一种模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置和方法

技术领域

本发明属于矿井防治水注浆堵水技术领域，更具体地说，本发明涉及一种模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置和方法。

背景技术

随着煤炭开采深度的增加，煤层底板高承压地下水威胁着矿井安全，利用地面定向注浆钻孔对底板高承压含水层进行高压注浆改造是目前防治底板水害最有效的方法，其中注浆压力是一个重要技术指标，由于粘滞力和摩擦力等阻力的存在，沿程压力损耗导致孔内浆液压力小于孔口压力与液柱压力之和，影响浆液压力损失的因素主要包括浆液粘度(比重)、所处压力阶段、注浆流量、钻孔长度、裂隙开度等；另外，高注浆压力下会使地层中裂隙张开度更大，甚至与其他裂隙或者巷道、采空区贯通，产生注浆“短路”现象，造成孔内压力重分布。由于钻孔长(1500～2000m)、注浆压力高(大于20MPa)，而现有的压力传感监测仪器无法下入如此深的钻孔，且无法承受如此高的压力，因此无法实现在注浆钻孔内监测沿程压力损失。开发一种可模拟长距离水平钻孔高压注浆沿程压力损失的试验装置尤为重要。

发明内容

本发明主要目的是提供一种模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置和方法，该试验系统能够模拟不同比重、不同注浆流量下水泥注浆浆液在长距离钻孔中的沿程压力损失，以及在不同裂隙开度下发生注浆“短路”时孔内的压力分布，以解决现有技术无法实测注浆钻孔内压力分布问题，从而指导注浆工程中注浆参数的选择与调整。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置，设置：依次连接的注浆系统、水平钻孔注浆模拟系统和末端压力控制系统，在水平钻孔注浆模拟系统上并联设置缩径模拟系统3，分支串联设置短路模拟系统，水平钻孔注浆模拟系统用于模拟正常注浆工况下的沿程压力损失，短路模拟系统模拟注浆短路工况下的沿程压力损失，缩径模拟系统模拟塌孔缩径工况下的沿程压力损失。

可选的，所述的注浆系统，设置制浆池、吸浆管和注浆泵，注浆泵上设置第一压力表。

可选的，所述的水平钻孔注浆模拟系统设置输浆管，输浆管与注浆泵连接，输浆管上依次间隔设置第二压力表、第三压力表和第一流量表，第一流量表后的输浆管设置分支管，连接缩颈模拟系统，且在该分支管上设置第二球阀；之后，输浆管上还设置第一球阀和第一三通，第一三通两端连接输浆管，第三端连接短路模拟系统；第一三通后的输浆管设置另一个分支管，也与缩颈模拟系统连接，形成回路；缩颈模拟系统后的输浆管上还设置第四压力表和第二流量表。

可选的，所述的输浆管为16MPa钢丝编织胶管，单根长度10或20m，胶管之间通过直通快速接头连接。

可选的，所述的缩径模拟系统设置并联的第一缩颈模拟管路和第二缩颈模拟管路；第一缩颈模拟管路通过设置的第二三通和第三三通连接第一缩颈管实现，第一缩颈管上设置第三球阀；第二缩颈模拟管路通过第一直角变径接头和第二直角变径接头连接第二缩颈管实现，第二缩颈管上设置第四球阀。

可选的，所述的短路模拟系统，包括设置在输浆管上的控制分流量的第三流量表、第五压力表、第五球阀和可调裂隙模拟器。

可选的，所述的可调裂隙模拟器设置容纳腔，容纳腔的侧壁上设置限位槽，限位槽上卡设限位板，限位板上通过球形连接头连接旋转调节杆，旋转调节杆与容纳腔的顶板通过螺纹结构穿过连接。

可选的，所述的短路模拟系统通过调节限位板在限位槽内的高度，模拟不同裂隙开度，裂隙开度可按下式计算：

q＝Q/B；

式中：b裂隙开度，m；μ水泥浆液动力粘滞系数，N·s/m

一种模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验方法，所述的试验方法采用本发明任一所述的模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置完成；

步骤一：模拟正常注浆工况下的沿程压力损失

打开第一球阀和闸阀，关闭第二球阀和第五球阀；

按照试验设计参数进行试验，末端压力通过闸阀调整，观测第五压力表的读数即为末端压力；流量通过注浆泵调整，浆液比重通过制浆池调整；

步骤二：模拟注浆短路工况下的沿程压力损失

打开第一球阀和第五球阀，打开闸阀，关闭第二球阀；

按照试验设计的参数进行试验，分流量通过可调裂隙模拟器调整，通过第三流量表观测；

步骤四：模拟塌孔缩径工况下的沿程压力损失

管路内径的关系：输浆管＞第一变径管＞第二变径管；关闭第一球阀和第五球阀，打开第二球阀和第三球阀或第四球阀，打开闸阀。

可选的，还包括试验方案设计，选择流量、浆液比重、末端压力、管路直径和分流量五个因素，每个因素设置三个水平，试验设计如下表：

表1

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

设计新颖，操作便捷，试验系统采用模块化组装方式，可灵活调整各组件位置；采用耐高压部件，模拟效果更接近实际情况；可实现浆液比重、注浆流量、钻孔长度、裂隙开度、注浆短路位置、缩径程度等多主控因素下注浆压力损失的模拟。

附图说明

图1是本发明的水平注浆钻孔沿程压力损失的模拟试验装置结构图；

图2是图1中的可调裂缝模拟器的右视剖视图；

图3是图1中的可调裂缝模拟器的正视剖视图；

图4是正常注浆工况下末端无压时水泥浆在250、160和90L/min流量下的沿程压力损失曲线；

图5是正常注浆工况下流量250L/min时不同末端压力下沿程压力损失曲线；

图6是正常注浆工况下末端1MPa流量250L/min下各比重水泥浆沿程压力损失曲线；

图7是注浆“短路”工况下不同分流量下的沿程压力损失曲线；

图中：1-注浆系统、11-制浆池、12-吸浆管、13-注浆泵、14-第一压力表；

2-水平钻孔注浆模拟系统、21输浆管、22-第二压力表、23-第三压力表、24-第一流量表、25-第一球阀、26-第一三通、27-第四压力表、28-第二流量表、29-第二球阀；

3-缩径模拟系统、31-第一缩颈模拟管路、311-第二三通、312-第三球阀、313-第一缩颈管、314-第三三通；32-第二缩颈模拟管路、321-第一直角变径接头、322-第四球阀、323-第二缩颈管、324-第二直角变径接头；

4-短路模拟系统、41-第三流量表、42-第五压力表、43-第五球阀、44-可调裂隙模拟器、441-容纳腔、4411-限位槽、442-限位板、443-旋转调节杆、444-球形连接头；

5-末端压力控制系统；51-第六压力表、52-闸阀。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明要解决地面定向注浆钻孔中沿程压力衰减及发生注浆短路、塌孔缩径后孔内压力分布问题。试验系统包括制浆池、泥浆泵、输浆管、变径管、压力表、流量计、闸阀、球阀、可调裂隙模拟器等主要部件。在制浆池配制设计比重的水泥浆液，通过泥浆泵加压注入输浆管，利用装置末端闸阀控制输浆管末端压力来模拟不同注浆压力阶段孔内压力分布情况；通过调整比重模拟不同浆液比重下各注浆压力阶段孔内压力分布情况。可调裂隙模拟器可以模拟受注岩体中的裂隙，裂隙开度可通过分流量、压力及浆液比重、动力粘滞系数计算得出，通过调整分流管上的闸阀大小来模拟不同裂隙开度下注浆短路后孔内压力分布情况。通过并联的管路系统实现管径快速切换，模拟塌孔缩径情况下的沿程压力损失和局部压力损失。

注浆短路指的是在水平钻孔注浆过程中，随着孔内压力的升高，地层中原本闭合的裂隙被劈裂打开，钻孔虽未揭露但已接近的裂隙被击穿沟通，浆液在中途进入这些新的裂隙通道，产生注浆短路现象。注浆短路会造成钻孔内注浆压力重新分布，短路点之后的注浆压力会大幅降低，造成注浆不充分，治理效果变差。

本发明的模拟水平钻孔注浆沿程压力损失的试验装置，按照图1的方式连接装置，试验装置包括四个系统：依次连接的注浆系统1、水平钻孔注浆模拟系统2和末端压力控制系统5，在水平钻孔注浆模拟系统2上并联设置缩径模拟系统3，分支串联设置短路模拟系统4，水平钻孔注浆模拟系统2用于模拟正常注浆工况下的沿程压力损失，短路模拟系统4模拟注浆短路工况下的沿程压力损失，缩径模拟系统3模拟塌孔缩径工况下的沿程压力损失，本发明给出的试验装置设计新颖，操作便捷，试验系统采用模块化组装方式，可灵活调整各组件位置；采用耐高压部件，模拟效果更接近实际情况；可实现浆液比重、注浆流量、钻孔长度、裂隙开度、注浆短路位置、缩径程度等多主控因素下注浆压力损失的模拟。

注浆系统1，设置制浆池11、吸浆管12和注浆泵13(三个档位)，注浆泵13上设置第一压力表14。

水平钻孔注浆模拟系统2，设置输浆管21，输浆管21与注浆泵13连接，输浆管21上依次间隔设置第二压力表22、第三压力表23和第一流量表24，第一流量表24后的输浆管21设置分支管，连接缩颈模拟系统3，且在该分支管上设置第二球阀29；之后，输浆管21上还设置第一球阀25和第一三通26，第一三通26两端连接输浆管21，第三端连接短路模拟系统4；第一三通26后的输浆管21设置另一个分支管，也与缩颈模拟系统3连接，形成回路；缩颈模拟系统3后的输浆管21上还设置第四压力表27和第二流量表28；本发明的输浆管21为16MPa钢丝编织胶管，单根长度10或20m，胶管之间通过直通快速接头连接。

缩径模拟系统3，设置并联的第一缩颈模拟管路31和第二缩颈模拟管路32；第一缩颈模拟管路31通过设置的第二三通311和第三三通314连接第一缩颈管313实现，第一缩颈管313上设置第三球阀312；第二缩颈模拟管路32通过第一直角变径接头321和第二直角变径接头324连接第二缩颈管323实现，第二缩颈管323上设置第四球阀322。

结合图2和3，短路模拟系统4，包括设置在输浆管21上的控制分流量的第三流量表41、第五压力表42、第五球阀43和可调裂隙模拟器44。可调裂隙模拟器44设置容纳腔441，容纳腔441的侧壁上设置一定高度的限位槽，限位槽上卡设限位板，限位板上通过球形连接头连接旋转调节杆，旋转调节杆与容纳腔441的顶板通过螺纹结构穿过连接，这样通过旋转调节杆的转动实现竖向的位移改变，球形连接头一方面保证旋转调节杆与限位板的连接，另一方面不会限制旋转调节杆的转动，这样限位板在旋转调节杆的带动下沿限位槽在一定高度范围内移动，从而改变容纳腔441的容纳体积，进而模拟不同的裂隙宽度，控制由输浆管21留来的浆液流量。

末端压力控制系统5，包括设置在输浆管21尾端的控制末端压力的闸阀52和第六压力表51。

本发明中如无特殊说明，所用的压力表量程均为0～20MPa，按一定间隔均匀安装在输浆管21上。

本发明中如无特殊说明，所用的流量表为电磁流量计，量程3.12～46m

短路模拟系统4通过调节限位板在限位槽内的高度，模拟不同裂隙开度，裂隙开度可按下式计算：

q＝Q/B；

J＝P/L；

式中：b裂隙开度，m；μ水泥浆液动力粘滞系数，N·s/m

模拟水平注浆钻孔沿程压力损失的试验方法，采用上述试验装置模拟过程包括：

步骤一：设计试验方案

对于水泥浆而言，沿程压力损失的主要影响因素是流量、浆液比重和末端压力，局部压力损失的影响因素是流量、浆液比重和管路直径。因此，为了模拟正常注浆、注浆“短路”、塌孔缩径三种工况下的沿程压力损失，选择流量(250L/min、160L/min、90L/min)、浆液比重(1.2、1.4、1.5)、末端压力(0MPa、1MPa、2MPa)、管路直径(50mm、40mm、32mm)和分流量(0m

表1

步骤二：模拟正常注浆工况下的沿程压力损失

打开第一球阀24和闸阀52，关闭第二球阀29和第五球阀43。

按照步骤一中的试验设计表中序号1～9的参数进行试验。末端压力通过闸阀52调整，观测第五压力表51的读数即为末端压力。流量通过注浆泵13调整。浆液比重通过制浆池11调整。例如试验序号1的具体操作如下：

(1)开启制浆池11，调整浆液比重为1.2；

(2)待浆液配制完成后，打开注浆泵13设置流量为250L/min，开始输浆；

(3)将闸阀52全部打开，末端压力为0MPa；

(4)待各压力表和流量表读数稳定后记录数据。记录管路上不同距离处压力表的压力，以距离为横坐标、压力为纵坐标，分别以流量、浆液比重、末端压力为变量绘制各系列曲线，得到不同影响因素下沿程压力损失的模拟结果。

其余序号2～8的试验方法同上。

步骤三：模拟注浆短路工况下的沿程压力损失

打开第一球阀25和第五球阀43，打开闸阀52，关闭第二球阀29。

按照步骤一中的试验设计表中序号10～13的参数进行试验。分流量通过可调裂隙模拟器44调整，通过第三流量表41观测。例如序号10的试验方法如下：

(1)配置比重1.4的水泥浆浆；

(2)调整注浆流量为250L/min；

(3)打开闸阀52，末端压力为0MPa；

(4)转动旋转调节杆443调节可调裂隙模拟器44，使得第三流量表41的读数为4m

(5)待各压力表、流量表读数稳定后记录数据。记录管路上不同距离处压力表的压力、分流流量，以距离为横坐标、压力为纵坐标，分别以分流量、浆液比重、末端压力为变量绘制各系列曲线，得到注浆短路工况下沿程压力损失的模拟结果。

序号11～13的试验方法同上。

步骤四：模拟塌孔缩径工况下的沿程压力损失

管路内径的关系：输浆管21(50mm)＞第一变径管313(40mm)＞第二变径管323(32mm)；

关闭第一球阀25和第五球阀43，打开第二球阀29和第三球阀312(或第四球阀323，根据设计需要的管路内径调整)，打开闸阀52。例如序号14的试验方法是：

(1)配置比重1.4的水泥浆液；

(2)打开第三球阀312，关闭第四球阀323；

(3)调整注浆流量为250L/min，开始输浆；

(4)打开闸阀52，末端压力为0MPa；

(5)待各压力表、流量表读数稳定后记录数据。记录管路上不同距离处压力表的压力、分流流量，以距离为横坐标、压力为纵坐标，分别以浆液比重、末端压力、管路直径为变量绘制各系列曲线，得到塌孔缩径工况下沿程压力损失的模拟结果。

序号15～17的试验方法同上。

步骤五：整理分析试验数据

通过试验数据绘制各种工况下的沿程压力衰减曲线。具体做法是采用控制变量法，以距离为横坐标、压力为纵坐标绘制沿程压力损失曲线。例如：绘制流量作为自变量的沿程压力损失曲线，可选择末端压力在某一固定水平下，忽略浆液比重，在同一图中绘制三条曲线。部分试验结果如图4～图7所示：

1)正常注浆工况下末端无压水泥浆在250、160和90L/min流量下的沿程压力损失曲线如图4，流量越大压力损失越大，损失速率也越大。

2)正常注浆工况下流量250L/min时不同末端压力下沿程压力损失曲线如图5，可知恒定注浆流量下，末端压力越高注浆压力越高，压力损失量前程大于后程，压力损失速率随孔深减小，不同末端压力下呈现相似的规律。

3)正常注浆工况下末端1MPa流量250L/min下各比重水泥浆沿程压力损失曲线如图6，比重越大压力损失略有增大。

4)注浆短路工况下不同分流量下的沿程压力损失曲线如图7，分流量越大管路内整体压力越低，末端无压段长度随分流量增大而增加。

同一工况下各因素重要程度的比较通过压力损失的极差确定。即根据上述绘制的曲线计算某一因素不同水平下压力损失最大值与最小值的差，该差值越大说明因素的影响程度越大，该因素也越重要。

通过本试验装置和方法得到的结果，分析可知，地面定向孔注浆沿程压力损失呈现流量越大压力损失越大，损失量前程大后程小，损失速率随孔深递减的特征，不同末端压力呈现相似规律。中途发生注浆短路时沿程压力将整体降低，越早衰减至零压，孔内无压段长度随分流量增大。区域治理钻孔孔深应根据注浆终压选择，不宜过长，同时应对异常构造、巷道底板进行试压，确保注浆不出现注浆“短路”现象。塌孔缩径将出现局部巨大压力差，使得缩径段后面钻孔注浆压力急剧降低，对注浆改造治理效果产生不良影响，因此钻孔应保证足够的顺层率，保证在坚硬的灰岩中钻进避免塌孔缩径。

上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。