一种煤岩裂隙可视化注浆装置及试验方法

1.本发明涉及注浆模拟试验设备领域，具体是指一种煤岩裂隙可视化注浆装置及试验方法。


背景技术：

2.注浆法是控制围岩变形，提高围岩稳定性的一种常用技术手段。裂隙注浆是指通过一定的注浆压力，将浆液注入裂隙岩体中，随着浆液的扩散，不断对裂隙空间进行充填，不仅防止了地下水的渗流，阻断水流通道，而且凝固后的浆液还能使破碎的岩体形成一个完整的整体，共同承载外界应力以抵抗围岩变形，大大提高了围岩体的稳定性和承载力，从而改善岩体结构的力学性能。
3.目前注浆加固工程已经得到了广泛的应用，但由于注浆工程的隐蔽性，注浆理论的发展则远远滞后于工程实践，注浆工程尤其是裂隙注浆仍缺乏科学的理论指导。浆液在裂隙中最终扩散距离以及注浆对岩体结构的影响难以查明；注浆参数的确定、注浆工程的设计很大程度上依赖施工经验，这些问题都严重制约着注浆理论的发展。只凭工程经验往往难以确定合理的注浆方案，若是注浆参数及注浆方案设计的过于保守，虽然达到了理想的加固效果，但容易造成资源的浪费；若是注浆参数及注浆方案设计的过于简单，虽然节省了资源，但达不到理想的注浆效果，给巷道的施工留下了严重的安全隐患。
4.扩散半径作为评价注浆效果的主控因素，及时把握浆液的扩散范围是极为重要的。但裂隙岩体深埋于地层中，且裂隙网络是复杂的，注浆浆液在岩体裂隙内的流动扩散是极其隐蔽的，浆液的扩散流动可直观观测难度极大。当前在实际现场工程中，缺乏监测识别浆液在裂隙岩体中的扩散流动方法，缺乏对浆液扩散形状大小及影响范围的直观显示方法。
5.因此，对现有技术中的裂隙注浆试验装置及方法进行改进，以满足不同应用场景的需求，是当前迫切需要解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于提供一种模拟煤岩裂隙可视化的注浆装置，以解决现有技术中存在的问题。本发明可以模拟在各种裂隙和裂隙地质条件，以及不同的浆液物质和注浆条件下，浆液在裂隙中的扩散规律。并且由于装置的可视化，能够直观检验出浆液的扩散规律，检测注浆后的实际注浆效果。
7.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种煤岩裂隙可视化注浆装置，包括可视化的裂隙注浆箱体和注浆装置构成；所述裂隙注浆箱体由上顶板和下底板构成，在两块上顶板和下底板内侧分别贴有人工原岩薄膜，在上顶板中心设有注浆孔以及若干测压孔，所述上顶板和下底板之间划分为四个完全相同的正方形区域，在不同区域上设有若干不规则不同尺寸的圆柱体橡胶垫块，所述垫块贴在原岩薄膜上；
8.所述注浆装置包括空气压缩机、储浆桶、气动搅拌器、输浆管、注浆管和导气管；所
述储浆桶顶部与空气压缩机通过导气管相连，且储浆桶底部设有控浆阀门，控浆阀门通过输浆管与裂隙注浆箱体上的注浆管相连，控浆阀门处还装有电磁流量计，用来测量注浆过程中的注浆量及注浆速度，在储浆桶和空气压缩机上还设有压力表；所述空气压缩机上设有控气阀门，与储浆桶通过导气管相连；所述气动搅拌器与空气压缩机通过导气管相连。
9.进一步的，所述上顶板和下底板由透明有机玻璃制作，四周通过紧固螺栓固定在一起，所述人工原岩薄膜分别贴附一层在上顶板和下底板内侧。
10.进一步的，所述上顶板和下底板的周围由具有一定透气性的垫条密封。
11.进一步的，还包括可转动调节的支架，包括转动轴、角度调节器以及稳固板；
12.所述角度调节器上设有防转销钉，可每转动一定角度后固定转动轴，以便模拟不同裂隙倾角下的注浆试验；所述稳固板与裂隙注浆箱体底板相接，以便确保注浆时裂隙注浆箱体的稳定性，同时还起到加固底板的作用。
13.进一步的，还包括数据采集系统，包括传感器，高速摄像机，计算机；所述传感器与裂隙注浆箱体上顶板的测压孔相连；所述高速摄像机用来拍摄记录注浆全过程；所述计算机用来收集并整理分析数据。
14.一种煤岩裂隙可视化注浆装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：在上顶板和下底板内侧分别贴上一层人工原岩薄膜，将下底板划分为四个大小相同的正方形区域，其中，一个区域不做处理；一个区域在底板上贴上侧面为三角形的棱柱体橡胶垫，并在橡胶垫上贴上相应大小的人工原岩薄膜，用来模拟不同裂隙开度的注浆情况；一个区域在底部上贴上若干厚度相同，直径不同的圆柱体橡胶垫块，将垫块随机分布在该区域，用来模拟具有一定迂曲度的孔隙通道；一个区域在底部上贴上若干由中心到边缘，厚度逐渐增加，直径不同的圆柱体橡胶垫块，将垫块随机分布在该区域，用来模拟宽度不同且具有一定迂曲度的孔隙通道。
15.在顶底板的周边用具有一定透气性的垫条密封，并通过螺栓固定在一起，组成裂隙可视化注浆箱体；
16.裂隙注浆箱体用转动支架支撑，将注浆箱体底板固定在支架顶部的稳固板上，并通过调整支架转轴的转动角度来模拟不同裂隙倾角的注浆扩散试验；
17.注浆箱体顶板上设有若干测压孔，与传感器相连，通过传感器来实时记录注浆箱体的压力参数；
18.注浆箱体顶板的注浆孔插入固定注浆管，注浆管与储浆桶底部的控浆阀门通过输浆管相连；
19.储浆桶顶部与空气压缩机上的控气阀门通过导气管相连；
20.空气压缩机与气动搅拌器通过气管相连；
21.检测各管路连接状态以及各仪表的准确性，确保试验能够正常进行。将浆液材料按照设计的配比配置好倒入储浆桶，打开空气压缩机上的控气阀门向储浆桶里注气，同时打开储浆桶内的气动搅拌器，防止浆液沉积。观测储浆桶上压力表读数达到规定值时，打开储浆桶底部的控浆阀门开始进行注浆；
22.打开传感器和高速摄像机，记录传感器数据并全程观测记录注浆过程中各个区域浆液的扩散形式和范围；
23.观测裂隙注浆箱体的浆液扩散状态，待浆液扩注满裂隙注浆箱体约3/4后停止注
浆，关闭控浆阀门和控气阀门；
24.待压力消除后，拆卸并清洗裂隙注浆箱体及注浆设备。
25.更换不同颗粒粒径的原岩薄膜，更换不同厚度和透气性密封垫条，更换不同尺寸的橡胶垫块，并通过调节螺栓来调整模拟裂隙宽度，重复以上操作步骤，收集不同注浆条件下的试验数据，依次按照设计完成的所有注浆试验。
26.本发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过模拟试验，研究注浆压力、注浆速度、注浆时间、浆液量、浆液性质、裂隙宽度、裂隙倾角、裂隙粗糙度、裂隙透气性、孔隙通道的迂曲度与浆液扩散半径之间的关系，从而研究浆液在煤岩体内的扩散规律；
27.本发明通过设置不规则分布的不同尺寸的垫块，可以模拟真实条件下岩土介质曲折的孔隙通道，揭示浆液在岩土介质内的实际流动过程；
28.本发明通过调节所设橡胶垫块的厚度来改变裂隙宽度，可以模拟真实条件下岩体裂隙形态；
29.本发明采用了不同透气性的垫条来密封裂隙注浆箱体，可模拟介质不同密度、透气性下的裂隙注浆阻力；
30.本发明中将裂隙箱体分为四个大小相同的正方形区域，对四个区域进行不同处理，可同时模拟测试不同裂隙条件下的注浆扩散效果及形式，且由于装置的可视化，既能体现出真实注浆条件下的注浆效果，又能清晰直观的观测对比不同裂隙条件下的注浆扩散形式上的差异。
31.优点：
32.本发明通过在裂隙箱体内设置若干橡胶垫块，用这些垫块来模拟介质内部的颗粒骨架，并使用不同直径的圆柱体橡胶垫块，将其随机排列，可以模拟真实条件下岩土介质内曲折的孔隙通道，以此来模拟浆液在岩土介质内的更接近实际的流动轨迹。
33.在现有技术中，“模拟多主控变量的可视化裂隙注浆试验装置及方法”公开了一种裂隙模拟注浆装置，可以模拟研究静水或无水条件下，裂隙内注浆扩散规律及注浆扩散半径与多种注浆主控因素之间的量化关系；“一种模拟不同填充物裂隙的动水注浆试验装置”公开了一种裂隙模拟注浆装置，可以模拟研究渗流条件下填充裂隙内注浆时的浆液扩散规律。
34.目前，使用单一平板裂隙模拟破碎岩土体内部优势裂隙面浆液扩散规律的实验居多，但岩体结构中的裂隙网络错综复杂，现有技术中仍缺少对浆液在多孔介质中流动的曲折效应作考虑，本发明在以往考虑多种注浆影响因素的基础上，在裂隙平板内设置垫块来模拟多孔介质中的迂曲通道，进一步提高了实验的合理性和准确性。
35.同时由于试验所设计注浆裂隙为单一裂隙面，而真实条件下介质内部错综复杂的裂隙网络决定不同的介质具有不同的渗透率，以往的单一平板裂隙模拟注浆装置只局限于对单一裂隙平面的注浆影响因素的考虑，为了弥补了实验与实际的差异，本发明通过改变裂隙箱体密封垫条的透气性来改变注浆介质的渗透率，以此模拟来得到更接近实际的注浆扩散半径的计算结果。
36.此外，以往的单一平板裂隙模拟注浆实验中，每次均只能改变一种注浆主控因素后，就要重新拆卸清洗设备来进行下一次实验。本发明将裂隙箱体分为四个大小相同的正方形区域，在四个区域进行不同的布置，模拟不同的裂隙条件，同时进行不同裂隙条件下的
注浆实验，既大大简化了实验的重复步骤，节省了大量的实验时间，且由于实验装置的可视化，还能更清晰直观的观测对比不同裂隙条件下的注浆扩散形式上的差异。
附图说明
37.图1为本发明试验装置的整体示意图。
38.图2为裂隙箱体的顶板示意图。
39.图3为裂隙箱体的底板示意图。
40.图4为(c)、(d)区域模拟浆液扩散线路示意图。
41.图5为裂隙箱体四个区域两两沿中线切开的剖面示意图。
42.如图所示：1、储浆桶；2、空气压缩机；3、控气阀门；4、压力表；5、导气管；6、气动搅拌器；7、控浆阀门；8、流量计；9、输浆管；10、注浆管；11、紧固螺栓；12、稳固板；13、角度调节器；14、转动轴；15、支架；16、测压孔；17、注浆孔；18、密封垫条。
具体实施方式
43.下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
45.实施例
46.如图1所示，展示了本发明的试验装置整体示意图，包括裂隙注浆箱体、转动支架15和注浆装置；
47.如图2、3所示，裂隙注浆箱体包括上顶板、下底板、密封垫条18、紧固螺栓11。其中顶底板由透明有机玻璃制成，尺寸为(1000
×
1000
×
20mm)，并在两块上顶板和下底板内侧分别贴有人工原岩薄膜，在尺寸为(980
×
980
×
0.1mm)，在上顶板中心设有注浆孔17以及若干测压孔16。将下底板划分为四个大小相同的正方形区域，其中，一个区域不做处理；一个区域在底板上贴上侧面为三角形的棱柱体橡胶垫，并在橡胶垫上贴上相应大小的人工原岩薄膜，用来模拟不同裂隙开度的注浆情况；一个区域在底部上贴上若干厚度相同，直径不同的圆柱体橡胶垫块，将垫块随机分布在该区域，用来模拟具有一定迂曲度的孔隙通道；一个区域在底部上贴上若干由中心到边缘，厚度逐渐增加，直径不同的圆柱体橡胶垫块，将垫块随机分布在该区域，用来模拟宽度不同且具有一定迂曲度的孔隙通道。
48.实验时，按照不同试验要求，更换不同透气性的密封垫条18、不同尺寸和原岩粒径的人工原岩薄膜、不同尺寸的橡胶垫、不同尺寸的橡胶垫块，调整紧固螺栓11间距，以实现模拟不同裂隙宽度、裂隙粗糙度以及注浆阻力条件下的注浆过程。
49.如图1、3所示，转动支架15包括转动轴14、角度调节器13以及稳固板12。其中角度调节器13上设有防转销钉，每转动一定角度后都可固定转动轴14，以模拟不同裂隙倾角下的注浆过程；其中稳固板12焊接在转动轴14上与裂隙注浆箱体下底板相接，以确保注浆时裂隙注浆箱体的稳定性，并且起到加固下底板的作用。
50.如图2、4所示，裂隙箱体分为四个大小相同的小正方形区域(a)、(b)、(c)、(d)，其中，区域(a)在底板上贴上相应大小的原岩薄膜；区域(b)在底板上贴上侧面为三角形的棱柱体橡胶垫，并在橡胶垫上贴上相应大小的人工原岩薄膜，用来模拟不同裂隙开度的注浆情况；区域(c)在底部上贴上相应大小的原岩薄膜，并在原岩薄膜上贴上若干厚度相同，直径不同的圆柱体橡胶垫块，将垫块随机分布在该区域，用来模拟具有一定迂曲度的孔隙通道；区域(d)在底部上贴上相应大小的原岩薄膜，并在原岩薄膜上贴上若干由中心到边缘，厚度逐渐增加，直径不同的圆柱体橡胶垫块，将垫块随机分布在该区域，用来模拟宽度不同且具有一定迂曲度的孔隙通道。顶底板周边用一定透气性垫条密封，并用紧固螺栓11固定在一起，组成同时模拟不同裂隙条件下的裂隙注浆箱体；
51.如图1所示，注浆装置，包括空气压缩机2、储浆桶1、气动搅拌器6、输浆管9、注浆管10和导气管5。其中，储浆桶1顶部与空气压缩机2通过导气管5相连，且储浆桶1底部设有控浆阀门7，控浆阀门7通过输浆管9与裂隙注浆箱体上的注浆管10相连，控浆阀门7处还装有电磁流量计8，用来测量注浆过程中的注浆量及注浆速度，在储浆桶1和空气压缩机2上还设有压力表4；空气压缩机2上设有控气阀门3，与储浆桶1通过导气管5相连；气动搅拌器6与空气压缩机2通过导气管5相连。
52.具体实施步骤如下：
53.1)组装实验装置
54.(1)橡胶垫块的制作。选择承压能力好不易变形的橡胶垫，通过机器切割加工成侧面为直角三角形的棱柱体，加工多个不同尺寸的橡胶垫，厚度控制在0.1-0.5mm之间；同样的，橡胶垫通过机器切割加工成厚度不同、直径不同的圆柱体，加工多个不同尺寸的橡胶垫块，厚度控制在0.1-0.7mm之间
55.(2)原岩薄膜的制作。通过岩石磨样机研磨原岩样本，不同粒径的原岩颗粒，经过试验筛分选出不同等级，然后，在透明薄膜上涂一层胶，再将分选原岩颗粒(根据粗糙度的不同选择)均匀的抹在薄膜上，烘干后，根据玻璃板划分区域大小及橡胶垫的不同规格，将人工原岩贴膜切割成相应尺寸大小，并将人工原岩贴膜粘贴在上顶板、下底板及橡胶垫上，做成不同粗糙度和不同宽度的人工原岩裂隙；
56.(3)密封垫条18的制作。选择具有一定透气性的密封材料，制成980mm长、20mm宽、厚度为0.1-1mm的尺寸大小，粘贴在裂隙注浆箱体四周；
57.(4)按照试验设计调整好转动轴14角度，将裂隙箱体固定在转动轴14的稳固板12上；
58.(5)连接管线。通过数据线将传感器与裂隙箱体上顶板的测压孔16相连；通过输浆管9将储浆桶1底部的控浆阀门7与裂隙注浆箱体顶部的注浆管10相连，通过导气管5将储浆桶1和空气压缩机2相连，通过导气管5将空气压缩机2和气动搅拌器6相连。
59.2)进行注浆实验
60.(1)检测装置及各管路密闭性，检测各仪表开关是否能正常工作，确保设备能够正
常进行实验；
61.(2)将浆液材料按照配比要求配置好，倒入储浆桶1，打开空气压缩机2上的控气阀门3向储浆桶1里注气，同时打开储浆桶1内的气动搅拌器6，防止浆液沉积。观测储浆桶1上压力表4读数达到设定值时，打开储浆桶1底部的控浆阀门7开始进行注浆；
62.(3)注浆过程中，打开传感器和高速摄像机，实时观测记录注浆过程中各个区域浆液的扩散形式和范围；
63.(4)在浆液注满裂隙箱体前，停止注浆，关闭阀门。待压力消除后，拆卸裂隙箱体，清洗箱体及注浆设备。
64.3)重复进行实验
65.根据实验方案，更换不同尺寸和透气性的密封垫条18来改变注浆阻力；更换不同规格尺寸的橡胶垫和人工原岩薄膜，调整紧固螺栓11来调节裂隙宽度，以改变注浆条件，在不同注浆条件下重复以上操作，进行不同注浆条件下的注浆扩散实验。
66.4)实验数据分析
67.所有注浆实验结束之后，整理实验数据，统计分析监控数据和图像，分析浆液运移、扩散规律。
68.以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，具体实施方式中所示的也只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种煤岩裂隙可视化注浆装置，其特征在于，包括可视化的裂隙注浆箱体和注浆装置构成；所述裂隙注浆箱体由上顶板和下底板构成，在两块上顶板和下底板内侧分别贴有人工原岩薄膜，在上顶板中心设有注浆孔(17)以及若干测压孔(16)，所述上顶板和下底板之间划分为四个完全相同的正方形区域，在不同区域上设有若干不规则不同尺寸的圆柱体橡胶垫块，所述垫块贴在原岩薄膜上；所述注浆装置包括空气压缩机(2)、储浆桶(1)、气动搅拌器(6)、输浆管(9)、注浆管(10)和导气管(5)；所述储浆桶(1)顶部与空气压缩机(2)通过导气管(5)相连，且储浆桶(1)底部设有控浆阀门(7)，控浆阀门(7)通过输浆管(9)与裂隙注浆箱体上的注浆管(10)相连，控浆阀门(7)处还装有电磁流量计(8)，用来测量注浆过程中的注浆量及注浆速度，在储浆桶(1)和空气压缩机(2)上还设有压力表(4)；所述空气压缩机(2)上设有控气阀门(3)，与储浆桶(1)通过导气管(5)相连；所述气动搅拌器(6)与空气压缩机(2)通过导气管(5)相连。2.根据权利要求1所述的一种煤岩裂隙可视化注浆装置，其特征在于，所述上顶板和下底板由透明有机玻璃制作，四周通过紧固螺栓(11)固定在一起，所述人工原岩薄膜分别贴附一层在上顶板和下底板内侧。3.根据权利要求2所述的一种煤岩裂隙可视化注浆装置，其特征在于，所述上顶板和下底板的周围由具有一定透气性的垫条密封。4.根据权利要求1所述的一种煤岩裂隙可视化注浆装置，其特征在于，还包括可转动调节的支架(15)，包括转动轴(14)、角度调节器(13)以及稳固板(12)；所述角度调节器(13)上设有防转销钉，可每转动一定角度后固定转动轴(14)，以便模拟不同裂隙倾角下的注浆试验；所述稳固板(12)与裂隙注浆箱体底板相接，以便确保注浆时裂隙注浆箱体的稳定性，同时还起到加固底板的作用。5.根据权利要求1所述的一种煤岩裂隙可视化注浆装置，其特征在于，还包括数据采集系统，包括传感器，高速摄像机，计算机；所述传感器与裂隙注浆箱体上顶板的测压孔(16)相连；所述高速摄像机用来拍摄记录注浆全过程；所述计算机用来收集并整理分析数据。6.一种煤岩裂隙可视化注浆装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在上顶板和下底板内侧分别贴上一层人工原岩薄膜，将下底板划分为四个大小相同的正方形区域，其中，一个区域不做处理；一个区域在底板上贴上侧面为三角形的棱柱体橡胶垫，并在橡胶垫上贴上相应大小的人工原岩薄膜，用来模拟不同裂隙开度的注浆情况；一个区域在底部上贴上若干厚度相同，直径不同的圆柱体橡胶垫块，将垫块随机分布在该区域，用来模拟具有一定迂曲度的孔隙通道；一个区域在底部上贴上若干由中心到边缘，厚度逐渐增加，直径不同的圆柱体橡胶垫块，将垫块随机分布在该区域，用来模拟宽度不同且具有一定迂曲度的孔隙通道；在顶底板的周边用具有一定透气性的垫条密封，并通过螺栓固定在一起，组成裂隙可视化注浆箱体；2)裂隙注浆箱体用转动支架(15)支撑，将注浆箱体底板固定在支架(15)顶部的稳固板(12)上，并通过调整支架(15)转轴的转动角度来模拟不同裂隙倾角的注浆扩散试验；3)注浆箱体顶板上设有若干测压孔(16)，与传感器相连，通过传感器来实时记录注浆
箱体的压力参数；4)打开传感器和高速摄像机，记录传感器数据并全程观测记录注浆过程中各个区域浆液的扩散形式和范围；观测裂隙注浆箱体的浆液扩散状态，待浆液扩注满裂隙注浆箱体约3/4后停止注浆，关闭控浆阀门(7)和控气阀门(3)；待压力消除后，拆卸并清洗裂隙注浆箱体及注浆设备；更换不同颗粒粒径的原岩薄膜，更换不同厚度和透气性密封垫条(18)，更换不同尺寸的橡胶垫块，并通过调节螺栓来调整模拟裂隙宽度，重复以上操作步骤，收集不同注浆条件下的试验数据，依次按照设计完成的所有注浆试验。

技术总结
本发明公开了一种煤岩裂隙可视化注浆装置及试验方法，该试验装置包括可视化裂隙注浆箱体、箱体支架、注浆装置及监测装置。底板划分为四个等大区域，分别设置不同规格的橡胶垫块，模拟不同的裂隙宽度和迂曲度，内部粘贴人工原岩薄膜，上顶板中心设有注浆孔和若干测压孔；注浆装置由空气压缩机、储浆桶、气动搅拌器、输浆管、注浆管和导气管组成，注浆孔和储浆桶底部控浆阀门由输浆管相连，空气压缩机分别与储浆桶和气动搅拌器相连。本发明可以模拟不同裂隙宽度、粗糙度、注浆阻力、孔隙通道的迂曲度等不同注浆条件下的裂隙注浆过程，并且可以同时模拟不同裂隙条件下的注浆，通过可视化箱体，能够清晰直观的分析对比不同的注浆扩散形式差异。式差异。式差异。


技术研发人员：王登科 冯浩航 魏建平 王磊 张宏图 朱传奇 位乐 姚邦华 李波 司磊磊 温志辉 徐向宇 刘勇 张健 陈宝宝 李少波 刘和武 宋帅兵 范浩 张琨
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2022.07.13
技术公布日：2022/11/1