一种采空区离层多层位注浆地表沉陷控制试验装置及方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种采空区离层多层位注浆地表沉陷控制试验装置及方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

煤炭资源连续高强度开采，部分矿区煤炭资源日渐枯竭，开采后形成地表沉陷，地面建筑物损坏、道路损毁、土地废弃、潜水环境恶化等生态环境问题日益突出。近年来，覆岩离层注浆减沉技术已成为解决上述问题的有效技术途径之一，覆岩离层注浆是充分利用煤层开采后的离层空间，将充填材料通过地面钻孔注入离层区域，减缓岩层弯曲下沉，减轻地表沉陷，有效实现了地下开采与地面注浆充填平行作业，互不干扰，具有成本低、煤炭回采率与生产效率高，适合高产能等特点。目前，有学者对于覆岩离层注浆充填理论和数值模型进行了研究，由于众多影响条件制约现场实测和实践研究，因此亟需设计一套能够模拟实际生产条件下覆岩离层注浆的装置，从而跟已有理论及数值模拟研究间进行验证和修正，为煤矿提供可靠的充填开采依据。

公开号CN114351685A的专利公开了一种覆岩离层注浆地表沉陷控制方法及其注浆装置，该发明针对现有离层注浆技术进行改进，采用定向钻孔技术与真空负压技术，对离层空间进行注浆，满足超长泵送要求与支护减沉需求，但该装置研究对象仅为小尺寸模型，装置较简单，功能较少，不能实现真实地层模拟；公开号CN113433132A的专利公开了一种模拟覆岩离层注浆充填的装置及方法，该装置能够根据试验场地灵活移动，可以模拟不同煤层倾角，根据设计改变箱体尺寸，能够根据开挖过程中离层区的出现位置灵活调整注浆管的位置，并且可以模拟多层位离层注浆和多个工作面同时进行离层注浆作业情况，但该装置虽能实现不同相似比模型，但未实现真三轴加载，仅为一种箱式小尺寸的离层注浆机制研究，真实地模拟现场实际情况的受力环境，而且模拟煤层开挖方法复杂。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的是提供一种采空区离层多层位注浆地表沉陷控制试验装置，以实现真三轴加载下的采空区离层多层位注浆的模拟试验，简化煤层开挖的模拟过程。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种采空区离层多层位注浆地表沉陷控制试验装置，包括：主体模拟单元和加载单元；所述主体模拟单元包括反力框架，所述反力框架包括六个面并具有中空腔室，在反力框架的左、右、上、后侧面均设置有加载油缸，所述加载单元与加载油缸连接；所述反力框架前、后侧面分别设置注水管和出水管，所述中空腔室底部设置煤层模拟材料，所述煤层模拟材料为NaHCO

优选的，所述反力框架由榀式单元框架组成，榀式单元框架由钢板焊接而成，榀式单元框架之间通过螺栓连接。

优选的，所述中空腔室的煤层模拟材料上侧设置多地层模拟材料，所述多地层模拟材料上侧设置路基；所述加载油缸的活塞杆连接承压板，所述承压板抵压在路基上。

优选的，还包括注浆单元，所述反力框架上侧面中间设置离层注浆管，上侧面两边设置帷幕注浆管，所述注浆单元与所述离层注浆管和帷幕注浆管连接。

优选的，所述离层注浆管和帷幕注浆管顶部均设置压力计和流量计，用来检测注浆压力和流量。

优选的，所述注浆单元包括离层注浆泵、帷幕注浆泵和两位两通电磁阀，所述离层注浆泵和帷幕注浆泵连接所述两位两通电磁阀一端，两位两通电磁阀另一端连接离层注浆管和帷幕注浆管。

优选的，所述反力框架底面左侧设置支座，所述支座底部固定于底面，支座顶部与反力框架转动连接；所述反力框架底面右侧通过斜撑加载油缸与固定于地面的旋转支撑连接，所述斜撑加载油缸与反力框架和旋转支撑均为转动连接。

优选的，还包括注水单元，所述注水单元包括水箱、水泵和控水电磁阀，水箱与水泵连接，控水电磁阀一端与水泵连接，另一端与注水管连接。

优选的，还包括监测单元，所述监测单元包括设置在中空腔室内的应力传感器、渗压传感器及位移传感器。

本发明实施例还提供了上述采空区离层多层位注浆地表沉陷控制试验装置的试验方法，包括：在反力框架的中空腔室内铺设模拟材料，铺设过程中在宽度方向两侧预埋若干帷幕注浆管，中部预埋离层注浆管；由加载单元控制加载油缸向采空区上覆岩层施加静荷载，模拟真实地应力状态，控制上部加载油缸施加动态荷载，以模拟公路车辆荷载；进行帷幕注浆，同时监测帷幕注浆过程中注浆压力、流量数据；控制注水管出水使NaHCO

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、本发明通过在反力框架三个方向上设置的加载油缸，实现了真三轴加载下的采空区离层多层位注浆的模拟试验装置，使模型处于三个主应力不相等的应力组合状态下，对模型施加三轴应力，可以更加真实地模拟现场实际情况的受力环境，实现采空区上部离层注浆地表沉陷控制全过程的检测。同时，通过在反力框架上设置主水管和出水管，配合NaHCO

2、本发明通过加载单元与加载油缸的配合，可实现对模型施加动载，模拟公路车辆荷载，从而获得注浆效果的评价。

3、本发明通过注浆单元配合帷幕注浆管可实现离层帷幕注浆的模拟，从而研究注浆帷幕对离层发展及离层注浆的影响。

4、本发明通过斜撑加载油缸、旋转支撑以及支座的配合调整反力框架的角度，便于进行倾斜地层的铺设，进行多角度地层的模拟。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例一的试验装置示意图；

图2是本发明实施例一的试验装置内部地层及管路布置图；

图3是本发明实施例一的注浆帷幕俯视图示意图；

图4是本发明实施例一的试验装置模拟煤层开挖形成采空区的状态变化图；

图5是本发明实施例一的试验装置的注浆单元示意图；

图6是本发明实施例一的试验装置的注水单元示意图；

图7是本发明实施例二的试验方法流程图；

图中：1.主体模拟单元，2.加载单元，3.注浆单元，4.注水单元，5.监测单元，1-1.路基，1-2承压板，1-3.离层注浆管，1-4.帷幕注浆管，1-5.煤层，1-6.加载油缸，1-7.出水管，1-8.注水管，1-9.斜撑加载油缸，1-10.旋转支撑，1-11.离层，1-12.压力计，1-13.流量计，1-14.注浆帷幕，1-15.反力框架，3-1.两位两通电磁阀，3-2.帷幕注浆泵，3-3.离层注浆泵，3-4.压力传感器，3-5.流量传感器，3-6.数据感知与控制系统，4-1.水箱，4-2.水泵。

为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

现有的试验装置均未能实现真三轴加载，未能实现模拟真实地层，而且模拟煤层开挖方法复杂，基于此，本发明提出一种采空区离层多层位注浆地表沉陷控制试验装置，可模拟采空区上覆地层塌陷条件下离层注浆加固及检测模型试验，揭示离层注浆加固控制机制，包括：主体模拟单元和加载单元；所述主体模拟单元包括反力框架，所述反力框架包括六个面并具有中空腔室，在反力框架的左、右、上、后侧面均设置有加载油缸，所述加载单元与加载油缸连接；所述反力框架前、后侧面分别设置注水管和出水管，所述中空腔室底部设置煤层模拟材料，所述煤层模拟材料为NaHCO

本发明通过在反力框架三个方向上设置的加载油缸，实现了真三轴加载下的采空区离层多层位注浆的模拟试验装置，可对模型施加三轴应力，可实现采空区上部离层注浆地表沉陷控制全过程的检测。同时，通过在反力框架上设置主水管和出水管，配合NaHCO

现有的试验装置中模型尺寸较小，而尺寸太小可能产生尺寸效应，无法真实模拟离层注浆加固全过程，本发明反力框架的尺寸为2.00m*1.54m*1.46m，内部模型尺寸1.3m*0.73m*0.73m，大尺寸反力框架由榀式单元框架组成，所述榀式单元框架由50mm钢板焊接而成，所述榀式单元框架之间由螺栓连接装配，形成了模型的内部空间，大尺寸反力框架减弱了尺寸效应带来的影响，使其更加接近真实的现场模拟。

大尺寸加载反力框架左、右、上、后4个面均安装有加载油缸，用来施加地应力，所述加载油缸通过前法兰安装在加载反力框架上，加载油缸的活塞杆连接承压板，承压板作用在模型表面。

现有试验装置无法进行离层注浆后公路车辆荷载的模拟，导致缺乏对注浆效果的评价，本发明中所述中空腔室的煤层模拟材料上侧设置多地层模拟材料，所述多地层模拟材料上侧设置路基；所述加载油缸的活塞杆连接承压板，所述承压板抵压在路基上。通过加载单元与加载油缸的配合，可实现对模型施加动载，模拟公路车辆荷载，从而获得注浆效果的评价。

现有的试验装置无法进行帷幕注浆的模拟，本发明设置注浆单元，所述反力框架上侧面中间设置离层注浆管，上侧面两边设置帷幕注浆管，所述注浆单元与所述离层注浆管和帷幕注浆管连接。通过注浆单元配合帷幕注浆管可实现离层帷幕注浆的模拟，从而研究注浆帷幕对离层发展及离层注浆的影响。

所述反力框架底面左侧设置支座，所述支座底部固定于底面，支座顶部与反力框架转动连接；所述反力框架底面右侧通过斜撑加载油缸与固定于地面的旋转支撑连接，所述斜撑加载油缸与反力框架和旋转支撑均为转动连接。通过斜撑加载油缸、旋转支撑以及支座的配合调整反力框架的角度，便于进行倾斜地层的铺设，进行多角度地层的模拟。

所述的监测单元包括计算机和流量传感器、压力传感器、温度传感器、油压传感器、位移传感器、相控阵超声探测器。所有传感器的输出信号线与计算机连接，用来监测模型内部数据变化。

本发明的试验装置有效地解决了当下采空区上覆地层塌陷对地上既有建筑、工程的显著影响破坏，威胁安全运营的一系列问题，可广泛应用于采空区塌陷地层离层注浆技术领域，为注浆设计与施工提供重要参考依据。

实施例一

下面将结合本发明实施例及附图，对本发明提供的用于高速公路采空区离层多层位注浆地表沉陷控制试验装置进行说明。

如图1所示一种大型真高速公路采空区离层多层位注浆地表沉陷控制试验装置，包括主体模拟单元1、加载单元2、注浆单元3、注水单元4、监测单元5。可进行采空区上覆地层塌陷条件下离层注浆加固模型试验，实现大尺寸采空区上覆岩层组合体内部注浆加固及注浆加固效果全过程的检测，揭示离层注浆加固控制机制与定向注浆浆脉网络成型机制。

主体模拟单元1为试验的主体，加载单元2为主体模拟单元1提供加载动力，注浆单元3可控制主体模拟单元1浆液的输送，注水单元4可控制主体模拟单元1注水的控制，监测单元5为多元物理信息检测系统用于监测主体模拟单元1模型内部数据变化。

如图2、3、4所示，主体模拟单元1包括大尺寸反力框架1-15、承压板1-2、离层注浆管1-3、帷幕注浆管1-4、加载油缸1-6、出水管1-7、注水管1-8、斜撑加载油缸1-9、旋转支撑1-10、压力计1-12和流量计1-13，内部铺设路基1-1、煤层1-5、可模拟离层1-11的产生、发展、及注浆治理，最终形成注浆帷幕1-14。大尺寸加载反力框架1-15由单元榀式框架组成，榀式单元框架之间由螺栓连接装配，大尺寸加载反力框架左、右、上、后4个面安装有液压油缸1-6，均安装于液压油缸前法兰上，左右油缸负责给左右方向施加应力，上面油缸负责给上下方向提供应力，后面油缸负责给前后方向提供应力，加载油缸的活塞杆连接承压板1-2，承压板1-2作用在模型表面，用于向煤岩组合体加载三轴应力。

加载油缸1-6由加载单元2(伺服液压加载控制系统，即液压站)控制，可实现加载油缸进行同步加载，或联动加载，或分动加载，加载油缸上设置有位移传感器，油路上的压力和油缸活塞加载位移实时通过计算机全数字伺服控制系统检测，实现对液压油缸的伺服控制。

离层注浆管1-3安装于大尺寸反力框架1-15上面中部，深入到地层中，通过注浆单元3向模型离层内部进行注浆，压力计1-12和流量计1-13安装在注浆管外部，用来检测注浆压力和流量。帷幕注浆管1-4安装于大尺寸反力框架1-15上面两侧，数量若干，通过注浆单元3向模型离层的两侧进行帷幕注浆。注水管1-8和出水管1-9分别位于模型的前、后面，通过注水单元4向煤层注水，模拟煤层开挖。

大尺寸加载反力框架1-15整体与支座1-16相连接，旋转支撑1-10与斜撑加载油缸1-9位于大尺寸加载反力框架1-15底部，可实现整体旋转，便于进行倾斜地层的铺设，进行多角度地层的模拟。

如图5所示，注浆单元3即自动化注浆单元，包括离层注浆泵3-3、帷幕注浆泵3-2、两位两通电磁阀3-1、流量传感器3-5、压力传感器3-4、数据感知与控制系统3-6，离层注浆泵3-3和帷幕注浆泵3-2上的电机与数据感知与控制系统3-6连通，通过数据感知与控制系统3-6控制其注浆参数，注浆口与若干两位两通电磁阀3-1一端连接，两位两通电磁阀3-1另一端与离层注浆管1-3、帷幕注浆管1-4连接，通过两位两通电磁阀3-1控制其注浆的开关；在每个注浆泵外连接压力传感器3-4和流量传感器3-5，将注浆的压力和流量信息传输到数据感知与控制系统3-6中。

如图6所示，注水单元4即注水模拟控制系统，包括水箱4-1、水泵4-2、控水电磁阀、压力传感器、流量传感器、数据感知与控制系统，水箱4-1与水泵4-2连接，水泵4-2上的电机与数据感知与控制系统3连通，通过数据感知与控制系统3-6控制其注水参数，控水电磁阀也是两位两通电磁阀，注水口与若干控水电磁阀一端连接，控水电磁阀另一端与注水管1-8连接，通过控水电磁阀控制其注水的开关；在水泵外连接压力传感器和流量传感器，将注水的压力和流量信息传输到数据感知与控制系统中。

实施例二

如图7所示，一种高速公路采空区离层多层位注浆地表沉陷控制试验方法，利用上述所述的一种高速公路采空区离层多层位注浆地表沉陷控制试验装置，步骤包括：

S1.按照原岩和煤层物理力学特性及相似比配制多地层模型相似材料。

S2.逐层将相似材料填充在装置内，并在相应模拟地层中布置传感器与管路，每隔一定高度压实一次。顶部地层铺设相似地层，模拟高速公路路基及路面，底部层铺设一900mm×400mm×400mm区域，相似材料为NaHCO

S3.装配模型装置顶面，使整个模型在装置中处于密封状态。

S4.由液压站伺服控制加载油缸向采空区上覆岩层施加静荷载，模拟真实地应力状态。

S5.由注浆单元进行帷幕注浆，形成帷幕墙使帷幕墙达到一定强度，同时监测帷幕注浆过程中注浆压力、流量等数据，当管路注浆压力均达到目标值时，停止注浆。

S6.控制注水管出水使NaHCO

S7.帷幕注浆及离层注浆过程中通过模型内布设的应力传感器、渗压传感器、位移传感器等采集相应位置的多元数据，通过监测单元进行成像、分析、再现。

S8.通过动态液压站控制上部油缸施加动态荷载，通过对模型施加低应变率振动荷载可实现斜坡波、简谐波、噪声波、脉冲波及其组合波荷载模拟，以模拟公路车辆荷载。

S9.待离层浆液强化稳定后，控制加载油缸施加一定荷载，同时由位移传感器监测顶部沉降量，待沉降量达到要求值后即注浆成功，否则需继续补充浆液。可研究离层注浆加固压力、流量等主控因素与被注介质应力分布及物理力学特性的定量关系，得到注浆压力、介质物理力学特性发生改变情况下的后续注浆加固规律。

S10.离层注浆加固结束后，拆卸传感器、管路，清除模型材料，结束模拟试验。

形成高速公路采空区离层多层位注浆地表沉陷控制真实模拟方法，实现大尺寸采空区离层多层位注浆地表沉陷控制的全过程检测。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。