CN108444888A - 一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置及其试验方法，该装置包括全透明注浆桶，其下端与底座相连，上端设有密封压头与加载中空压头，密封压头周边安设密封圈及顶部设有排气管和排气阀；电动水泥搅拌站、可控式高压气动注浆泵、数显式多元信息监控***通过耐高压注浆管和法兰盘与底座上的注浆输送孔及底座注浆孔相连通；采用高速摄像机对全透明注浆桶内含茜素红或胭脂红等非放射性示踪剂的浆液在破碎煤岩体内扩散形态及全过程进行实时观测。本发明所达到的有益效果：装置透明可视、结构合理、制作简单、成本低廉、操作安全、使用可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置及其试验方法，属于岩体可视化试验技术领域。
背景技术
随着国民经济发展对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，煤矿的开采深度不断增加，国内外矿山都相继进入深部资源开采状态。随着矿井开采深度的增加，地质条件恶化、破碎或松散煤岩体增多、原岩应力和采动应力增大等因素加剧了巷道矿压显现的剧烈程度，造成巷道围岩松软或破碎程度越来越严重；与此同时，锚杆(索)在破碎或松散煤岩体中的锚固性较差(锚杆、锚索的锚固力较小，极易脱锚)，造成锚杆与锚索对巷道的支护效果不理想，深部巷道围岩控制问题日益突出。特别是随着采掘机械化程度的不断提高，工作面越来越长、顺槽断面尺寸越来越大，造成开采过程中工作面顶板大面积冒顶或顶板下沉较大造成压机(综采液压支架被卡住，无法推进)、长距离片帮，制约了设备效能的发挥和生产率的提高，严重影响了矿井的安全高效生产。总的来说，破碎或松散煤岩体的合理控制长期以来是煤矿井下采掘工程中未解决的技术难题。大量的室内试验与工程实践表明，注浆后浆液可通过挤压或渗透作用，将破碎或松散煤岩体内的裂隙或孔隙或破裂面等充填密实，通过浆液的胶结作用，将破碎或松散煤岩体重新胶结形成可再次承载的完整体(注浆结石体)；注浆可改善巷道围岩的受力状态，提高破碎或松散围岩的自承能力与巷道围岩的整体稳定，是一种加固破碎或松散煤岩体的有效技术手段。
一般而言，注浆(灌浆)是采用压力将能固化的浆液(水泥浆液、化学浆液等)通过注浆孔(或注浆管)注入到岩土的孔隙或裂隙中，可改善岩土体的物理力学性质的一种加固方法，起到加固与防渗的作用。注浆试验主要包括室内注浆试验与现场注浆试验，室内注浆模拟试验是研究破碎煤岩体介质注浆扩散与加固机理不可缺少的重要方法。目前，由于受试验条件和试验对象等多种因素的影响，现有的注浆试验装置，虽然可在一定程度上获得注浆压力、注浆量、扩散范围等参数，但由于现有的注浆试验装置基本是采用高强度的钢材加工制作而成的封闭设备，根本无法实时观察到浆液在破碎煤岩体内部的流动形态及扩散过程；另外，目前在注浆试验装置中基本是采用单一注浆管进行渗透压密或高压劈裂注浆，造成浆液扩散不均匀、易堵浆和冒浆。因此，研制模拟承压条件下浆液在破碎煤岩体介质中扩散过程的可视化试验装置和浆液均匀稳定渗透装置及方法十分必要，可为分析浆液在破碎煤岩体中的流动扩散规律及揭示破碎煤岩体注浆加固机理提供试验基础。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置及其试验方法，针对破碎煤岩体、土体、砂体等松散介质提供一种结构合理、制作简单、成本低廉、操作安全、使用可靠的可视化注浆试验装置。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征是，包括底座、可控式高压气动注浆泵、电动水泥搅拌站、数显式多元信息监控***、全透明注浆桶和放置在所述全透明注浆桶内部的破碎煤岩体试样；所述全透明注浆桶的下端与底座相连；所述全透明注浆桶的上端连接有支撑钢板；所述支撑钢板和底座通过支撑杆与高强螺栓连成整体；
所述全透明注浆桶的上端内壁设有可滑动的密封压头；所述密封压头的上部设置有加载中空压头，密封压头的顶面设有排气管，排气管中安设有伸入到加载中空压头中的排气阀；所述全透明注浆桶的下端内壁设有透浆板；所述透浆板中开设有多个出浆孔；所述底座开设相互连接的注浆输送孔与底座注浆孔；
所述电动水泥搅拌站与可控式高压气动注浆泵、数显式多元信息监控***通过耐高压注浆管相连通；所述数显式多元信息监控***通过法兰盘与注浆输送孔相连接；所述全透明注浆桶内的浆液在破碎煤岩体内扩散形态及全过程采用高速摄像机进行实时观测。
前述的一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征是，所述全透明注浆桶采用超高强度和透明性的特级装甲聚碳酸酯材料制作。
前述的一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征是，所述浆液内含非放射性示踪剂，非放射性示踪剂的含量为浆液总质量的1～5％。
前述的一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征是，所述非放射性示踪剂采用茜素红或胭脂红。
前述的一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征是，所述密封压头和透浆板的上下面的边缘处均设置有密封圈。
前述的一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征是，所述加载中空压头的内部采用中空结构，加载中空压头周边布设密封圈。
前述的一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征是，所述底座上设置有环形槽口，全透明注浆桶的下端***在环形槽口内。
一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤1)将破碎煤岩体试样放入到全透明注浆桶中，将液压式材料试验机与加载中空压头相连，启动试验机，可通过密封压头对破碎煤岩体试样施加设定的轴压，在施加轴压的过程中，破碎煤岩体试样中的气体通过排气管和排气阀排入到加载中空压头中；
步骤2)将一定比例的水泥和水及适量的非放射性示踪剂放入到电动水泥搅拌站中进行搅拌，含茜素红或胭脂红等非放射性示踪剂的均匀混合后的浆液可通过可控式高压气动注浆泵、数显式多元信息监控***、耐高压注浆管与法兰盘被输送到底座的注浆输送孔和底座注浆孔中，通过透浆板中的出浆孔可均匀地向破碎煤岩体试样进行注浆；
通过数显式多元信息监控***实时监测浆液的流量、密度、注浆压力，并采用高速摄像机对全透明注浆桶内含茜素红或胭脂红等非放射性示踪剂的浆液在破碎煤岩体内扩散形态及全过程进行实时观测。
前述的一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验方法，其特征是，在向破碎煤岩体试样注浆的过程中，可通过可控式高压气动注浆泵进行多级注浆压力的稳压控制，可使浆液较为均匀稳定地渗入到破碎煤岩体试样。
本发明所达到的有益效果：本发明注浆试验装置可模拟再现破碎煤岩体在承压渗透注浆时浆液流动扩散规律及过程，同时也可用于模拟土体、砂体、土石混合体等松散介质在压密注浆条件下的注浆扩散规律，分析注浆加固效果及实时观测注浆过程中浆液的扩散形态及过程；该装置透明可视、结构合理、制作简单、成本低廉、操作安全、使用可靠。
附图说明
图1是本发明注浆试验装置的结构示意图。
图中附图标记的含义：
1-电动水泥搅拌站，2-可控式高压气动注浆泵，3-数显式多元信息监控***，4-耐高压注浆管，5-法兰盘，6-底座，7-注浆输送孔，8-底座注浆孔，9-透浆板，10-出浆孔，11-全透明注浆桶，12-破碎煤岩体试样，13-密封压头，14-密封圈，15-排气管，16-排气阀，17-加载中空压头，18-支撑钢板，19-高强螺栓，20-支撑杆，21-高速摄像机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本实施例中，底座、透浆板、密封压头和加载中空压头均采用高强度钢材(材质规格为Q355～460)制作。底座直径为300～500mm、厚度(高度)为20～50mm；全透明注浆桶采用特级装甲聚碳酸酯制作，其内径为100～200mm，壁厚为10～30mm，高度为200～300mm；高强螺栓强度等级为8.8～10.9，螺栓孔直径为20～26mm；底座的环形槽口宽度为10～30mm，深度为10～20mm；底座注浆孔直径为10～20mm；透浆板直径100～200mm、厚度(高度)为20～40mm，出浆孔直径8～12mm、环向和径向间距为10～20mm，在透浆板上可梅花型布设5～8圈；密封压头直径100～200mm、厚度(高度)为20～40mm，加载中空压头直径90～190mm、厚度(高度)为100～150mm。排气管采用无缝钢管制作，直径为8～10mm，壁厚为2～3mm，长度为10～15mm。
本实施例中，耐高压注浆管直径为20～30mm，壁厚为3～6mm；数显式多元信息监控***由流量(流速)传感器、密度传感器、压力传感器等组成，流量(流速)传感器的量程为0～1L/min，分辨率为0.001L/min，误差为±0.1％；压力传感器的量程为1～10MPa，分辨率为0.01MPa，误差为±0.1％；密度传感器的量程为0～1g/cm3，分辨率为0.001g/cm3，误差为±0.1％。可控式高压气动注浆泵的注浆压力为1～10MPa、稳压时间为10～30min，电动水泥搅拌站的容量为10～30L；水泥采用普通硅酸盐水泥材料，强度等级为32.5～42.5，水泥与水的质量比(水灰比)为0.6～1.0；茜素红或胭脂红等非放射性示踪剂的参加量为浆液总质量的1～5％；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破碎煤岩体渗透注浆可视化试验方法，该试验方法包括以下步骤：
步骤一：将破碎煤岩体试样(12)放入到全透明注浆桶(11)中，将液压式材料试验机与加载中空压头(17)相连，启动试验机，可通过密封压头(13)对破碎煤岩体试样(11)施加设定的轴压，在施加轴压的过程中，破碎煤岩体试样(11)中的气体通过排气管(10)和排气阀(16)排入到加载中空压头(17)中。
步骤二：将一定比例的水泥和水及适量的非放射性示踪剂放入到电动水泥搅拌站(1)中进行搅拌，含茜素红或胭脂红等非放射性示踪剂的均匀混合后的浆液可通过可控式高压气动注浆泵(2)、数显式多元信息监控***(3)、耐高压注浆管(4)与法兰盘(5)被输送到底座(1)的注浆输送孔(7)和底座注浆孔(8)中，通过透浆板(9)中的出浆孔(10)可均匀地向破碎煤岩体试样(11)进行注浆。
进一步的，在向破碎煤岩体试样(12)注浆的过程中，可通过可控式高压气动注浆泵(2)进行多级注浆压力的稳压控制，可使浆液较为均匀稳定地渗入到破碎煤岩体试样(12)，以防止浆液扩散不均匀、堵浆和冒浆而造成注浆试验终止；通过数显式多元信息监控***(3)实时监测浆液的流量(流速)、密度、注浆压力，并采用高速摄像机(21)对全透明注浆桶(11)内含茜素红或胭脂红等非放射性示踪剂的浆液在破碎煤岩体内扩散形态及全过程进行实时观测。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征是，包括底座、可控式高压气动注浆泵、电动水泥搅拌站、数显式多元信息监控***、全透明注浆桶和放置在所述全透明注浆桶内部的破碎煤岩体试样；
所述全透明注浆桶的下端与底座相连；所述全透明注浆桶的上端连接有支撑钢板；所述支撑钢板和底座通过支撑杆与高强螺栓连成整体；
所述全透明注浆桶的上端内壁设有可滑动的密封压头；所述密封压头的上部设置有加载中空压头，密封压头的顶面设有排气管，排气管中安设有伸入到加载中空压头中的排气阀；
所述全透明注浆桶的下端内壁设有透浆板；所述透浆板中开设有多个出浆孔；所述底座开设相互连接的注浆输送孔与底座注浆孔；
所述电动水泥搅拌站与可控式高压气动注浆泵、数显式多元信息监控***通过耐高压注浆管相连通；所述数显式多元信息监控***通过法兰盘与注浆输送孔相连接；
所述全透明注浆桶内的浆液在破碎煤岩体内扩散形态及全过程采用高速摄像机进行实时观测。
2.根据权利要求1所述的一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征是，所述全透明注浆桶采用特级装甲聚碳酸酯。
3.根据权利要求1所述的一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征是，所述浆液内含非放射性示踪剂，非放射性示踪剂的含量为浆液总质量的1～5％。
4.根据权利要求3所述的一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征是，所述非放射性示踪剂采用茜素红或胭脂红。
5.根据权利要求1所述的一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征是，所述密封压头和透浆板的上下面的边缘处均设置有密封圈。
6.根据权利要求1所述的一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征是，所述加载中空压头的内部采用中空结构，加载中空压头周边布设密封圈。
7.根据权利要求1所述的一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征是，所述底座上设置有环形槽口，全透明注浆桶的下端***在环形槽口内。
8.一种基于权利要求1～7任意一项所述的破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置的试验方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤1)将破碎煤岩体试样放入到全透明注浆桶中，将液压式材料试验机与加载中空压头相连，启动试验机，可通过密封压头对破碎煤岩体试样施加设定的轴压，在施加轴压的过程中，破碎煤岩体试样中的气体通过排气管和排气阀排入到加载中空压头中；
步骤2)将一定比例的水泥和水及适量的非放射性示踪剂放入到电动水泥搅拌站中进行搅拌，含茜素红或胭脂红等非放射性示踪剂的均匀混合后的浆液可通过可控式高压气动注浆泵、数显式多元信息监控***、耐高压注浆管与法兰盘被输送到底座的注浆输送孔和底座注浆孔中，通过透浆板中的出浆孔可均匀地向破碎煤岩体试样进行注浆；
通过数显式多元信息监控***实时监测浆液的流量、密度、注浆压力，并采用高速摄像机对全透明注浆桶内含茜素红或胭脂红等非放射性示踪剂的浆液在破碎煤岩体内扩散形态及全过程进行实时观测。
9.根据权利要求8所述的一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验方法，其特征是，在向破碎煤岩体试样注浆的过程中，可通过可控式高压气动注浆泵进行多级注浆压力的稳压控制，使浆液较为均匀稳定地渗入到破碎煤岩体试样。
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