[发明专利]动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置与方法

说明书

本发明公开了一种动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置及方法，装置包括实验箱体、水压控制加载系统、垂直、侧向液压加载机构、双液化学注浆系统和与计算机连接的测试系统。方法采用在实验箱体内填充煤系地层物理相似模拟材料、隔水地层以及一定高度的含水层的工程地质力学实验模型，在循环动水压力、垂直与水平侧向应力条件下密闭地进行含水层注浆堵水加固可视化物理模拟试验，获取或定量描述和分析动水条件下含水砂岩层或流沙层内部双液化学浆液的扩散规律，实现相似涌水或突水条件下双液组分化学注浆堵水过程可视化模拟试验。该方法能有效认识和揭示开采动水条件下浆液的扩散与固结特征，确定合理注浆堵水参数并对注浆效果进行评价。

技术领域

本发明涉及煤矿动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置与方法，能够较好地模拟煤矿井巷工程流沙层段围岩体变形破坏规律，化学注浆加固堵水机理与控制效果。属矿井围岩灾害防治领域。

背景技术

随着地下煤矿开采深度增加、工程地质环境的恶化，经常会遇到涌水、流砂、淤泥等不良(有害)地层，易导致巷道顶板垮落、片帮、冒顶且造成永久支护的下沉变形，造成掘进施工条件进一步恶化，施工难度极大。同时围岩体中的节理、采动裂隙、不良地质构造等为地下水体提供了良好的导水通道，更易导致矿井涌水量突变增加甚至造成矿井水灾害，给工作面安全生产和正常掘进均带来较大巨大挑战。注浆堵水加固成为地下煤矿开采工程领域内大流量涌水灾害治理的主要手段，传统的颗粒型注浆材料，如水泥类，水泥-水玻璃类注浆材料可注性差，在动水条件下传统水泥浆液容易稀释、分散，越来越难以满足工程需要；而粘度低、流动性好，可注入微裂隙、具有较大的凝固时间调节范围的化学注浆材料近年来越来越多地应用于煤矿井下涌水工程治理中。

由于地下工程一般具有较为复杂的工程地质结构，长期以来，注浆加固施工工艺多依赖传统经验，浆液扩散与岩层固结规律、注浆效果由于裂隙介质非均质性、各向异性的特征，给注浆参数确定和效果评价带来一定的困难，开展相应的注浆过程可视化物理模型模拟试验的研究相对较少。

发明内容

本发明提供一种动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置与方法，目的在于通过这种方法实现相似涌水或突水条件下双液组分化学注浆堵水过程可视化模拟试验；能有效认识和揭示开采动水条件下浆液的扩散与固结特征，确定合理注浆堵水参数并对注浆效果进行评价，为进一步深入研究注浆堵水工艺及矿井水灾害治理技术提供理论基础。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供了一种动水流砂地层加固注浆扩散规律可视化模拟实验装置，包括一个自平衡反力架，一个设置在自平衡反力架下方的地层模型实验箱体，地层模型实验箱体内设有按照一定相似比例铺装的工程地质力学实验模型；在地层模型实验箱体的后侧和自平衡反力架下方分别设有侧部液压加载机构和顶部液压加载机构；在地层模型实验实验箱体两侧分别设有与渗流水压加载系统循环管道相连通的渗流进水通道；还包括一个与双液化学注浆系统相连、并延伸到地层模型实验箱体内的注浆管；在地层模型实验箱体上和工程地质力学实验模型内部分别设有连接到数据采集与控制系统的传感器；通过对地层模型实验箱体和其内的工程地质力学实验模型的施加机械压力和循环稳定水压力，进一步对注浆堵水加固效果进行评价。

进一步，所述顶部液压加载机构包括与液压加载控制系统相连的垂向作动器，垂向作动器连接活动推力隔板，活动推力隔板上设置若干个可进入地层模型实验箱体的圆形钻孔；所述侧部液压加载机构包括与液压加载控制系统相连的侧向作动器，侧向作动器连接外加推力隔板。

进一步，所述自平衡反力架外形尺寸为框型架，框型架的顶部和侧向分别设有与液压加载控制系统相连的垂向作动器和侧向作动器。

进一步，所述地层模型实验箱体为刚性框架结构，箱体的前面由多个透明钢化玻璃板拼装组成，玻璃板之间通过刚性条连接，玻璃板与板之间，玻璃板与刚性条之间分别设置有塑料密封条；箱体的后面采用宽为100mm，长为2500mm槽钢拼接而成，槽钢之间设有塑料密封条，外加推力隔板施压在槽钢上。