CN107525541B - 一种低渗透性煤岩体劈裂渗透耦合注浆试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低渗透性煤岩体劈裂渗透耦合注浆试验装置及方法，该装置包括与注浆试验内缸和环套于注浆试验内缸外侧的注浆试验外缸，注浆试验内、外缸下端均与底座相连，注浆试验内缸上端设有顶部密封压头，注浆试验外缸上端设有环形压头，注浆试验内、外缸、底座和环形压头之间形成环形通道，注浆试验外缸上部设有连通环形通道的溢浆管和排气管，煤岩体试样填充于注浆试验内缸内，煤岩体试样中心设有注浆花管，注浆花管布有溢浆孔，底座设有注浆孔，注浆孔与注浆花管相连，电动水泥搅拌站与注浆泵连通，注浆泵通过高压注浆软管与注浆孔连通。本发明具有结构简单、制作容易、费用低廉、操作方便、大尺寸全封闭、使用可靠的优点。

Description

一种低渗透性煤岩体劈裂渗透耦合注浆试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种低渗透性煤岩体劈裂渗透耦合注浆试验装置及方法，尤其适用于实验室模拟低渗透性煤岩体或土样、砂样等介质的高压劈裂渗透耦合注浆试验。

背景技术

在矿山与地下工程穿越不良地质或含水地层施工中，注浆是一种加固围岩体与封堵地下水的有效技术，它利用机械设备，采取合理的注浆工艺，将适宜的有机系或无机系注浆材料注入工程中，以达到填充、加固、堵水等目的。对于注浆材料而言，有机系注浆材料可注性较好、堵水快速高效，但造价高、污染严重、加固体强度低，加固效果差，在实际工程中应用较少，常用于注浆堵水与流砂加固等特殊工程；无机系注浆材料来源丰富、价格低廉、结石体强度高、抗渗性能好、注浆工艺简单、施工操作方便，水泥基类浆液是目前最常用的注浆材料；但水泥是颗粒性材料，对微裂隙、低渗透性地层的注浆效果较差。当前，大多数注浆理论与注浆试验主要研究浆液在无侧限约束条件下平面扩散效应和大开度裂隙浆液渗流扩散规律，不能真实反映地应力与围岩体约束挤压条件下浆液在微裂隙煤岩体等低渗透性介质中的实际扩散过程，而模拟注浆试验是研究煤岩体等介质注浆扩散与加固机理不可缺少的重要方法。这是由于实验室注浆模拟试验具有直观、经济、简便、可行的特点，可再现浆液在煤岩体等介质中的扩散过程，可使注浆技术精确化、科学化，可较好地解决注浆理论与实际工程中存在的问题，降低仅凭经验施工的盲目性与注浆成本，是一项应用较为广泛的研究手段。在深部资源开采高应力条件下会造成煤岩体等介质开度较大的裂隙趋于闭合，在围岩体中存在大量微小裂隙(孔隙直径或裂隙开度小于0.2mm)，使得煤岩体的可注性降低；另外，对于泥质胶结岩石(泥岩、泥质砂岩等)来说，其内部裂隙开度较小、孔隙率较低、可注性较差；此外，还有流砂、黏土等介质，其密实性较好，水泥基类浆液注浆效果差。也就是说，受成岩条件和应力水平的影响，一些地下工程开挖后围岩体裂隙开度小，造成水泥基类浆液在微裂纹中的自由流动受阻，仅采用依靠浆液挤压扩散作用的压密注浆效果较差；这就需要不断的提高注浆压力，当注浆压力达到某一临界压力(劈裂压力)时，可将低渗透性煤岩体等介质中的微裂隙的开度增大，以提高浆液的流动性和扩散半径，达到加固和注浆堵水的目的。

目前，由于受试验条件和试验对象等因素的影响，现有的注浆试验模型设备只能一定程度上模拟压密渗透注浆，这是因为被注煤岩体为小块状结构的混合体或含有较多裂隙且裂隙开度较大的完整煤岩体，造成其内部裂隙发育、结构松散，整体渗透性好、可注性强，便于浆液的自由流动扩散，一般仅需较小的注浆压力即可实现水泥基类浆液在裂隙较发育的煤岩体中的渗透扩散；另外，由于注浆装置尺寸太小和密封性不足等问题，造成跑浆现象普遍，难以实现高压劈裂注浆。而实际矿山与地下工程中广泛存在裂隙不发育或裂隙开度较小的低渗透性煤岩体，由于采用常规渗透注浆工艺中较小的注浆压力无法使水泥基类注浆材料渗透到微裂隙中去；这就需要提高注浆压力将一定范围内的低渗透性煤岩体劈裂，在煤岩体中形成开度较大的裂隙网络(孔隙直径或裂隙开度大于0.2mm)，提高浆液的流动性和扩散效果。如何判断注浆压力是否达到了低渗透性煤岩体等介质的劈裂压力，目前仅有一定的理论解答，但受煤岩体等介质中裂隙参数、分布特性和地应力等因素影响，造成劈裂压力的理论解答与实际工程情况不符。因此，研制模拟裂隙不发育或裂隙开度较小的低渗透性煤岩体等介质的高压劈裂-渗透耦合注浆试验装置十分必要，可为分析浆液在微裂纹中的渗透流动与劈裂扩散规律，以及揭示低渗透性煤岩体劈裂-渗透耦合注浆机理提供试验基础。

发明内容

发明目的：本发明目的是克服已有技术不足之处，即针对裂隙不发育的低渗透性煤岩体或孔隙(空隙)率较小的土样、砂样等介质提供一种结构简单、制作容易、费用低廉、操作方便、大尺寸全封闭、使用可靠的高压劈裂渗透耦合注浆试验装置。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种低渗透性煤岩体劈裂渗透耦合注浆试验装置，包括底座、注浆泵、电动水泥搅拌站、注浆试验内缸、注浆试验外缸、注浆花管、煤岩体试样；所述注浆试验内缸的下端与底座相连，注浆试验内缸的上端设有可活动的顶部密封压头，所述注浆试验外缸环套于注浆试验内缸的外侧，注浆试验外缸的下端与底座相连，注浆试验外缸的上端设有环形压头，注浆试验内缸、注浆试验外缸、底座和环形压头之间形成环形通道，注浆试验外缸的上部设有溢浆管和排气管，溢浆管和排气管分别与环形通道连通，所述煤岩体试样填充于注浆试验内缸内部，在煤岩体试样的中心设置注浆花管，注浆花管上均布有溢浆孔，所述底座开设有底座注浆孔，底座注浆孔与注浆花管下端相连，所述电动水泥搅拌站与注浆泵的入口连通，注浆泵的出口通过高压注浆软管与底座注浆孔连通。

进一步的，所述环形通道内均匀对称地布置多个让压密封塞。

进一步的，所述注浆试验内缸的内壁间隔设置有若干环形的浆液聚集槽，浆液聚集槽的中部开设有排浆排气孔，排浆排气孔与环形通道连通。

进一步的，所述注浆泵的出口设置浆液伺服控制***，所述高压注浆软管上设置浆液流量、压力及密度监测***。

进一步的，所述溢浆管上设置弹簧微启式安全阀和隔膜式压力表；所述排气管上设置排气控制阀；所述溢浆管的下方设置浆液盛装容器。

进一步的，所述注浆试验内缸的下端***底座上的环形槽口内；所述注浆试验外缸的下端与底座通过高强螺栓固定连接。

进一步的，所述底座注浆孔包括注浆孔一和注浆孔二，注浆孔一位于底座的中心位置，注浆花管下端***注浆孔一中，注浆孔二一端与注浆孔一连通，注浆孔二另一端延伸至底座侧面并安装有接口法兰盘，高压注浆软管与接口法兰盘相连。

一种采用上述试验装置的低渗透性煤岩体劈裂渗透耦合注浆试验方法，该试验方法包括以下步骤：

步骤一：将压力试验机与顶部密封压头相连，启动压力试验机，通过顶部密封压头对煤岩体试样施加预定轴压，在施加轴压的过程中，通过排气管将注浆试验内缸及环形通道中的气体排出，通过注浆试验内缸、注浆试验外缸和让压密封塞对煤岩体试样提供环向约束力；

步骤二：将一定比例的水泥和水放入到电动水泥搅拌站中进行混合，均匀混合后的浆液通过注浆泵、高压注浆软管被输送到底座的注浆孔一和注浆孔二中，再通过注浆花管中的溢浆孔向煤岩体试样挤压扩散，注浆泵的注浆压力低于低渗透性煤岩体的劈裂压力，直至高压注浆软管内部浆液流量为零或者出现浆液回流现象；

步骤三：将注浆泵的注浆压力逐步提高至低渗透性煤岩体的劈裂压力，将煤岩体试样的微裂隙的开度增大，使浆液继续注入到煤岩体试样中。

进一步的，在实施步骤三的过程中，被煤岩体试样的气体和多余的浆液不断汇集于浆液聚集槽中，并通过排浆排气孔排到环形通道中，随着注浆压力的提高，环形通道中浆液不断积聚增多并存满整个环形通道，当环形通道内部压力与外部空气压力差值超过设定压力值时，弹簧微启式安全阀自动打开，通过溢浆管将环形通道内的气体和浆液排出到浆液盛装容器中，以保证注浆的持续进行。

进一步的，在实施步骤二和步骤三的过程中，通过浆液流量、压力及密度监测***实时动态监测浆液的流量、压力及密度，从而保证浆液的易性和注浆压力的有效控制，实现对注浆过程的精细化控制。

有益效果：本发明注浆试验装置可模拟再现大尺寸低渗透性完整煤岩体劈裂渗透耦合注浆的全过程，且具有开展破碎煤岩体等介质的压密渗透注浆功能，亦也可用于模拟不同级配、孔隙(空隙)率的土体、砂体、土石混合体等多种介质在压密与劈裂注浆条件下的注浆扩散规律，分析注浆加固效果及确定被注介质产生劈裂时所需要的临界注浆压力；并可将加固后的煤岩体等介质通过取芯制成标准试件，开展其基本力学试验及细观力学试验。该装置结构简单，制作容易，费用低廉，操作方便，使用可靠。

附图说明

图1为本发明注浆试验装置的结构示意图；

图2为图1中A向视图；

图3为图1中B向视图；

图中：1—底座，2—高压注浆软管，3—浆液流量、压力及密度监测***，4—浆液伺服控制***，5—注浆泵，6—电动水泥搅拌站，7—接口法兰盘，8—注浆孔二，9—高强螺栓，10—溢浆管，11—弹簧微启式安全阀，12—隔膜式压力表，13—排气管，14—排气控制阀，15—浆液盛装容器，16—注浆试验内缸，17—注浆试验外缸，18—环形通道，19—顶部密封压头，20—让压密封塞，21—浆液聚集槽，22—排浆排气孔，23—注浆花管，24—溢浆孔，25—注浆孔一，26-煤岩体试样，27-环形压头。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1至3所示，本发明的一种低渗透性煤岩体劈裂渗透耦合注浆试验装置，包括底座1、注浆泵5、电动水泥搅拌站6、注浆试验内缸16、注浆试验外缸17、注浆花管23、煤岩体试样26等。

注浆试验内缸16的下端***底座1上的环形槽口内，注浆试验内缸16的上端设有可活动的顶部密封压头19。注浆试验外缸17环套于注浆试验内缸16的外侧，注浆试验外缸17的下端与底座1通过高强螺栓9固定连接，注浆试验外缸17的上端设有环形压头27，注浆试验内缸16、注浆试验外缸17、底座1和环形压头27之间形成环形通道18，环形通道18内均匀对称地布置多个让压密封塞20。

注浆试验内缸16的内壁间隔设置有若干环形的浆液聚集槽21，浆液聚集槽21的中部开设有排浆排气孔22，排浆排气孔22与环形通道18连通。注浆试验外缸17的上部设有溢浆管10和排气管13，溢浆管10和排气管13分别与环形通道18连通。溢浆管10上设置弹簧微启式安全阀11和隔膜式压力表12。排气管13上设置排气控制阀。溢浆管10的下方设置浆液盛装容器15。

煤岩体试样26填充于注浆试验内缸16内部，在煤岩体试样26的中心设置注浆花管23，注浆花管23上均布有溢浆孔24。

底座1开设有底座注浆孔，底座注浆孔包括注浆孔一25和注浆孔二8，注浆孔一25位于底座1的中心位置，注浆花管23下端***注浆孔一25中，注浆孔二8一端与注浆孔一25连通，注浆孔二8另一端延伸至底座1侧面并安装有接口法兰盘7。

电动水泥搅拌站6与注浆泵5的入口连通，注浆泵5的出口与高压注浆软管2的一端相连，高压注浆软管2的另一端与注浆孔二8另一端的接口法兰盘7相连。在注浆泵5的出口设置浆液伺服控制***4，在高压注浆软管2上设置浆液流量、压力及密度监测***3。

本实施例中，底座、注浆试验内缸和注浆试验外缸均采用高强度钢材(规格为Q235～355)制作。底座直径为800～900mm、高度为300～400mm；注浆试验内缸直径为500～700mm，壁厚为10～20mm，高度为500～600mm；注浆试验外缸直径为800～900mm，壁厚为20～30mm，高度为500～600mm，注浆试验内外缸之间的间距为30～60mm；高强螺栓强度等级为8.8～10.9，螺栓孔直径为20～28mm；底座的环形槽口宽度为10～20mm，深度为100～200mm。底座的注浆孔直径为30～30mm，总长度为400～450mm。注浆花管直径为6～8mm，壁厚为1～2mm，长度为450～550mm；溢浆孔直径为3～5mm，间距为10～20mm，溢浆孔按梅花型均匀布置；浆液聚集槽沿着注浆内筒长度方向等间距的布设6～8圈，开槽深度为10～20mm，开槽宽度为20～30mm，间距为30～50mm；排浆排气孔完全穿透注浆试验内缸，直径为8～10mm，间距为40～50mm，排浆排气孔布置在浆液聚集槽中部的中心位置。

外接弹簧微启式安全阀的额定压力可分为3级，即0～20MPa、20～40MPa、40～60MPa；排气管和溢浆管采用无缝钢管，直径为8～10mm，壁厚为2～3mm，长度为15～20mm；隔膜式压力表的额定压力亦可分为3级，即0～20MPa、20～40MPa、40～60MPa。

高压注浆软管直径为20～30mm，壁厚为3～6mm；流量、压力及密度监测***由流量传感器、压力传感器、密度传感器组成，流量传感器的量程为0～3L/min，分辨率为0.001L/min，误差为±0.5％；压力传感器的量程为20～30MPa，分辨率为0.01MPa，误差为±0.5％；密度传感器的量程为0～3g/cm³，分辨率为0.001g/cm³，误差为±0.5％。浆液伺服控制阀***的量程为0～2L/min，分辨率为0.001L/min，误差为±0.5～1.0％；注浆泵可提供0～20MPa、20～40MPa、40～60MPa等3个级别的注浆压力，电动水泥搅拌站的容量为30～50L；以上参数可根据实际工程情况进行适当调整。

采用上述试验装置的低渗透性煤岩体劈裂渗透耦合注浆试验方法，该试验方法包括以下步骤：

步骤一：将压力试验机与顶部密封压头19相连，启动压力试验机，通过顶部密封压头19对煤岩体试样26施加预定轴压，在施加轴压的过程中，通过排气管13将注浆试验内缸16及环形通道18中的气体排出，通过注浆试验内缸16、注浆试验外缸17和让压密封塞20对煤岩体试样26提供环向约束力；

步骤二：将一定比例的水泥和水放入到电动水泥搅拌站6中进行混合，均匀混合后的浆液通过注浆泵5、高压注浆软管2被输送到底座1的注浆孔一25和注浆孔二8中，再通过注浆花管23中的溢浆孔24向煤岩体试样26挤压扩散，注浆泵5的注浆压力低于低渗透性煤岩体的劈裂压力，直至高压注浆软管内部浆液流量为零或者出现浆液回流现象，此时可以判定煤岩体试样26基本不吃浆；

步骤三：将注浆泵5的注浆压力逐步提高至低渗透性煤岩体的劈裂压力，将煤岩体试样26的微裂隙的开度增大，使浆液继续注入到煤岩体试样26中，在实施步骤三的过程中，被煤岩体试样26的气体和多余的浆液不断汇集于浆液聚集槽21中，并通过排浆排气孔22排到环形通道18中，随着注浆压力的提高，环形通道18中浆液不断积聚增多并存满整个环形通道18，使环形通道18内部压力不断加大，当通道18内部压力与外部空气压力差值超过设定压力值时，弹簧微启式安全阀11自动打开，通过溢浆管10将环形通道18内的气体和浆液排出到浆液盛装容器15中，以保证注浆的持续进行。

在实施步骤二和步骤三的过程中，通过浆液流量、压力及密度监测***3实时动态监测浆液的流量、压力及密度，从而保证浆液的易性和注浆压力的有效控制，实现对注浆过程的精细化控制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低渗透性煤岩体劈裂渗透耦合注浆试验装置，其特征在于：包括底座（1）、注浆泵（5）、电动水泥搅拌站（6）、注浆试验内缸（16）、注浆试验外缸（17）、注浆花管（23）、煤岩体试样（26）；所述注浆试验内缸（16）的下端与底座（1）相连，注浆试验内缸（16）的上端设有可活动的顶部密封压头（19），所述注浆试验外缸（17）环套于注浆试验内缸（16）的外侧，注浆试验外缸（17）的下端与底座（1）相连，注浆试验外缸（17）的上端设有环形压头（27），注浆试验内缸（16）、注浆试验外缸（17）、底座（1）和环形压头（27）之间形成环形通道（18），注浆试验外缸（17）的上部设有溢浆管（10）和排气管（13），溢浆管（10）和排气管（13）分别与环形通道（18）连通，所述煤岩体试样（26）填充于注浆试验内缸（16）内部，在煤岩体试样（26）的中心设置注浆花管（23），注浆花管（23）上均布有溢浆孔（24），所述底座（1）开设有底座注浆孔，底座注浆孔与注浆花管（23）下端相连，所述电动水泥搅拌站（6）与注浆泵（5）的入口连通，注浆泵（5）的出口通过高压注浆软管（2）与底座注浆孔连通；

所述环形通道（18）内均匀对称地布置多个让压密封塞（20）；

所述注浆试验内缸（16）的内壁间隔设置有若干环形的浆液聚集槽（21），浆液聚集槽（21）的中部开设有排浆排气孔（22），排浆排气孔（22）与环形通道（18）连通；

所述注浆泵（5）的出口设置浆液伺服控制***（4），所述高压注浆软管（2）上设置浆液流量、压力及密度监测***（3）；

所述溢浆管（10）上设置弹簧微启式安全阀（11）和隔膜式压力表（12）；所述排气管（13）上设置排气控制阀（14）；所述溢浆管（10）的下方设置浆液盛装容器（15）；

注浆试验内缸直径为500~700 mm，壁厚为10~20 mm，高度为500~600 mm；注浆试验外缸直径为800~900 mm，壁厚为20~30 mm，高度为500~600 mm，注浆试验内外缸之间的间距为30~60 mm；注浆泵可提供0~20 MPa、20~40 MPa、40~60 MPa3个级别的注浆压力，电动水泥搅拌站的容量为30~50 L；

所述注浆试验内缸（16）的下端***底座（1）上的环形槽口内；所述注浆试验外缸（17）的下端与底座（1）通过高强螺栓（9）固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种低渗透性煤岩体劈裂渗透耦合注浆试验装置，其特征在于：所述底座注浆孔包括注浆孔一（25）和注浆孔二（8），注浆孔一（25）位于底座（1）的中心位置，注浆花管（23）下端***注浆孔一（25）中，注浆孔二（8）一端与注浆孔一（25）连通，注浆孔二（8）另一端延伸至底座（1）侧面并安装有接口法兰盘（7），高压注浆软管（2）与接口法兰盘（7）相连。

3.一种采用权利要求2所述试验装置的低渗透性煤岩体劈裂渗透耦合注浆试验方法，其特征在于，该试验方法包括以下步骤：

步骤一：将压力试验机与顶部密封压头（19）相连，启动压力试验机，通过顶部密封压头（19）对煤岩体试样（26）施加预定轴压，在施加轴压的过程中，通过排气管（13）将注浆试验内缸（16）及环形通道（18）中的气体排出，通过注浆试验内缸（16）、注浆试验外缸（17）和让压密封塞（20）对煤岩体试样（26）提供环向约束力；

步骤二：将一定比例的水泥和水放入到电动水泥搅拌站（6）中进行混合，均匀混合后的浆液通过注浆泵（5）、高压注浆软管（2）被输送到底座（1）的底座的注浆孔一（25）和注浆孔二（8）中，再通过注浆花管（23）中的溢浆孔（24）向煤岩体试样（26）挤压扩散，注浆泵（5）的注浆压力低于低渗透性煤岩体的劈裂压力，直至高压注浆软管（2）内部浆液流量为零或者出现浆液回流现象；

步骤三：将注浆泵（5）的注浆压力逐步提高至低渗透性煤岩体的劈裂压力，将煤岩体试样（26）的微裂隙的开度增大，使浆液继续注入到煤岩体试样（26）中。

4.根据权利要求3所述一种低渗透性煤岩体劈裂渗透耦合注浆试验方法，其特征在于：在实施步骤三的过程中，被煤岩体试样（26）的气体和多余的浆液不断汇集于浆液聚集槽（21）中，并通过排浆排气孔（22）排到环形通道（18）中，随着注浆压力的提高，环形通道（18）中浆液不断积聚增多并存满整个环形通道（18），当环形通道（18）内部压力与外部空气压力差值超过设定压力值时，弹簧微启式安全阀（11）自动打开，通过溢浆管（10）将环形通道（18）内的气体和浆液排出到浆液盛装容器（15）中，以保证注浆的持续进行。

5.根据权利要求3所述一种低渗透性煤岩体劈裂渗透耦合注浆试验方法，其特征在于：在实施步骤二和步骤三的过程中，通过浆液流量、压力及密度监测***（3）实时动态监测浆液的流量、压力及密度，从而保证浆液的易性和注浆压力的有效控制，实现对注浆过程的精细化控制。

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