实时监测浆液扩散范围的注浆模拟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及煤岩开采模拟技术，更具体的说，涉及一种实时监测浆液扩散范围的注浆模拟实验装置及方法。

背景技术

煤岩散体在煤矿及其它矿山分布非常广泛，一方面，在节理、层理、裂隙等结构面非常发育的煤岩散体中开掘巷道，围岩自稳时间短、破碎范围大、变形强烈；另一方面，对于高地应力、受强烈采动影响的巷道，掘巷后围岩会产生明显离层、滑动，原生裂隙张开，并出现新的裂纹，导致围岩松散、破碎，破坏范围大，变形剧烈；另外，在旧采残煤复采时会遇到大量采空区或空巷，这些采空区或空巷内堆积大量煤岩散体，对开掘巷道和工作面回采都会造成严重影响。

注浆是体煤岩散体的有效加固方法，在煤矿井下围岩控制中得到广泛应用。但是，由于煤岩散体地质条件的复杂性，注浆加固影响因素的多样性，导致注浆工程实践一直领先于注浆理论研究，注浆参数大多依靠经验确定，明显影响了注浆加固的科学性、合理性与可靠性，因此展开注浆加固实验研究势在必行，其中实验装置是实验室研究的重要保障。对注浆加固效果的评价因素很多，其中浆液扩散范围又是对注浆效果评价的一项重要指标，对于指导现场注浆具有很强的指导意义，公开号CN106885758A公开了一种可视化劈裂注浆扩散过程模拟试验装置及使用方法通过选用透明颗粒材料模拟自然土体颗粒，通过激光仪、数码相机透过透明试验箱进行数据采集以达到可视化注浆模拟，但该方法中透明颗粒材料的选用如何与自然土体对应存疑且对于激光仪等监测仪器的要求较高；公开号CN108519308B公开了一种贯通裂隙岩体注浆浆液扩散试验方法，该方法基于现场观测参数。利用3D打印技术构造中空的岩体裂隙骨架，在每个裂隙表层、端部、交汇点铺设监测元件，借助PC端及热感仪观测注浆过程，待注浆结束后拆除装置观察浆液在裂隙内的扩散形式，该方法的提出重点在于提前预制裂隙骨架，对于煤岩散体无规律裂隙的模拟参考性不高。

综合以上分析，现有实验装置主要采用设置透明板或试验后将试件劈开的方法确定浆液的扩散范围，设置透明板很难确定试件内部浆液扩散范围，选用透明颗粒代替煤岩散体虽然可以观察内部浆液扩散范围但对注浆模拟实验的有效性影响较大，而将试件劈开又存在将试件破坏的风险，因此亟需一种能够在实验过程中实时自动监测浆液扩散范围的装置。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种实时监测浆液扩散范围的注浆模拟实验装置及方法，该发明在布线网上安装导电片，利用注浆浆液导电性，浆液扩散至导电片位置时信号接通，实现浆液流动扩散的实时监测，煤岩散体降低了透明颗粒对实验有效性的干扰，提高实验结果的准确性，避免试件被破坏。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种实时监测浆液扩散范围的注浆模拟实验装置，包括注浆试验操作台、注浆桶和用于放置煤岩散体的试验箱，试验箱通过注浆管与注浆桶连接，试验箱内设置若干绝缘的布线网，布线网水平铺设在煤岩散体中；导电片包括正极电片和负极电片，正极电片位于试验箱与注浆管的接口处，负极电片位于布线网的连线交叉点，所有导电片通过信号线与注浆试验操作台连接。

进一步，注浆桶置于支架上，注浆桶底部高于试验箱的顶部。

进一步，注浆管的管体上设置用于控制注浆的开启与结束的压力阀。

进一步，试验箱为钢化玻璃板组装的可拆卸式箱体。

一种实时监测浆液扩散范围的注浆模拟实验方法，基于上述的实时监测浆液扩散范围的注浆模拟实验装置完成，浆液在煤岩散体中扩散，通过浆液的导电性对注浆过程中浆液的流动及扩散范围进行实时监测，包括以下步骤：

步骤1. 组装试验箱，将负极电片固定在布线网上，试验箱内装入煤岩散体，并在煤岩散体中水平铺设若干布线网，所有导电片通过信号线连接注浆试验操作台；

步骤2. 注浆桶内注入浆液，并将注浆桶置于支架上，注浆管连接注浆桶和试验箱；

步骤3. 在注浆试验操作台输入浆液参数、负极电片的数量和位置，以及采样周期，所有负极电片在每个采样周期内全部重复检测并记录导通状态；

步骤4. 打开压力阀开始向试验箱内注浆，待浆液流动至最底层的布线网，3个周期内无新增导通的负极电片，则认定注浆结束，在注浆试验操作台导出试验结果，根据注浆过程中已导通的负极电片的位置和电路连通时间，确定浆液在煤岩散体中扩散流动的范围。

进一步，布线网在煤岩散体中等间距分布。

综上所述，发明具有以下有益效果：

本发明通过调整注浆桶的高度以保持注浆过程中稳定的注浆压力，利用注浆浆液的导电性，在布线网上安装负极电片，通过信号线与注浆试验操作台连接，进行注浆实验时，通过记录浆液扩散至导通的负极电片的位置和时间，实现对注浆模拟实验中浆液流动扩散的实时监测。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明安装有导电片的布线网结构示意图。

图中：1-注浆试验操作台，2-信号线，3-布线网，4-导电片，5-试验箱，6-注浆桶，7-压力阀，8-注浆管，9-支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1~2所示，本发明公开了一种实时监测浆液扩散范围的注浆模拟实验装置，包括注浆试验操作台1、注浆桶6和用于放置煤岩散体的试验箱5，试验箱5为钢化玻璃板组装的可拆卸式箱体，试验箱5可根据试验要求设置不同规格尺寸，试验箱5通过注浆管8与注浆桶6连接，图1所示的实施例中，试验箱5与注浆管8的连接端位于试验箱5的顶部，有利于浆液在煤岩散体中流动扩散，注浆桶6置于支架上，支架可选用高度可调的脚手架，脚手架高度根据注浆试验要求的注浆压力进行调整，注浆桶6底部高于试验箱5的顶部，提升注浆桶6的高度能够通过压力差控制注浆压力的大小，避免注浆泵压力不稳定引起的注浆压力变化而造成的试验误差，注浆管8的管体上设置用于控制注浆的开启与结束的压力阀7；试验箱5内设置若干绝缘的布线网3，所有布线网3水平铺设在煤岩散体中，布线网3在煤岩散体中等间距分布，以实现布线网3的分层设置，本实施例中，布线网3选用橡胶网，避免对浆液流动扩散造成阻滞，影响试验结果精确性。

导电片包括正极电片和负极电片4，正极电片位于试验箱5与注浆管8的接口处，负极电片4位于布线网3的连线交叉点，负极电片4的数量和位置可根据使用需求进行调整，负极电片4均匀分布，每个布线网3的负极电片4数量一致，有利于后期数据统计与处理，通过浆液扩散流动至负极电片4的位置导通正极电片和负极电片4，导电片通过信号线2与注浆试验操作台1连接，注浆试验操作台1通过计算机设置浆液参数、负极电片4的数量和采样周期，注浆过程中，浆液首先通过正极电片，并在煤岩散体中扩散至不同位置的负极电片4处，利用浆液导电性连通正极导电片和浆液扩散位置处的负极电片4，此负极电片与正极电片之间连通产生电流，注浆试验操作台1记录负极电片4的位置信息、电路接通时间，实现注浆过程中对浆液流动及扩散范围的实时监测，注浆试验操作台1将导电片传输的电信号转化为图像信息，将不同时刻的浆液流动信息储存，转换为视频或图像结果，并在注浆试验操作台1的计算机中显示。

本发明还公开了一种实时监测浆液扩散范围的注浆模拟实验方法，基于实时监测浆液扩散范围的注浆模拟实验装置完成，浆液在煤岩散体中扩散，通过浆液的导电性对注浆过程中浆液的流动及扩散范围进行实时监测，包括以下步骤：

步骤1. 组装试验箱5，将负极电片4固定在布线网3上，试验箱5内装入煤岩散体，并在煤岩散体中水平铺设若干布线网3，布线网3等间距分布在试验箱5内的煤岩散体中，布线网3与煤岩散体分层放置在试验箱5内，所有导电片通过信号线2连接注浆试验操作台1。

步骤2. 注浆桶6内注入浆液，并将注浆桶6置于支架9上，支架9的高度根据所需注浆压力调整，注浆管8连接注浆桶6和试验箱5。

步骤3. 在注浆试验操作台1输入浆液参数、负极电片4的数量和位置信息，以及采样周期，注浆试验操作台1输入的浆液参数用于记录本次注浆试验方案，在多次注浆试验时用以区分不同试验方案，避免输出结果混淆，所有负极电片4在每个采样周期内全部重复检测并记录导通状态，通过不同采样周期内已导通的负极电片4的位置，能够确定浆液在对应的采样周期内的扩散范围。

步骤4. 打开压力阀7开始向试验箱5内注浆，待浆液流动至最底层的布线网3，3个周期内无新增导通的负极电片4，则认定注浆结束，在注浆试验操作台1导出试验结果，根据注浆过程中导通的负极电片4的位置和电路连通时间，确定浆液在煤岩散体中扩散流动的范围，确定浆液的流动实时特征。

本发明在注浆过程中，通过调整注浆桶6的高度以保持稳定的注浆压力；利用浆液的导电性，通过记录浆液扩散至不同导电片的位置和时间，实现浆液流动扩散过程的实时监测，操作简单，应用于不同煤岩散体的注浆扩散试验。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。