用于二维相似材料模拟试验台的离层密封与注浆方法与流程

1.本发明涉及相似材料模拟技术领域，具体涉及一种用于二维相似材料模拟试验台的离层密封与注浆方法。


背景技术：

2.注浆技术在防治地表塌陷以及治理已有采空塌陷区过程中，不仅可以消化掉大量的粉煤灰、煤矸石等工业固体废弃物，还可以有效保护上部地层和含水层，利于生态文明建设。覆岩离层注浆法由于成本低、煤炭回采率与生产效率高，适合高产能等特点，在矿井中逐渐投入使用，该方法释放了压覆煤炭资源，达到了防治地表塌陷、保护生态环境的有机统一。目前在研究离层注浆与渗透模拟的研究中，由于岩土体的复杂性和注浆工程的隐蔽性，并且由于设备密封性差，浆体在注入时会跑浆，使得注浆理论的研究进行难度极大。覆岩离层注浆相关理论的研究水平严重滞后于工程实践和注浆材料的发展，因此，对注浆理论的研究方面具有重要的意义。
3.现有技术有关的研究报道有：
4.申请号201811626340.x公开了一种室内覆岩离层量测量及注浆控制模拟系统及其方法，该方法中设置了套筒序列进行多层位注浆工作，但未考虑注浆过程中离层的上下岩层会吸水破坏，并且二维实验设备前后不是闭合的，无法保证浆体完全注入离层中。
5.解决上述技术问题的难度为：煤层开采后，上覆岩层形成了离层空间，且会产生大量的裂隙，在注浆过程中，浆体会在裂隙中流动，难以了解其流向，造成浆液计算中有偏差，针对该情况，实验设备模拟还原过程中，相似材料大多以溶水性材料制备而成，在遇到浆体时，容易吸水崩解，失去原有的承载能力，在离层空间内不能采用吸水性材料，并且由于目前实验设备的密封性较差，浆体在设备中的流动损耗，使得注浆的量难以控制，无法准确开展相关的研究，达不到预计的注浆效果。
6.综上所述，现有技术中的覆岩离层注浆所采用的实验设备，不能达到完全的密封，离层覆岩注浆技术不能控制注浆过程中浆体的跑浆，或在完全密封后难以实现对浆体渗流的观测，对相关理论的研究造成了限制。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种用于二维相似材料模拟试验台的离层密封与注浆方法，在向覆岩裂隙及离层中注入浆体时，该方法可防止浆体流失，解决了相似材料模拟注浆过程中设备密封差导致的实验结果不准确等问题。
8.为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
9.一种用于二维相似材料模拟试验台的离层密封与注浆方法，依次包括以下步骤：
10.a、分别制备常规相似材料和非亲水性相似材料；
11.b、依据相关理论计算分析二维相似材料模拟试验台中的预计离层位置；
12.c、从模型的底部开始利用自动铺设装置自动铺设所述的常规相似材料，并且在常
规相似材料岩层之间均匀铺洒云母粉，在预计离层位置附近铺设非亲水性相似材料；
13.所述的自动铺设装置，包括集成料斗、滑动机构、气缸、铲平夯实机构以及总控制台；
14.所述的集成料斗包括料斗本体，所述的料斗本体的横截面积从上到下依次变小，所述的料斗本体的顶部设置有进料口，底部设置有出料口；
15.所述的滑动机构包括第一滑动轮、第二滑动轮以及用于驱动并控制第一滑动轮、第二滑动轮进行滑动的中空直角减速机；
16.所述的料斗本体的侧部设置有第一连接板和第二连接板，在所述的第一连接板和第二连接板上均安装第一滑动轮和第二滑动轮，且两个第一滑动轮和两个第二滑动轮的安装高度均相同，所述的中空直角减速机安装在位于第一连接板一侧的第一滑动轮和第二滑动轮的外侧，用于控制并实现两个第一滑动轮、两个第二滑动轮的转动；
17.在第二连接板上还安装有与其垂直的支撑架；
18.所述的气缸的一端连接有空气泵站，另一端连接有铰接板，所述的铰接板连接有挡板，所述的气缸通过所述的支撑架对其进行支撑，所述的挡板的形状、大小与所述的出料口的形状、大小相适配，通过空气泵站提供动力来控制所述的气缸并使其穿过支撑架向出料口方向推进或推出，通过控制气缸向出料口方向的推进与推出来控制出料口的出料速度；
19.所述的铲平夯实机构包括铲平夯实板和安装结构，所述的铲平夯实板包括板一和板二，所述的板一通过安装结构安装在出料口的后方，并且所述的板一安装在与第一滑动轮、第二滑动轮滑动方向相互垂直的方向上，所述的板二连接在板一的下方，且与板一相互垂直，当相似材料从出料口排出后，通过所述的板二将其进行铲平夯实；在所述的板一上竖向设置有多个圆孔，所述的安装结构包括与所述的圆孔匹配的固定螺丝，通过调节圆孔的安装位置实现对铲平夯实板的高度的调节；
20.所述的板二的底部还设置有压力传感器，所述的压力传感器通过数据线连接至所述的总控制台；
21.所述的自动铺设装置通过安装装置安装在相似材料待铺设层上方；
22.d、当铺设到预计离层位置时，布置注浆管道；
23.e、在二维相似材料模拟试验台中确定煤层开采位置，对煤层进行多次回采；
24.f、回采完毕后，在离层位置的模型表面铺设柔性编织网，编织网可以在横、纵方向上实现较小的变形，防止影响实验过程中的覆岩变形，在柔性编织网外侧喷涂一层非亲水性密封材料，该材料具有微弹性，可以与编织网实现同步变形，在模型外侧安装透明的亚克力板，形成密闭的离层待充填空间；
25.g、通过注浆管道向离层进行注浆，研究离层空间注浆减沉效果。
26.上述的步骤b中，预计离层位置是一个以离层为中心的范围，并非固定的层位。
27.作为本发明的一个优选方案，步骤a中，所述的非亲水性相似材料的原料成分包括凡士林、硅油、沙子和石膏。
28.作为本发明的另一个优选方案，步骤c中，从模型的底部向上架设工字钢板的方式来铺设常规相似材料，在预计离层位置上、下两层铺设非亲水性相似材料。
29.优选的，步骤f中，所述的密封材料为一种遇水膨胀自愈合防水密封材料。
30.优选的，步骤f中，密封材料的喷射范围大于柔性编织网的铺设范围。
31.优选的，所述的安装装置包括工字钢，所述的工字钢安装在二维相似材料模拟试验台的试验仓的前后两侧，所述的第一滑动轮和第二滑动轮分别安装在所述的工字钢的翼缘位置。
32.与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
33.本发明提出了一种用于二维相似材料模拟试验台的离层密封与注浆方法，该方法提出了“上下岩层非亲水性材料+前后两侧空隙密封”的实验方法，可在注浆过程中实现对离层发育的零干扰，本发明方法为研究覆岩离层空间注浆治理提供保障。
34.本发明中首先通过在离层位置附近铺设非亲水性相似材料，然后在离层位置的模型表面铺设柔性编织网，在柔性编织网外侧喷涂密封材料，在模型外侧安装透明的亚克力板的方式，进一步克服了注浆过程中容易跑浆的技术问题，密封材料遇水迅速膨胀并固化，可以进一步填充编织网与亚克力板之间的空隙。
35.上述的自动铺设装置避免了人工铺设所造成的铺设效率低、铺设不平整的技术问题，本发明的自动铺设装置可实现对相似材料的自动铺设，节省人力，且结构简单方便操作。
36.本发明在对相似材料进行铺设的过程中，采用了自动铺设装置，可以在对相似材料进行逐层铺设时，不会导致相似材料堆积的情况发生，由于相似材料不会在试验仓内堆积，因此，其也避免了后期出现的相似材料铺设不平整等情况的发生。首先气缸的一端设置有与出料口形状和大小相匹配的挡板，气缸的伸出长度可调，通过空气泵站来控制气缸的推进或推出，再结合挡板，可实现对出料口大小的调节，从而可达到调节相似材料出料速度的作用；其次，结合出料口后方的铲平夯实板的设计，铲平夯实板中，板一安装在与第一滑动轮、第二滑动轮滑动方向相互垂直的方向上，板二连接在板一的下方，且与板一相互垂直，当相似材料从出料口排出后，通过板二将其进行铲平夯实，而且由于板二是随着第一滑轮、第二滑轮的运动进行夯实，因此，其边铺设边夯实，更能保证相似材料的平整性。最后，上述自动铺设装置，通过设置第一滑动轮和第二滑动轮，一方面除了可带动装置整体滑动，另一方面便于安装，在实际使用时，将第一滑动轮和第二滑动轮架设在工字钢的翼缘位置即可快速安装。
37.本发明解决了现有注浆方法中密封性差、浆体难以精准控制的技术问题，本发明方法可有效的控制浆体的流动，减少实验中注浆时的跑浆情况的发生，使得试验模拟能够符合工程实际，为开展相关理论研究提供了科学的技术支持。
附图说明
38.下面结合附图对本发明做进一步说明：
39.图1为本发明方法所采用的相似材料模拟试验装置整体结构示意图；
40.图2为试验台的剖面结构示意图；
41.图3为本发明注浆方法流程图；
42.图4为本发明所采用的自动铺设装置的结构示意图；
43.图5为自动铺设装置的侧视图；
44.图6为自动铺设装置的俯视图；
45.图7为自动铺设装置铺设状态示意图；
46.图中：
47.1、离层空间，2、非亲水性相似材料，3、密封材料，4、柔性编织网，5、亚克力板，6、第一滑动轮，7、第二滑动轮，8、气缸，9、铲平夯实机构，10、出料口，11、集成料斗，12、挡板，13、中空直角减速机，14、支撑杆，15、空气泵站，16、自动铺设装置。
具体实施方式
48.本发明提出了一种用于二维相似材料模拟试验台的离层密封与注浆方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
49.本发明一种用于二维相似材料模拟试验台的离层密封与注浆方法，其所采用的试验装置如图1所示，包括试验仓，试验仓为长方体形，在该试验仓内铺设常规相似材料和非亲水性相似材料。
50.常规相似材料主要包括骨料和胶结物两部分，骨料为：河沙、黏土等，胶结物为：水泥、石膏、石灰等。主要制作方法是将骨料和胶结物混合即可制备得到。
51.非亲水性相似材料的原料成分包括凡士林、液压油、沙子和石蜡，将所有原料按照特定比例混合即可制备得到。
52.本发明中所述及的密封材料为一种遇水膨胀自愈合防水密封材料，密封材料遇水会迅速膨化并固化，从而填充编织网与亚克力板之间的空隙。
53.本发明中所述及的二维相似材料模拟试验台，包括设备框架和试验仓，设备框架包括设备框架底座、位于底座两侧的设备框架立柱，分别为左立柱和右立柱、以及顶梁，设备框架底座与左立柱和右立柱之间通过螺栓固定连接；顶梁与左立柱和右立柱之间通过螺栓固定连接。
54.试验仓整体为长方体结构，位于设备框架内。试验仓的包括试验仓底梁、左挡板以及右挡板。
55.图1中示出了离层空间1、非亲水性相似材料2、密封材料3、柔性编织网4及亚克力板5，其中，在离层空间1上下层铺设非亲水性相似材料2，密封材料3喷涂在模型表面的柔性编织网4上，避免注浆时跑浆情况的发生。
56.如图3所示，本发明用于二维相似材料模拟试验台的离层密封与注浆方法，包括如下步骤：
57.第一步：制备相似材料，分别制备常规相似材料和非亲水性相似材料；
58.第二步：由于离层通常出现在硬厚覆岩岩层的下方，实验前依据所模拟的地质资料分析地层特点，根据相关理论初步判断相似材料模拟实验台中的离层位置；依据矿区实际地质条件，确定模型比例尺和应力容重相似比，确定相似材料用量及上部补偿载荷；
59.第三步：从模型底部向上架设工字钢挡板，并利用自动铺设装置依次铺设相似材料，在相似材料岩层之间均匀铺撒云母粉，在离层预计形成位置上下两层铺设非亲水性相似材料；
60.第四步：当铺设到预计离层位置时，根据设计的模型总高度选取直径1cm、长度为模型预计总高度减去离层下部岩层厚度的塑料细管，底部放置于离层位置，顶部最终需露出模型，作为后续注浆孔，其他岩层铺设常规相似材料；
61.第五步：拆除工字钢挡板，在试验台中确定煤层开采的位置，按设计要求分阶段对煤层进行多次回采；
62.第六步：回采完毕或回采过程中，在离层位置的模型表面铺设柔性编织网，编织网可以在横、纵方向上实现较小的变形，防止影响实验过程中的覆岩变形，在柔性编织网外侧喷涂一层非亲水性密封材料，该材料具有微弹性，可以与编织网实现同步变形；
63.第七步：在模型外侧安装透明的亚克力板，在模型上最终形成密闭的离层待充填空间；
64.第八步：从预设的注浆管道内向离层空间进行注浆，研究离层空间注浆效果。
65.结合图4至图6所示，上述的自动铺设装置16，包括集成料斗11、滑动机构、气缸8、铲平夯实机构9以及总控制台。其中，集成料斗用于盛放相似模拟材料，滑动机构用于保证自动铺设装置的滑动，气缸来控制集成料斗的出料速度，铲平夯实机构保证相似模拟材料铺设的平整性。
66.用于盛放相似模拟材料的集成料斗，其形状整体为漏斗形，即上宽下窄，这样方便控制出料口的出料速度，具体的，集成料斗包括料斗本体，料斗本体的横截面积从上到下依次变小，料斗本体的顶部设置有进料口，即其顶部为敞口状设计，相似材料从其顶部的任意位置都可进入料斗本体内，在料斗本体的底部设置有出料口10，出料口的形状为圆形或方形。
67.如图5所示，滑动机构包括第一滑动轮6、第二滑动轮7以及用于驱动并控制第一滑动轮、第二滑动轮进行滑动的中空直角减速机13，其中，第一滑动轮和第二滑动轮设置有两组，每组包括一个第一滑动轮和一个第二滑动轮，第一滑动轮、第二滑动轮的结构借鉴现有技术即可实现，此处不做详细冗述。
68.料斗本体的侧部设置有第一连接板和第二连接板，第一连接板和第二连接板的主要作用在于安装第一滑动轮、第二滑动轮和支撑架，在第一连接板和第二连接板上均安装第一滑动轮和第二滑动轮，具体的安装方式如通过螺栓固定连接，将第一滑动轮通过螺栓固定在第一连接板上，将第二滑动轮通过螺栓固定在第一连接板上，第一滑动轮和第二滑动轮的安装高度相同，为了保证可以平移，因此二者安装高度是相同的，位于第二连接板上的第一滑动轮和第二滑动轮的安装高度也是相同的，第一滑动轮、第二滑动轮的轮子的朝向即为其滑动方向，轮子的朝向与料斗本体的侧面方向相平行，所述的中空直角减速机安装在位于第一连接板一侧的第一滑动轮和第二滑动轮的外侧，用于控制并实现两个第一滑动轮、两个第二滑动轮的转动。
69.中空直角减速机与第一滑动轮、第二滑动轮之间通过铰链轴连接，以控制滑动轮的转动。
70.支撑架包括四根呈框形排列的支撑杆14，每根支撑杆的一端连接在第二连接板上，另一端连接一方形框架，气缸安装在方形框架上，且气缸的伸出端穿过支撑架向出料口下方推进。
71.气缸的一端连接有空气泵站15，另一端连接有铰接板，铰接板连接有挡板12，气缸通过支撑架对其进行支撑，挡板的形状、大小与出料口的形状、大小相适配，优选为二者均为圆形或方形，通过空气泵站提供动力来控制气缸并使其穿过支撑架向出料口方向推进或推出，通过控制气缸向出料口方向的推进与推出来控制出料口的出料速度；
72.铲平夯实机构包括铲平夯实板和安装结构，所述的铲平夯实板包括板一和板二，所述的板一通过安装结构安装在出料口的后方，并且所述的板一安装在与第一滑动轮、第二滑动轮滑动方向相互垂直的方向上，板二连接在板一的下方，且与板一相互垂直，当相似材料从出料口排出后，通过所述的板二将其进行铲平夯实；在所述的板一上竖向设置有多个圆孔，所述的安装结构包括与所述的圆孔匹配的固定螺丝，通过调节圆孔的安装位置实现对铲平夯实板的高度的调节；
73.上述的铲平夯实板和安装机构相互配合，可以根据相似模拟材料的铺设要求，通过安装机构将铲平夯实板安装在适宜的高度，具体的高度的调节，是通过板一上竖直排列的多个圆孔来实现的，如将安装机构安装在不同高度的圆孔上，即完成对铲平夯实板高度的调节。当自下而上铺设相似材料时，通过调节铲平夯实板的高度，使得板二刚好压实在相似模拟材料上。
74.作为优选，在板二的底部还设置有压力传感器，压力传感器通过数据线连接至总控制台。压力传感器将数据传输到总控制台，方便总控制台调节出料口的出料速度，保证实验材料铺设的平整度。
75.与此自动铺设装置相配合使用的搅拌装置、自动上料装置以及安装装置，通过主控制系统控制自动铺设装置的铺设，控制搅拌装置的搅拌时间，并进一步控制自动上料装置的上料速度。
76.上述的自动上料装置优选包括输送机和上料软管，搅拌装置的出料口的下方为输送机，从搅拌装置的出料口排出的相似模拟材料进入输送机，通过输送机的输送皮带将其传送至上料软管，即：通过将上料软管的一端连接在输送机的出料端，可将相似模拟材料输送至上料软管内，上料软管的另一端位于集成料斗的上方。
77.当集成料斗在铺设移动时，为了便于上料软管随着集成料斗移动，因此，在位于集成料斗附近的上料软管通过固定件对其进行固定。
78.具体的，所述的固定件包括细长钢条，所述的细长钢条上设置有孔洞，所述的细长钢条安装在设备框架的右立柱上，在所述的细长钢条上固定设置若干个卡扣，通过每个卡扣向试验仓架设一根固定杆，在所述的固定杆的另一端安装上部为空心的铁板，所述的铁板通过螺栓固定在固定杆的端部，在位于集成料斗附近的上料软管穿过所述的铁板固定在所述的固定杆上，上料软管的出料口端放置在集成料斗的正上方，当集成料斗滑动时，所述的上料软管在固定件的作用下随着集成料斗一起运动。这样设计，可以实现边进料边铺设，避免相似模拟材料堆积的情况发生。
79.作为优选，为了实现自动铺设系统的完全自动化，将自动铺设装置、搅拌装置、自动上料装置均与主控制系统连接，通过主控制系统控制自动铺设装置的铺设，控制搅拌装置的搅拌时间，并进一步控制自动上料装置的上料速度。
80.如图7所示，为了便于自动铺设装置安装快捷方便，本发明有针对性的设计了安装装置，具体包括工字钢，工字钢的结构与现有技术相同，包括腹板和位于两侧的翼缘板，所述的工字钢安装在试验仓的前后两侧，第一滑动轮和第二滑动轮分别安装在工字钢的翼缘位置，当试验仓内需要铺设相似模拟材料时，通过设备框架顶部的电葫芦将所述的自动铺设装置放置在相似材料待铺设一层的工字钢处，并与工字钢安装在一起。
81.将搅拌装置、自动上料装置、安装装置和自动铺设装置相结合，自动化程度高，仅
需架设好铺设设备后，将计算称重完成后的砂石等材料倒入自动搅拌装置中，即可保证相似材料的完整铺设，试验台的整个铺设流程全部采用计算机控制，有效保证了实验的准确性，提高了实验的精确程度，减少了实验人员的劳动强度，极大提高实验效率。
82.本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
83.尽管本文中较多的使用了诸如离层空间1、非亲水性相似材料2、密封材料3等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
84.需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。