一种动水环境下注浆堵水实验方法及装置

技术领域

本发明属于，注浆堵水实验领域，具体涉及一种动水环境下注浆堵水实验方法及装置。

背景技术

由于地下空间施工的特殊性，在巷道掘进过程中，由于围岩压力的扰动变化，极易发生涌水现象，注浆技术是目前治理涌水难题的常用手段之一。通过注浆对涌水处进行封堵，快速有效控制涌水，然而由于浆液在地层中的扩散过程与规律难以直观描述，且注浆浆液受到动水的影响往往会对涌水治理产生不利的影响，因此开展相似模拟试验是研究注浆浆液扩散规律及注浆参数的重要手段，在相似理论的基础上确保相似模型与现场之间的匹配度较高，可提高试验的可行性。而现有的注浆实验设备往往存在以下缺点：

(1)在注浆工程进行时，往往被注岩土内存在着一定的地下水，地下水的流速、流向、流动方式及水压等因素都会对注浆效果产生印象，因此，在相似模拟实验时，研究动水注浆是必不可少的，而在现有的注浆相似模拟实验装置中，大多仅能研究不含动水的注浆。

(2)在现有的注浆相似模拟实验装置中，动水装置大多是密封的，无法直观的观察到浆液与动水在注浆介质中的动态作用规律，无法直观观察到动水随围岩压力变化产生裂隙，涌水突出的过程。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种动水环境下注浆堵水实验方法及装置，具体方案如下：

一种动水环境下注浆堵水实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将试验试样的两端分别设置于第一密封卡口和第二密封卡口内，随后对试验试样与第一密封卡口和第二密封卡口之间做进一步密封，将第一密封凹槽与第一凸起密封条卡合密封连接，第二密封凹槽与第二凸起密封条卡合密封连接，此时试验试样与侧边围板下部的底板接触；

S2：将盖板盖合在侧边围板上，并将上定位孔正对下定位孔，用螺杆穿入上定位孔和下定位孔，拧紧螺帽将盖板与支撑板的位置锁定；

S3：启动空气压缩机，并开启阀门，空气压缩机对储水箱充气将储水箱内水压入侧边围板内，随后开启水泵，水泵将侧边围板内的水经过滤箱抽入储水箱内，侧边围板内形成动水环境，并开启第二摄像头和第三摄像头，记录动水情况；

S4：通过液压管道对液压千斤顶充入液压油，液压千斤顶的伸缩端推动加压板向下运动，对试验试样进行挤压，试验试样中的应变片将压力信号上传分析，当压力信号开始改变时，对试验试样进行开挖，形成模拟巷道，当试验试样出现裂隙，水从裂隙涌出，进行模拟巷道时，记下此时的压力信号变化，并停止对液压千斤顶充入液压油，液压千斤顶的伸缩端不再向下延伸；

S5：从模拟巷道的入口端对试验试样进行开挖，形成能够插入注浆管的通道，直至该通道到达裂隙处，插入注浆管，并将插杆插入所述插筒内，第一摄像头对裂隙处涌水进行拍摄，将封堵浆液通过注浆管注入裂隙处，直到裂隙处的涌水被封堵不再流入模拟巷道内；

S6：通过分析第一摄像头、第二摄像头、第三摄像头记录的动水情况，及分析应变片上传试验试样内部的压力变化情况，为井下巷道突水封堵提供参考。

进一步地，上述步骤S4可为，对试验试样进行开挖，形成模拟巷道，模拟巷道贯通试验试样，随后通过液压管道对液压千斤顶充入液压油，液压千斤顶的伸缩端推动加压板向下运动，对试验试样进行挤压，试验试样中的应变片将压力信号上传分析，当压力信号开始改变时，试验试样出现裂隙，水从裂隙涌出进入模拟巷道时，记下此时的压力信号变化，并停止对液压千斤顶充入液压油，液压千斤顶的伸缩端不再向下延伸。

具体地，本发明提供了一种动水环境下注浆堵水实验装置，包括：

动水生成系统，所述动水生成系统用于产生流动水；

实验支撑机构，所述实验支撑机构与所述动水生成系统管道连通；

压力加载机构，所述压力加载机构与所述实验支撑机构通过螺杆锁定连接，用于对试验试样加载竖向压力；

插杆，所述插杆与所述实验支撑机构活动连接，所述插杆上设置有至少一个第一摄像头，所述第一摄像头用于观察在压力加载机构施加压力作用下试验试样模拟巷道的渗水情况。

进一步地，所述动水生成系统包括空气压缩机、储水箱、水泵、过滤箱，所述储水箱分别与所述空气压缩机、过滤箱、实验支撑机构管道连通，所述水泵设置于所述储水箱和所述过滤箱连通的管道上，所述过滤箱与所述实验支撑机构管道连通，所述储水箱与所述空气压缩机连通的管道上设置有阀门和压力表。

进一步地，所述实验支撑机构包括侧边围板、第一密封块、第二密封块、底板、支撑板，所述侧边围板采用钢化玻璃制成，设置于所述支撑板上，且与所述支撑板之间密封，所述侧边围板上设置有第一凸起密封条、第二凸起密封条，所述第一密封块上设置有第一密封凹槽、第一密封卡口，所述第二密封块上设置有第二密封凹槽、第二密封卡口，所述试验试样的两端分别设置于所述第一密封卡口和所述第二密封卡口内，且试验试样与所述第一密封块和所述第二密封块密封连接，所述第一密封凹槽能与所述第一凸起密封条卡合密封连接，所述第二密封凹槽能与所述第二凸起密封条卡合密封连接，所述底板设置于所述侧边围板内，所述支撑板上设置有插筒和下定位孔，所述插筒与所述插杆活动连接，插杆插入所述插筒内，插杆上的第一摄像头能够延伸至所述模拟巷道内，所述螺杆一端设置于所述下定位孔内，另一端设置于所述压力加载机构上。

进一步地，所述支撑板上开设有第一聚水口和第二聚水口，所述第一聚水口和所述第二聚水口分别设置于所述试验试样两端的正下方，用于收集从试验试样的模拟巷道流出的水，所述第一聚水口和第二聚水口下方设置有用于收集水的接水盆。

进一步地，所述支撑板上还设置有第二摄像头、第三摄像头，所述第二摄像头和所述第三摄像头用于拍摄所述侧边围板内的动水情况。

进一步地，所述底板上设置有多个通水孔，所述通水孔贯通所述侧边围板内的水。

进一步地，所述压力加载机构包括液压千斤顶、盖板、加压板，液压千斤顶的固定端与所述盖板螺栓连接，所述液压千斤顶的伸缩端与所述加压板固定连接，所述盖板上设置有与所述下定位孔对应的上定位孔和用于液压管道穿过的液压管通孔，所述螺杆一端设置于所述下定位孔内，另一端设置于所述上定位孔内，将所述盖板与所述支撑板的位置锁定，当所述液压千斤顶工作时，所述加压板能对所述试验试样施加压力。

进一步地，试验试样内设置有多个应变片，所述应变片用于检测试验试样内的压力变化。

本发明的有益效果是：

1.通过模拟动水环境下对试验试样进行注浆，模拟巷道在围压的情况下发生断裂形成裂隙涌水，在进行注浆堵水时，能够直观地观测到动水对注浆堵水的影响。

2.侧边围板采用钢化玻璃制成，并使用第二摄像头和第三摄像头对侧边围板内的动水情况进行记录拍摄，通过第一摄像头对裂隙处的涌水情况进行记录拍摄，能够直观的观察到浆液与动水在试样中的动态作用规律。

3.通过在试验试样中设置应变片，在液压千斤顶的作用下，应变片能够检测到试验试样所受压力的变化，当试验试样产生裂隙时，通过应变片上传的信号变化，能够知道试验试样产生裂隙的时刻，便于了解试验试样内部压力的变化，直观观察到试验试样随围岩压力变化产生裂隙，涌水突出的过程。

附图说明

图1为一种动水环境下注浆堵水实验装置的三维结构示意图；

图2为一种动水环境下注浆堵水实验装置的三维结构示意图；

图3为一种动水环境下注浆堵水实验装置的爆炸示意图；

图4为图3中A处的局部放大示意图；

图5为图3中B处的局部放大示意图；

图6为图1中C处的局部放大示意图；

图7为试验试样的结构示意图；

图8为图7中A-A向的剖面图；

图9为图8中D处的局部放大示意图；

图10为过滤箱的内部结构示意图

图11为底板的结构示意图；

图12为一种动水环境下注浆堵水实验方法流程图；

图中：10、动水生成系统；11、空气压缩机；111、阀门；112、压力表；12、储水箱；13、水泵；14、过滤箱；141、滤网；142、陶瓷过滤片；15、接水盆；20、压力加载机构；21、液压千斤顶；22、盖板；23、加压板；24、上定位孔；25、液压管通孔；30、实验支撑机构；31、侧边围板；32、支撑板；33、第一凸起密封条；34、第二凸起密封条；35、第一密封块；351、第一密封凹槽；352、第一密封卡口；36、第二密封块；361、第二密封凹槽；362、第二密封卡口；37、底板；371、通水孔；38、第一聚水口；381、第二聚水口；39、插筒；391、下定位孔；40、插杆；41、第一摄像头；42、第二摄像头；43、第三摄像头；50、试验试样；51、模拟巷道；52、应变片；53、裂隙；54、注浆管；60、螺杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1、图2、图3、图6所示，本发明提供了一种动水环境下注浆堵水实验装置，包括：

动水生成系统10，动水生成系统10用于产生流动水；

实验支撑机构30，实验支撑机构30与动水生成系统10管道连通；

压力加载机构20，压力加载机构20与实验支撑机构30通过螺杆60锁定连接，用于对试验试样50加载竖向压力；

插杆40，插杆40与实验支撑机构30活动连接，插杆40上设置有至少一个第一摄像头41，第一摄像头41用于观察在压力加载机构20施加压力作用下试验试样50模拟巷道51的渗水情况。

如图3所示，动水生成系统10包括空气压缩机11、储水箱12、水泵13、过滤箱14，储水箱12分别与空气压缩机11、过滤箱14、实验支撑机构30管道连通，水泵13设置于储水箱12和过滤箱14连通的管道上，过滤箱14与实验支撑机构30管道连通，储水箱12与空气压缩机11连通的管道上设置有阀门111和压力表112。

如图1、图3、图4、图5所示，实验支撑机构30包括侧边围板31、第一密封块35、第二密封块36、底板37、支撑板32，侧边围板31采用钢化玻璃制成，设置于支撑板32上，且与支撑板32之间密封，侧边围板31上设置有第一凸起密封条33、第二凸起密封条34，第一密封块35上设置有第一密封凹槽351、第一密封卡口352，第二密封块36上设置有第二密封凹槽361、第二密封卡口362，试验试样50的两端分别设置于第一密封卡口352和第二密封卡口362内，且试验试样50与第一密封块35和第二密封块36密封连接，第一密封凹槽351能与第一凸起密封条33卡合密封连接，第二密封凹槽361能与第二凸起密封条34卡合密封连接，底板37设置于侧边围板31内，支撑板32上设置有插筒39和下定位孔391，插筒39与插杆40活动连接，插杆40插入插筒39内，插杆40上的第一摄像头41能够延伸至模拟巷道51内，螺杆60一端设置于下定位孔391内，另一端设置于压力加载机构20上。

如图1、图2、图6所示，支撑板32上开设有第一聚水口38和第二聚水口381，第一聚水口38和第二聚水口381分别设置于试验试样50两端的正下方，用于收集从试验试样50的模拟巷道51流出的水，第一聚水口38和第二聚水口381下方设置有用于收集水的接水盆15。支撑板32上还设置有第二摄像头42、第三摄像头43，第二摄像头42和第三摄像头43用于拍摄侧边围板31内的动水情况。如图11所示，底板37上设置有多个通水孔371，通水孔371贯通侧边围板31内的水。

如图3所示，压力加载机构20包括液压千斤顶21、盖板22、加压板23，液压千斤顶21的固定端与盖板22螺栓连接，液压千斤顶21的伸缩端与加压板23固定连接，盖板22上设置有与下定位孔391对应的上定位孔24和用于液压管道穿过的液压管通孔25，螺杆60一端设置于下定位孔391内，另一端设置于上定位孔24内，将盖板22与支撑板39的位置锁定，当液压千斤顶21工作时，加压板23能对试验试样50施加压力。

如图7、图8、图9所示，试验试样50内设置有多个应变片52，应变片52用于检测试验试样50内的压力变化。如图10所示，上述过滤箱14中，上部设置有滤网141用于过滤较大的颗粒，下部设置有陶瓷过滤片142能够对水进一步过滤，避免水泵13在大颗粒物质的作用下损坏。

如图12所示，本发明还提供了一种动水环境下注浆堵水实验方法，包括以下步骤：

一种动水环境下注浆堵水实验方法，包括以下步骤：

S1：将试验试样50的两端分别设置于第一密封卡口352和第二密封卡口362内，随后对试验试样50与第一密封卡口352和第二密封卡口362之间做进一步密封，将第一密封凹槽351与第一凸起密封条33卡合密封连接，第二密封凹槽361与第二凸起密封条34卡合密封连接，此时试验试样50与侧边围板31下部的底板37接触；

S2：将盖板22盖合在侧边围板31上，并将上定位孔24正对下定位孔391，用螺杆60穿入上定位孔24和下定位孔391，拧紧螺帽将盖板22与支撑板39的位置锁定；

S3：启动空气压缩机11，并开启阀门111，空气压缩机11对储水箱12充气将储水箱12内水压入侧边围板31内，随后开启水泵13，水泵13将侧边围板31内的水经过滤箱14抽入储水箱12内，侧边围板31内形成动水环境，并开启第二摄像头42和第三摄像头43，记录动水情况；

S4：通过液压管道对液压千斤顶21充入液压油，液压千斤顶21的伸缩端推动加压板23向下运动，对试验试样50进行挤压，试验试样中的应变片52将压力信号上传分析，当压力信号开始改变时，对试验试样50进行开挖，形成模拟巷道51，当试验试样50出现裂隙53，水从裂隙53涌出，进行模拟巷道51时，记下此时的压力信号变化，并停止对液压千斤顶21充入液压油，液压千斤顶的伸缩端不再向下延伸；

S5：从模拟巷道51的入口端对试验试样50进行开挖，形成能够插入注浆管54的通道，直至该通道到达裂隙53处，插入注浆管54，并将插杆40插入插筒39内，第一摄像头41对裂隙53处涌水进行拍摄，将封堵浆液通过注浆管54注入裂隙53处，直到裂隙53处的涌水被封堵不再流入模拟巷道51内；

S6：通过分析第一摄像头41、第二摄像头42、第三摄像头43记录的动水情况，及分析应变片52上传试验试样50内部的压力变化情况，为井下巷道突水封堵提供参考。

上述步骤S4可为，对试验试样50进行开挖，形成模拟巷道51，模拟巷道51贯通试验试样50，随后通过液压管道对液压千斤顶21充入液压油，液压千斤顶21的伸缩端推动加压板23向下运动，对试验试样50进行挤压，试验试样中的应变片52将压力信号上传分析，当压力信号开始改变时，试验试样50出现裂隙53，水从裂隙53涌出进入模拟巷道51时，记下此时的压力信号变化，并停止对液压千斤顶21充入液压油，液压千斤顶的伸缩端不再向下延伸。

上述步骤S5中，从模拟巷道51的入口端对试验试样50进行开挖，形成能够插入注浆管54的通道，该开挖方式可选用电钻通过钻孔的方式进行开挖。

上述中，通过模拟动水环境下对试验试样进行注浆，模拟巷道在围压的情况下发生断裂形成裂隙涌水，在进行注浆堵水时，能够直观地观测到动水对注浆堵水的影响。侧边围板采用钢化玻璃制成，并使用第二摄像头和第三摄像头对侧边围板内的动水情况进行记录拍摄，通过第一摄像头对裂隙处的涌水情况进行记录拍摄，能够直观的观察到浆液与动水在试样中的动态作用规律。通过在试验试样中设置应变片，在液压千斤顶的作用下，应变片能够检测到试验试样所受压力的变化，当试验试样产生裂隙时，通过应变片上传的信号变化，能够知道试验试样产生裂隙的时刻，便于了解试验试样内部压力的变化，直观观察到试验试样随围岩压力变化产生裂隙，涌水突出的过程。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。