CN115184239A - 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，涉及岩体可视化试验技术领域，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。本发明装置具有透明可视、结构合理、制作简单、成本低廉、操作安全以及使用可靠的优点。
Description
本发明是发明名称为“一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置及其试验方法”的分案申请，其中，母案的申请号为201810343965.9，申请日为2018.04.17。
技术领域
本发明涉及岩体可视化试验技术领域，特别是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。
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
本发明的目的是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。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，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***和全透明注浆桶；所述全透明注浆桶用于容置破碎煤岩体试样；
所述全透明注浆桶的下端与所述底座相连；所述全透明注浆桶的上端连接有支撑钢板；所述支撑钢板和所述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所述可控式高压气动注浆泵、所述数显式多元信息监控***通过耐高压注浆管相连通；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；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％，所述非放射性示踪剂采用茜素红或胭脂红。
可选地，所述底座的直径为300～500mm，所述底座的厚度为20～50mm。
可选地，所述全透明注浆桶采用特级装甲聚碳酸酯，所述全透明注浆桶的内径为100～200mm，所述全透明注浆桶的壁厚为10～30mm，所述全透明注浆桶的高度为200～300mm。
可选地，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；
所述数显式多元信息监控***包括流量传感器、密度传感器和压力传感器。
可选地，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；
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。
可选地，所述透浆板的直径为100～200mm，所述透浆板的厚度高度为20～40mm；
所述出浆孔的直径为8～12mm，所述出浆控的环向和径向间距为10～20mm，所述出浆孔在所述透浆板上以梅花型布设5～8圈。
可选地，所述底座上设置有环形槽口，所述全透明注浆桶的下端***在所述环形槽口内。
为达上述目的，本发明还提供了如下技术方案：
一种基于破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置的试验方法，包括：
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，启动试验装置，通过密封压头对所述破碎煤岩体试样施加设定轴压，在施加设定轴压的过程中，所述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；
将一定比例的水泥、水及非放射性示踪剂放入到电动水泥搅拌站中进行搅拌，均匀混合后的浆液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。
可选地，所述试验方法还包括：
在向破碎煤岩体试样注浆的过程中，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。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明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，在全透明注浆桶的内部放置破碎煤岩体试样，通过设置好的电动水泥搅拌站、可控式高压气动注浆泵、数显式多元信息监控***，通过摄像机对含有非放射性示踪剂的浆液在破碎煤岩体内的扩散形态及全过程进行实时观测，从而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。本发明可视化试验装置也可用于模拟土体、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，本发明可视化装置具有装置透明可视、结构合理、制作简单、成本低廉、操作安全、使用可靠等多种优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的结构示意图。
图1是本发明破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置的结构示意图。
附图说明：
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
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，包括底座6、可控式高压气动注浆泵2、电动水泥搅拌站1、数显式多元信息监控***3和全透明注浆桶11；所述全透明注浆桶11用于容置破碎煤岩体试样12。
所述全透明注浆桶11的下端与所述底座6相连；所述全透明注浆桶11的上端连接有支撑钢板；所述支撑钢板18和所述底座通过支撑杆20与高强螺栓19连成整体。
所述全透明注浆桶11的上端内壁设有可滑动的密封压头13；所述密封压头13的上部设置有加载中空压头17，密封压头13的顶面设有排气管15，排气管15中安设有伸入到加载中空压头中的排气阀16。所述密封压头13和透浆板9的上下面的边缘处均设置有密封圈14。
所述全透明注浆桶的下端内壁设有透浆板9；所述透浆板9中开设有多个出浆孔10；所述底座6开设相互连接的注浆输送孔7与底座注浆孔8。
所述电动水泥搅拌站1与所述可控式高压气动注浆泵2、所述数显式多元信息监控***3通过耐高压注浆管4相连通；所述全透明注浆桶11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21进行实时观测；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％，所述非放射性示踪剂采用茜素红或胭脂红。
所述数显式多元信息监控***通过法兰盘5与注浆输送孔相连接。
实施例中，底座6、透浆板9、密封压头13和加载中空压头17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11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19强度等级为8.8～10.9，螺栓孔直径为20～26mm；底座6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9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17直径90～190mm、厚度(高度)为100～150mm。排气管15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4直径为20～30mm，壁厚为3～6mm；数显式多元信息监控***3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。
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。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征在于，所述破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置包括底座、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***和全透明注浆桶；所述全透明注浆桶用于容置破碎煤岩体试样；
所述全透明注浆桶的下端与所述底座相连；所述全透明注浆桶的上端连接有支撑钢板；所述支撑钢板和所述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所述可控式高压气动注浆泵、所述数显式多元信息监控***通过耐高压注浆管相连通；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；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％，所述非放射性示踪剂采用茜素红或胭脂红。
2.根据权利要求1所述的破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征在于，所述底座的直径为300～500mm，所述底座的厚度为20～50mm。
3.根据权利要求1所述的破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征在于，所述全透明注浆桶采用特级装甲聚碳酸酯，所述全透明注浆桶的内径为100～200mm，所述全透明注浆桶的壁厚为10～30mm，所述全透明注浆桶的高度为200～300mm。
4.根据权利要求1所述的破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征在于，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；
所述数显式多元信息监控***包括流量传感器、密度传感器和压力传感器。
5.根据权利要求1所述的破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征在于，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；
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。
6.根据权利要求1所述的破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征在于，所述透浆板的直径为100～200mm，所述透浆板的厚度高度为20～40mm；
所述出浆孔的直径为8～12mm，所述出浆控的环向和径向间距为10～20mm，所述出浆孔在所述透浆板上以梅花型布设5～8圈。
7.根据权利要求1所述的破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置，其特征在于，所述底座上设置有环形槽口，所述全透明注浆桶的下端***在所述环形槽口内。
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，其特征在于，所述试验方法包括：
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，启动试验装置，通过密封压头对所述破碎煤岩体试样施加设定轴压，在施加设定轴压的过程中，所述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；
将一定比例的水泥、水及非放射性示踪剂放入到电动水泥搅拌站中进行搅拌，均匀混合后的浆液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所述的破碎煤岩体渗透注浆可视化试验装置的试验方法，其特征在于，所述试验方法还包括：
在向破碎煤岩体试样注浆的过程中，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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