一种三维非定常浆液注浆试验装置及方法

1.本发明涉及浆液流动扩散规律试验技术领域，尤其涉及一种三维非定常浆液注浆试验装置及方法。


背景技术：

2.在矿山与地下工程穿越不良地层施工中，注浆是一种加固围岩体与封堵地下水的有效技术，将注浆材料注入岩土体介质中，以达到填充、加固、堵水等目的。目前，大多数注浆理论与注浆试验的研究将浆液性能参数(粘度系数、失水固化)、裂隙形态参数等参数假定为常数，并且将实际工程围岩体中的裂隙简化为单一光滑形状而开展浆液渗流扩散规律的研究，这不能真实反映浆液在流动扩散过程中失水凝结硬化、裂隙形态参数的差异等所导致浆液参数的变化，无法反映实际工程中浆液的扩散规律。
3.目前，由于受试验条件和试验对象等因素的影响，现有的注浆试验装置基本用来模拟小尺度煤岩体介质约束条件下的压密渗透注浆试验和大尺度无约束条件下浆液的自由扩散试验，均没有考虑浆液性能参数随时间的变化(粘度系数、失水凝结硬化)、裂隙形态参数(裂隙面的粗糙度、裂隙充填情况，裂隙空间分布)对注浆过程的影响及周围煤岩体对被注区域煤岩体的挤压作用(约束作用)。此外，现有的注浆试验装置多为不透明的结构，无法实时观察装置内部浆液的扩散流动与裂隙的扩展过程。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于提供一种便于观察浆液流动过程的注浆试验装置及方法。
5.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
6.一种三维非定常浆液注浆试验装置，包括：注浆系统和固定与加载系统；所述固定与加载系统用于放置岩体试样；所述注浆系统用于为所述岩体试样提供浆液；所述岩体试样上具有裂隙，浆液流动沿裂隙扩散；所述固定与加载系统能够直接观察到内部的所述岩体试样上浆液的流动过程；
7.所述固定与加载系统包括承台、两个渗浆板、两个挡板和盖板；
8.所述承台用于放置岩体试样；两个所述渗浆板和两个所述挡板合成围挡；两个所述渗浆板相对设置；两个所述挡板相对设置；所述渗浆板上设置有供浆液流通的渗浆孔；所述盖板压于所述围挡上方；
9.所述注浆系统包括两个密封板、进浆管道、出浆管道、浆液站、和浆液回收站；
10.两个所述密封板分别设置于所述渗浆板的两侧；一侧所述密封板通过所述进浆管道与所述浆液站连接；另一侧所述密封板通过所述出浆管道与所述浆液回收站连接。
11.优选地，所述渗浆板和所述挡板的高度相同。
12.优选地，所述盖板两侧具有竖直设置遮挡渗浆板的限位板。
13.优选地，所述固定与加载系统还包括反力架和千斤顶；所述反力架固定于所述承
台上，所述反力架与承台组合成沿挡板所在的平面的轴向贯穿的空心长方体结构，所述反力架和所述盖板之间设置有千斤顶。
14.优选地，所述挡板和所述盖板均为透明钢化玻璃。
15.优选地，所述注浆系统还包括注浆泵和浆液参数监测单元；沿浆液行进路线，在进浆管道上依次设置注浆泵和浆液参数监测单元。
16.优选地，所述浆液参数监测单元包括流量传感器、压力传感器和密度传感器。
17.优选地，所述进浆管道和所述出浆管道为高压注浆软管，所述进浆管道和所述出浆管道均通过法兰盘与两侧密封板密封连接。
18.本发明还提供了使用所述三维非定常浆液注浆试验装置观察非定常浆液注浆过程的方法，包括以下步骤：
19.步骤1：对长方体岩体进行高压水射流切缝方法制作符合尺寸和粗糙度要求的裂隙，得到岩体试样；
20.步骤2：通过固定与加载系统固定岩体试样，将注浆系统与固定与加载系统配合；
21.步骤3：配置符合要求的浆液并添加着色剂，通过注浆系统为岩体试样注浆；
22.步骤4：通过数字照相量测技术实时观察岩体试样前后侧挡板中的浆液流动及扩散演化情况。
23.优选地，所述裂隙的宽度为1mm-3mm。
24.本发明提供的三维非定常浆液注浆试验装置及方法的优点在于：结构简单，组装方便，便于直接观察浆液流动特定，具有良好的推广前景。
附图说明
25.图1是本发明的实施例所提供的三维非定常浆液注浆试验装置的示意图；
26.图2是本发明的实施例所提供的三维非定常浆液注浆试验装置的固定与加载系统的示意图；
27.图3是本发明的实施例所提供的三维非定常浆液注浆试验装置的注浆系统的示意图。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
29.如图1所示，一种三维非定常浆液注浆试验装置，包括闭合容置岩体试样1的固定与加载系统2、与固定与加载系统2配合为岩体试样1提供浆液的注浆系统3；所述岩体试样1上具有裂隙11，固定与加载系统2能够直接观察到内部的岩体试样1。通过注浆系统3为固定于固定与加载系统2内的岩体试样1提供浆液，浆液流动沿裂隙11扩散，通过固定与加载系统2能够直接观察到浆液的注浆流动过程，便于获取浆液扩散性能。
30.结合图2，所述固定与加载系统2包括水平设置用于放置岩体试样1的承台21，承台21上具有一与岩体试样1侧面紧贴的矩形闭合围挡(图未示)，所述围挡两侧为具有渗浆孔221的渗浆板22，围挡前后两侧为透明的挡板23，渗浆板22和挡板23围合形成所述围挡，围挡上方设置有紧压渗浆板和挡板上表面的盖板24，所述盖板24两侧具有竖直设置遮挡渗浆
板22的限位板241。
31.所述承台21上还固定有一反力架4，所述反力架4与承台21组合成沿挡板23所在的平面的轴向贯穿的空心长方体结构，所述反力架4的上部固定有与盖板24配合的千斤顶41，通过所述千斤顶41将盖板24紧压在围挡上，使渗浆板22和挡板23都不会轻易松动，保证固定与加载系统的密封效果。
32.在实际应用中，所述挡板23和盖板24均由透明钢化玻璃制成，以便于观察浆液扩散情况。
33.结合图3，所述注浆系统3包括与两侧渗浆板22配合的密封板31，所述限位板241包裹住密封板31。两侧的密封板31上分别设置有进浆管道32和出浆管道38，沿浆液行进路线进浆管道32上依次设置有浆液站33、注浆泵34、浆液参数监测单元35，出浆管道38与浆液回收站36连通；所述浆液参数监测单元35集成有流量传感器、压力传感器和密度传感器分别用来获取浆液的流量、压力和密度。
34.所述密封板31上还设置有与渗浆板24接触的密封垫层311，以避免浆液从密封板31与渗浆板24之间流出，所述密封垫层311优选为橡胶垫或类似的软垫。优选实施例中所述进浆管道32和出浆管道38均选用高压注浆软管，进浆管道32和出浆管道38分别通过法兰盘37与两侧的密封板31固定配合，从而实现与密封板31的密封连接。
35.优选实施例中，所述反力架4和密封板31均使用高强度钢材(q235～355)制作，密封板31的厚度为10mm～20mm，岩体试样1的规格为500mm(长度)
×
100～500mm(宽度)
×
100～200mm(高度)；挡板23和压板24使用的钢化玻璃板的厚度为20mm；高压注浆软管32的内径为20mm～30mm，壁厚为3mm～6mm。
36.流量传感器的量程为0l/min～2l/min，分辨率为0.001l/min，误差为
±
0.1％；压力传感器的量程为8mpa～10mpa，分辨率为0.01mpa，误差为
±
0.1％；密度传感器的量程为0g/cm3～1g/cm3，分辨率为0.001g/cm3，误差为
±
0.1％。注浆泵的泵压为1mpa～5mpa，浆液站的容量为50l～60l；以上参数可根据实际工程情况进行适当调整。
37.本发明还提供了使用上述装置观察非定常浆液注浆过程的方法，包括以下步骤：
38.步骤1：对长方体岩体进行高压水射流切缝方法制作符合尺寸和粗糙度要求的裂隙11，得到岩体试样1，所述裂隙11的宽度为1mm～3mm。
39.步骤2：通过固定与加载系统固定岩体试样，将注浆系统与固定与加载系统配合。
40.将渗浆板22和挡板23分别沿岩体试样1的边缘围合形成围挡，通过盖板24压紧围挡，然后将密封板31与渗浆板24固定配合。
41.步骤3：配置符合要求的浆液并添加着色剂，通过注浆系统为岩体试样注浆。
42.在浆液站33中按一定比例添加水泥和水，并添加着色剂以便观察浆液流动规律，通过搅拌使物料充分混合，通过注浆本34将高压注浆软管32输送到岩体试样中进行注浆。
43.步骤4：通过数字照相量测技术实时观察岩体试样前后侧挡板中的浆液流动及扩散演化情况。
44.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，在不脱离本发明的精神和原则的前提下，本领域普通技术人员对本发明所做的任何修改、等同替换、改进等，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围之内。

技术特征：
1.一种三维非定常浆液注浆试验装置，其特征在于，包括：注浆系统和固定与加载系统；所述固定与加载系统用于放置岩体试样；所述注浆系统用于为所述岩体试样提供浆液；所述岩体试样上具有裂隙，浆液流动沿裂隙扩散；所述固定与加载系统能够直接观察到所述岩体试样上浆液的流动过程；所述固定与加载系统包括承台、两个渗浆板、两个挡板和盖板；所述承台用于放置岩体试样；两个所述渗浆板和两个所述挡板合成围挡；两个所述渗浆板相对设置；两个所述挡板相对设置；所述渗浆板上设置有供浆液流通的渗浆孔；所述盖板压于所述围挡上方；所述注浆系统包括两个密封板、进浆管道、出浆管道、浆液站、和浆液回收站；两个所述密封板分别设置于所述渗浆板的两侧；一侧所述密封板通过所述进浆管道与所述浆液站连接；另一侧所述密封板通过所述出浆管道与所述浆液回收站连接。2.根据权利要求1所述的一种三维非定常浆液注浆试验装置，其特征在于：所述渗浆板和所述挡板的高度相同。3.根据权利要求1所述的一种三维非定常浆液注浆试验装置，其特征在于：所述盖板两侧具有竖直设置遮挡渗浆板的限位板。4.根据权利要求1所述的一种三维非定常浆液注浆试验装置，其特征在于：所述固定与加载系统还包括反力架和千斤顶；所述反力架固定于所述承台上，所述反力架与承台组合成沿挡板所在的平面的轴向贯穿的空心长方体结构，所述反力架和所述盖板之间设置有千斤顶。5.根据权利要求1所述的一种三维非定常浆液注浆试验装置，其特征在于：所述挡板和所述盖板均为透明钢化玻璃。6.根据权利要求1所述的一种三维非定常浆液注浆试验装置，其特征在于：所述注浆系统还包括注浆泵和浆液参数监测单元；沿浆液行进路线，在进浆管道上依次设置注浆泵和浆液参数监测单元。7.根据权利要求1所述的一种三维非定常浆液注浆试验装置，其特征在于：所述浆液参数监测单元包括流量传感器、压力传感器和密度传感器。8.根据权利要求1所述的一种三维非定常浆液注浆试验装置，其特征在于：所述进浆管道和所述出浆管道为高压注浆软管，所述进浆管道和所述出浆管道均通过法兰盘与两侧密封板密封连接。9.使用权利要求1-8任一项所述的三维非定常浆液注浆试验装置观察非定常浆液注浆过程的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：对长方体岩体进行高压水射流切缝方法制作符合尺寸和粗糙度要求的裂隙，得到岩体试样；步骤2：通过固定与加载系统固定岩体试样，将注浆系统与固定与加载系统配合；步骤3：配置符合要求的浆液并添加着色剂，通过注浆系统为岩体试样注浆；步骤4：通过数字照相量测技术实时观察岩体试样前后侧挡板中的浆液流动及扩散演化情况。10.根据权利要求9所述的观察非定常浆液注浆过程的方法，其特征在于：所述裂隙的宽度为1mm-3mm。

技术总结
本发明公开了一种三维非定常浆液注浆试验装置及方法，涉及浆液流动扩散规律试验技术领域，装置包括闭合容置岩体试样的固定与加载系统、与固定与加载系统配合为岩体试样提供浆液的注浆系统；所述岩体试样上具有裂隙，固定与加载系统能够直接观察到内部的岩体试样。本发明还提供了观察三维非定常浆液注浆过程的方法。本发明提供的三维非定常浆液注浆试验装置及方法的优点在于：结构简单，组装方便，便于直接观察浆液流动特定，具有良好的推广前景。具有良好的推广前景。具有良好的推广前景。


技术研发人员：孟庆彬 韩立军 田茂霖 金煜皓 朱合轩
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2018.09.20
技术公布日：2023/9/22