一种模拟隧道围岩有害气体超前封堵试验的装置及方法

1.本发明涉及隧道超前封堵模拟实验技术领域，具体为一种模拟隧道围岩有害气体超前封堵试验的装置及方法。


背景技术：

2.深埋隧道开挖会导致岩层中有害气体溢出。为保障工作面人员及设备安全，通常会采用超前注浆的措施对隧道施工掌子面围岩中的有害气体进行超前封堵。川藏铁路深埋隧道沿线岩体内已探明孕育有多种有害气体，如h2s、no2、so2等，且隧道埋深较大，受地温梯度和围岩热泉出露的叠加影响，不同区域的有害气体孕育温度环境不尽相同。此外，由于隧道沿线地质构造复杂交错，导致围岩裂隙类型和分布差异较大。在诸如上述因素的影响下，有害气体在扩散过程中与围岩发生热交换的流-固-热耦合问题较复杂，运移机制尚未探明，且存在同时有两种以上混合气体的罕见工况。因此，如何在已探明工作面前方有害气体种类以及围岩裂隙分布特征的复杂地质条件的前提下，制定合理的注浆封堵方案显得尤为重要。
3.目前多数隧道超前预注效果的检查方法有分析法、检查孔法以及物探无损检测法，这些方法均是现场超前注浆后检测注浆效果，不能在注浆封堵过程中实时反映各阶段气体的封堵效果。此外，现有试验装置及方法无法实现诸如上述特殊工程条件，导致鲜有研究有害气体在热-固耦合及复杂运移通道影响下的不同注浆封堵方案(包括不同注浆工艺、注浆参数、注浆材料、注浆设备等)的封堵效果，不能为巷道内的有害气体封堵技术提供基础理论支撑。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种模拟隧道围岩有害气体超前封堵试验的装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种模拟隧道围岩有害气体超前封堵试验的装置，包括装置本体和注浆机构，其中：
7.所述装置本体通过两块隔板将装置本体分为位于左右两侧的两个气仓和位于中部的围岩仓，其中气仓和围岩仓相互连通，所述两块隔板之间配合安装有可拆卸式挡板，所述围岩仓内设有模拟围岩，所述气仓内设有气体浓度传感器，而其中一侧的气仓内设有加热装置，所述气仓内连通有实验有害气体储气罐和残余有害气体储气罐，所述注浆机构用于向模拟围岩内注入浆液。
8.优选的，所述隔板上设有用于连通气仓和围岩仓的滤网。
9.优选的，所述气仓内设有温度传感器。
10.优选的，所述注浆机构由注浆材料搅拌桶、注浆泵和注浆导管，所述注浆泵的一端与注浆材料搅拌桶连通，另一端与注浆导管连通，而注浆导管布设在模拟围岩中。
11.优选的，所述有害气体储气罐和残余有害气体储气罐通过阀门ⅰ和阀门ⅱ与气仓连通。
12.优选的，所述气仓上设有与外界连通的进气阀。
13.优选的，所述滤网为小空隙滤网以确保气体能够流通同时阻隔沙石渗入。
14.一种模拟隧道围岩有害气体超前封堵试验的方法，包括以下步骤：
15.s1.气密性检查：打开阀门ⅰ，通过有害气体储气罐通入一定量检测气体，后关闭阀门ⅰ，若气仓内的气体浓度传感器中气体浓度示数应保持一致且不降低，则本装置气密性良好，随后打开阀门ⅱ排尽装置内检测气体，而后关闭所有阀门；
16.s2.打开可拆卸式挡板，在围岩仓内堆填岩体相似材料进而形成模拟围岩，并在此过程中预制出岩体内的裂隙，随后在既定位置开挖隧道围岩，使裂隙进一步贯通发育，此时将注浆导管布置在隧道围岩的掘进工作面处，在模拟隧道施工完毕后，盖回可拆卸式挡板并确保其两块隔板紧密贴合；
17.s3.打开加热装置，使温度传感器示数为既定试验温度，随后打开阀门ⅰ，通入有害气体；
18.s4.由于左右两个气仓温差，左侧箱体中的高温有害气体在通过裂隙渗流到右侧气仓，此时加热后同时每隔一段时间记录下气体浓度传感器和温度传感器示数，待气体浓度传感器和温度传感器的示数变化速率基本维持不变后，随后打开阀门ⅱ排尽装置内有害气体，当左右两边的气体浓度传感器示数为零后证明后关闭所有阀门；
19.s5.重复s1-s3，并在此过程中通过注浆泵向模拟围岩内的隧道围岩的掘进工作面注入浆液，分别记录左右两侧气体浓度传感器的示数变化，并且与步骤s4中的数据比较，即可分析注浆不同阶段有害气体的封堵效果；
20.s6.试验完成后，先打开阀门ⅱ排尽有害气体后关闭，随后打开进气阀通入空气确保内外气压一致避免内部负压导致滤网压坏或沙石渗入，随后打开可拆卸式挡板取出模拟围岩。
21.s7.对试验过程中左右两侧的气体浓度传感器记录数据进行分析判断超前注浆后对有害气体的封堵效果；
22.s8.若要探究高温有害气体通过模拟围岩的耦合传热机理时，需重复上述步骤s2-s4，可自主选择是否进行注浆，并可通过改变步骤s2中模拟围岩的围岩裂隙以探究在隧道不同围岩裂隙性质下的流固耦合传热。
23.优选的，所述s2中的检测气体为氮气。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.本发明装置可实现在隧道施工前进行模拟超前注浆获得封堵效果数据，模拟实际复杂地质环境并在现场施工之前探究有害气体注浆各阶段的封堵效果并通过试验确定浆液配合比，注浆工艺，注浆压力等参数为现场施工提供参考。同时还可用于探究隧道不同围岩裂隙性质下的流固耦合传热，从更深层次地探究有害气体在围岩裂隙中的孕育过程。
附图说明
26.图1为本发明整体结构的示意图；
27.图中：1装置本体、2模拟围岩、3气体浓度传感器、4加热装置、5有害气体储气罐、6
残余有害气体储气罐、7进气阀、8温度传感器、11可拆卸式挡板、12隔板、121滤网、21裂隙、51阀门ⅰ、61阀门ⅱ、91注浆材料搅拌桶、92注浆泵、93注浆导管。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.实施例：
30.请参阅图1，本发明提供一种技术方案：
31.一种模拟隧道围岩有害气体超前封堵试验的装置，包括装置本体1和注浆机构，其中：
32.装置本体1通过两块隔板12将装置本体1分为位于左右两侧的两个气仓和位于中部的围岩仓，为了保证气腔的密封性能隔板12与装置本体1之间为密封连接，隔板12上设有用于连通气仓和围岩仓的滤网121，滤网121为小空隙滤网以确保气体能够流通同时阻隔沙石渗入，两块隔板12之间配合安装有可拆卸式挡板11，其中可拆卸式挡板11与隔板12之间设有密封圈，围岩仓内设有模拟围岩2，气仓内设有气体浓度传感器3，而其中一侧的气仓内设有加热装置4，有害气体储气罐5和残余有害气体储气罐6通过阀门ⅰ51和阀门ⅱ61与气仓连通，注浆机构用于向模拟围岩2内注入浆液。
33.作为优选的实施例，气仓上设有与外界连通的进气阀7，进而用于平衡内部气压，气仓内设有温度传感器8，用于检测仓内温度。
34.作为优选的实施例，注浆机构由注浆材料搅拌桶91、注浆泵92和注浆导管93，注浆泵92的一端与注浆材料搅拌桶91连通，另一端与注浆导管93连通，而注浆导管93布设在模拟围岩2内的隧道围岩的掘进工作面处，进而通过注浆泵92将浆液注入至道围岩的掘进工作面处，进而实现封堵的效果。
35.作为优选的实施例，有害气体储气罐5用于向气仓内通入实验气体，而巷道内的有害气体多数为h2s、no2、so2等，作为有害气体的储存单元，有害气体储气罐5内部具备较高的气压，因此能够通过压差将有害气体输送至气仓内，而残余有害气体储气罐6作为收集有害气体的单元其内部通入负压即可将气仓内的有害气体吸出，当然有害气体储气罐5的数量以及其内部存储的有害气体都根据实验要求合理的规划和选择。
36.作为优选的实施例，气体浓度传感器3为检测有害气体的浓度，因此根据通入有害气体的类型选择相应的传感器，例如有害气体储气罐5用于向气仓内通入h2s时，气体浓度传感器3则为检测h2s浓度的传感器，也可以根据实验要求是几种传感器集成在一起对混合气体进行混检。
37.一种模拟隧道围岩有害气体超前封堵试验的方法，包括以下步骤：
38.s1.气密性检查：打开阀门ⅰ51，通过有害气体储气罐5通入一定量检测气体，其中检测气体优选的是氮气也可以是其他种类的气体，然后关闭阀门ⅰ51，若气仓内的气体浓度传感器3中气体浓度示数应保持一致且不降低，则本装置气密性良好，随后打开阀门ⅱ61排尽装置内检测气体，而后关闭所有阀门；
39.s2.打开可拆卸式挡板11，在围岩仓内堆填岩体相似材料进而形成模拟围岩2，并在此过程中预制出岩体内的裂隙21，随后在既定位置开挖隧道围岩(相当于巷道)，使裂隙21进一步贯通发育，此时将注浆导管93布置在隧道围岩的掘进工作面处，在模拟隧道施工完毕后，盖回可拆卸式挡板11并确保与两块隔板12紧密贴合，避免出现漏气的情况；
40.s3.打开加热装置4，使温度传感器8示数为既定试验温度，随后打开阀门ⅰ51，通入有害气体；
41.s4.由于左右两个气仓具有温差，左侧箱体中的高温有害气体在通过裂隙21渗流到右侧气仓，此时加热后同时每隔一段时间记录下气体浓度传感器3和温度传感器8示数，待气体浓度传感器3和温度传感器8的示数变化速率基本维持不变后，随后打开阀门ⅱ61排尽装置内有害气体，当左右两边的气体浓度传感器3示数为零后关闭所有阀门；
42.s5.重复s1-s3，并在此过程中通过注浆泵92向模拟围岩2内的隧道围岩的掘进工作面注入浆液，分别记录左右两侧气体浓度传感器3的示数变化，并且与步骤s4中的数据比较，即可分析注浆不同阶段有害气体的封堵效果；
43.s6.试验完成后，先打开阀门ⅱ61排尽有害气体后关闭，随后打开进气阀7通入空气确保内外气压一致避免内部负压导致滤网121压坏或沙石渗入，随后打开可拆卸式挡板11取出模拟围岩；
44.s7.对试验过程中左右两侧的气体浓度传感器3记录数据进行分析判断超前注浆后对有害气体的封堵效果，然后通过不同注浆工艺、注浆参数、注浆材料以及注浆设备来对比分析超前封堵的效果；
45.s8.若要探究高温有害气体通过模拟围岩的耦合传热机理时，需重复上述步骤s2-s4，可自主选择是否进行注浆，并可通过改变步骤s2中模拟围岩2的围岩裂隙21以探究在隧道不同围岩裂隙性质下的流固耦合传热。
46.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。