注浆充填浆液扩散距离模拟实验装置的制作方法

1.本实用新型涉及煤矿开采注浆充填技术领域，尤其涉及一种注浆充填浆液扩散距离模拟实验装置。


背景技术：

2.覆岩隔离注浆充填是煤矿绿色开采技术体系的重要组成部分之一。近年来在解决建筑物下方压煤问题中发挥了重要作用，逐渐成为矿企解决采掘接替难题的重要手段。该方法充分利用岩层移动规律，通过对选定的关键层下隔离层腔体实施高压注浆充填，从而增大可注空间，使覆岩形成压实承载结构，支撑关键层，进而有效控制地表沉陷，保护地面构筑物。
3.该技术研究的重点之一是浆液在覆岩裂隙内的扩散规律。由于实际地层的复杂性，现有的原位测试方法无法直观反应浆液在隔离层内的扩散过程。目前，室内相似模拟实验是研究浆液扩散理论及注浆技术的重要手段，传统的相似模拟实验系统虽然在一定程度上满足了特定工程背景下的模拟需要，但模拟尺度较小且相似性不足，实验系统的设计通常是根据实际的工况特点进行了诸多简化。例如，在考虑实验系统尺寸相似、运动相似、动力相似条件下，受实验室场地、实验设备等限制，时间相似不足。粉煤灰浆液为固液两相流，浆液具有明显的沉析特性(浆液不断析水沉积形成水灰分离的现象)，因此，浆液流动过程中的时间相似是决定相似性的关键因素。同时，传统的相似模拟实验系统虽然可以实现不同隔离层渗透特性的模拟，但相似模拟材料制备和铺设过程十分复杂且系统的成型时间较长，因此，利用该类实验系统对浆液的流动进行多次模拟工作量十分巨大，基本上无法实现。综上，传统的相似模拟实验仅在定性层面探讨了覆岩注浆充填浆液的扩散规律，不能很好地适用于高相似性前提下的覆岩隔离注浆充填浆液在隔离层裂隙内的多组次扩散模拟实验研究。
4.公布号为cn110530762a的专利文献公开了一种注浆加固液扩散试验装置，包括试验箱体、注浆管和注浆设备；试验箱体中能够填充煤岩样，试验箱体的顶部开设有供注浆管伸入试验箱体内腔的通孔，注浆管的下端伸入试验箱体一端的表面开设有透浆孔，注浆管的上端与注浆设备浆液的输出端连接。该装置的模拟尺度较小且相似性不足，不能很好地适用于高相似性前提下的覆岩隔离注浆充填浆液在覆岩隔离层裂隙内的多组次扩散模拟实验研究。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种能够适用于高相似性前提下的注浆充填浆液在覆岩隔离层裂隙内的扩散模拟实验的注浆充填浆液扩散距离模拟实验装置。
6.本实用新型是通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：注浆充填浆液扩散距离模拟实验装置，包括浆液流动单元、浆液配置单元、浆液输送单元和数据采集单元；
7.所述浆液流动单元包括流动管道、浆液流动层、单一透水层、均匀吸水层、刻度尺；
所述流动管道透明，所述流动管道上固定连接有沿其长度方向延伸的刻度尺；所述流动管道的内部从下到上依次铺设有沿其长度方向延伸的均匀吸水层、单一透水层和浆液流动层；
8.所述浆液配置单元能够配置注浆充填浆液；
9.所述浆液输送单元能够将所述浆液配置单元配置的注浆充填浆液输送到所述浆液流动层的起始端；
10.所述数据采集单元包括湿度传感器、湿度采集系统、摄像机、影像采集系统；沿所述流动管道的长度方向每隔一定距离设有一个插进所述均匀吸水层中的湿度传感器；各湿度传感器分别连接所述湿度采集系统；所述摄像机对准所述流动管道；所述摄像机连接所述影像采集系统。
11.均匀吸水层能够均匀吸水，单一透水层只允许水分通过且不具有吸水性，浆液流动层能够模拟隔离层的渗水条件，该装置为注浆充填浆液扩散提供了模拟环境，模拟尺度大，相似性高，能够根据研究需要开展注浆充填浆液流动规律模拟实验，很好地适用于高相似性前提下的注浆充填浆液在覆岩隔离层裂隙内的扩散模拟实验，解决了现场原位测试工程量大、费用高的难题，将实际难以测量的数据通过实验室模拟进行再现，为工程设计与施工提供了依据与参考。
12.作为优化的技术方案，所述浆液流动层、单一透水层均能够拆卸。
13.作为优化的技术方案，所述流动管道包括多个凹槽管道，所述凹槽管道上设有沿自身长度方向延伸且开口向上的凹槽，各凹槽管道沿所述流动管道的长度方向依次排列并相互连通，相邻凹槽管道的衔接端通过法兰固定连接；所述浆液流动单元还包括挡板，所述挡板封闭在所述流动管道的起始端，所述挡板的中心位置设有注浆孔，所述注浆孔的位置对应所述浆液流动层的起始端。
14.作为优化的技术方案，所述浆液流动层采用水泥灰、粗砂石、细砂石和水作为原料，细砂石粒径为1.6～4mm，粗砂石粒径为10～30mm。
15.作为优化的技术方案，所述单一透水层采用藻酸铜半透膜。
16.作为优化的技术方案，所述均匀吸水层采用彩石环氧通体透水材料。
17.作为优化的技术方案，所述浆液配置单元包括固定支架、储浆器、搅拌机、搅拌机调速器，所述储浆器安装在所述固定支架上，所述搅拌机能够在所述储浆器的内部进行搅拌，所述搅拌机调速器连接所述搅拌机。
18.作为优化的技术方案，所述浆液输送单元包括固定套管夹、注浆管道、注浆泵；所述注浆管道的一端伸入所述储浆器的内部，另一端伸入所述流动管道的内部，所述注浆管道通过所述固定套管夹固定连接在所述储浆器的内壁上；所述注浆泵安装在所述注浆管道的中部，所述注浆泵采用蠕动泵。
19.本实用新型的优点在于：
20.1、该装置为注浆充填浆液扩散提供了模拟环境，模拟尺度大，相似性高，能够根据研究需要开展注浆充填浆液流动规律模拟实验，很好地适用于高相似性前提下的注浆充填浆液在覆岩隔离层裂隙内的扩散模拟实验，解决了现场原位测试工程量大、费用高的难题，将实际难以测量的数据通过实验室模拟进行再现，为工程设计与施工提供了依据与参考。
21.2、影像采集系统可以记录注浆充填浆液在浆液流动层中的厚度和扩散距离，更好
地反应注浆充填浆液在浆液流动层中的流动情况；同时，通过湿度采集系统记录的数据，可以计算得到注浆充填浆液的泌水量和注浆充填浆液流动过程中在不同流动位置泌水量的变化。
22.3、通过更换浆液流动层和单一透水层，能够进行多组不同配比的注浆充填浆液重复实验，并且能够通过不同原料配比的浆液流动层模拟不同渗水底板条件下的无压阶段浆液流动，实现同一装置进行多组次的模拟实验。
附图说明
23.图1是本实用新型实施例浆液流动单元的轴侧示意图。
24.图2是本实用新型实施例浆液流动单元的截面示意图。
具体实施方式
25.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.本实用新型实施例公开一种注浆充填浆液扩散距离模拟实验装置，包括浆液流动单元、浆液配置单元、浆液输送单元和数据采集单元。
27.如图1、图2所示，所述浆液流动单元包括流动管道1、浆液流动层2、单一透水层3、均匀吸水层4、传感器插孔6、挡板7、刻度尺8。
28.流动管道1由透明亚克力材料制成；流动管道1包括6个凹槽管道(图中示出1个)，所述凹槽管道为长方体，长度为100cm，所述凹槽管道上设有沿自身长度方向延伸且开口向上的长方体凹槽，各凹槽管道沿流动管道1的长度方向依次排列并相互连通，相邻凹槽管道的衔接端通过法兰固定连接；流动管道1的内部从下到上依次铺设有沿其长度方向延伸的均匀吸水层4、单一透水层3和浆液流动层2；流动管道1的一侧下部沿长度方向每隔30cm设有一组传感器插孔6；挡板7封闭在流动管道1的起始端，挡板7的中心位置设有注浆孔，所述注浆孔的位置对应浆液流动层2的起始端；流动管道1顶部两侧分别粘贴有沿其长度方向延伸的刻度尺8，方便读取注浆充填浆液的扩散距离。
29.均匀吸水层4能够均匀吸水，本实用新型实施例采用彩石环氧通体透水材料，该材料骨料由天然彩石与进口改性环氧树脂t-31胶合固化制成；均匀吸水层4可以预制，也可以现场浇制，由于需要埋设湿度传感器5，本实用新型实施例例采用现场浇筑完成均匀吸水层4的铺设。
30.单一透水层3只允许水分通过且不具有吸水性，本实用新型实施例采用藻酸铜半透膜；均匀吸水层4铺设完成后在其上方铺设单一透水层3，用于分隔浆液流动层2和均匀吸水层4，单一透水层3能够拆卸。
31.浆液流动层2能够模拟隔离层的渗水条件，本实施例采用水泥灰、粗砂石、细砂石和水作为原料，细砂石粒径为1.6～4mm，粗砂石粒径为10～30mm，通过改变原料配比能够得到不同的孔隙条件，从而模拟不同渗水条件的隔离层；第一次实验各组分的质量比为水泥
灰：细砂石：粗砂石：水＝2：3：6：1，第二次实验各组分的质量比为水泥灰：细砂石：粗砂石：水＝2：2：4：1，需要注意的是，上述原料配比并不是固定的，可根据实际模拟需要对各组分的质量比进行调整；例如，模拟渗透性较好的隔离层(渗透系数k≤10～5cm/s)时，水泥灰的质量占比不超过5％，细砂石与粗砂石的质量比为1:1.3～1:2；模拟渗透性较差的隔离层(渗透系数k＜10～6cm/s)时，水泥灰的质量占比不低于15％，细砂石与粗砂石的质量比为1.5:1～2:1；浆液流动层2的原料搅拌完成后浇筑在单一透水层3的上方并铺平，为注浆充填浆液在隔离层裂隙内扩散提供了相似的模拟环境；浆液流动层2能够拆卸，通过更换不同原料配比的浆液流动层2，能够模拟不同渗水底板条件下的无压阶段浆液流动，实现同一装置进行不同渗水底板条件下的浆液扩散模拟。
32.所述浆液配置单元(图未示)能够配置注浆充填浆液，包括固定支架、储浆器、搅拌机、搅拌机调速器，所述储浆器安装在所述固定支架上，所述搅拌机能够在所述储浆器的内部进行搅拌，所述搅拌机调速器连接所述搅拌机。
33.所述浆液输送单元(图未示)能够将所述浆液配置单元配置的注浆充填浆液输送到浆液流动层2的起始端，包括固定套管夹、注浆管道、注浆泵；所述注浆管道的一端伸入所述储浆器的内部，另一端从所述注浆孔伸入流动管道1的内部，所述注浆管道通过所述固定套管夹固定连接在所述储浆器的内壁上；所述注浆泵安装在所述注浆管道的中部，所述注浆泵采用蠕动泵，通过蠕动将注浆充填浆液恒流量泵入浆液流动层2中。
34.所述数据采集单元能够随时间的变化记录注浆充填浆液在浆液流动层2中的扩散距离，包括湿度传感器5、湿度采集系统(图未示)、摄像机(图未示)、影像采集系统(图未示)；沿流动管道1的长度方向每隔30cm设有一个插进均匀吸水层4中的湿度传感器5，各湿度传感器5的伸出柱分别通过传感器插孔6插进均匀吸水层4中，通过各湿度传感器5的示数能够得到均匀吸水层4不同位置的含水量；各湿度传感器5分别连接所述湿度采集系统，所述湿度采集系统能够将各湿度传感器5的数据随时间的变化记录下来；所述摄像机对准流动管道1，能够拍摄注浆充填浆液在浆液流动层2中的厚度和扩散距离；所述摄像机连接所述影像采集系统，所述影像采集系统能够将所述摄像机拍摄的数据随时间的变化记录下来。
35.注浆充填浆液扩散距离模拟实验方法，采用所述注浆充填浆液扩散距离模拟实验装置，包括以下步骤：
36.步骤a，浆液配置单元配置注浆充填浆液：室温下搅拌机在储浆器中持续搅拌注浆充填浆液，搅拌机转速为200～700rad/min，防止灰颗粒沉积；
37.步骤b，浆液输送单元将浆液配置单元配置的注浆充填浆液恒流量泵入浆液流动层2的起始端，注浆流量为50ml/min；
38.步骤c，数据采集单元每隔一定时间记录一次浆液扩散距离，得到扩散时间与浆液扩散距离的函数关系：影像采集系统每隔1min记录一次浆液扩散距离，湿度采集系统每隔1min记录一次各湿度传感器5的数据，影像采集系统和湿度采集系统记录的数据均传输到电脑端并导出数据文件，电脑端利用实验数据绘制扩散时间与浆液扩散距离的曲线，并拟合扩散时间与浆液扩散距离的函数关系，由实验结果可得，浆液扩散距离与扩散时间呈幂函数关系，即随着扩散时间的增加，浆液扩散距离达到极限值后其扩散距离增量不再增加；
39.步骤d，实验完毕后，拆卸浆液流动层2和单一透水层3，对所述注浆充填浆液扩散
距离模拟实验装置进行清洗，防止浆液附着在装置上；
40.步骤e，待所述注浆充填浆液扩散距离模拟实验装置晾干后，更换新的单一透水层3并重新浇筑另一种配比的浆液流动层2，重复下一组次的注浆实验。
41.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。