一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验系统及方法

1.本发明涉及软岩注浆技术领域，具体涉及一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验系统及方法。


背景技术：

2.软岩是深部开采中常见的一种岩体结构。软岩因受高岭石伊利石等黏土矿物、毛细管力及微孔隙的影响，使得软岩具有极强的吸水特性。在注浆支护过程中软岩会吸收流动的浆液中的水分(即浆液失水效应)，从而导致软岩发生变形及浆液粘度变化，进而影响注浆效果。目前,关于试验室水泥浆失水效应的测定多是采用人工标准测量浆液失水量,测量通过标准滤网的滤液体积。而井下实际的滤失介质为软岩时,与标准滤网差异较大，同时软岩具有吸水性会吸收浆液中水分，因此其测量结果的准确性也必然受到一定影响。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验系统及方法，通过模拟实际注浆过程中不同注浆压力下浆液失水效应及软岩吸水渗透情况，精确测量浆液的粘度变化，并可实时观测软岩试样吸水渗透变形情况，为研究软岩注浆浆液失水效应提供科学数据支撑。
4.为实现上述目的，一方面，本发明保护了一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验系统，包括浆液测量容器，软岩试样放置架，输液单元、输气单元、粘度测试动力单元、数据收集单元，其中所述软岩试样放置架包括底座和上支架，所述底座与上支架之间通过四根螺杆支撑，所述上支架中间固定一夹持器，软岩试样底部放置于所述底座中间，上部位于所述夹持器内；所述浆液测量容器位于所述软岩试样放置架上部，所述浆液测量容器的底部开设圆孔，圆孔位于所述夹持器正上方，所述软岩试样上部封堵住圆孔；所述输液单元包括储浆罐和进液开关阀，所述储液罐通过进液管经由所述进液开关阀与所述浆液测量容器的进液口相连通；所述进气单元包括储气罐和气瓶，所述气瓶通过管道与所述储气罐连通，所述储气罐通过管道与所述浆液测量容器的进气口相连通；所述粘度测试动力单元包括电机、电机扭矩传感器、连杆、转子，所述转子、所述连杆位于所述浆液测量容器内，所述电机通过所述连杆带动所述转子旋转，所述扭矩传感器与所述电机相连，用于测量所述电机的扭矩；所述数据收集单元与所述扭矩传感器相连。
5.进一步地，在所述夹持器上设置夹持器控制旋钮，用于紧固所述软岩试样。
6.进一步地，所述软岩试样的顶部与所述浆液测量容器的底部平齐。
7.进一步地，还包括摄像机，所述摄像机与所述数据收集单元连接。
8.进一步地，在所述储气罐上设置有压力表。
9.进一步地，在所述储气罐上还设置有泄气阀。
10.进一步地，在所述气瓶与所述储气罐连接的管路上设置有减压阀，在所述储气罐与所述浆液测量容器连接的管路上设置有调压阀。
11.进一步地，所述数据收集单元为上位机。
12.另一方面，本发明还保护了一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验方法，采用上述所述的研究软岩注浆浆液失水效应的试验系统，所述试验方法包括如下步骤：
13.步骤一，配制好浆液，放置于储液罐内；
14.步骤二，将软岩试样放置在软岩试样放置架上，通过螺杆、螺母调节软岩试样,使得软岩试样上端与浆液测量容器底部齐平，并由夹持器固定；
15.步骤三，打开进液开关阀,将储液罐中的浆液加入到浆液测量容器内,加完后关闭进液开关阀；
16.步骤四，打开气瓶和减压阀，充气到储气罐，待气体稳定时，打开调压阀，保持浆液测量容器内部的压力为注浆压力；
17.步骤五，打开摄像机，启动电机，即可对初始粘度值与吸水渗透情况进行测量。进一步地，在不同注浆压力下，测量后的浆液失水粘度由以下公式得出：
[0018][0019]
其中，m为粘性扭矩测量值，h为转子的高度，ωi为转子旋转的角速度，ri为转子的半径，ra为浆液测量容器的半径。
[0020]
在不同注浆压力下，测量后的软岩渗透特征由以下公式得出：
[0021]
k＝l
wt
/lrꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0022]
其中，k定义为软岩渗透率，lwt为t时刻下软岩吸水长度，lr为软岩初始总长；
[0023]
在不不同注浆压力下，测量后的软岩膨胀变形特征由以下公式得出：
[0024]
λ＝r
rt
/rrꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0025]
其中，λ定义为岩样膨胀率，r
rt
为t时刻岩样直径，rr为岩样初始直径。
[0026]
本发明的有益效果是：(1)本试验系统通过在电机上设置电机扭矩传感器，实时记录电机的钮矩变化，通过数据收集单元转化为浆液粘度的变化，同时通过观测软岩吸收浆液水分的过程及软岩变形的过程，获取软岩吸水与浆液粘度变化的互动信息；通过设置输气单元，可以实时模拟现实中浆液的压力，并通过压力的变化，观测其对浆液粘度及软岩吸水的影响。
[0027]
(2)本试验方法通过先后有序的执行步骤，使岩样的试验层次分明，以便更科学地获取相关试验数据，并且，通过上述试验步骤，经进一步分析，得出相关公式和算法，继而得出更为深入的岩样所需数据，从而使得整个试验成果得到突显，对于现实中的软岩工程具有直接而明确的指导作用。
附图说明
[0028]
图1是本发明的系统结构示意图；
[0029]
图2是本发明的试验方法的流程图；
[0030]
图中，1-浆液测量容器，2-底座，3-上支架，4-螺杆，5-夹持器，6-夹持器控制旋钮，7-软岩试样，8-储液罐，9-进液开关阀，10-储气罐，11-气瓶，12-电机，13-电机扭矩传感器，14-连杆，15-转子，16-摄像机，17-压力表，18-泄气阀，19-减压阀，20-调压阀。21-上位机，
具体实施方式
[0031]
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
[0032]
如图1所示，一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验系统，包括浆液测量容器1、软岩试样放置架、输液单元、输气单元、粘度测试动力单元、数据收集单元。其中软岩试样放置架包括底座2和上支架3，底座2与上支架3之间通过四根螺杆4支撑，软岩试样放置架的高度，可以通过调节螺杆4上的螺母来实现，方便在试验时放置或取下软岩试样7。上支架3中间通过连接杆固定一夹持器5，软岩试样7为圆柱形，其底部放置于底座2中间，上部位于夹持器5内，通过夹持器5进行固定。在夹持器5上设置夹持器控制旋钮6，用于紧固软岩试样7。浆液测量容器1位于软岩试样放置架上部，浆液测量容器1的底部开设圆孔，圆孔位于夹持器5正上方，软岩试样7上部封堵住圆孔。软岩试样7的顶部与浆液测量容器1的底部平齐，防止转子15在搅拌的过程中对软岩试样7吸水的科学性产生不必要的影响。
[0033]
其中，输液单元包括储浆罐8和进液开关阀9，储液罐8通过进液管经由进液开关阀9与浆液测量容器1的进液口相连通。储液罐8中盛装的是注浆浆液。
[0034]
进气单元包括储气罐10和气瓶11，气瓶11通过管道与储气罐10连通，储气罐10通过管道与浆液测量容器1的进气口相连通。在储气罐10上设置有压力表17和泄气阀18。
[0035]
粘度测试动力单元包括电机12、电机扭矩传感器13、连杆14、转子15，转子15、连杆14位于浆液测量容器1内，电机12通过连杆14带动转子15旋转，扭矩传感器13与电机12相连，用于测量电机12的扭矩；数据收集单元与扭矩传感器13相连。数据收集单元为上位机21。本系统还包括摄像机16，摄像机16与数据收集单元连接。
[0036]
另外，在气瓶11与储气罐10连接的管路上设置有减压阀19，在储气罐10与浆液测量容器1连接的管路上设置有调压阀20。
[0037]
本试验系统通过设置进气单元，可以为浆液测量容器1中的软岩试样7提供不同的压力，通过设置进液单元，将配制好的浆液输送到浆液测量容器1中去，模拟现实中的软岩浸泡效果；通过设置电机扭矩传感器13，可以直接获取浆液粘度，通过设置高速摄像机16，可以实时观察软岩试样的吸水及变形情况。
[0038]
如图2所示，本发明还公开了一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验方法，其步骤如下：
[0039]
步骤一，配制好浆液，放置于储液罐8内；
[0040]
步骤二，将软岩试样7放置在软岩试样放置架上，通过螺杆4、螺母调节软岩试样7,使得软岩试样7上端与浆液测量容器1底部齐平，并由夹持器5固定；步骤三，打开进液开关阀9,将储液罐8中的浆液加入到浆液测量容器1内,加完后关闭进液开关阀9；
[0041]
步骤四，打开气瓶11和减压阀19，充气到储气罐10，待气体稳定时，打开调压阀20，保持浆液测量容器1内部的压力为注浆压力；
[0042]
步骤五，打开摄像机16，启动电机12，即可对初始粘度值与吸水渗透情况进行测量。
[0043]
试验结束后，保存记录数据，关闭电机12和摄像机，关闭气瓶11和减压阀19，打开泄气阀18，排除浆液测量容器1内的气压，待气体排完后关闭泄气阀18与调压阀20，松开螺母，取下岩样，并将浆液测量容器1内液体倒入废液缸，完成试验。通过上述试验，进一步得出关于软岩试样7的其它相关数据，如：在不同注浆压力下浆液失水粘度计算由有以下公式
(1)表示
[0044][0045]
其中，m为粘性扭矩测量值；h为转子的高度；ωi为转子旋转的角速度；ri为转子的半径；ra为浆液测量容器的半径。
[0046]
不同时间的粘度增长率可有公式(2)表示
[0047]
ξ＝η
t-η0[0048]
(2)
[0049]
其中，ζ为粘度增长率，η
t
＝任意时间浆液粘度，η0＝初始浆液粘度，
[0050]
已知宾汉姆流体的流变方程为：
[0051]
τ＝τ0+n
p
γ
ꢀꢀ
(3)
[0052]
其中，τ为剪切应力，τ0为屈服应力，n
p
为塑性黏度(固定)，γ为剪切速率，进而可以获取在不同压力下流体随时间变化的宾汉姆流体流变方程
[0053]
τ＝τ0+ξn
p
γ
ꢀꢀ
(4)
[0054]
同时可根据失水量与粘度增长率数据拟合不同浆液下的二者之间的联系。
[0055]
不同注浆压力下软岩渗透特征可由以下公式计算：
[0056]
k＝l
wt
/lrꢀꢀ
(5)
[0057]
k定义为软岩渗透率，lwt为t时刻下软岩吸水长度，lr为软岩初始总长
[0058]
不同注浆压力下软岩膨胀变形特征可由以下公式计算：
[0059]
λ＝r
rt
/rrꢀꢀ
(6)
[0060]
其中，λ定义为岩样膨胀率，r
rt
为t时刻岩样直径，rr为岩样初始直径，进而获知失水量与变形关系为注浆地下工程提供参考。
[0061]
本试验方法，不仅通过试验系统获取直观数据及通过上位机加工后的数据，同时也通过计算公式获取相它的深层次的数据，其进一步拓展了试验系统及试验方法，使得整个试验获取数据更为丰富，其研究数据对于现实中软岩工程施工具有较为直接的科学指导意义。
[0062]
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下可以作出的各种变化，都处于本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验系统，其特征在于，包括浆液测量容器(1)、软岩试样放置架、输液单元、输气单元、粘度测试动力单元、数据收集单元，其中所述软岩试样放置架包括底座(2)和上支架(3)，所述底座(2)与上支架(3)之间通过四根螺杆(4)支撑，所述上支架(3)中间固定一夹持器(5)，软岩试样(7)底部放置于所述底座(2)中间，上部位于所述夹持器(5)内；所述浆液测量容器(1)位于所述软岩试样放置架上部，所述浆液测量容器(1)的底部开设圆孔，圆孔位于所述夹持器(5)正上方，所述软岩试样(7)上部封堵住圆孔；所述输液单元包括储浆罐(8)和进液开关阀(9)，所述储液罐(8)通过进液管经由所述进液开关阀(9)与所述浆液测量容器(1)的进液口相连通；所述进气单元包括储气罐(10)和气瓶(11)，所述气瓶(11)通过管道与所述储气罐(10)连通，所述储气罐(10)通过管道与所述浆液测量容器(1)的进气口相连通；所述粘度测试动力单元包括电机(12)、电机扭矩传感器(13)、连杆(14)、转子(15)，所述转子(15)、所述连杆(14)位于所述浆液测量容器(1)内，所述电机(12)通过所述连杆(14)带动所述转子(15)旋转，所述扭矩传感器(13)与所述电机(12)相连，用于测量所述电机(12)的扭矩；所述数据收集单元与所述扭矩传感器(13)相连。2.根据权利要求1所述的一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验系统，其特征在于，在所述夹持器(5)上设置夹持器控制旋钮(6)，用于紧固所述软岩试样(7)。3.根据权利要求1所述的一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验系统，其特征在于，所述软岩试样(7)的顶部与所述浆液测量容器(1)的底部平齐。4.根据权利要求1所述的一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验系统，其特征在于，还包括摄像机(16)，所述摄像机(16)与所述数据收集单元连接。5.根据权利要求1所述的一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验系统，其特征在于，在所述储气罐(10)上设置有压力表(17)。6.根据权利要求1所述的一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验系统，其特征在于，在所述储气罐(10)上还设置有泄气阀(18)。7.根据权利要求1所述的一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验系统，其特征在于，在所述气瓶(11)与所述储气罐(10)连接的管路上设置有减压阀(19)，在所述储气罐(10)与所述浆液测量容器(1)连接的管路上设置有调压阀(20)。8.根据权利要求1所述的一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验系统，其特征在于，所述数据收集单元为上位机(21)。9.一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验方法，采用所述权利要求1-8中任一项所述的研究软岩注浆浆液失水效应的试验系统，其特征在于，所述试验方法包括如下步骤：步骤一，配制好浆液，放置于储液罐(8)内；步骤二，将软岩试样7放置在软岩试样放置架上，通过螺杆(4)、螺母调节软岩试样(7),使得软岩试样(7)上端与浆液测量容器(1)底部齐平，并由夹持器(5)固定；步骤三，打开进液开关阀(9),将储液罐(8)中的浆液加入到浆液测量容器(1)内,加完后关闭进液开关阀(9)；步骤四，打开气瓶(11)和减压阀(19)，充气到储气罐(10)，待气体稳定时，打开调压阀(20)，保持浆液测量容器(1)内部的压力为注浆压力；步骤五，打开摄像机(16)，启动电机(12)，即可对初始粘度值与吸水渗透情况进行测量。
10.根据权利要求9所述的一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验方法，其特征在于，在不同注浆压力下，测量后的浆液失水粘度由以下公式得出：其中，m为粘性扭矩测量值，h为转子的高度，ωi为转子旋转的角速度，ri为转子的半径，ra为浆液测量容器的半径。在不同注浆压力下，测量后的软岩渗透特征由以下公式得出：k＝l
wt
/l
r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，k定义为软岩渗透率，lwt为t时刻下软岩吸水长度，lr为软岩初始总长；在不不同注浆压力下，测量后的软岩膨胀变形特征由以下公式得出：λ＝r
rt
/r
r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，λ定义为岩样膨胀率，r
rt
为t时刻岩样直径，r
r
为岩样初始直径。

技术总结
本发明公开了一种研究软岩注浆浆液失水效应的试验系统及方法，试验系统包括浆液测量容器、软岩试样放置架、输液单元、输气单元、粘度测试动力单元、数据收集单元，其中软岩试样放置架包括底座和上支架，底座与上支架之间通过四根螺杆支撑，上支架中间固定一夹持器。浆液测量容器位于软岩试样放置架上部，浆液测量容器的底部开设圆孔，圆孔位于夹持器正上方，软岩试样上部封堵住圆孔。本试验系统可以实时观测注浆过程中浆液失水特征及软岩吸水渗透变形过程，并获取浆液失水过程中的粘度变化数据，从而确定软岩注浆过程中浆液流动特征。本试验方法获取直接及进一步相关软岩数据，对相关软岩工程具有现实指导作用。关软岩工程具有现实指导作用。关软岩工程具有现实指导作用。


技术研发人员：张建国 曾春林 周跃进 杨国和 王满 肖雨航 于振子 刘帅涛 徐雨农 杨战标 徐晓鼎 席亚星 朱超斌 张彦龙
受保护的技术使用者：中国矿业大学 江苏中矿华瑞能源科技有限公司 平顶山天安煤业股份有限公司
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/8/24