填注一体式变管道流封堵模拟试验方法及其装置与流程

本发明涉及矿山防治水帷幕注浆和矿坑突涌水治理及动水注浆技术领域，特别适用于岩溶地区大水矿山动水高流速管道流堵水工艺及试验研究。

背景技术：

矿山帷幕注浆技术是大水矿山矿井水害防治的主要方式之一。随着国民水资源及环境保护意识的增强，绿色开采理念不断深入人心，帷幕注浆堵水方式较传统的强排疏干方式，能有效减少采矿对地下水资源及环境的破坏和扰动，最大程度上保护开采区域的生态环境，降低地面沉降等次生灾害的发生，与此同时，在保证矿井安全生产及减低排水运营成本上效益显著，注浆防治水方法优势突出，经济效益可观且堵水效果良好。

但是在动水大流量高流速岩溶管道流封堵注浆工程中，由于过水通道大、水流速度快，常规的注浆浆液及施工工艺，浆液留存率低，材料浪费严重，很难取得较好的堵水效果，而单一填料封堵方式不能起到根本防渗作用，且骨料易随水流流失。因此，必须将管道流转化为渗流，采用填料与注浆相结合，以浆带料、以料留浆、以浆固料的封堵方式，才能取得良好的治理效果。因此，浆液和骨料在水流冲蚀条件下的留存率、运移及固结情况、填-注施工工艺参数的优选直接关乎帷幕注浆工程的成败，并且影响工程经济效益，不容忽视。而目前针对动水管道流的填料和注浆联合治水工艺的试验装置及方法还鲜有涉及，多以单一注浆试验装置为主，且过水通道形态及表面性质设计简单，难以真实的模拟浆液和骨料在过水通道中的运移情况，不能反映不同填-注施工工序下浆液和骨料的留存和胶结情况。

技术实现要素：

本发明提供填注一体式变管道流封堵模拟试验方法及其装置，主要解决的技术问题是解决现有技术单一注浆试验装置不能反映不同填-注施工工序下浆液和骨料的留存和胶结的实际情况。本发明可较好地模拟三维空间复杂岩溶通道变水流条件下填料和注浆联合施工过程中浆、料的留存、固结及运移的实际情况，以取得较优化的浆液配比、骨料选型及填-注施工参数，从而为帷幕注浆生产施工和工程设计提供科学试验数据和理论依据，能有效提高堵水效率和质量、降低工程成本，具有重大经济效益和社会效益。

本发明的主要技术方案是：填注一体式变管道流封堵模拟试验方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、根据变管道流及实际情况如水通道大小、水流速度及流量、流路形状等，设计包括变流管道的大小、管道内壁的材质、管道的形状和长度等的通道部分；以使通道部分模拟多形态多表面性质管道；

2)、按照工艺参数要求进行控流部分、注浆部分、填料部分、监视记录部分以及废料收集部分的设计制造；

3)、进行试验装置整体安装；以模拟包括大流量、高流速动水管道流特别是岩溶管道流填料和注浆联合封堵治理过程；

4)、模拟试验并记录各参数；

5)、运行完毕后，称重骨料和浆液运移和留存的重量；

6)、计算与结果分析，进行骨料及浆液留存率的定量计算；以探究并取得适用于不同背景条件下的最优料浆及填注工艺参数；或调整工艺参数后继续试验记录。

优选的，所述通道断面为圆形。

填注一体式变管道流封堵模拟试验方法所用的装置，其特征在于包括通道部分、控流部分、注浆部分、填料部分、监视记录部分、废液收集部分及称重底座；所述通道部分包括前端和后端，前端包括端头部的进水口、上部的填料口和注浆孔，后端包括直线通道或弯曲通道；通道由外向里分为外壳和内衬层，内衬层材质为混凝土、陶瓷或砂质等；内衬层上部留有或包括有条形(封闭式)观察窗，以使通道内部可视化；通道后端开口与废料罐连接；

所述控流部分包括供水泵、供水管路及控制阀门，供水管路与通道部分的进水口连接；为试验装置提供管道水源，可在过水通道内形成所需流速的稳定水流；

所述注浆部分完成浆液的控压或控流灌注，包括供浆泵、液态添加剂泵及其连接管路和控制阀门，均通过连接管路与通道部分注浆孔连接；

所述填料部分实现骨料的定速填投，主要包括上料机及填料漏斗，上料机通过皮带将骨料运送至填料漏斗，填料漏斗与通道部分的填料口连接；

所述监视记录部分包括压力传感器和流速传感器；压力传感器和流速传感器设在液体进料管路和通道上。

优选的，注浆部分包括旋流混合器，添加剂泵不限于1台，可实现多液注浆模拟；各浆材供给泵出口连接管路与混合器相连，混合器出口与通道部分注浆孔连接。优选的，旋流混合器中设有交错式旋流片。

进一步的，所述监视记录部分包括刻度尺，刻度尺设在通道壁的长度方向上。

优选的，包括底座，底座用来固定通道部分；底座上设有称重器，可直接称取试验后通道内留存浆液及骨料的重量，获取留存率参数。

优选的，通道外壳为完整封闭的透明钢化玻璃。

优选的，通道设有便于拆装清洗的水平接缝及其结构。

优选的，供水泵采用无极变速供水泵；供浆泵采用无级变速供浆泵；液态添加剂泵为无级变速液态添加剂泵；填料部分设有储料机，储料机通过底部出口将骨料下放到上料机上。

优选的，所述监视记录部分包括摄像头和控制器，摄像头安置在通道部分上方，压力传感器、流速传感器、摄像头、控流部分、注浆部分、填料部分、称重底座均和控制器连接；摄像头通过通道内衬层观察窗记录试验过程中浆液及骨料的运移及留存情况，并通过控制器及时调整供水、注浆及添加剂注入、填料相关参数，以获得此种料、浆在此水流情况下的最优填-注参数。

本发明的技术效果是：主要解决的技术问题是解决现有技术单一注浆试验装置不能反映不同填-注施工工序下浆液和骨料的留存和胶结的实际情况。本发明可较好地模拟三维空间复杂岩溶通道变水流条件下填料和注浆联合施工过程中浆、料的留存、固结及运移的实际情况，以取得较优化的浆液配比、骨料选型及填-注施工参数，从而为帷幕注浆生产施工和工程设计提供科学试验数据和理论依据，能有效提高堵水效率和质量、降低工程成本，具有重大的经济效益和社会效益。

本发明较已有技术具有以下有益效果：

(1)填注一体式变管道流封堵模拟试验方法及其装置，较已有动水注浆试验装置，所述试验装置可模拟大流量、高流速动水管道流特别是岩溶管道流填料和注浆联合封堵治理过程，探究填-注过程中以浆带料、以料留浆、以浆固料浆-料耦合作用模式，实现混凝土、陶瓷、砂质表面性质过水通道直流和弯流条件下骨料和浆液运移和留存情况的全过程控制和记录。可模拟大流量变流速管道流转化为渗流的封堵过程，通过填料和注浆联合治理工艺实现以浆带料、以料留浆、以浆固料的综合堵水模式，本试验装置可有效揭示其封堵机理，探索管道流填-注联合封堵的最优技术参数。同时，在多注浆接口基础上可实现多浆液注浆模拟；

(2)所述填注一体式变管道流封堵模拟试验方法及其装置，较已有直流过水通道试验装置，可实现弯管道流试验过程模拟，同时可对多种表面性质过水通道的管道流封堵进行模拟，探究过水通道表面性质对填-注封堵的影响；

(3)试验方法涵盖单一组分浆液、双液注浆及填料和注浆联合封堵施工工艺的试验模拟；可实现变管道通过填料和注浆方法转化为渗流进而达到封堵目的精准试验变量控制全过程记录试验模拟，填补了单一注浆试验装置试验能力的不足；较已有单一注浆试验装置，添加了自动填料装置，通过变速皮带运输机等设备可实现骨料定速自动化填投；

(4)所述填注一体式变管道流封堵模拟试验方法及其装置，较已有动水注浆试验装置，过水通道部分可实现水平方向拆卸，便于通道内骨料和浆液留存、固结情况的观察及通道的及时清洗。

(5)在阐述以浆带料、以料留浆、以浆固料的封堵机理基础上，将填料与注浆技术有机结合，可定量控制上料速度，可实现骨料自动化填投的试验模式。同时具备双液浆定压或定流灌注的试验模拟功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明试验装置整体结构示意图(或平面布置示意图)。

图2为图1的部分仰视示意图。

图3为图2的部分左视示意图。

图4为本发明优选旋流混合器结构示意图。

图5为本发明监控系统图。

图中，1-通道后端(水平通道)；2-通道前端；3-条形观察窗；4-密封接口；5-填料漏斗；6-填料口；7-添加剂孔；8-注浆孔；9-供水口；10-供水泵；11-供水压力表；12-供水管路；13-供水流速仪；14-供水阀门；15-注浆泵；16-注浆压力表；17-注浆管路；18-注浆流速仪；19-注浆阀门；20-添加剂泵；21-添加剂压力表；22-添加剂管路；23-添加剂流速仪；24-添加剂阀门；25-储料机；26-皮带上料机；27-通道出口；28-废料罐；29-称重底座；30-支架；31-刻度尺；32-流速传感器；33-压力传感器；34-通道水平接缝；35-上弯通道；36-下弯通道；37-透明钢化玻璃外壳；38-内衬层；39-摄像头；40-旋流混合器；41-旋流片；42-控制器；43-控制线；44-反馈线。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1～图5，现对本发明进行说明。

作为本发明提供的一种具体实施方式，所述本发明的主要技术方案是：填注一体式变管道流封堵模拟试验方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、根据变管道流及实际情况如水通道大小、水流速度及流量、流路形状等，设计包括变流管道的大小、管道内壁的材质、管道的形状和长度等的通道部分；以使通道部分模拟多形态多表面性质管道；

2)、按照工艺参数要求进行控流部分、注浆部分、填料部分、监视记录部分以及废料收集部分的设计制造；

3)、进行试验装置整体安装；以模拟包括大流量、高流速动水管道流特别是岩溶管道流填料和注浆联合封堵治理过程；

4)、模拟试验并记录各参数；

5)、运行完毕后，称重骨料和浆液运移和留存的重量；

6)、计算与结果分析，进行骨料及浆液留存率的定量计算；以探究并取得适用于不同背景条件下的最优料浆及填注工艺参数；或调整工艺参数后继续试验记录。

即，首先调节供水泵流速，待通道内水流稳定后，打开填料设备、注浆泵和添加剂泵，通过压力和流速传感器调节填料和注浆速率，实时记录和观察骨料和浆液在通道内的运移规律和留存固结情况，及时调整填-注参数，优化填-注施工工艺。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述通道断面为圆形。

填注一体式变管道流封堵模拟试验方法所用的装置，其特征在于包括通道部分、控流部分、注浆部分、填料部分、监视记录部分、废液收集部分及称重底座；所述通道部分包括前端和后端，前端包括端头部的进水口、上部的填料口和注浆孔，后端包括直线通道或弯曲通道；通道由外向里分为外壳和内衬层，内衬层材质为混凝土、陶瓷或砂质等；内衬层上部留有条形观察窗，以使通道内部可视化；通道后端开口与废料罐连接；

所述控流部分包括供水泵、供水管路及控制阀门，供水管路与通道部分的进水口连接；为试验装置提供管道水源，可在过水通道内形成所需流速的稳定水流；

所述注浆部分完成浆液的控压或控流灌注，包括供浆泵、液态添加剂泵及其连接管路和控制阀门，均通过连接管路与通道部分注浆孔连接；

所述填料部分实现骨料的定速填投，主要包括上料机及填料漏斗，上料机通过皮带将骨料运送至填料漏斗，填料漏斗与通道部分的填料口连接；

所述监视记录部分包括压力传感器和流速传感器；压力传感器和流速传感器设在液体进料管路和通道上。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，注浆部分包括旋流混合器，添加剂泵不限于1台，可实现多液注浆模拟；各浆材供给泵出口连接管路与混合器相连，混合器出口与通道部分注浆孔连接。优选的，旋流混合器中设有交错式旋流片。

作为本发明提供的一种具体实施方式，进一步的，所述监视记录部分包括刻度尺，刻度尺设在通道壁的长度方向上。

作为本发明提供的一种具体实施方式，进一步的，包括底座，底座用来固定通道部分；优选的，底座上设有称重器，可直接称取试验后通道内留存浆液及骨料的重量，获取留存率参数。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，通道外壳为透明钢化玻璃。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，通道设有便于拆装清洗的水平接缝及其结构。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，供水泵采用无极变速供水泵；供浆泵采用无级变速供浆泵；液态添加剂泵为无级变速液态添加剂泵；填料部分设有储料机，储料机通过底部出口将骨料下放到上料机上。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述监视记录部分包括摄像头和控制器，摄像头安置在通道部分上方，压力传感器、流速传感器、摄像头、控流部分、注浆部分、填料部分、称重底座均和控制器连接；摄像头通过通道内衬层条形观察窗记录试验过程中浆液及骨料的运移及留存情况，并通过控制器及时调整供水、注浆及添加剂注入、填料相关参数，以获得此种料、浆在此水流情况下的最优填-注参数。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述监视记录部分控制器具备信号收集处理和控制功能，可实时接收压力传感器、流速传感器、摄像头、控流部分、注浆部分、填料部分传回的信号，获取填-注过程中压力和流速参数，并据此对控制部分、注浆部分、填料部分的运行状态进行及时调整，以获得此种料、浆在此水流情况下的最优填-注参数。控制器通过摄像头全程记录试验过程，并通过称重底座自动称取试验过程中料、浆在通道内的留存重量。

作为本发明提供的一种具体实施方式，进一步说明如下：

填注一体式变管道流封堵模拟试验方法所用的装置。此试验装置可模拟三维空间复杂岩溶通道变水流条件下填料和注浆联合施工过程中浆、料的留存、固结及运移情况，优化浆液配比、骨料选型及填-注施工参数，为帷幕注浆工程设计和生产施工提供试验和理论依据，可有效提高堵水效率、降低工程成本。

包括控流部分、注浆部分、填料部分、通道部分、监视记录部分、废液收集部分及称重底座。所述试验装置控流部分包括10-供水泵、12-供水管路、14-供水阀门。10-供水泵采用无极变速泵；

注浆部分包括15-注浆泵、17-注浆管路、19-注浆阀门、20-添加剂泵、22-添加剂管路、24-添加剂阀门。15-注浆泵采用无极变速泵；

填料部分包括5-填料漏斗、25-储料机和26-皮带上料机。25-储料机可定速供给石子、砂等骨料到26-皮带上料机，26-皮带上料机通过调节电机转速，定速向5-填料漏斗上料；

通道部分包括1-通道后端、2-通道前端。通道断面为圆形，外直径为30cm，内直径为27cm。2-通道前端固定不变，长1m，其上设置有6-填料口、7-添加剂孔、8-注浆孔、9-供水口；1-通道后端长3m，可根据所要模拟管道形态选择水平通道、35-上弯通道或者36-下弯通道。1-通道后端和2-通道前端通过4-密封接口连接。通道顶部设置3-条形观察窗，以便于观察通道内情况，在其侧壁上设置有31-刻度尺、32-流速传感器、33-压力传感器。通道由37-透明钢化玻璃外壳和38-内衬层组成，内层厚3cm，材质为混凝土、陶瓷或砂，可模拟不同表面性质过水通道。通道可通过34-通道水平接缝进行拆卸，便于清洗；

监视记录部分由流速和压力监测设备及试验过程记录设备组成，包括11-供水压力表、13-供水流速仪、16-注浆压力表、18-注浆流速仪、21-添加剂压力表、23-添加剂流速仪、32-流速传感器、33-压力传感器、39-摄像头。各压力表和流速仪安装在相应部分上，压力和流速传感器安装在通道部分侧面上，摄像头安装在通道部分上方，调整其角度保证全面监控通道部分；

废液收集部分包括28-废料罐。28-废料罐放置在27-通道出口下方，保证试验过程中的废料能够流入其中，便于集中处理废料；

称重底座包括29-称重底座、30-支架。29-称重底座通过30-支架支撑通道部分，可称取试验后通道内骨料和浆液留存质量，计算骨料和浆液留存率。

各组成部分通过通道部分接口接入。供水部分通过9-供水口与通道部分连接，注浆部分17-注浆管路与通道上8-注浆孔连接，22-添加剂管路与通道上7-添加剂孔连接。填料部分5-填料漏斗与通道上6-填料口连接。通道部分通过30-支架与29-称重底座连接。通道内废料通过27-通道出口进入28-废料罐。

试验装置的具体试验方法如下：

首先将试验装置通道部分按1-水平通道、35-上弯通道或36-下弯通道安装在29-称重底座上，称其起始重量，再将其他部分安装完毕。打开14-供水阀门和10-供水泵，按试验需要调节水流压力或流速，待通道内水流稳定后打开19-注浆阀门和15-注浆泵，将配制好的单一组分浆液按试验设计压力或流速注入过水通道，通过过水通道上设置的32-流速传感器和33-压力传感器及上方39-摄像头实时监测和记录注浆过程中浆液运移和留存情况，及时调整供水和注浆相关参数，以获得此种浆液在此水流情况下的最优灌注参数，注浆结束后将各管路拆除，去除通道内多余的积水，称量试验后通道部分的重量，计算浆液留存率。试验结束后将37-钢化玻璃外壳拆除，及时对过水通道进行清洗；

上述试验过程中填料和注浆操作顺序可根据试验所要模拟的实际工况进行交换或者同时进行。

所述填注一体式变管道流封堵模拟试验方法所用的装置可模拟高流速大流量动水岩溶管道流填料和注浆封堵施工工艺，试验过程中实现实时监测水流、浆液速度和压力参数，记录通道内浆液运移情况，计算浆液留存率。探究不同水流速度、过水通道形态及表面性质下，不同种类骨料和浆液的运移规律、留存和固结情况，取得适用于不同背景条件下的最优料浆及最佳填-注参数。

以上未述及部分本专业技术人员均可实施。

上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内对上述方案进行变化、修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换、改进等。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。