一种模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置和方法，依次连接的注浆系统、水平钻孔注浆模拟系统和末端压力控制系统，在水平钻孔注浆模拟系统上并联设置缩径模拟系统，分支串联设置短路模拟系统，水平钻孔注浆模拟系统用于模拟正常注浆工况下的沿程压力损失，短路模拟系统模拟注浆短路工况下的沿程压力损失，缩径模拟系统模拟塌孔缩径工况下的沿程压力损失。可调裂隙模拟器模拟受注岩体中的裂隙，裂隙开度可通过分流量、压力及浆液比重、动力粘滞系数计算得出，通过调整分流管上的闸阀大小来模拟不同裂隙开度下注浆短路后孔内压力分布情况。通过并联的管路系统实现管径快速切换，模拟塌孔缩径情况下的沿程压力损失和局部压力损失。力损失和局部压力损失。力损失和局部压力损失。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置和方法


[0001]本专利技术属于矿井防治水注浆堵水
，更具体地说，本专利技术涉及一种模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置和方法。

技术介绍

[0002]随着煤炭开采深度的增加，煤层底板高承压地下水威胁着矿井安全，利用地面定向注浆钻孔对底板高承压含水层进行高压注浆改造是目前防治底板水害最有效的方法，其中注浆压力是一个重要技术指标，由于粘滞力和摩擦力等阻力的存在，沿程压力损耗导致孔内浆液压力小于孔口压力与液柱压力之和，影响浆液压力损失的因素主要包括浆液粘度(比重)、所处压力阶段、注浆流量、钻孔长度、裂隙开度等；另外，高注浆压力下会使地层中裂隙张开度更大，甚至与其他裂隙或者巷道、采空区贯通，产生注浆“短路”现象，造成孔内压力重分布。由于钻孔长(1500～2000m)、注浆压力高(大于20MPa)，而现有的压力传感监测仪器无法下入如此深的钻孔，且无法承受如此高的压力，因此无法实现在注浆钻孔内监测沿程压力损失。开发一种可模拟长距离水平钻孔高压注浆沿程压力损失的试验装置尤为重要。

技术实现思路

[0003]本专利技术主要目的是提供一种模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置和方法，该试验系统能够模拟不同比重、不同注浆流量下水泥注浆浆液在长距离钻孔中的沿程压力损失，以及在不同裂隙开度下发生注浆“短路”时孔内的压力分布，以解决现有技术无法实测注浆钻孔内压力分布问题，从而指导注浆工程中注浆参数的选择与调整。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0005]一种模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置，设置：依次连接的注浆系统、水平钻孔注浆模拟系统和末端压力控制系统，在水平钻孔注浆模拟系统上并联设置缩径模拟系统3，分支串联设置短路模拟系统，水平钻孔注浆模拟系统用于模拟正常注浆工况下的沿程压力损失，短路模拟系统模拟注浆短路工况下的沿程压力损失，缩径模拟系统模拟塌孔缩径工况下的沿程压力损失。
[0006]可选的，所述的注浆系统，设置制浆池、吸浆管和注浆泵，注浆泵上设置第一压力表。
[0007]可选的，所述的水平钻孔注浆模拟系统设置输浆管，输浆管与注浆泵连接，输浆管上依次间隔设置第二压力表、第三压力表和第一流量表，第一流量表后的输浆管设置分支管，连接缩颈模拟系统，且在该分支管上设置第二球阀；之后，输浆管上还设置第一球阀和第一三通，第一三通两端连接输浆管，第三端连接短路模拟系统；第一三通后的输浆管设置另一个分支管，也与缩颈模拟系统连接，形成回路；缩颈模拟系统后的输浆管上还设置第四压力表和第二流量表。
[0008]可选的，所述的输浆管为16MPa钢丝编织胶管，单根长度10或20m，胶管之间通过直
通快速接头连接。
[0009]可选的，所述的缩径模拟系统设置并联的第一缩颈模拟管路和第二缩颈模拟管路；第一缩颈模拟管路通过设置的第二三通和第三三通连接第一缩颈管实现，第一缩颈管上设置第三球阀；第二缩颈模拟管路通过第一直角变径接头和第二直角变径接头连接第二缩颈管实现，第二缩颈管上设置第四球阀。
[0010]可选的，所述的短路模拟系统，包括设置在输浆管上的控制分流量的第三流量表、第五压力表、第五球阀和可调裂隙模拟器。
[0011]可选的，所述的可调裂隙模拟器设置容纳腔，容纳腔的侧壁上设置限位槽，限位槽上卡设限位板，限位板上通过球形连接头连接旋转调节杆，旋转调节杆与容纳腔的顶板通过螺纹结构穿过连接。
[0012]可选的，所述的短路模拟系统通过调节限位板在限位槽内的高度，模拟不同裂隙开度，裂隙开度可按下式计算：
[0013][0014]q＝Q/B；
[0015]式中：b裂隙开度，m；μ水泥浆液动力粘滞系数，N
·
s/m2；q单宽流量，m2/s；γ水泥浆液容重，N/m3；J水力坡降；Q分流流量，m2/s；B可调裂缝模拟器内仓的宽度。
[0016]一种模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验方法，所述的试验方法采用本专利技术任一所述的模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置完成；
[0017]步骤一：模拟正常注浆工况下的沿程压力损失
[0018]打开第一球阀和闸阀，关闭第二球阀和第五球阀；
[0019]按照试验设计参数进行试验，末端压力通过闸阀调整，观测第五压力表的读数即为末端压力；流量通过注浆泵调整，浆液比重通过制浆池调整；
[0020]步骤二：模拟注浆短路工况下的沿程压力损失
[0021]打开第一球阀和第五球阀，打开闸阀，关闭第二球阀；
[0022]按照试验设计的参数进行试验，分流量通过可调裂隙模拟器调整，通过第三流量表观测；
[0023]步骤四：模拟塌孔缩径工况下的沿程压力损失
[0024]管路内径的关系：输浆管＞第一变径管＞第二变径管；关闭第一球阀和第五球阀，打开第二球阀和第三球阀或第四球阀，打开闸阀。
[0025]可选的，还包括试验方案设计，选择流量、浆液比重、末端压力、管路直径和分流量五个因素，每个因素设置三个水平，试验设计如下表：
[0026]表1
[0027][0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0029]设计新颖，操作便捷，试验系统采用模块化组装方式，可灵活调整各组件位置；采用耐高压部件，模拟效果更接近实际情况；可实现浆液比重、注浆流量、钻孔长度、裂隙开度、注浆短路位置、缩径程度等多主控因素下注浆压力损失的模拟。
附图说明
[0030]图1是本专利技术的水平注浆钻孔沿程压力损失的模拟试验装置结构图；
[0031]图2是图1中的可调裂缝模拟器的右视剖视图；
[0032]图3是图1中的可调裂缝模拟器的正视剖视图；
[0033]图4是正常注浆工况下末端无压时水泥浆在250、160和90L/min流量下的沿程压力损失曲线；
[0034]图5是正常注浆工况下流量250L/min时不同末端压力下沿程压力损失曲线；
[0035]图6是正常注浆工况下末端1MPa流量250L/min下各比重水泥浆沿程压力损失曲线；
[0036]图7是注浆“短路”工况下不同分流量下的沿程压力损失曲线；
[0037]图中：1
‑
注浆系统、11
‑
制浆池、12
‑
吸浆管、13
‑
注浆泵、14
‑
第一压力表；
[0038]2‑
水平钻孔注浆模拟系统、21输浆管、22
‑
第二压力表、23
‑
第三压力表、24
‑
第一流量表、25
‑
第一球阀、26
‑
第一三通、27
‑
第四压力表、28
‑
第二流量表、29
‑
第二球阀；
[0039]3‑
缩径模拟系统、31
‑
第一缩颈模拟管路、311
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置，其特征在于，设置：依次连接的注浆系统(1)、水平钻孔注浆模拟系统(2)和末端压力控制系统(5)，在水平钻孔注浆模拟系统(2)上并联设置缩径模拟系统(3)，分支串联设置短路模拟系统(4)，水平钻孔注浆模拟系统(2)用于模拟正常注浆工况下的沿程压力损失，短路模拟系统(4)模拟注浆短路工况下的沿程压力损失，缩径模拟系统(3)模拟塌孔缩径工况下的沿程压力损失。2.根据权利要求1所述的模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置，其特征在于，所述的注浆系统(1)，设置制浆池(11)、吸浆管(12)和注浆泵(13)，注浆泵(13)上设置第一压力表(14)。3.根据权利要求1或2所述的模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置，其特征在于，所述的水平钻孔注浆模拟系统(2)设置输浆管(21)，输浆管(21)与注浆泵(13)连接，输浆管(21)上依次间隔设置第二压力表(22)、第三压力表(23)和第一流量表(24)，第一流量表(24)后的输浆管(21)设置分支管，连接缩颈模拟系统(3)，且在该分支管上设置第二球阀(29)；之后，输浆管(21)上还设置第一球阀(25)和第一三通(26)，第一三通(26)两端连接输浆管(21)，第三端连接短路模拟系统(4)；第一三通(26)后的输浆管(21)设置另一个分支管，也与缩颈模拟系统(3)连接，形成回路；缩颈模拟系统(3)后的输浆管(21)上还设置第四压力表(27)和第二流量表(28)。4.根据权利要求3所述的模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置，其特征在于，所述的输浆管(21)为16MPa钢丝编织胶管，单根长度10或20m，胶管之间通过直通快速接头连接。5.根据权利要求1或2所述的模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置，其特征在于，所述的缩径模拟系统(3)设置并联的第一缩颈模拟管路(31)和第二缩颈模拟管路(32)；第一缩颈模拟管路(31)通过设置的第二三通(311)和第三三通(314)连接第一缩颈管(313)实现，第一缩颈管(313)上设置第三球阀(312)；第二缩颈模拟管路(32)通过第一直角变径接头(321)和第二直角变径接头(324)连接第二缩颈管(323)实现，第二缩颈管(323)上设置第四球阀(322)。6.根据权利要求1或2所述的模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置，其特征在于，所述的短路模拟系...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑士田，邢茂林，石志远，吴佩，崔思源，赵少磊，王琦，李文江，
申请(专利权)人：中煤科工西安研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：