件16的围压和轴压保持不变，模拟出现场注浆环境；

第九步，根据现场经验设定一系列对应的注浆压力试验值和注浆时间；

第十步，选择一组对应的注浆压力试验值和注浆时间作为设定测试值，然后关闭高压阀门12，打开注浆泵6，待注浆压力表11的压力达到设定测试值时，打开高压阀门12，使高压浆液通过注浆管18注入软岩试件16中，当达到注浆时间设定值时，停止注浆，待初凝后取出岩石注浆试件16，进行养护；在注浆过程中渗透水接收装置25定量接收注浆过程中所产生的渗透水，即自由水；在该过程中，须一直摇动手动摇杆1，以保证进入高压注浆泵6的浆液配比均匀；

第十一步，按照第十步方法，制作出多组不同注浆压力试验值和注浆时间下的岩石注浆试件，并进行养护；

第十二步，将所有组养护好的岩石注浆试件分别进行力学实验，根据渗透水量、浆液水灰比及软岩试件含水率分析得出注浆过程中水分转化规律；最后对实验结果进行分析优选出适合现场施工注浆的注浆参数，包括浆液类型与被注介质的匹配关系、注浆压力和注浆时间。

Claims (2)

1.一种矿山软岩注浆试件室内模拟制作方法，其特征在于，

第一步，加工试件制作装置

该装置由试件加载***、浆液搅拌***、注浆***和监测***组成；

所述的试件加载***包括一个底座和四个立柱焊接组成的试验框架，试验框架上设有竖向的用于安放软岩试件的加载油缸，试验框架的底座上设有液压千斤顶，加载油缸与液压千斤顶在同一轴线上；加载油缸中的下部设有刚性实体托盘，刚性实体托盘的底面与液压千斤顶接触；加载油缸的上部设有液压加载控制装置，液压加载控制装置和加载油缸用高强度螺栓连接；

所述的浆液搅拌***是在搅拌桶内设有搅拌叶轮，搅拌叶轮通过手动摇杆实现搅拌功能；搅拌桶上方设置有物料入口，物料入口上方设有物料盖，两者通过螺纹连接；

所述注浆***包括高压注浆泵，高压注浆泵的进口与搅拌桶连通，高压注浆泵的出口连接耐高压管路，耐高压管路伸入液压加载控制装置并与注浆管连接，耐高压管路与液压加载控制装置连接的外缘采用法兰密闭；高压管路上设有压力表、溢流阀和高压阀门；

所述监测***包括压力传感器、渗透水管路和渗透水接收计量装置，压力传感器通过数据线与外部的压力信号接收装置相连，渗透水管路穿过加载油缸外壁与加载油缸的活塞接触，使渗透水通过渗透水管路流入到渗透水接收计量装置中；

第二步，制作软岩试件

将准备试验的软岩按标准尺寸制作软岩试件，在软岩试件上钻上注浆孔，注浆孔中***注浆管，将压力传感器粘贴于软岩试件之上，并连接上数据线；

第三步，将软岩试件固定在加载油缸上

打开液压加载控制装置和加载油缸之间的连接，将软岩试件放入加载油缸中并精确置于加载油缸的刚性渗透性活塞之上，在软岩试件上面安装刚性垫圈，将耐高压管路穿过法兰及液压加载控制装置，并与注浆管连接牢固；

第四步，将压力传感器的数据线沿着注浆***的高压管路从液压加载控制装置中导出并连接好法兰，然后将加载油缸和液压加载控制装置用高强度螺栓连接牢固；

第五步，接通压力传感器和压力信号接收装置；

第六步，对压力表进行调零；

第七步，打开物料盖，将注浆物料及水倒入浆液搅拌桶，转动手动摇杆，使浆液搅拌均匀，搅拌过程中可关闭物料盖；

第八步，打开加载油缸，使油均匀填满软岩试件与油缸之间的缝隙，驱动液压加载控制装置与液压千斤顶为软岩试件加载，模拟现场的围压和轴压，当压力接收装置的压力值达到需要模拟地压的试验值时，停止操作液压加载控制装置和液压千斤顶，使得软岩试件的围压和轴压保持不变，模拟出现场注浆环境；

第九步，根据现场经验设定一系列对应的注浆压力试验值和注浆时间；

第十步：选择一组对应的注浆压力试验值和注浆时间作为设定测试值，然后关闭高压阀门，打开注浆泵，待注浆压力表的压力达到设定测试值时，打开高压阀门，使高压浆液注入软岩试件中，当达到浆时间设定测试值时，停止注浆，待初凝后取出软岩注浆试件，进行养护；在注浆过程中渗透水接收装置定量接收注浆过程中所产生的渗透水，即自由水；在该过程中，须一直摇动手动摇杆，以保证进入高压注浆泵的浆液配比均匀；

第十一步：按照第十步方法，制作出多组不同注浆压力试验值和注浆时间下的软岩注浆试件，并进行养护；

第十二步：将所有组养护好的软岩注浆试件分别进行力学实验，根据渗透水量、浆液水灰比及软岩注浆试件含水率分析得出注浆过程中水分转化规律；最后对实验结果进行分析优选出适合现场施工注浆的注浆参数，包括浆液类型与被注介质的匹配关系、注浆压力和注浆时间。

2.一种实施权利要求1所述方法的矿山软岩注浆试件室内模拟制作装置，其特征在于，该装置由试件加载***、浆液搅拌***、注浆***和监测***组成；

所述的试件加载***包括一个底座和四个立柱焊接组成的试验框架，试验框架上设有竖向的用于安放软岩试件的加载油缸，试验框架的底座上设有液压千斤顶，加载油缸与液压千斤顶在同一轴线上；加载油缸中的下部设有刚性实体托盘，刚性实体托盘的底面与液压千斤顶接触；加载油缸的上部设有液压加载控制装置，液压加载控制装置和加载油缸用高强度螺栓连接；

所述的浆液搅拌***是在搅拌桶内设有搅拌叶轮，搅拌叶轮通过手动摇杆实现搅拌功能；搅拌桶上方设置有物料入口，物料入口上方设有物料盖，两者通过螺纹连接；

所述注浆***包括高压注浆泵，高压注浆泵的进口与搅拌桶连通，高压注浆泵的出口连接耐高压管路，耐高压管路伸入液压加载控制装置并与注浆管连接，耐高压管路与液压加载控制装置连接的外缘采用法兰密闭；高压管路上设有压力表、溢流阀和高压阀门；

所述监测***包括压力传感器、渗透水管路和渗透水接收计量装置，压力传感器通过数据线与外部的压力信号接收装置相连，渗透水管路穿过加载油缸外壁与加载油缸的活塞接触，使渗透水通过渗透水管路流入到渗透水接收计量装置中。