本实用新型涉及一种气压驱动松散体注浆模拟试验装置，适用于实验室模拟不同地应力条件下松散体单侧卸载条件的注浆过程。
背景技术：
注浆加固松散体是岩土、采矿工程实践中常见的问题。在现场实践过程中，确定不同应力条件下浆液扩散半径对于指导工程设计与施工十分重要。现场施工过程中，注浆多是在一侧卸载的隧道(巷道)壁面进行的，属于一侧卸载问题。结合球形扩散理论，注浆最小半径为孔底方向，以该方向浆液扩散距离作为注浆半径指导注浆设计与施工是具有科学依据的，然而通过现场试验确定浆液扩散距离是滞后于注浆设计的，并且现场隧道(巷道) 围岩体受构造运动和工程扰动影响，具有明显的不均匀性，得到的试验结果往往不能指导实际工程设计，所以，在室内真实再现注浆环境对于松散体注浆设计与施工具有重要意义。
为了对实际工程设计提供指导，目前有一些实验室模拟装置，但是这些装置大多采用填充注浆试验，如中国专利CN 103267722 A公开了一种承压渗透注浆加固试验装置，该装置由注浆筒、浆液存储装置、手动注浆加压装置组成，该装置能够注浆、制作完整试样，但注浆过程比较繁琐、装置清理困难，无法模拟真实的一侧卸载注浆地应力环境，无法实现浆液扩散规律监测，且无法快速简单测得注浆半径。
技术实现要素：
针对上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种能重现地应力环境，模拟真实的一侧卸载注浆，实现浆液扩散规律监测、可以快速获得准确的注浆半径的气压驱动松散体注浆模拟试验装置。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种气压驱动松散体注浆模拟试验装置，包括注浆平台子系统、气压子系统和监测系统；注浆平台子系统包括筒形注浆平台主体，筒形注浆平台主体底端通过环绕筒形注浆平台主体周向设置的底座螺栓固定有一底座，筒形注浆平台主体顶部设有密封盖，所述密封盖通过环向螺纹和O形密封圈密封在筒形注浆平台主体顶端，所述筒形注浆平台主体上部一侧设有进液漏斗；所述气压子系统包括空气压缩机，空气压缩机的出口与一高压输气管的一端连接，高压输气管的另一端穿过密封盖并伸入筒形注浆平台主体，空气压缩机上设有泄压阀；
所述监测系统包括气压传感器、液压传感器、称重传感器和监测主机，所述气压传感器设在空气压缩机出气口，液压传感器有四个，从上至下均匀布置在筒形注浆平台主体侧壁的安装接口上，最上方的液压传感器安装高度与筒形注浆平台主体中部的散体高线平齐，且相邻液压传感器间距为100mm；称重传感器设在底座中心，且底座上环绕称重传感器分布设有四个出液孔，监测主机设在筒形注浆平台主体外围，所述气压传感器、液压传感器、称重传感器分别通过数据传输线路与监测主机连接。
优选的，所述筒形注浆平台主体的尺寸为Φ120mm×480mm，筒壁厚度为15mm，采用这样的尺寸能够保证在20MPa的应力条件下不产生明显变形。
优选的，进液漏斗的最高液面与筒形注浆平台主体上部的浆液高限平齐，保证筒形注浆平台主体上部存在压缩气体空间。
优选的，所述高压输气管的直径为6mm。
优选的，最顶部的液压传感器距离筒形注浆平台主体顶端120mm。
优选的，所述底座内径200mm、壁厚20mm，称重传感器的直径为100mm。
相对于现有技术，本实用新型具有如下优势：
1.本实用新型通过充填、压实松散体模拟现场地应力环境，应力值直接通过称重传感器确定；能够模拟不同地应力等级，且压实后的卸压能够模拟现场隧道(巷道)壁面一侧卸载的实际情况，从而准确再现工程现场应力环境；通过液压传感器可以检测了解浆液扩散规律，从而有益于对浆液扩散过程的研究；
2.注浆完成后拆卸密封盖和底座，底部没有接触到浆液的松散体松脱后，借助直尺等常规测量工具测量试验用松散体上表面至下表面的长度即为注浆半径；将注浆后的试验用松散体钻心后进行单轴压缩试验分析，并借助直尺等常规测量工具即可定位获知浆液的整体扩散形态；
3.本实用新型的试验方法解决了松散体地应力施加困难或者模拟相似度低的问题，能够较好地模拟现场工程条件、极大程度上简化实验室模拟试验步骤。结果显示能够对浆液扩散过程实时监测，在现场施工之前就能获得浆液扩散距离，且试验过程所处的实验室环境较为稳定，得到的试验结果对实际工程设计具有指导意义。
附图说明
图1是松散体渗透注浆模拟试验装置整体示意图；
图2是利用压实杆体对筒形注浆平台主体中的试验用松散体进行压实的示意图；
图3是注浆平台子系统顶部密封原理图；
图4底座结构示意图；
图5是图4的俯视图；
图6是注浆模拟试验方法的试验流程图；
图6中的图6(a)是注浆平台组装的示意图；图6(b)是松散煤体填充压实的示意图；图6(c)是注浆子系统密封和安装监测系统的示意图；图6(d)是浆液输入和气压注浆的示意图；图6(e)是取样分析的示意图；
图中：1、筒形注浆平台主体；2、底座；3、底座螺栓；4、进液漏斗；5、开关阀；6、密封盖；7、螺塞；8、压实杆体；9、试验用松散体；10、散体高限；11、浆液；12、浆液高限；13、空气压缩机；14、气压传感器；15、泄压阀；16、高压输气管；17、监测主机； 18、液压传感器；19、称重传感器；20、数据传输线路；21、环向螺纹；22、O型密封圈。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作进一步详细说明。
如图所示，一种气压驱动松散体注浆模拟试验装置，包括注浆平台子系统和气压子系统；注浆平台子系统包括筒形注浆平台主体1，筒形注浆平台主体1底端通过环绕筒形注浆平台主体1周向设置的底座螺栓3固定有一底座2，筒形注浆平台主体1顶部设有密封盖6，所述密封盖6通过环向螺纹21和O形密封圈22密封在筒形注浆平台主体1顶端，所述筒形注浆平台主体1上部一侧设有进液漏斗4；所述气压子系统包括空气压缩机13，空气压缩机13的出口与一高压输气管16的一端连接，高压输气管16的另一端穿过密封盖6并伸入筒形注浆平台主体1，空气压缩机13上设有泄压阀15，在实验结束后打开泄压阀15可以安全泄压；
所述监测系统包括气压传感器14、液压传感器18、称重传感器19和监测主机17，所述气压传感器14设在空气压缩机13出气口，液压传感器18有四个，从上至下均匀布置在筒形注浆平台主体1侧壁的安装接口上，最上方的液压传感器18安装高度与筒形注浆平台主体1中部的散体高线10平齐，且相邻液压传感器18间距为100mm；称重传感器19设在底座2中心，且底座2上环绕称重传感器19分布设有四个出液孔，监测主机17设在筒形注浆平台主体1外围，所述气压传感器14、液压传感器18、称重传感器19分别通过数据传输线路20与监测主机17连接。
本实用新型的密封盖6、筒形注浆平台主体1和底座2三部分围成散体压实和浆液存储空间。液压传感器18监测的液压数据通过数据传输线路20传输到监测主机17，实现筒形注浆平台主体1内部液压数据的实时获取，称重传感器19直接获得压实松散体9作用在其顶部的应力，并传至监测主机17实时获取应力数据。空气压缩机13压力可调、稳定性好，最高稳压能够达到1MPa，配备气压传感器14和泄压阀15，气压传感器14实时获取的压缩空气压力可以实时传至监测主机17中，在实验结束后通过泄压阀15可以对空气压缩机13 安全泄压。
优选的，所述筒形注浆平台主体1的尺寸为Φ120mm×480mm，筒壁厚度为15mm，采用这样的尺寸能够保证在20MPa的应力条件下不产生明显变形。
优选的，进液漏斗4的最高液面与筒形注浆平台主体1上部的浆液高限12平齐，保证筒形注浆平台主体1上部存在压缩气体空间。
优选的，所述高压输气管16的直径为6mm。
优选的，最顶部的液压传感器18距离筒形注浆平台主体1顶端120mm。
优选的，所述底座2内径200mm、壁厚20mm，称重传感器19的直径为100mm。
以松散煤体注浆模拟试验为例的气压驱动松散体注浆模拟试验方法，包括如下步骤：
(1)注浆平台组装。将筒形注浆平台主体1与底座2通过底座螺栓3固定，将筒形注浆平台主体1的液压传感器18安装接口用螺塞7堵住，形成尺寸为Φ120mm×480mm柱状散体压实空间。
(2)松散煤体填充、压实。确定实际巷道掘进工作面松散煤体粒径级配如表1所示，现场实测垂直应力σ1为10MPa，将符合粒径级配的试验用松散体9填充到筒形注浆平台主体1中，并使填充松散体上部平整，将压实杆体8从筒形注浆平台主体1上方置入，在与压实杆体8相连的压力机的加压作用下将试验用松散体9压实至底座2的称重传感器19 检测到应力水平为10MPa，稳压5min，压实后的松散体在散体高限10以下；撤掉压实杆体8，使压实的试验用松散体9在顶部卸载的条件下膨胀变形，必要时可以通过敲击压实试验用松散体9顶部位置壁面来加剧散体膨胀，模拟现场卸载后壁面不同程度的破坏情况；
表1掘进工作面松散煤体粒径级配
(3)注浆子系统密封。将与高压输气管16连接的密封盖6拧紧，借助环向螺纹21和 O型密封圈22密封注浆子系统。
(4)安设监测传感器。取下螺塞7，依次在各个安装接口上安装液压传感器18，开启监测主机17，确定能够获得液压传感器18、气压传感器14和称重传感器19的检测数据。
(5)浆液输入。开启泄压阀15，使试验用松散体9上部空间通过高压输气管16与外界连通，通过进液漏斗4将浆液11输入至注浆子系统上部空间，浆液11采用水灰比为1:1 的水泥浆液，水泥为1250目超细水泥。浆液11液面高度宜与进液漏斗4边沿平齐，或者稍微低于进液漏斗4的边沿，且筒形注浆平台主体1中的浆液11不超过浆液高限12，保证筒形注浆平台主体1上部存在压缩气体的空间，关闭进液漏斗4的开关阀5，并密封进液漏斗4。
(6)气压注浆。关闭泄压阀15，开启空气压缩机13，调节空气压缩机13的注浆压力为0.7MPa模拟现场矿井注浆，此时在浆液11液面上部与密封盖6之间形成高压环境，此时最上方的液压传感器18检测到的液压数值为0.7MPa，说明注浆压力可以稳定地传递到浆液11中，此时可以实现稳压注浆；
(7)停止注浆时间判断。当试验用松散体9内部的液压传感器18检测压力不再发生变化，气压传感器14检测的注浆压力稳定在0.7MPa时，再稳压3min后关闭空气压缩机 13，停止注浆，此时浆液的渗透距离即可以作为浆液注浆半径参考值。该次试验由于压实松散体9致密性好，可注性差，最底部的一个液压传感器18没有液压示数，浆液扩散距离小于300mm，也表明超细水泥浆液的可注性较差。
(8)取样分析。取下各个液压传感器18，拆卸密封盖6和底座2，将注浆后的试验用松散体9钻心后进行单轴压缩试验分析，再借助直尺等常规测量工具进行浆液扩散形态定位，确定试验用松散体9采用超细水泥注浆的浆液扩散半径约为220mm，与实际施工时的注浆半径基本没有误差，且存在明显的渗滤现象。
(9)注浆平台子系统清洗。将超细水泥浆液、注浆后松散介质清理干净，清洗注浆平台子系统，以备下次使用。