一种宽大裂隙涌水封堵模拟设备及其模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种宽大裂隙涌水封堵模拟设备及其模拟方法，属于工程建设技术领域，设备包括裂隙涌水模拟系统、钻孔模拟系统、孔口封闭注浆系统以及循环供水系统；裂隙涌水模拟系统包括内设有流动腔室的透明模拟箱，透明模拟箱上设有涌水管；钻孔模拟系统包括用于模拟钻孔的透明模拟管，透明模拟管与涌水管可拆卸连接。方法包括S1、设计不同钻孔参数的宽大裂隙涌水封堵对照试验方案；S2、根据试验顺序分批将相应试验编号的透明模拟管安装在所述涌水管上进行试验，观察并记录注浆材料扩散距离、堆积高度、材料流失率及留存率；S3、对收集数据进行分析。旨在解决钻孔及注浆参数对浆液扩散性能影响、注浆封堵过程对周围地层或岩层扰动规律模拟难题。扰动规律模拟难题。扰动规律模拟难题。

【技术实现步骤摘要】
一种宽大裂隙涌水封堵模拟设备及其模拟方法


[0001]本专利技术涉及工程建设
，特别是涉及一种宽大裂隙涌水封堵模拟设备及其模拟方法。

技术介绍

[0002]宽大裂隙集中涌水的封堵是水利水电、矿山、隧道等工程建设中经常面临的施工难题。宽大裂隙涌水不仅给工程建设带来巨大经济损失，还会严重威胁工程稳定和安全。对于多数工程而言，涌水问题多是由宽大裂隙形成的集中渗漏通道造成的。工程经验表明，灌浆是解决宽大裂隙涌水封堵问题的首选和主要技术手段，成功找到并采用合适的灌浆方法和灌浆材料封堵集中渗漏通道即能有效解决涌水问题。
[0003]工程实践中，对于集中涌水裂隙，基本采用孔口封闭、孔内纯压的注浆施工工艺进行封堵。钻孔孔口与涌水裂隙通常具有一定距离，且由于涌水压力作用钻孔内具有一定水头，钻孔深度、孔径、水头的不同，会改变浆液与水的接触浸润时间、接触面积，影响浆液进入涌水裂隙后的扩散性能，进而影响浆液对裂隙封堵效果，特别是对于流动性受浆液温度影响较大的沥青材料、水反应型材料、速凝型材料等扩散性能影响更加显著。但目前用于研究涌水封堵的宽大裂隙涌水注浆封堵模拟装置及动水封堵施工方法，均集中于浆液在裂隙中扩散性能、注浆压力及流量等施工参数、封堵效果评价、裂隙开度可调可控等方面，与工程实践需求相比，未考虑钻孔参数对于浆液扩散性能影响，未涉及注浆孔封堵工艺问题，导致模拟设备试验结果与工程实际封堵效果差别较大。此外，裂隙涌水具有压力大、流速高的特点，需要较高的注浆压力才能保证浆液顺利进入通道并扩散，因此注浆过程会对周围地(岩)层产生扰动作用，随着涌水通道的封堵，过水断面减小，涌水压力增大，扰动作用进一步增强，可能会对地层或岩层稳定性产生影响，威胁工程稳定和安全，而现有的模拟装置也无法对注浆对周围地层扰动作用规律进行模拟研究，模拟设备试验结果对于涌水封堵施工的指导意义不足。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是解决上述技术问题，提供一种宽大裂隙涌水封堵模拟设备及其模拟方法，通过更换不同管径或长度的透明模拟管，可将钻孔的参数因素加入模拟试验中，以解决钻孔参数对浆液扩散性能影响、注浆封堵过程对周围地层或岩层扰动规律模拟难题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术公开了一种宽大裂隙涌水封堵模拟设备，包括裂隙涌水模拟系统、钻孔模拟系统、孔口封闭注浆系统以及循环供水系统；所述裂隙涌水模拟系统包括内设有流动腔室的透明模拟箱，所述流动腔室包括沿水流方向依次设置的进水段、稳流段和出水段，所述稳流段上设有涌水管；所述循环供水系统包括供水箱和回水箱，所述供水箱与所述进水段连通，所述回水箱包括上下分布的浆料拦截腔和清水回水腔，所述浆料拦截腔与所述出水段连通，所述浆料拦截腔内设有浆料过滤层，所述清水回水腔通过回水管路与所述供水箱连通；所述钻孔模拟系统包括用于模拟钻孔的透明
模拟管，所述透明模拟管的顶部与预设涌水高度齐平，所述透明模拟管与所述涌水管可拆卸连接；所述孔口封闭注浆系统包括架设在所述透明模拟管上的封堵注浆管，所述封堵注浆管的注浆端伸入所述透明模拟管中，所述封堵注浆管的注浆端与所述透明模拟管之间设有封孔囊袋，所述封孔囊袋与囊袋注浆管连接。
[0006]优选地，包括竖向设置的第一标尺和水平设置的第二标尺，所述第一标尺包括位于所述透明模拟管上的第一标段和位于所述涌水管上的第二标段，所述第二标段延伸至所述稳流段的底壁上，所述第二标尺从所述第二标段向所述出水段延伸。
[0007]优选地，所述回水箱顶部设有与所述浆料拦截腔连通的回水口，所述出水段的端部设有排水管，所述排水管上设有排水流量计和出水调节阀，所述排水管的出液端连接有位于所述回水口上方的排水软管，所述进水段上设有与所述供水管连接的进水管，所述进水管上设有供水流量计和供水调节阀。
[0008]优选地，所述回水箱内设有与所述回水管路连接的回水泵，所述浆料过滤层包括由上到下依次设有过滤网和过滤模袋。
[0009]优选地，所述透明模拟管由若干标准长度段组成，相邻两个所述标准长度段通过法兰盘螺栓连接，所述涌水管上设有涌水回收盘，所述涌水回收盘的底部设有涌水回收管，所述涌水回收管的出液端位于所述回水口上方，所述标准长度段与所述涌水回收盘螺栓连接。
[0010]优选地，所述透明模拟箱包括顶部设有开口的模拟水槽，所述模拟水槽的开口上封盖有水槽盖板，所述水槽盖板和所述模拟水槽通过若干对拉螺栓连接，所述对拉螺栓沿所述模拟水槽的长度方向布置，所述对拉螺栓包括螺杆、分设在所述螺杆连端的加固顶板和加固底板，所述加固顶板通过螺母压紧在所述水槽盖板的顶壁上，所述加固底板通过螺母压紧在所述模拟水槽的底壁上。
[0011]优选地，还包括扰动监测系统，所述扰动检测系统包括依次电连接的无线应变传感器、数据采集仪以及数据管理分析设备，所述无线应变传感器分布在所述对拉螺栓的螺杆上和所述加固顶板底面上。
[0012]优选地，所述封堵注浆管通过注浆软管与第一注浆泵连接，所述囊袋注浆管与第二注浆泵连接，所述封堵注浆管上设有注浆流量计和压力传感器，所述注浆流量计和所述压力传感器与所述数据采集仪电连接。
[0013]还公开了一种采用了上述宽大裂隙涌水封堵模拟设备的模拟方法，包括以下步骤：
[0014]S1、设计不同钻孔参数的宽大裂隙涌水封堵对照试验方案，根据实验方案预备相应参数的透明模拟管，并编上试验编号，所述参数包括透明模拟管的管径和长度；
[0015]S2、根据试验顺序分批将相应试验编号的透明模拟管安装在所述涌水管上，并依次进行宽大裂隙涌水封堵试验，试验时调节所述进水段的进水流速和出水段的出水流速，以使所述稳流段内的流速达到预设涌水流速，并使涌水高度与所述透明模拟管的顶部齐平，然后通过所述囊袋注浆管向所述封孔囊袋内注浆，使所述透明模拟管和所述封堵注浆管之间封闭，最后通过封堵注浆管开始注浆，注浆压力需大于涌水压力，直至完成对稳流段断面上的封堵，观察并记录试验过程中注浆材料的扩散距离、堆积高度、材料流失率及留存率；
[0016]S3、对收集数据进行钻孔参数对浆液性能影响分析。
[0017]优选地，步骤S2中，所述稳流段内的流速达到预设涌水流速并稳定后，采集所述无线应变传感器的应变数据作为扰动初始值，然后在所述封堵注浆管注浆过程中，按照设定采集频率对所述无线应变传感器的数据进行采集并传输至数据采集仪，所述数据管理分析装置读取数据采集仪数据，根据监测数据绘制注浆压力、进浆速率与扰动应变关系曲线，研究注浆堵水对于周围地层扰动作用规律，基于AR(N)预测模拟设备对应变数据进行预测分析，用预测值与监测值比较法实时给出应变异常值，确定注浆最大扰动及作用时机。
[0018]本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0019]1.本宽大裂隙涌水封堵模拟设备可更换用于模拟钻孔的透明模拟管，通过改变透明模拟管的管径和长度，继而能够改变钻孔的参数，可研究钻孔参数对于涌水封堵材料扩散性能影响规律，验证材料性能及注浆工艺匹配性，为注浆材料及工艺调整本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽大裂隙涌水封堵模拟设备，其特征在于，包括裂隙涌水模拟系统、钻孔模拟系统、孔口封闭注浆系统以及循环供水系统；所述裂隙涌水模拟系统包括内设有流动腔室的透明模拟箱，所述流动腔室包括沿水流方向依次设置的进水段、稳流段和出水段，所述稳流段上设有涌水管；所述循环供水系统包括供水箱和回水箱，所述供水箱与所述进水段连通，所述回水箱包括上下分布的浆料拦截腔和清水回水腔，所述浆料拦截腔与所述出水段连通，所述浆料拦截腔内设有浆料过滤层，所述清水回水腔通过回水管路与所述供水箱连通；所述钻孔模拟系统包括用于模拟钻孔的透明模拟管，所述透明模拟管的顶部与预设涌水高度齐平，所述透明模拟管与所述涌水管可拆卸连接；所述孔口封闭注浆系统包括架设在所述透明模拟管上的封堵注浆管，所述封堵注浆管的注浆端伸入所述透明模拟管中，所述封堵注浆管的注浆端与所述透明模拟管之间设有封孔囊袋，所述封孔囊袋与囊袋注浆管连接。2.根据权利要求1所述的一种宽大裂隙涌水封堵模拟设备，其特征在于，包括竖向设置的第一标尺和水平设置的第二标尺，所述第一标尺包括位于所述透明模拟管上的第一标段和位于所述涌水管上的第二标段，所述第二标段延伸至所述稳流段的底壁上，所述第二标尺从所述第二标段向所述出水段延伸。3.根据权利要求2所述的一种宽大裂隙涌水封堵模拟设备，其特征在于，所述回水箱顶部设有与所述浆料拦截腔连通的回水口，所述出水段的端部设有排水管，所述排水管上设有排水流量计和出水调节阀，所述排水管的出液端连接有位于所述回水口上方的排水软管，所述进水段上设有与所述供水管连接的进水管，所述进水管上设有供水流量计和供水调节阀。4.根据权利要求3所述的一种宽大裂隙涌水封堵模拟设备，其特征在于，所述回水箱内设有与所述回水管路连接的回水泵，所述浆料过滤层包括由上到下依次设有过滤网和过滤模袋。5.根据权利要求1所述的一种宽大裂隙涌水封堵模拟设备，其特征在于，所述透明模拟管由若干标准长度段组成，相邻两个所述标准长度段通过法兰盘螺栓连接，所述涌水管上设有涌水回收盘，所述涌水回收盘的底部设有涌水回收管，所述涌水回收管的出液端位于所述回水口上方，所述标准长度段与所述涌水回收盘螺栓连接。6.根据权利要求1所述的一种宽大裂隙涌水封堵模拟设备，其特征在于，所述透明模拟箱包括顶部设有开口的模拟水槽，所述模拟水槽的开口上封盖有水槽盖板，所述水槽盖板和所述模拟水槽通过若干对拉螺栓连...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵卫全，周建华，路威，李通盛，窦金熙，高宇，李勇辉，任增增，郭鹏斐，耿会岭，
申请(专利权)人：北京中水科工程集团有限公司，
类型：发明
国别省市：