CN116085037A - 基于微泡沫材料的注浆充填装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于微泡沫材料的注浆充填装置及方法，涉及地下工程注浆技术领域，针对目前微泡沫浆液在注浆对地下工程缺陷区域的充填效果无法获取的问题，通过获取注浆过程中的压力和注浆后的充填度，对微泡沫浆液的注浆充填过程进行控制，反馈调节微泡沫浆液的配比及注浆泵参数，使得微泡沫浆液的充填效果满足注浆充填需求。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程注浆技术领域，具体涉及基于微泡沫材料的注浆充填装置及方法。
背景技术
随着地下工程建设规模的不断扩大，大量不良地质体被揭露，如溶洞、岩溶破碎带等，极易造成突涌水、路面塌陷、房屋倒塌和块石垮塌等地质灾害，造成了巨大的经济损失和人员伤亡，严重阻碍了地下工程的正常施工。注浆作为地下工程不良地质的主要控制手段，可有效减少地质灾害的发生，在施工中已经取得了广泛应用。
泡沫充填材料作为一种轻质材料，能够大幅减少胶凝材料的使用，有效降低治理成本。而普通泡沫充填材料气孔直径分布大多在500～1000um，气孔过大导致胶凝材料孔隙填充密实度较差，而微泡沫充填材料气孔直径分布大多为200um～500um之间，大大减小了气孔尺寸，增加了气孔密实度和稳定性，能够显著提高浆液结石体的强度。但是，施工中采用微泡沫浆液作为充填材料时充填工序繁琐，尤其是微泡沫浆液和普通浆液性质不同，在填充过程中的监测与传统浆液存在差别，沿用传统浆液充填过程中的监测方式难以满足准确监测的需求；此外，微泡沫浆液在注浆结束时的判定标准目前多通过直接观察的方式，而对于内部的充填情况难以获取，导致微泡沫浆液对地下工程缺陷区域的充填效果无法保证。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供基于微泡沫材料的注浆充填装置及方法，通过获取注浆过程中的压力和注浆后的充填度，对微泡沫浆液的注浆充填过程进行控制，反馈调节微泡沫浆液的配比及注浆泵参数，使得微泡沫浆液的充填效果满足注浆充填需求。
本发明的第一目的是提供基于微泡沫材料的注浆充填装置，采用以下方案：
包括：
原材料供应***，设有微泡沫供应组件、水泥供应组件和水供应组件，并分别接入控制器；
搅拌***，设有依次连接的第一搅拌罐、第二搅拌罐和注浆泵，并分别接入控制器；微泡沫供应组件、水泥供应组件和水供应组件输出端连接第一搅拌罐，使注浆泵输出微泡沫浆液；
控制器，控制器连接有用于获取注浆压力的注浆压力检测元件和用于获取充填度的超声波液位检测元件，控制器用于调节水泥、水和微泡沫的配比以及注浆压力。
进一步地，所述水泥供应组件包括第一储料罐、第二储料罐和称量元件，第一储料罐连通第二储料罐且在其之间设置阀门，阀门接入控制器，称量元件接入控制器，以获取第二储料罐输送至搅拌机构的水泥量。
进一步地，所述水泥供应组件输出端连接第一搅拌罐的管路上，设有接入控制器的水泥输送驱动元件。
进一步地，所述水供应组件包括储水罐，储水罐输出端连接第一搅拌罐的管路上，设有接入控制器的水输送驱动元件和流量计。
进一步地，所述第一搅拌罐与第二搅拌罐之间、第二搅拌罐与注浆泵之间分别设有浆液驱动元件，浆液驱动元件连接控制器。
进一步地，所述第二搅拌罐内设有浆液液位传感器，控制器用于控制浆液驱动元件将第一搅拌罐内的浆液供应至第二搅拌罐。
进一步地，所述超声波液位检测元件布置在注浆口位置，注浆压力检测元件布置在注浆泵输出端。
本发明的第二目的是提供一种利用如第一目的所述基于微泡沫材料的注浆充填装置的充填方法，包括：
第一搅拌罐从原料供应***获取微泡沫、水泥和水，并进行搅拌混合形成微泡沫浆液；
第二搅拌罐从第一搅拌罐获取微泡沫浆液并供应至注浆泵，注浆泵将微泡沫浆液通过注浆口输入待注浆区域；
通过注浆压力检测元件获取注浆压力，通过超声波液位检测元件获取注浆完成后注浆区域的充填度，从而控制注浆过程。
进一步地，获取注浆过程中的注浆压力，若注浆压力在设定时间内未达到控制压力，调整调节水泥、水和微泡沫的配比以及注浆泵参数。
进一步地，对注浆区域的充填度进行获取，判断是否充分充填，若充分充填，则完成此注浆孔注浆；若未充分充填，控制器输出警示信息，提示排查注浆区域问题。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
(1)针对目前微泡沫浆液在注浆对地下工程缺陷区域的充填效果无法获取的问题，通过获取注浆过程中的压力和注浆后的充填度，对微泡沫浆液的注浆充填过程进行控制，反馈调节微泡沫浆液的配比及注浆泵参数，使得微泡沫浆液的充填效果满足注浆充填需求。
(2)通过注浆泵注浆压力检测和注浆后的超声波液位传感器进行充填度检测，能够从注浆过程中进行注浆控制和注浆后进行注浆效果检测，结合反馈调节过程对微泡沫浆液配比进行调整，实现注浆前、注浆时和注浆后的全周期调整，满足微泡沫浆液注浆时对注浆充填质量的需求。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1和2中基于微泡沫材料的注浆充填装置的示意图。
图2为本发明实施例1和2中注浆过程中的控制流程示意图。
其中，1.水泥储存区；2.第一储料罐；3.电控阀门；4.第二储料罐；5.称量元件；6.水泥罐伺服电机；7.储水罐；8.储水罐伺服电机；9.流量计；10.发泡机；11.发泡机智能控制器；12.ARM控制器；13.第一搅拌罐；14.伺服电机；15.第二搅拌罐；16.注浆泵；17.注浆管；18.孔口智能压力表；19.超声波液位传感器。
具体实施方式
实施例1
本发明的一个典型实施例中，如图1-图2所示，给出基于微泡沫材料的注浆充填装置。
目前对地下工程缺陷区域进行浆液充填时，施工中微泡沫浆液充填工序繁琐，各个环节都需要人力调控，智能化水平低，此外，注浆结束的判定标准多依靠人工肉眼观察，充填效果无法保证。
本实施例中，通过基于微泡沫材料的注浆充填装置进行地下工程缺陷区域的浆液充填。结合图1，基于微泡沫材料的注浆充填装置主要包括原材料供应***、搅拌***、控制器和检测组件。
其中，原材料供应***包括微泡沫供应组件、水泥供应组件和水供应组件，分别接入控制器，其中，水泥供应组件包括水泥储存区1、水泥罐伺服电机146、水泥进料管，水供应组件包括储水罐7、储水罐伺服电机148、进水管，微泡沫供应组件包括发泡机10，搅拌***包括第一搅拌罐13、第二搅拌罐15、注浆泵16，检测组件包括用于获取注浆压力的注浆压力检测元件和用于获取充填度的超声波液位检测元件，本实施例中，注浆压力检测元件采用孔口智能压力表18，超声波液位检测元件采用超声波液位传感器19，控制器采用ARM控制器12。
水泥储存区1内设有第一储料罐2、第二储料罐4和称量元件5；第一储料罐2连通第二储料罐4且在其之间设置阀门，阀门接入控制器，称量元件5接入控制器，以获取第二储料罐4输送至搅拌机构的水泥量。
如图1所示，水泥供应组件连接第一搅拌罐13，本实施例中的水泥储料罐由两部分组成，上部通过第一储料罐2和第二储料罐4储存水泥，下部通过称量元件5称量水泥，上部和下部之间通过水泥进料管连通，水泥进料管上设有阀门。
本实施例中，阀门可以采用电控阀门3，称量元件5采用电子称量设备，比如电子秤等。下部安装的称量元件5将水泥重量反馈至ARM控制器12，ARM控制器12通过部连接处的电控阀门3的开闭控制水泥掺量。
储水罐7与第一搅拌罐13通过进水管连接，进水管上设有接入控制器的水输送驱动元件和流量计9；进水管末端安装流量计9，水输送驱动元件采用储水罐伺服电机148，通过储水罐伺服电机148带动水泵驱动输水，可通过ARM控制器12调整进水管出水量。
发泡机10为微型泡沫发泡机10，与第一搅拌罐13连接，内部结构主要由风机和发泡钢丝球组成，为使气泡尺寸均匀，体积微小，该发泡机10钢丝球密度是普通发泡机10的1.5～2倍，发泡量为0.6～1m3/min，该发泡机10需与特定发泡剂配合使用，发泡直径30-50um。发泡机10连接有发泡机智能控制器11，ARM控制器12通过控制发泡机智能控制器11设定发泡机10风机功率控制泡沫的生成量。
如图1所示，本实施例中的搅拌***，设有依次连接的第一搅拌罐13、第二搅拌罐15和注浆泵16，并分别接入控制器；微泡沫供应组件、水泥供应组件和水供应组件输出端连接第一搅拌罐13，使注浆泵16输出微泡沫浆液。
第一搅拌罐13为预搅拌装置，与第二搅拌罐15经由输浆管连接。第二搅拌罐15为直接输料罐，连接注浆泵16，当第二搅拌罐15浆面高度达到预设数值后，ARM控制器12命令第一搅拌罐13向第二搅拌罐15输送浆液。第一搅拌罐13与第二搅拌罐15均为圆柱形，直径为1m，高为1.5m，内固定有螺旋搅拌叶片，转速为20转/min。
注浆泵16为砂浆注浆泵16，出口处安装有电磁流量计9，可记录注浆量。注浆泵16由伺服电机14驱动，泵送速率受伺服电机14转速控制，伺服电机14转速由ARM控制器12设定。注浆最大控制压力为4MPa，最大注浆速率为100L/min。
孔口压力控制器安装在注浆管17近注浆泵16侧，为一单向可控阀口，内嵌压力表能够记录实时注浆压力，并向ARM控制器12反馈。超声波液位传感器19安装在注浆管17近出口端，在注浆基本完成后测定充填区液位并将信息实时反馈给ARM控制器12，判断是否需要补浆。
如图2所示，ARM控制器12连接有用于获取注浆压力的注浆压力检测元件和用于获取充填度的超声波液位检测元件，控制器用于调节水泥、水和微泡沫的配比以及注浆压力。水泥罐伺服电机146、电控阀门3、储水罐伺服电机148和发泡机智能控制器11均受ARM控制器12控制；称量元件5和出水管流量计9监测所得数据会实时显示在ARM控制器12的电子显示屏。
ARM控制器12内写入可编程智能操作***，能够读取水泥罐电子称量元件5的数值、输水管流量计9流量差值、注浆泵16结束压力等。还可以采用吸纳有神经网络学习算法，根据实时反馈信息情况自适应调节注浆配比，控制水泥罐电控阀门3开闭调整水泥掺量，并可通过控制空口压力控制器挡位调节注浆速度和压力。
实施例2
本发明的另一典型实施方式中，如图1-图2所示，给出基于微泡沫材料的注浆充填装置的充填方法。
利用如实施例1中的基于微泡沫材料的注浆充填装置，该充填方法包括：
第一搅拌罐13从原料供应***获取微泡沫、水泥和水，并进行搅拌混合形成微泡沫浆液；
第二搅拌罐15从第一搅拌罐13获取微泡沫浆液并供应至注浆泵16，注浆泵16将微泡沫浆液通过注浆口输入待注浆区域；
通过注浆压力检测元件获取注浆压力，通过超声波液位检测元件获取注浆完成后注浆区域的充填度，从而控制注浆过程。
具体的，结合实施例1和图1-图2，对于上述充填方法，包括：
第一阶段(配料阶段)：
①根据实际工程注浆所需浆液配比，ARM控制器12分别对所需水泥、水以及泡沫掺量进行计算。ARM控制器12通过调整电控阀门3开闭，使得称量元件5称量到相应重量的水泥，随后水泥罐伺服电机146开始运转，向第一搅拌罐13输送水泥。
②储水罐伺服电机148工作，向第一搅拌罐13输水，出水管流量计9将出水量信息实时反馈到ARM控制器12，当出水量达到设定值时ARM控制器12向伺服电机148发送指令，输水停止。
③与此同时，ARM控制器12向发泡机智能控制器11发送工作指令，使发泡机10运转并向第一搅拌罐13输送微型泡沫。
第二阶段(预搅拌阶段)：
①输入第一搅拌罐13内的各部分原料在螺旋搅拌叶片作用下均匀混合，在伺服电机14的驱动下输送到第二搅拌罐15。
②第二搅拌罐15内部安装浆面液位传感器，
当浆面低于设定值时，向ARM控制器12发送红色信号，ARM控制器12接收信号后立即重复第一阶段指令，及时供料；
当浆面达到最大值时，伺服电机14暂停工作，减少浆液输入量。
③第二搅拌罐15内浆液经伺服电机14驱动，输送到注浆泵16中。
④伺服电机14驱动注浆泵16中浆液进入注浆管17，进入注浆阶段。
第三阶段(注浆阶段)：
①根据地质条件，ARM控制器12预先设定一个注浆压力控制值，开始注浆后，孔口压力控制器可以实时记录当前注浆压力并显示在ARM控制器12的显示屏上。
②当压力表数值达到控制压力后，孔口压力控制器自动关闭内置阀口，并向ARM控制器12发送信号。
③与此同时安装在注浆口处的超声波液位传感器19对充填区域进行探测，判断是否真正注满。
是，则换孔注浆，进入新一***作流程；
否，则向ARM控制器12发送信号，ARM显示面板发布警告，提示工作人员及时排除注浆口堵塞隐患。
如注浆阶段流程图2所示，当②中压力表显示数值迟迟达不到控制压力时，向ARM控制器12返回橙色信号，ARM控制器12通过反馈数据自适应调整注浆配比，重新设定所需水泥、水、泡沫量，并重复第一阶段操作获得不同配比的浆液，预搅拌后再进入注浆阶段。
在一些方案中，水泥储料罐中的水泥来自大型水泥立罐，通过传送带运输至水泥储存区1的第一储料罐2中。整个水泥储存区1搭载在可移动台车上，能够满足多点移动注浆的实际工程需要，相对于同类型设备具有优越性
在一些工程现场，原料来自于小型罐装水泥，没有大型水泥立管及相应传动装置。水泥需要人力提升并倾倒至水泥第一储料罐2中。
对此，本实施例中，在搭载水泥储存区1所用的台车上增设机械臂，机械臂主要由三部分构成：起支撑连接作用的机械下臂、可360°转动并与机械下臂铰接的机械上臂、最上部的机械抓手。
通过ARM控制器12输入相关操作指令，可以实现对小型水泥罐的抓取和抬升，通过机械上臂的多角度的旋转，能够将小型水泥罐中的原材料倾倒至第一储料罐2中。本实施例中提出的附加机械臂，极大减少了现场工人的劳动量，实现了机械化、自动化集料，提高其工作效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于微泡沫材料的注浆充填装置，其特征在于，包括：
原材料供应***，设有微泡沫供应组件、水泥供应组件和水供应组件，并分别接入控制器；
搅拌***，设有依次连接的第一搅拌罐、第二搅拌罐和注浆泵，并分别接入控制器；微泡沫供应组件、水泥供应组件和水供应组件输出端连接第一搅拌罐，使注浆泵输出微泡沫浆液；
控制器，控制器连接有用于获取注浆压力的注浆压力检测元件和用于获取充填度的超声波液位检测元件，控制器用于调节水泥、水和微泡沫的配比以及注浆压力。
2.如权利要求1所述的基于微泡沫材料的注浆充填装置，其特征在于，所述水泥供应组件包括第一储料罐、第二储料罐和称量元件，第一储料罐连通第二储料罐且在其之间设置阀门，阀门接入控制器，称量元件接入控制器，以获取第二储料罐输送至搅拌机构的水泥量。
3.如权利要求2所述的基于微泡沫材料的注浆充填装置，其特征在于，所述水泥供应组件输出端连接第一搅拌罐的管路上，设有接入控制器的水泥输送驱动元件。
4.如权利要求1所述的基于微泡沫材料的注浆充填装置，其特征在于，所述水供应组件包括储水罐，储水罐输出端连接第一搅拌罐的管路上，设有接入控制器的水输送驱动元件和流量计。
5.如权利要求1所述的基于微泡沫材料的注浆充填装置，其特征在于，所述第一搅拌罐与第二搅拌罐之间、第二搅拌罐与注浆泵之间分别设有浆液驱动元件，浆液驱动元件连接控制器。
6.如权利要求5所述的基于微泡沫材料的注浆充填装置，其特征在于，所述第二搅拌罐内设有浆液液位传感器，控制器用于控制浆液驱动元件将第一搅拌罐内的浆液供应至第二搅拌罐。
7.如权利要求1所述的基于微泡沫材料的注浆充填装置，其特征在于，所述超声波液位检测元件布置在注浆口位置，注浆压力检测元件布置在注浆泵输出端。
8.一种如权利要求1-7所述的基于微泡沫材料的注浆充填装置的充填方法，其特征在于，包括：
第一搅拌罐从原料供应***获取微泡沫、水泥和水，并进行搅拌混合形成微泡沫浆液；
第二搅拌罐从第一搅拌罐获取微泡沫浆液并供应至注浆泵，注浆泵将微泡沫浆液通过注浆口输入待注浆区域；
通过注浆压力检测元件获取注浆压力，通过超声波液位检测元件获取注浆完成后注浆区域的充填度，从而控制注浆过程。
9.如权利要求8所述的充填方法，其特征在于，获取注浆过程中的注浆压力，若注浆压力在设定时间内未达到控制压力，调整调节水泥、水和微泡沫的配比以及注浆泵参数。
10.如权利要求8所述的充填方法，其特征在于，对注浆区域的充填度进行获取，判断是否充分充填，若充分充填，则完成此注浆孔注浆；若未充分充填，控制器输出警示信息，提示排查注浆区域问题。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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