一种富水松散破碎煤岩体注浆固结实验装置及效果评价方法与流程

本发明涉及煤矿富水松散破碎煤岩体注浆固结实验装置及效果评价方法，能够较好地模拟煤矿地下富水松散破碎煤岩体注浆固结过程与效果评价。属矿山灾害防治领域。

背景技术：

我国煤矿水文地质条件复杂，西部煤矿建设与开采过程中常遇到富水砂岩含水层、奥陶系灰岩层、断层、流砂层、甚至是陷落柱等不良(有害)煤系地层，施工过程中易出现顶板垮落、片帮、冒顶等现象，掘进施工条件恶化、难度加大，同时煤岩体中的节理、采动裂隙、不良地质构造等为地下水体提供了良好的导水通道，更易造成矿井顶底板突水、溃沙等灾害性事故。长期以来，注浆堵水、固结是煤矿建设与开采工程领域内涌水溃沙灾害治理的有效手段之一，水泥类、水泥-水玻璃、高水树脂类、双液化学注浆材料等均有应用。但是由于一般煤系地层勘探资料有限，工程地质结构复杂性，注浆加固施工工艺多依赖传统经验；井下涌水溃沙注浆加固治理又多属于隐蔽性工程，注浆效果检测与评价存在一定的困难。

近年来，电阻率成像、超声波检测等无损检测技术越来越多地应用到了煤矿不良地层煤岩体原位损伤探测工程，给煤岩体孔隙水饱和度、孔隙度和渗透系数等宏细观损伤缺陷精确识别以及地下工程中富水松散破碎煤岩体注浆加固效果评价提供了有效途径。

技术实现要素：

本发明公开了一种富水松散破碎煤岩体注浆固结实验装置及效果评价方法，采用在实验腔体内填充松散破碎煤岩体物理相似模拟材料或不同粒径砂体，在循环水压、侧向围压、注浆条件下密闭地进行富水松散破碎煤岩体注浆固结物理模拟试验，利用超声波、电阻率层析成像系统等无损监测方法测定富水条件下松散破碎煤岩体注浆固结过程中孔隙水饱和度、孔隙度、渗透率、波速、动弹性模量、固结程度与范围等物性参数，实现富水松散破碎煤岩体内部化学注浆过程多场物理演化规律模拟试验和注浆效果的定量评价，为地下工程松散破碎煤岩体注浆加固参数确定和效果检验评价提供科学依据。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供了一种富水松散破碎煤岩体注浆固结实验装置，包括一个钢构釜体、一个设置在钢构釜体内部通过围压加载系统加载的实验腔体、与围压加载系统相连通的循环水压加载系统、与围压加载系统连通的注浆系统，以及连接到实验腔体上的超声波测试系统和电阻率层析成像系统；通过对地层模型实验腔体输入水压力和化学浆液，通过超声波测试系统和电阻率层析成像系统实时监测注浆过程中实验腔体内煤系地层波速、动态力学参数和电阻率信息，对富水松散破碎煤岩体注浆加固效果进行评价。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步，所述围压加载系统包括一对压头，通过螺栓将钢构釜体和实验腔体夹持在所述压头中，一对压头上分别设有连通循环水压加载系统的循环水管道、连通注浆系统的注浆管道和连通储液罐的围压管路。

进一步，所述围压管路通过围压注入泵连通储液罐。

进一步，所述实验腔体为柔性有机玻璃材质圆柱体，通过沿圆柱周长方向平均布置若干个层面绝缘材质的柔性套管对实验腔体密封，使得实验腔体中的松散破碎煤岩体与外界隔离。

进一步，所述注浆系统包括浆液料罐、吸料管、注浆泵、输料管、注射枪和注射管，通过注浆管道连通至地层模型实验腔体内。

进一步，所述循环水压加载系统包括在钢构釜体两端的压头中相连通的循环水管道，循环水管道连通液体注入泵和水箱。

进一步，所述超声波测试系统包括在实验腔体表面和内部分别设有连接到数据采集系统的超声波探头和电阻率测试电极探头。

进一步，所述电阻率层析成像系统包括在实验腔体上连通的电阻率层析成像仪9和计算机显示器。

进一步，所述实验腔体为柔性有机玻璃材质；

在实验腔体、水箱、液体注入泵和循环水通道位置分别设有压力流量传感器。

本发明相应地给出了一种富水松散破碎煤岩体注浆固结实验方法，包括如下步骤：

1)制作地层模型实验腔体

利用柔性有机玻璃材质制作圆柱腔体，柔性绝缘表面沿圆柱周长方向平均布置若干个层面，若干个电阻率测试电极探头；同时布置若干组超声波探头，电极和探头联接线经过密封加固引出；

2)建立松散破碎煤岩体试验模型

按照具体工程煤系地层相似材料或不同粒径的散砂体装入实验腔体，并通过釜内压头将松散破碎煤岩体压实，使得电阻率测试探头、超声波探头传感器与煤岩体充分接触；

3)实验腔体置于钢构釜体中，保证实验腔体与压头位置密封，与围压介质相隔离；启动围压注入泵，逐级施加围压至预定荷载，通过安装在围压注入泵上的压力传感器监测围压；

4)通过启动液体注入泵和稳压装置，通过钢构釜体上端头预设环状循环水管道向实验腔体按照设置水压注水；

5)启动注浆系统，打开注浆泵，经钢构釜体下端头预设孔，按照一定的注浆压力和流量沿注浆管道向实验腔体内注浆，采集记录注浆压力参数，调整注浆参数分多次注浆；

6)注浆完成后，利用超声波检测仪和超声波探头测定实验腔体内不同位置煤岩体波速，计算动弹性模量和动泊松比参数；利用电阻率层析成像仪和电极探头测定实验腔体内煤岩体不同层位的电阻率，对比确定松散破碎煤岩体模型内部孔隙分布、加固范围和注浆扩散路径，对注浆固结效果进行评价；

7)修改试验参数，重复步骤3)～6)；直至完成富水松散破碎煤岩体注浆固结实验。

与现有技术比较，本发明的优点在于：采用在实验腔体内填充煤系地层物理相似模拟材料或不同粒径砂体，在循环水压、侧向围压、注浆条件下密闭地进行富水松散破碎煤岩体注浆固结物理模拟试验，实现富水松散破碎煤岩体内部化学注浆过程多场物理演化规律模拟试验和注浆效果的定量评价；实验腔体加载系统具有水压、围压、注浆各自独立的控制系统，更精确、稳定性更优；利用超声波、电阻率层析成像系统监测和分析富水条件下松散破碎煤岩体注浆固结过程中孔隙水饱和度、孔隙度、渗透率、波速、动弹性模量、固结程度与范围等物性参数；能定量描述和有效揭示富水条件下松散破碎煤岩体注浆固结过程中应力场、裂隙场、渗流场等多物理场演化特征，为进一步研究注浆加固机理、工艺参数确定及矿井水灾害治理技术提供基础依据。

附图说明

图1为本发明实验装置结构示意图。

图2(a)、(b)分别为本发明实验装置传感器布置及腔体上下端剖面图。

图中：1-围压注入泵；2-储液罐；3-液体注入泵；4-水箱；5-注浆泵；6-浆液料罐；7-超声波信号发生器；8-超声波信号采集器；9-电阻率层析成像仪；10-计算机显示器；11-线路通道；12-钢构釜体；13-超声波探头；14-电阻率测试电极探头；15-围压管路；16-注浆管道；17-循环水管道；18-实验腔体；19-柔性套管；20-压头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

如图1所示，本发明的富水松散破碎煤岩体注浆固结实验装置，包括一个钢构釜体12、一个设置在钢构釜体12内部的通过围压加载系统加载的实验腔体18、与围压加载系统相连通的循环水压加载系统，以及与围压加载系统连通的注浆系统、超声波测试和电阻率层析成像系统。

其中，围压加载系统包括一对压头20，通过螺栓将钢构釜体12和实验腔体18夹持在压头20中，一对压头20上分别设有连通循环水压加载系统的围压管路15、注浆管道16和循环水管道17。围压管路15连通围压注入泵1和储液罐2。钢构釜体12内的圆柱状实验腔体18通过沿圆柱周长方向平均布置若干个层面绝缘材质的柔性套管19对实验腔体18密封，使得实验腔体18中的松散破碎煤岩体与外界隔离。

注浆系统包括浆液料罐6、吸料管、注浆泵5、输料管、注射枪和注射管，注浆系统通过注浆管道16连通至地层模型实验腔体18内，将注浆浆液注入实验模型中。

其中，循环水压加载系统包括在钢构釜体12两端的压头20中相连通的循环水管道17，循环水管道17连通液体注入泵3和水箱4。

超声波测试系统包括超声波信号发生器7、放大器、超声波换能器和超声波信号采集器8；以及在实验腔体18表面和内部分别设有连接到数据采集系统的超声波探头13。电阻率层析成像系统包括在实验腔体18上连通的电阻率层析成像仪9、控制器、计算机显示器10、电极转换器和电缆线，以及在实验腔体18表面和内部分别设有连接到数据采集系统的电阻率测试电极探头14。

通过对地层模型实验腔体18输入水压力，形成富水松散破碎煤岩体环境，在另一端注入化学浆液，利用超声波13、电阻率测试电极探头14实时监测注浆过程中腔体内煤系地层波速、动态力学参数、电阻率信息，进一步对富水松散破碎煤岩体注浆加固效果进行评价。

如图2(a)、(b)所示，在一个实施例中，钢构釜体12为圆柱状，直径为200mm，长度为1500mm的刚性结构体；在钢构釜体12两端分别设有一组与围压加载系统相连通的围压管路15、与水压加载系统相联通的循环水管道17以及与注浆系统相连、并延伸到地层模型实验腔体18内的注浆管道16。

地层模型实验腔体18为柔性有机玻璃材质，通过柔性套管19封闭，并与围压介质隔离，腔体尺寸直径为150mm，长度为1000mm；绝缘材质的柔性套管19表面沿圆柱周长方向平均布置10个层面，160个电阻率测试电极探头14，用来测试实验固结体孔隙内渗流场分布完整情况；同时布置10组超声波探头13，具体布置形式如图2(a)(b)所示。用来实时测试腔体18内固结体波速、动弹性模量和动泊松比等参数。

围压加载系统中包括围压注入泵1、储液罐2和压力传感器，围压介质(水或气体)经由钢构釜体12一端预留孔注入围压腔体，通过安装围压腔体内和注入泵1上的压力表控制并实时显示。

循环水加载系统与地层模型实验腔体18、进出循环管道17、液体注入泵3和稳压装置串联构成有压动水循环加载系统；在实验腔体18、水箱4、液体注入泵3和循环水通道17位置分别设有压力流量传感器。

实验腔体18表面和内部按照一定的布置方式分别设有超声波探头13和电极探头14，经密封装置连接数据线经由设置在端头的线路通道接入超声波信号发生器7、超声波信号采集器8、电阻率层析成像仪9和计算机显示器10。

下面给出富水松散破碎煤岩体地层注浆固结实验效果评价方法，包括：

1)制作地层模型实验腔体

利用柔性有机玻璃材质制作直径为150mm，长度1000mm的圆柱腔体，柔性绝缘表面沿圆柱周长方向平均布置10个层面，160个电阻率测试电极14；同时布置10组超声波探头13，电极和探头联接线经过密封加固引出；

2)建立松散破碎煤岩体试验模型

按照具体工程煤系地层相似材料或不同粒径的散砂体装入实验腔体18，并通过釜内压头20将松散破碎煤岩体压实，使得电阻率测试电极探头14、超声波探头13传感器与煤岩体充分有效接触；

3)实验腔体置于釜中，保证实验腔体18与压头20位置密封，与围压介质相隔离；启动围压注入泵1，逐级施加围压至预定荷载，通过安装在围压注入泵1上面的压力传感器监测围压；松散破碎煤岩体模型实验腔体的耐压强度为8-10mpa；

4)通过启动液体注入泵3和稳压装置，通过釜体上端头预设环状放射水循环水管道17向实验腔体18注水，按照一定流速施加循环稳定水压力，直至达到设置水压；循环水压加载系统最大供水压力为0.5-1.0mpa；

5)启动注浆系统，打开注浆泵5，经釜体下端头预设孔，按照一定的注浆压力和流量沿注浆管向实验腔体18内注浆，采集记录注浆压力参数，根据实际情况进行数据调整或停止注浆；同时观测实验腔体水压力、流量变化数据；注浆系统注浆泵压力可以在0-12.5mpa之间调整，注浆流量为6-12.6l/min，实验所需注浆压力为3.0-5.0mpa。

6)调整注浆参数分多次注浆，注浆完成后，利用超声波检测仪7和超声波探头13测定实验腔体18内不同位置煤岩体波速，计算动弹性模量和动泊松比参数；利用电阻率层析成像仪9和电阻率测试电极探头14测定实验腔体18内煤岩体不同层位的电阻率，对比确定松散破碎煤岩体模型内部孔隙分布、加固范围和注浆扩散路径，对注浆固结效果进行评价。

7)修改试验参数，重复步骤3)～6)；直至完成富水松散破碎煤岩体注浆固结实验。

本发明给出了实现富水松散破碎煤岩体内部化学注浆过程多场物理演化规律模拟试验和注浆效果的定量评价的方法，为地下工程松散破碎煤岩体注浆加固参数确定和效果检验评价提供科学依据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。