一种斜井壁后注浆模型试验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种斜井壁后注浆模型试验装置及试验方法，该试验装置包括常水压系统、模型试验箱、压力顶升系统、压力补偿系统、双液注浆系统和数据采集系统，该试验方法主要包括岩土体试样铺设、双液注浆、参数采集和分析浆液扩散规律及注浆效果的步骤。本发明专利技术可以在模拟不同地质条件下和不同斜井角度的情况下进行注浆模型试验，可以实现注浆压力、注浆过程中孔隙水压力、土压力的采集，可以观测浆液在岩土体中的扩散规律，从而较真实的反映实际工程中斜井壁后注浆的加固机理及井壁在注浆过程中的受力状态，测试结果准确、可靠，为理论分析和工程实践提供可靠的基础数据。

【技术实现步骤摘要】
一种斜井壁后注浆模型试验装置及试验方法
本专利技术属于井巷工程与隧道工程试验装置
，具体涉及一种斜井壁后注浆模型试验装置及试验方法。
技术介绍
矿井井筒是实现生产运输，担负矿井的材料、设备等运输任务，兼主要进风井和安全出口，是整个矿井的“咽喉”。斜井井壁破裂经常伴随着井壁渗水、涌水、涌砂和井壁周围岩土层失水压缩等复杂情况，不进行治理就容易造成突水、突砂等灾害和安全事故。这种灾害往往具有发生突然、承压性、破坏力强的特点，严重影响了矿井和隧道的生产与安全。据统计，近20年间，在中国已有数十个在建和已建成井筒和隧道发生过水砂突涌灾害，严重制约了矿产资源的安全开采和基础道路建设。1997年至2004年间太平煤矿主井与杨庄煤矿主井先后多次发生井壁破裂，采用水泥-水玻璃与改性脲醛树脂浆液进行壁后注浆治理，成功封堵井筒涌水。2006年宜万铁路马鹿箐隧道发生突水突泥事故，通过地表钻孔对平导内进行注浆，形成浆液固结堵水塞体，切断平导前方突水点与出口间的水力联系，保证了施工的顺利进行。2011年在建的胡麻岭隧道2#斜井在穿越第三系富水粉细砂层时，出现了大规模的突水涌砂现象，突涌量达5000m3，采用壁后注浆等治理措施，突水涌砂现象得到了有效控制。2016年金鸡滩煤矿副斜井发生水砂突涌灾害，采用水泥-水玻璃浆液和改性脲醛树脂浆液复合注浆技术成功封堵了水砂来源和通道，保证了井筒的正常服役。壁后注浆法是治理此类灾害及加固地层的重要技术。壁后注浆可以有效的提高井筒周围岩土层的稳定性；利用注浆帷幕体承受部分附加应力，改善井壁的受力条件；利用浆液充填井壁裂隙，增强井壁自身的防水、抗渗能力和井壁的抗压、抗拉强度。注浆材料方面，水泥-水玻璃双液浆与多种化学浆材(丙烯酰胺、脲醛树脂、聚氨酯类等)具有浆液胶凝时间可调、结实率高、堵水效果好等优点，在治理此类灾害时被广泛采用。但是，由于注浆工程具有隐蔽性的特点，浆液的扩散规律与加固机理难以借助现场观测进行研究。因此，需要提供一种可以在室内模拟斜井壁后注浆的装置和试验方法，以便于可以清楚的反映出浆液在壁后的扩散规律和加固机理。
技术实现思路
专利技术目的：为了更好的研究斜井在穿越厚松散层或断层等特殊地质构造时发生水砂突涌灾害后，采用壁后注浆治理时浆液的扩散规律和加固机理。本专利技术提供了一种斜井壁后注浆模型试验装置及试验方法，能够在实验室内模拟注浆加固壁后地层的过程。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下的技术方案：一种斜井壁后注浆模型试验装置，包括常水压系统、模型试验箱、压力顶升系统、压力补偿系统、双液注浆系统和数据采集系统；所述常水压系统包括水箱支架、夹具、外侧水箱、水管、内侧水箱、注水阀门和水管支路，在水箱支架上设有高度可调的外侧水箱，外侧水箱底部设有排水口，内侧水箱设置在外侧水箱内部，内侧水箱与供水管路连接，内侧水箱顶部设有溢流口，内侧水箱底部通过注水阀门连接水管，水管接多个水管支路；所述模型试验箱包括顶部敞口底部密封的方形箱体，方形箱体一侧面设有半凹槽，在半凹槽的中心位置布设有注浆孔和孔隙水压力监测孔，孔隙水压力监测孔外接水压力传感器，半凹槽内侧埋设土压力传感器，方形箱体与半凹槽相对的另一侧面设有与水管支路数量相同的注水孔，注水孔与水管支路一一对应连接；所述压力顶升系统包括设置在方形箱体下方的螺纹式千斤顶，通过螺纹式千斤顶调整方形箱体的放置角度；所述压力补偿系统包括承压顶盖，气压管路、空气压缩机和气缸，承压顶盖设置在方形箱体的顶部敞口上方，承压顶盖上方设置气缸，气缸通过气压管路连接空气压缩机，空气压缩机设有压力表；所述双液注浆系统包括双注浆泵，双注浆泵通过混浆管路连接浆液混合器，浆液混合器通过注浆管路连接注浆孔，注浆管路设有注浆压力传感器；所述数据采集系统包括数据采集仪和电脑，数据采集仪分别连接注浆压力传感器、水压力传感器和土压力传感器，电脑连接数据采集仪。进一步的，所述外侧水箱通过夹具加紧固定，夹具上设有滑动座，滑动座可沿水箱支架上的竖直滑轨上下移动。进一步的，所述竖直滑轨上设有比例尺，所述滑动座设有与比例尺相对应的指针。进一步的，所述方形箱体的侧面及底面设有位置对应的竖直通孔，竖直通孔内穿入连杆，连杆两端设有加压螺帽；所述方形箱体的四周设有紧固带。进一步的，所述注浆孔为1个，在注浆孔的左右两侧各设有3个孔隙水压力监测孔。进一步的，所述注浆孔和孔隙水压力监测孔的直径均为10mm，所述注浆孔和孔隙水压力监测孔的孔间距为50mm。进一步的，所述混浆管路设有三通，三通其中一个端口连接浆液混合器，三通的另外两个端口通过单向阀连接双注浆泵。进一步的，所述浆液混合器包括混合器壳体，混合器壳体的上下两端分别设有开口，混合器壳体的中部设有浆液分流网，浆液分流网的上下两端分别设有浆液分流板，浆液分流板开设若干通孔。根据上述斜井壁后注浆模型试验装置的试验方法，该试验方法包括以下步骤：步骤1：将制备好的岩土体试样装入方形箱体内，通过螺纹式千斤顶调整方形箱体至试验所需的倾斜角度，启动空气压缩机，通过承压顶盖向岩土体试样施加试验所需的垂向补偿应力，通过压力表调节垂向补偿应力大小，通过供水管路向内侧水箱供水，打开注水阀门，保证内侧水箱始终保持满水状态，内侧水箱通过注水孔向方形箱体内注水，通过改变外侧水箱高度来获取试验所需要的水头高度，内侧水箱多余的水通过溢流口漫至外侧水箱，再通过外侧水箱的排水孔排走；步骤2：将试验所需的两种液浆放置于双注浆泵内，双注浆泵按照试验所需要的混合比例向浆液混合器内注入两种液浆，两种液浆在浆液混合器内充分混合后，通过注浆孔注入方形箱体，通过注浆压力传感器监测注浆压力，在注浆开始前打开电脑，注浆过程中通过数据采集仪采集试验数据并存储至电脑，试验数据包括水压力传感器测得的半凹槽内侧岩土体试样中水的压力、注浆压力传感器测得的注浆压力、土压力传感器测得的岩土体试样对半凹槽内侧施加的应力，直至注浆结束；步骤3：注浆结束后，等待浆液在岩土体试样扩散并充分固化，形成注浆固结体；步骤4：打开方形箱体并取出注浆固结体，研究注浆固结体的外观形态和宏、微观特性，通过研究结果分析浆液在岩土体试样中的扩散规律和注浆效果；步骤5：通过改变调整方形箱体倾斜角度、水头高度、垂向补偿应力、两种液浆混合比例和注浆压力，分析不同试验条件下浆液在岩土体试样中的扩散规律和注浆效果。有益效果：本专利技术所述斜井壁后注浆模型试验装置结构设计相对简单，加工精细，体积适中，整体强度高，操作方便，可以在模拟不同地质条件下和不同斜井角度的情况下进行注浆模型试验，可以实现注浆压力、注浆过程中孔隙水压力、土压力的采集，可以观测浆液在岩土体中的扩散规律，从而较真实的反映实际工程中斜井壁后注浆的加固机理及井壁在注浆过程中的受力状态，测试结果准确、可靠，为理论分析和工程实践提供可靠的基础数据。附图说明图1是本专利技术斜井壁后注浆模型试验装置的构成示意图；图2是浆液混合器的剖面示意图；图3是浆液分流板的结构示意图；图4是土压传感器的布设示意图；图5是注浆孔和间隙水压监测孔的布设示意图；图6是常水压系统的构成示意图；图7是双液注浆系统的构成示意图；图8是方形箱体的外形结构图；图中：1-常水压系统，11-水箱支架，12-夹具，13-外侧水箱，14-水管，15-比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种斜井壁后注浆模型试验装置，其特征在于：包括常水压系统(1)、模型试验箱(2)、压力顶升系统(3)、压力补偿系统(4)、双液注浆系统(5)和数据采集系统(6)；所述常水压系统包括水箱支架(11)、夹具(12)、外侧水箱(13)、水管(14)、内侧水箱(16)、注水阀门(17)和水管支路(18)，在水箱支架(11)上设有高度可调的外侧水箱(13)，外侧水箱(13)底部设有排水口，内侧水箱(16)设置在外侧水箱(13)内部，内侧水箱(16)与供水管路连接，内侧水箱(16)顶部设有溢流口，内侧水箱(16)底部通过注水阀门(17)连接水管(14)，水管(14)连接多个水管支路(18)；所述模型试验箱包括顶部敞口底部密封的方形箱体(28)，方形箱体(28)一侧面设有半凹槽(27)，在半凹槽(27)的中心位置布设有注浆孔(25)和孔隙水压力监测孔(24)，孔隙水压力监测孔(24)外接水压力传感器，半凹槽(27)内侧埋设土压力传感器(29)，方形箱体(28)与半凹槽(27)相对的另一侧面设有与水管支路(18)数量相同的注水孔(22)，注水孔(22)与水管支路(18)一一对应连接；所述压力顶升系统(3)包括设置在方形箱体下方的螺纹式千斤顶，通过螺纹式千斤顶调整方形箱体的放置角度；所述压力补偿系统(4)包括承压顶盖(41)，气压管路(42)、空气压缩机(43)和气缸(44)，承压顶盖(41)设置在方形箱体的顶部敞口上方，承压顶盖(41)上方设置气缸(44)，气缸(44)通过气压管路(42)连接空气压缩机(43)，空气压缩机(43)设有压力表(45)；所述双液注浆系统(5)包括双注浆泵(57)，双注浆泵(57)通过混浆管路(53)连接浆液混合器(55)，浆液混合器(55)通过注浆管路(59)连接注浆孔(25)，注浆管路(59)设有注浆压力传感器(56)；所述数据采集系统(6)包括数据采集仪(61)和电脑(62)，数据采集仪(61)分别连接注浆压力传感器(56)、水压力传感器和土压力传感器(29)，电脑(62)连接数据采集仪(61)。...

【技术特征摘要】
1.一种斜井壁后注浆模型试验装置，其特征在于：包括常水压系统(1)、模型试验箱(2)、压力顶升系统(3)、压力补偿系统(4)、双液注浆系统(5)和数据采集系统(6)；所述常水压系统包括水箱支架(11)、夹具(12)、外侧水箱(13)、水管(14)、内侧水箱(16)、注水阀门(17)和水管支路(18)，在水箱支架(11)上设有高度可调的外侧水箱(13)，外侧水箱(13)底部设有排水口，内侧水箱(16)设置在外侧水箱(13)内部，内侧水箱(16)与供水管路连接，内侧水箱(16)顶部设有溢流口，内侧水箱(16)底部通过注水阀门(17)连接水管(14)，水管(14)连接多个水管支路(18)；所述模型试验箱包括顶部敞口底部密封的方形箱体(28)，方形箱体(28)一侧面设有半凹槽(27)，在半凹槽(27)的中心位置布设有注浆孔(25)和孔隙水压力监测孔(24)，孔隙水压力监测孔(24)外接水压力传感器，半凹槽(27)内侧埋设土压力传感器(29)，方形箱体(28)与半凹槽(27)相对的另一侧面设有与水管支路(18)数量相同的注水孔(22)，注水孔(22)与水管支路(18)一一对应连接；所述压力顶升系统(3)包括设置在方形箱体下方的螺纹式千斤顶，通过螺纹式千斤顶调整方形箱体的放置角度；所述压力补偿系统(4)包括承压顶盖(41)，气压管路(42)、空气压缩机(43)和气缸(44)，承压顶盖(41)设置在方形箱体的顶部敞口上方，承压顶盖(41)上方设置气缸(44)，气缸(44)通过气压管路(42)连接空气压缩机(43)，空气压缩机(43)设有压力表(45)；所述双液注浆系统(5)包括双注浆泵(57)，双注浆泵(57)通过混浆管路(53)连接浆液混合器(55)，浆液混合器(55)通过注浆管路(59)连接注浆孔(25)，注浆管路(59)设有注浆压力传感器(56)；所述数据采集系统(6)包括数据采集仪(61)和电脑(62)，数据采集仪(61)分别连接注浆压力传感器(56)、水压力传感器和土压力传感器(29)，电脑(62)连接数据采集仪(61)。2.根据权利要求1所述的一种斜井壁后注浆模型试验装置，其特征在于：所述外侧水箱(13)通过夹具(12)加紧固定，夹具(12)上设有滑动座(19)，滑动座(19)可沿水箱支架(11)上的竖直滑轨(110)上下移动。3.根据权利要求2所述的一种斜井壁后注浆模型试验装置，其特征在于：所述竖直滑轨(110)上设有比例尺(15)，所述滑动座(19)设有与比例尺(15)相对应的指针(111)。4.根据权利要求1所述的一种斜井壁后注浆模型试验装置，其特征在于：所述方形箱体(28)的侧面及底面设有位置对应的竖直通孔，竖直通孔内穿入连杆(21)，连杆(21)两端设有加压螺帽(23)；所述方形箱体(28)的四周设有紧固带(26)。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋旺华，袁世冲，张改玲，惠爽，郑国胜，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32