CN111999215A - 浆液固结状态检测设备及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种浆液固结状态检测设备及检测方法，属于地质注浆技术领域，包括外筒、内筒以及固结检测器，所述外筒上连接有压水泵，所述外筒的底部设有泄水口；所述内筒设于所述外筒内腔，所述内筒与所述外筒之间形成用于盛装水的第一空腔，所述第一空腔与所述压水泵连通，所述内筒内设有用于盛装浆液的第二空腔，所述内筒的侧壁上设有供所述浆液向第一空腔渗水的渗水材料，所述第二空腔连通有高压注浆泵；所述固结检测器用于向所述第二空腔内发射纵波并测得所述纵波在浆液中的传播速度，从而得出浆液的固结状态。本发明提供的浆液固结状态检测设备及检测方法可以模拟现场工况中浆液在高压下的渗水情况，提高准确性的同时也降低了劳动强度。

Description

浆液固结状态检测设备及检测方法

技术领域

本发明属于地质注浆技术领域，更具体地说，是涉及一种浆液固结状态检测设备及检测方法。

背景技术

地质注浆技术是将不同配比的浆液高压注入地质体，修复受损地质体，降低含水层渗透性的方法，能够有效解决区域地下水环境与安全开采矿床资源之间的矛盾，其应用越来越广泛。

随着我国对矿产资源需求量的增加和开采强度的不断加大，矿山开采过程中排水带来的一系列环境、水资源保护及安全等问题日益凸显。矿山帷幕注浆技术能够有效解决保护区域地下水环境与安全开采矿产资源之间的矛盾，其应用越来越广泛，为了测试浆液的初凝时间，通常采用常压无排水测试，该测试过程中需要人工采用维卡仪一小时测量一次浆液的粘稠度，并记录每次测得的数据最后得到浆液的初凝时间，该过程人工工作量大，数据处理过程复杂；并且常压无排水测试测得的初凝时间与现场工况存在差异，测得浆液的初凝时间无法准确的反应现场工况中浆液的初凝时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种浆液固结状态检测设备及检测方法，旨在解决现有通过常压无排水测量浆液初凝时间不仅工作量大，而且与现场工况存在出入的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种浆液固结状态检测设备，包括：

外筒，所述外筒上连接有压水泵，所述外筒的底部设有泄水口；

内筒，设于所述外筒内腔，所述内筒与所述外筒之间形成用于盛装水的第一空腔，所述第一空腔与所述压水泵连通，所述内筒内设有用于盛装浆液的第二空腔，所述内筒的侧壁上设有供所述浆液向第一空腔渗水的渗水材料，所述第二空腔连通有高压注浆泵；以及

固结检测器，用于向所述第二空腔内发射纵波并测得所述纵波在浆液中的传播速度，从而得出浆液的固结状态。

作为本申请另一实施例，所述固结检测器包括：

发射器，设于所述内筒的内壁；

接收器，设于所述内筒的内壁且与所述发射器对应，所述发射器与所述接收器的最大距离与所述第二空腔的内径相等；以及

处理模块，分别与所述发射器和所述接收器通讯连接，用于计算纵波的波速并制得时间-波速变化曲线。

作为本申请另一实施例，所述外筒内设有支架，所述支架用于固定所述内筒。

作为本申请另一实施例，所述渗水材料为渗水石，所述渗水石铺设于所述内筒的内壁，所述渗水石围合形成所述第二空腔；所述内筒的侧壁设有条形孔，所述条形孔的长轴与所述内筒的轴线平行，所述条形孔用于使浆液透过所述渗水石流出的水通过。

作为本申请另一实施例，所述外筒顶部插设有注浆管，所述注浆管的一端与所述高压注浆泵连通，另一端延伸至所述第二空腔，所述注浆管上连接有浆液压力传感器，所述外筒顶部设有用于水压力传感器。

作为本申请另一实施例，所述泄水口上连接有泄水管，所述泄水管上设有用于调节泄水流量的调节阀。

作为本申请另一实施例，所述水压力传感器与所述调节阀通讯连接。

作为本申请另一实施例，所述内筒的顶端与底端均设有密封圈。

本发明提供的浆液固结状态检测设备的有益效果在于：与现有技术相比，本发明浆液固结状态检测设备的使用过程为：先向第一空腔充满水，随后向第二空腔内充满浆液，在第一空腔和第二空腔均充满的状态下，依然通过压水泵向第一空腔内充水使得第一空腔内加压至第一预设值，通过高压注浆泵向第二空腔内注入浆液使得第二空腔内加压至第二预设值，并且保证第一预设值和第二预设值的恒定，浆液开始通过渗水材料向第一空腔渗水，此时开启固结检测器，其以相同的时间间隔发射纵波，并测得纵波穿过浆液的速度，在浆液渗水的过程中，第一空腔内的压力上升，多余的水分通过泄水口排出从而保证水压恒定在第一预设值，直至测量结束，观察各个时间点测得的纵波的速度，取波速变化速率最快的一段时间即为浆液的初凝时间。本发明浆液固结状态检测设备可以模拟现场工况中浆液在高压下的渗水情况，对于不同的工况环境，可以通过压水泵和高压注浆泵分别调节水压力和注浆压力，并且还可以更换不同材质的渗水材料，使得渗水材料的渗水系数与现场工况接近，从而保证测得的浆液的初凝时间的准确性；通过纵波的传播速度来测得浆液的初凝时间，不需要再人工检测，直接观察测量数据就可以直接得到初凝时间，提高准确性的同时也降低了劳动强度。

本发明还提供了一种浆液固结状态检测方法，基于上述浆液固结状态检测设备实现，包括如下步骤：

S1：向第一空腔内注满水，向第二空腔内注满浆液；

S2：通过压水泵向所述第一空腔内持续注水加压并使得压力恒定在P₂，通过高压注浆泵向所述第二空腔内部持续注浆加压并使得压力恒定在P₁；

S3：通过固结检测器向所述第二空腔内发射多次纵波，并测得每次纵波的传播速度，取纵波速度变化速率最高的区间，该区间为浆液的初凝时间。

作为本申请另一实施例，所述步骤S3，具体包括：

S31：所述固结检测器以相同的时间间隔多次发出纵波，所述纵波的路径横穿浆液；

S32：记录每次纵波穿过浆液时的速度，根据每次的记录制定时间-速度变化曲线；

S33：观察曲线中纵波速度变化速率最高的区间，该区间为浆液的初凝时间。

本发明提供的浆液固结状态检测方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明浆液固结状态检测方法通过改变水压力、注浆压力、渗水材料的渗水系数从而可以模拟不同的工况环境，保证测量的真实准确性；通过固结检测器发射的纵波可以准确测得波速，波速直接反应了浆液的状态，因此观察测得的波速以及观察波速的变化速率可以直接得到浆液的初凝时间，不需要再通过人工进行计算，减少了一定的实验误差，并且方便操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的浆液固结状态检测设备的剖视结构示意图；

图2为图1中C部的放大结构示意图；

图3为本发明实施例一采用的内筒沿图1中A-A线的剖视结构示意图；

图4为沿图1中B-B线的剖视结构示意图；

图5为本发明实施例一采用的内筒的主视结构示意图；

图6为本发明实施例二采用的内筒的主视结构示意图；

图7为本发明实施例一采用的处理模块的模块示意图；

图8为实验举例一的试验结果图；

图9为实验举例二的试验结果图。

图中：1、外筒；2、内筒；3、固结检测器；301、发射器；302、接收器；303、处理模块；4、压水泵；5、泄水口；6、渗水材料；7、高压注浆泵；8、支架；801、承托环；802、支杆；9、条形孔；10、注浆管；11、浆液压力传感器；12、水压力传感器；13、泄水管；14、调节阀；15、密封圈；16、第一空腔；17、第二空腔。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1及图7，现对本发明提供的浆液固结状态检测设备进行说明。浆液固结状态检测设备，包括外筒1、内筒2以及固结检测器3，外筒1上连接有压水泵4，外筒1的底部设有泄水口5；内筒2设于外筒1内腔，内筒2与外筒之间形成用于盛装水的第一空腔16，第一空腔16与压水泵4连通，内筒2内设有用于盛装浆液的第二空腔17，内筒2的侧壁设有供浆液向第一空腔16渗水的渗水材料6，第二空腔17连通有高压注浆泵7；固结检测器3用于向第二空腔内发射纵波并测得纵波在浆液中的传播速度，从而得出浆液的固结状态。

本发明浆液固结状态检测设备的使用过程为：先向第一空腔16内充满水，随后向第二空腔17内充满浆液，在第一空腔16和第二空腔17均充满的状态下，依然通过压水泵4向第一空腔16内充水使得第一空腔16内加压至第一预设值，通过高压注浆泵7向第二空腔17内注入浆液使得第二空腔17内加压至第二预设值，并且保证第一预设值和第二预设值的恒定，浆液开始通过透水材料6向第一空腔16渗水，此时开启固结检测器3，其以相同的时间间隔发射纵波，并测得纵波穿过浆液的速度，在浆液渗水的过程中，第一空腔16内的压力上升，多余的水分通过泄水口5排出从而保证水压恒定在第一预设值，直至测量结束，观察各个时间点测得的纵波的速度，取波速变化速率最快的一段时间即为浆液的初凝时间。

本发明提供的浆液固结状态检测设备，与现有技术相比，本发明浆液固结状态检测设备可以模拟现场工况中浆液在高压下的渗水情况，对于不同的工况环境，可以通过压水泵4和高压注浆泵7分别调节水压力和注浆压力，并且还可以更换不同材质的渗水材料6，使得渗水材料6的渗水系数与实验状况和现场工况接近，从而保证测得的浆液的初凝时间的准确性；通过纵波的传播速度来测得浆液的初凝时间，不需要再人工检测，直接观察测量数据就可以直接得到初凝时间，提高准确性的同时也降低了劳动强度。

值得说明的是，波速的变化速率可以反映浆液的状态，当浆液流动性较强时，波速较慢且变化速率缓慢，当浆液开始凝固时，波速逐渐上升且变化速率最快，当浆液接近完全凝固，波速较快且变化速率缓慢。

作为本发明提供的浆液固结状态检测设备的一种具体实施方式，请参阅图1至图2及图7，固结检测器3包括发射器301、接收器302、处理模块303，发射器301设于内筒2的内壁；接收器302设于内筒2的内壁且与发射器301对应，发射器301与接收器302的最大距离与第二空腔17的内径相等；处理模块303分别与发射器301和接收器302通讯连接，用于计算纵波的波速并制得时间-波速变化曲线。

优选的，每五分钟发射一次纵波，纵波走过的距离刚好为第二空腔17的内径，以便纵波完整的穿过浆液的各个部分(如果纵波只穿过浆液外层的部分，浆液的外层先渗水凝固较快，但是内层可能还未开始凝固，这就造成测量数据与实际存在误差)，在发射器301发出纵波时开始计时，接收器302接收纵波时停止计时，即得到纵波在走过第二空腔17内径距离内的时间，通过内筒2内径除以波速走过的时长即得到波速，处理模块303将该次波速进行计数，直接反应5min时的波速，循环上述过程，处理模块303依次记得10min、15min…的波速，并制得时间-波速曲线，当观察波速最高且变化速率越来越缓慢时停止注浆，实验结束，观察波速变化速率最快的时长，即为浆液的初凝时间。

通过处理模块303可以自主对纵波的波速进行计算并制得表格供人工观察，人工只需要记得该实验条件(包括水压、注浆压力以及渗透系数)就可以得到相应实验条件下浆液的初凝时间，测量准确，时间间隔可以根据需要调整，通过调整单一或多个变量可满足各种实验需求，人工只需要记录最终数据，不需要亲自测量，降低劳动强度。

作为本发明提供的浆液固结状态检测设备的一种具体实施方式，请参阅图1及图4，外筒1内设有支架8，支架8用于固定内筒2。优选的，支架8可以先安装在外筒1内，然后直接将内筒2放置在支架8上；也可以是支架8先与内筒2的底部固定，然后再将支架8固定在外筒1内；

通过支架8可以方便对内筒2和外筒1之间的位置进行固定和调节，通过支架8在外筒1内部安装的高度从而实现内筒2的高度调节，根据内筒2处于外筒1内的深度进而调节内筒2外周的水压，满足不同情况的实验需求。

具体地，支架8包括承托环801和支杆802，承托环801用于承托或固定在内筒2的底部，支杆802的一端与承托环801固接，另一端与外筒1的内壁固接；支杆802设有多个，多个支杆802绕承托环801的轴线呈放射性分布。该结构可以对内筒2起到承托作用，并且相邻支杆802之间的间隙可以供水通过，不影响试验的进行。

作为本发明提供的浆液固结状态检测设备的一种具体实施方式，请参阅图1至图3及图6至图7，渗水材料6为渗水石，渗水石铺设于内筒2的内壁，渗水石围合形成第二空腔17；内筒2的侧壁设有条形孔9，条形孔9的长轴与内筒2的轴线平行，条形孔9用于使浆液透过渗水石流出的水通过。优选的，内筒2的长度为15cm，条形孔9的长度为2cm，条形孔9绕内筒2的轴线设有多个，同一高度的条形孔9组成一个组合，内筒2从上往下设有多组条形孔9；也可以是内筒2长度为15cm，条形孔9的长度为13cm，条形孔9绕内筒2的轴线设有多个。进入第二空腔17内的浆液在渗水的过程中，水先经过渗水石，然后从条形孔9流出到达第一空腔16内，通过渗水石和条形孔9两种屏障，可以保证浆液渗水的同时防止泥浆流出，保证实验结果的准确性。本实施例中，固结检测器3中的发射器301和接收器302设于透水石上。

作为另一种实施例，渗水石可以填充在条形孔9内，同样可以达到以上效果。

作为本发明提供的浆液固结状态检测设备的一种具体实施方式，请参阅图1，外筒1顶部插设有注浆管10，注浆管10的一端与高压注浆泵7连通，另一端延伸至第二空腔17，注浆管10上连接有浆液压力传感器11，外筒1顶部设有用于水压力传感器12。优选的，注浆管10与内筒2之间、注浆管10与外筒1之间均设有密封层，通过密封层可以保证防止浆液外流或水外流，保证水压和浆液压力的恒定。

通过浆液压力传感器11可以测得第二空腔17内的压强，水压力传感器12可以测得第一空腔16内的压强，在实验前要对浆液压力传感器11和水压力传感器12上的示数进行记录，从而得到该压力环境下对应浆液的初凝时间参数；在实验进行的过程中，由于浆液不断向外渗水，会导致第一空腔16内水的压力增加，从而水压力传感器12的示数增大，通过水压力传感器12的示数可以调节压水泵4提供的水流量，从而使得水压力传感器12的示数维持在一个恒定值；相应的，第二空腔1内7浆液的压力值也会相应变化，通过浆液压力传感器11也可以调节高压注浆泵7的注浆流量从而使得浆液压力传感器11的示数维持在一个恒定值。该结构方便根据浆液压力传感器11和水压力传感器12保证压力的恒定，确保实验数据的准确性。

作为本发明提供的浆液固结状态检测设备的一种具体实施方式，请参阅图1，泄水口5上连接有泄水管13，泄水管13上设有用于调节泄水流量的调节阀14。在实验进行的过程中，由于第二空腔17内的浆液不断向第一空腔16内渗水，会导致第一空腔16内水的压力增加，从而水压力传感器12的示数增大，此时可以不需要调节压水泵4的供水流量，只需要通过调节泄水管13上调节阀14的大小，就可以控制泄水流量的大小，从而使得水压力传感器12的示数维持在一个恒定值；该结构方便根据水压力传感器12来调节调节阀14的开度，从而调节泄水量的多少与浆液向外的渗水量达到相对平衡，保证压力的恒定，确保实验数据的准确性。

作为本发明提供的浆液固结状态检测设备的一种具体实施方式，请参阅图1及图7，水压力传感器12与调节阀14通讯连接。在实验进行的过程中，由于浆液不断向外渗水，会导致第一空腔16内水的压力增加，从而水压力传感器12的示数增大，由于水压力传感器12与调节阀14通讯连接，当水压力传感器12的示数超出预设值时，调节阀14打开开始泄水，通过水压力传感器12的示数超出预设值范围的大小还能调节调节阀14的开度。例如：当水压力传感器12的示数超出预设值10％后，调节阀14的开度较小，此时泄水流量较少；当水压力传感器12的示数超出预设值25％后，调节阀14的开度较大，此时泄水流量较大。该过程不需要人工再对调节阀14进行手动调节，降低了劳动强度，并且通过依据水压力传感器12的示数调节调节阀14开度的过程准确性更高。

具体地，水压力传感器12与处理模块303通讯连接，调节阀14上连接有电机，电机与处理模块303通讯连接。水压力传感器12的示数超出预设值时，处理模块303分析水压力传感器12超出预设值的范围，分析完毕后向控制电机开启，根据分析的数值超出范围控制电机的开机时间，从而调整调节阀14的开度，随后电机关闭；当水压力传感器12的示数恢复正常后，处理模块303即刻控制电机开机关闭调节阀14，随后电机停机。

作为本发明提供的浆液固结状态检测设备的一种具体实施方式，请参阅图1至图2，内筒2的顶端与底端均设有密封圈15。优选的，内筒2的顶盖和底盖可拆卸，通过内筒2顶部与底部的密封圈15可以提高内筒2的密封性，防止浆液外流至外筒1内影响数据，从而保证实验结果的准确性。

本发明还提供一种浆液固结状态检测方法。请参阅图1至图9，浆液固结状态检测方法，包括如下步骤：

S1：向第一空腔16内注满水，向第二空腔17内注满浆液；

S2：通过压水泵4向第一空腔16内持续注水加压并使得压力恒定在P₂，通过高压注浆泵7向第二空腔17内部持续注浆加压并使得压力恒定在P₁；

S3：通过固结检测器3向第二空腔17内发射多次纵波，并测得每次纵波的传播速度，取纵波速度变化速率最高的区间，该区间为浆液的初凝时间。

本发明提供的浆液固结状态检测方法，与现有技术相比，本发明浆液固结状态检测方法通过改变水压力、注浆压力、渗水材料6的渗水系数从而可以模拟不同的工况环境，保证测量的真实准确性；通过固结检测器3发射的纵波可以准确测得波速，波速直接反应了浆液的状态，因此观察测得的波速以及观察波速的变化速率可以直接得到浆液的初凝时间，不需要再通过人工进行计算，减少了一定的实验误差，并且方便操作。

作为本发明提供的浆液固结状态检测方法的一种具体实施方式，步骤S3，具体包括：

S31：固结检测器3以相同的时间间隔多次发出纵波，纵波的路径横穿浆液；

S32：记录每次纵波穿过浆液时的速度，根据每次的记录制定时间-速度变化曲线；

S33：观察曲线中纵波速度变化速率最高的区间，该区间为浆液的初凝时间。

通过调节固结检测器3发射的纵波之间时间间隔，可以调整测得初凝时间的精度；例如：每5min发射一次纵波最终测得的初凝时间，和每10min发射一次纵波最终测得的初凝时间，显而易见每5min发射一次纵波最终测得的初凝时间更加准确，可见，纵波之间间隔的时间可以根据实验需求进行调节，从而得到准确的初凝时间。

以下对测量过实际过程进行举例：

举例1：浆液类型为改性粘土水泥混合浆液，粘土基浆密度为1.2g/cm³，水泥添加量为250kg/m³，水固比为1.55:1。将该类型浆液注入内筒2中，外筒1中注入水，使得注浆压力P₁为6MPa，水压P₂为3MPa，在设定渗透系数为5cm/d(渗水材料6的参数)的基础上，得到图8所示的时间-波速曲线图，采样间隔为5min，初凝时间(初凝是一个过程，对应的是某一段时间而不是某一个时刻，上下文中的初凝均与此处相同)为增长速度最快的一段时间区间，为35～65min。

举例2：浆液类型为水泥单液浆，水灰比为0.6:1,密度为1.76g/cm³。将该类型浆液注入内筒2中，外筒1中注入水，使得注浆压力P₁为2MPa，水压P₂为1MPa，在设定渗透系数为2cm/d(渗水材料6的参数)的基础上，得到图9所示的时间-波速曲线图，采样间隔为5min，初凝时间为增长速度最快的一段时间区间，为35～55min。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.浆液固结状态检测设备，其特征在于，包括：

外筒，所述外筒上连接有压水泵，所述外筒的底部设有泄水口；

内筒，设于所述外筒内腔，所述内筒与所述外筒之间形成用于盛装水的第一空腔，所述第一空腔与所述压水泵连通，所述内筒内设有用于盛装浆液的第二空腔，所述内筒的侧壁上设有供所述浆液向第一空腔渗水的渗水材料，所述第二空腔连通有高压注浆泵；以及

固结检测器，用于向所述第二空腔内发射纵波并测得所述纵波在浆液中的传播速度，从而得出浆液的固结状态。

2.如权利要求1所述的浆液固结状态检测设备，其特征在于，所述固结检测器包括：

发射器，设于所述内筒的内壁；

接收器，设于所述内筒的内壁且与所述发射器对应，所述发射器与所述接收器的最大距离与所述第二空腔的内径相等；以及

处理模块，分别与所述发射器和所述接收器通讯连接，用于计算纵波的波速并制得时间-波速变化曲线。

3.如权利要求1所述的浆液固结状态检测设备，其特征在于，所述外筒内设有支架，所述支架用于固定所述内筒。

4.如权利要求1所述的浆液固结状态检测设备，其特征在于，所述渗水材料为渗水石，所述渗水石铺设于所述内筒的内壁，所述渗水石围合形成所述第二空腔；所述内筒的侧壁设有条形孔，所述条形孔的长轴与所述内筒的轴线平行，所述条形孔用于使浆液透过所述渗水石流出的水通过。

5.如权利要求1所述的浆液固结状态检测设备，其特征在于，所述外筒顶部插设有注浆管，所述注浆管的一端与所述高压注浆泵连通，另一端延伸至所述第二空腔，所述注浆管上连接有浆液压力传感器，所述外筒顶部设有用于水压力传感器。

6.如权利要求5所述的浆液固结状态检测设备，其特征在于，所述泄水口上连接有泄水管，所述泄水管上设有用于调节泄水流量的调节阀。

7.如权利要求6所述的浆液固结状态检测设备，其特征在于，所述水压力传感器与所述调节阀通讯连接。

8.如权利要求1所述的浆液固结状态检测设备，其特征在于，所述内筒的顶端与底端均设有密封圈。

9.浆液固结状态检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：向第一空腔内注满水，向第二空腔内注满浆液；

S2：通过压水泵向所述第一空腔内持续注水加压并使得压力恒定在P₂，通过高压注浆泵向所述第二空腔内部持续注浆加压并使得压力恒定在P₁；

S3：通过固结检测器向所述第二空腔内发射多次纵波，并测得每次纵波的传播速度，取纵波速度变化速率最高的区间，该区间为浆液的初凝时间。

10.如权利要求9所述的浆液固结状态检测方法，其特征在于，所述步骤S3，具体包括：

S31：所述固结检测器以相同的时间间隔多次发出纵波，所述纵波的路径横穿浆液；

S32：记录每次纵波穿过浆液时的速度，根据每次的记录制定时间-速度变化曲线；

S33：观察曲线中纵波速度变化速率最高的区间，该区间为浆液的初凝时间。

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