一种煤岩相似材料注浆劈裂三维模拟试验系统的制作方法

本发明属于岩石相似材料领域，具体涉及一种煤岩相似材料注浆劈裂三维模拟试验系统。

背景技术：

在岩层掘进过程中，岩层顶底板由于开采破坏，岩体的物理性质会发生破坏，从而产生顶板垮落等灾害；且若岩层内部存在压力水，会严重影响岩体的稳定性，从而产生突水事故，因此选择注浆对岩体进行长期的加固稳定。注浆技术对岩石工程灾害防治应用广泛，在围岩注浆时，当浆液驱替渗透阶段结束后，注浆孔壁内的浆液压力会迅速升高。

当浆液压力大于岩体破坏压力时，会对岩体发生劈裂效应，劈裂一般是沿着垂直于最小主应力方向进行。裂隙尖端不断地扩展，岩体内部的被浆液劈裂的裂隙会不断增大，因而注浆压力迅速下降，产生劈裂现象。而且，随着注浆持续，裂隙内压力持续升高，甚至会出现多次劈裂过程。然而，注浆劈裂问题可能导致浆液的流失，更可能使完整岩体发生破坏从而降低岩体强度导致注浆失败，因此亟需建立一套完整的煤岩相似材料注浆劈裂三维模拟试验系统，完善和扩充岩体注浆劈裂裂隙的扩展规律，为工程注浆等方面提供可靠依据，提高注浆精度，减少消耗，保证实际工程的安全生产。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种煤岩相似材料注浆劈裂三维模拟试验系统，该系统可以对建立煤岩体相似材料模型进行注浆劈裂实验，并采用声发射实时监测煤岩体相似材料注浆时裂隙发育扩展状况，通过设置注浆压力和声发射监测参数，满足不同试验需求，最大限度的根据实际条件，较准确的检测煤岩体相似材料在注浆过程中劈裂裂隙的分布状态，该系统特别适用于岩体注浆劈裂裂隙分布及扩展的研究。

一种煤岩相似材料注浆劈裂三维模拟试验系统，包括注浆台、可移动底座、注浆管、注浆系统和声发射监测系统；

所述注浆台内部放置煤岩体相似材料，所述注浆台固定在可移动底座的上部，所述注浆台的顶部预留有注浆管道孔；

所述注浆管的一端与所述注浆系统连通，所述注浆管的另一端通入注浆管道孔与注浆台连通；

所述声发射监测系统对放置在注浆台内部的煤岩体相似材料进行实时监测，通过声发射定位裂隙扩展位置。

优选地，上述声发射监测系统由声发射传感器、前置放大器、声发射采集主机、可视化操作系统组成，所述声发射传感器与前置放大器的输入端连接，所述前置放大器的输出端与声发射采集主机的输入端连接，所述声发射采集主机的输出端与可视化操作系统连接。

优选地，上述煤岩体相似材料由相似材料模具制备；

所述相似材料模具由四块测模板、一块底部模板及两个固定钢架组成，所述测模板与底部模板垂直设置，一块所述测模板的一端依次与另一块所述测模板的一端垂直固定连接，两个所述固定架固定在相邻的两块测模板的外侧，且所述固定钢架与底部模板平行设置。

优选地，上述注浆系统包括恒压泵、浆液桶、高压尼龙管、压力调节阀和移动装置；

所述恒压泵与移动装置固定连接，所述恒压泵的入口端与浆液桶的出口端通过高压尼龙管连接，所述恒压泵的出口端与注浆管连通，所述压力调节阀安装在注浆管上，用于调节注浆压力。

优选地，上述注浆台的顶部为可拆卸钢板，所述可拆卸钢板上预留有注浆管道孔，所述可拆卸钢板与注浆台框架采用螺纹连接。

优选地，上述注浆台四周通过卡槽可拆卸安装有钢化玻璃。

优选地，上述的注浆台和可移动底座通过卡槽固定连接，所述注浆台的下方设有凹槽，所述可移动底座的上方焊接有相匹配的卡板。

优选地，上述注浆管包括第一节管路和第二节管路，所述第二节管路插入岩体内部，且第二节管路为钢管，所述第一节管路为不锈钢软管，所述第一节管路和第二节管路为螺纹连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明通过声发射实时监测技术进行对煤岩体相似材料注浆劈裂裂隙进行探测，填补了岩体裂隙检测量化上的研究空缺，完善了对煤岩体注浆劈裂裂隙扩展的研究，为煤岩体注浆劈裂裂隙扩展的研究提供数据支撑；

2、本发明可以检测多种注浆压力下的劈裂裂隙扩展规律，充分考虑到岩体内部裂隙多种因素，通过改变注浆压力、调节声发射传感器的位置，准确检测煤岩体相似材料在注浆条件下劈裂裂隙状态。

3、本发明结构稳定、安全性高，结构简单、加工成本小，且安装、拆卸和操作方便。

附图说明

图1是本实施例煤岩相似材料注浆劈裂三维模拟试验系统的结构示意图。

图2是本实施例注浆台的结构示意图。

图3是本实施例相似材料模具的结构示意图。

图4是本实施例注浆系统的结构示意图。

图5是本实施例声发射传感器、放大器与采集主机的连接示意图。

图中：1、可拆卸钢板；2、注浆台；3、可移动底座；4、移动滚轮；5、钢化玻璃；6、注浆管；6-1、第一节管路；6-2、第二节管路；7、注浆系统；8、煤岩相似材料；9、管道孔；10、侧模板；11、固定钢架；12、底模板；13、可视化操作系统；14、声发射采集主机；15、前置放大器；16、声发射传感器；17、相似材料模具；18、恒压泵；19、浆液桶；20、高压尼龙管；21、压力调节阀；22、移动装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本实施例的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种煤岩相似材料注浆劈裂三维模拟试验系统，该系统可以对建立煤岩体相似材料模型进行注浆劈裂实验，并采用声发射实时监测煤岩体相似材料注浆时裂隙发育扩展状况，通过设置注浆压力、和声发射监测参数，满足不同实验需求，最大限度的根据实际条件，较准确的检测煤岩体相似材料在注浆过程中劈裂裂隙的分布状态。

参照图1-图3，本实施例的煤岩相似材料注浆劈裂三维模拟试验系统，包括注浆台2、可移动底座3、注浆管6、注浆系统7和声发射监测系统18。注浆台2内部放置煤岩体相似材料8，注浆台2固定于可移动底座3的上部，可移动底座3的底部安装有移动滚轮4，方便移动。本实施例的注浆台2和可移动底座3通过卡槽固定连接，注浆台2的下方设有凹槽，可移动底座3的上方焊接有相匹配的卡板，将凹槽置于卡板上起到固定作用。本实施例的注浆台2、可移动底座3均为不锈钢框架，整体强度高，且拆卸方便。

注浆台2的顶部预留有注浆管道孔9。本实施例的注浆台2的顶部为可拆卸钢板1，可拆卸钢板1上预留有注浆管道孔9，注浆管道孔9是直径约为8cm的圆孔，可拆卸钢板1与注浆台2框架采用螺纹连接。注浆台2四周通过卡槽可拆卸安装有钢化玻璃5。注浆管6的一端与注浆系统7连通，注浆管6的另一端通入预留管道孔9与注浆台2连通。

声发射监测系统18对放置在注浆台2内部的煤岩体相似材料8进行实时监测，通过声发射定位裂隙扩展位置。本实施例通过计算机操作软件上的采集设置，实现传感器开始对数据的记录。当传感器采集到的收发射信号，通过电缆被记录在分析软件中，通过对声波信号的波形特征参数进行分析（事件计数、振铃计数、能量、幅值等），以声波特征参数来实时表征岩体内部破裂程度。

本实施例的声发射监测系统18由声发射传感器16、前置放大器15、声发射采集主机14、可视化操作系统13组成，传感器16与前置放大器15的输入端连接，前置放大器15的输出端与声发射采集主机14的输入端连接，声发射采集主机14的输出端与可视化操作系统13连接。本实施例采用美国物理声学公司的PCIE-8声发射监测系统，其中传感器型号为R6a高频声发射传感器。声发射传感器、放大器与采集主机的连接示意图参照图5。

在注浆过程中，声发射传感器16在注浆台2内部相似材料试件8表面布置，声发射传感器所探测的为煤岩体相似材料试件在注浆时产生的微破裂信号，并与前置放大器15连接后接入声发射主机控制系统14，实验过程中声发射实时采集数据。本实施例的注浆台可满足不同岩石注浆，较为准确的检测岩体裂隙分布状态。

本实施例的煤岩体相似材料8由相似材料模具17制备。该相似材料模具17由四块测模板10、一块底部模板12及两个固定钢架11组成，测模板10与底部模板12垂直设置，一块测模板10的一端依次与另一块测模板10的一端垂直固定连接，两个固定架11固定在相邻的两块测模板10的外侧，且固定钢架11与底部模板12平行设置。本实施例的相似材料模具17可制作不同材料配比的煤岩体相似材料模型。

声发射监测技术是一种地球物理探测方法，针对被监测材料体的变形破坏演化过程，该方法可以进行全过程实时连续动态的监测，并且可对材料体内部破坏的位置进行三维时空定位。通过分析声发射信号特征，可得到材料损伤破坏过程的关键信息，可研判材料体的力学行为，评价和预测材料结构的稳定性和安全性，并对材料体内部破裂现象和过程进行全面的解释。

材料体受外力作用破坏的过程中，其内部应变能转换为弹性波，并向周围介质传播，由此产生了声发射事件，代表了一个微破坏现象。将声发射传感器以一定阵列布置在被监测体周围，即可对弹性波进行捕获，并采用震源定位算法，通过数据处理计算，即可进行破坏位置的三维时空展示，由此可得材料体内破裂发生的时间、空间及量级（时空强），并研判出材料破裂范围、发展趋势及其稳定性，进而做出定性和定量评价。

已知传感器的坐标、弹性波到达传感器的时刻和弹性波的传播速度，通过方程组，即可求解得到材料破裂位置的空间坐标和发生时刻。

式中：x，y，z－破裂位置坐标；t－破裂发生时刻；xi，yi，zi－第i个接收到弹性波的传感器坐标；ti－第i个传感器接收到弹性波的时刻；Vi－第i个传感器接收到弹性波的波速；其中i≥4。

参照图4，本实施例的注浆系统7包括恒压泵18、浆液桶19、高压尼龙管20、压力调节阀21和移动装置22。恒压泵18与移动装置22固定连接，恒压泵18的入口端与浆液桶19的出口端通过高压尼龙管20连接，恒压泵18的出口端与注浆管6连通，压力调节阀21安装在注浆管6上，用于调节注浆压力。为了保证安全性，本实施例的连接管道均采用高压尼龙管连接。本实施例在注浆系统中注浆压力最高可达20Mpa，可满足大部分类岩石材料的注浆压力范围，且本实施例的注浆系统设置有移动装置，操作方便。

本实施例的注浆管6包括第一节管路6-1和第二节管路6-2，第二节管路6-2插入岩体内部，且第二节管路6-2为钢管，第一节管路6-1为不锈钢软管，第一节管路6-1和第二节管路6-2为螺纹连接。第二节管路6-2为钢管，确保注浆浆液的压力是垂直的，同时6-1的不锈钢软管保证了注浆过程中，浆液的顺利流动。

本实施例的工作原理为：实验室进行注浆实验时，因原材料限制而研发不同的相似材料替代原材料进行物理模拟实验。煤岩体相似材料在恒压状态下注浆时，注浆孔孔壁首先会被浆液压力进行劈裂破坏，产生宏观的破裂现象，破裂过程是由微破裂不断积聚贯通从而形成裂隙。微破裂产生的能量会以应力波的形式进行释放，声发射可以对此微裂隙进行定位，从而分析注浆劈裂裂隙的扩展模式，准确探测出煤岩体相似材料注浆劈裂裂隙的分布状态。

本实施例进行岩石裂隙分布检测的具体操作过程为：采用相似材料模具制作一定尺寸的煤岩体相似材料试件，将相似材料试件放入注浆台内部，布置声发射传感器于相似材料试件表面，布置声发射传感器确保方位主机软件设置保持一致。连接传感器和前置放大器并与声发射主机连接。配置浆液，将浆液装入注浆泵的浆液桶中连接试件注浆孔，开启注浆泵进行注浆操作，与此同时声发射监测系统同时对煤岩体相似材料试件在注浆时产生的内部声发射信号进行实时监测定位。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。