[发明专利]水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及矿山建设领域，特别涉及水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆性能试验装置及方法。

背景技术

冻结法凿井是采用人工制冷的方法，在井筒周围含水岩土层形成封闭的冻结壁，以抵挡水土压力，隔绝地下水和井筒的联系，确保井筒掘砌安全的一种特殊工法。1880年德国工程师Poetsch提出了人工地层冻结原理，并于1883年成功应用于德国阿尔巴里德煤矿井筒施工，英国、波兰、前苏联、加拿大等国家广泛采用。1955年，我国从波兰引进冻结法凿井技术，首次应用于开滦林西风井，并获得了成功。其后，随着人工制冷技术的发展和冻结施工工艺日趋完善，该工法已成为矿山井筒穿越不稳定含水地层最有效的施工方法之一。

20世纪80年代以来，在大屯、徐州、淮北、兖州、永夏等矿区已有大量矿井发生了厚表土层中井壁破裂灾害，它们有的发生在井筒施工中，有的发生在矿井投产后，轻者停工停产，重者透水淹井，严重的制约了我国深立井建设的进一步发展。对井壁破裂机理的研究，形成了竖直附加力假说、采动影响假说、新构造运动假说等。大量理论分析，数值模拟和现场实测研究的成果支持了竖直附加力假说：特殊地层含水层因开采，以及冻结管拔除后的融沉而引起上覆土体下沉。土体在沉降过程中与井壁相互作用，施加于井壁外表面一个附加力系。该力增长到一定值时，混凝土井壁因不能承受而遭破坏。井壁破裂是厚表土层与井壁结构相互作用的结果，因此井壁破裂治理方法主要有井壁加固和地层加固两类。对处理井壁的方法已有大量的研究，主要包括：槽钢井圈喷混凝土加固法，加套井壁法，开槽卸压法。对地层进行处理的方法主要有：壁后注浆和地面注浆加固。对地层注浆目的是封堵井筒周边含水地层的水利通道，阻滞含水地层疏水，可以减缓、减少井筒周边地层的沉降，降低立井井壁所受到的竖向附加力。对冻结井筒表土段进行注浆修复主要是对冻融后的含水层进行注浆，必须考虑冻融扰动后含水层的注浆性能，立井冻结施工过程中的注浆修复还必须考虑温度的影响，关于非冻融扰动含水地层的注浆试验以及动水渗流注浆试验已有大量的研究。但目前针对于人工冻结扰动土注浆性能的实验装置及方法还没有形成系统的理论。特别是涉及到水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆性能试验装置及方法尚无报道。开展此方面的研究迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆性能试验装置及方法，能够填补目前尚无考虑冻结扰动后土体注浆效果和性能的试验装置和方法的空白，实现水热力(即渗流-温度-应力)三场耦合下土体的冻结和冻结融沉扰动后土体的注浆效果的研究。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种水热力三场耦合人工冻结扰动土注浆性能试验装置，所述试验装置包括高压容器、加压系统、高压注水装置和高压出水装置，其中：所述高压容器包括筒体、上盖和底盖，所述上盖和底盖分别覆盖所述筒体的两端部，所述筒体的内部用于容纳需要冻结与注浆的土体，所述上盖开有多个孔，分别供所述加压系统、注浆管和冻结管进入所述筒体的内部，所述注浆管外连注浆系统，所述冻结管外连冻结系统；所述加压系统包括加压装置、加压杆和加压塞，所述加压装置位于所述筒体的外部，所述加压杆的上端与所述加压装置连接，所述加压杆的下端与所述加压塞连接，所述加压塞位于所述筒体的内部并覆盖所述筒体的整个横截面；所述筒体的上部和下部均安装有一个渗流接头，位于所述筒体上部的所述渗流接头在所述筒体外的部分连接于所述高压注水装置、在所述筒体内的部分连接有供水板，位于所述筒体下部的所述渗流接头在所述筒体外的部分连接于所述高压出水装置；所述土体的内部埋设有传感器，所述传感器通过数据线经设置在所述筒体上的引线孔引出所述筒体。

进一步地，在上述试验装置中，所述高压容器为圆柱体，所述上盖为中部较厚外周较薄的圆盘，所述上盖的圆心处设置有一个加压杆孔，所述加压杆孔供所述加压杆穿过，由所述加压杆孔沿所述上盖的半径向外依次分布有两圈孔，两圈所述孔中的内圈孔为注浆管孔、外圈孔为冻结管孔；

优选地，在所述加压杆的上端还安装有位移计；

优选地，所述上盖的外周开有多个螺栓孔，所述筒体的上端部向筒外延伸形成凸台，所述凸台上也开有多个螺栓孔，螺栓依次穿过所述外周和所述凸台的螺栓孔将所述上盖与所述筒体固定；

优选地，每个所述孔及所述上盖与所述筒体的接触处均通过密封圈进行密封，且每个所述孔在所述筒体和所述上盖的表面处使用环氧树脂进行二次密封；

优选地，所述底盖为等厚度圆盘，所述底盖与所述筒体焊接密封。