一种采空区风积沙充填试验装置及试验方法

摘要

本发明公开了一种采空区风积沙充填试验装置及试验方法，该装置根据现场实际情况建立的相似模型，包括箱体、箱体内支撑物以及设置在箱体上方的封闭盖板，设置在封闭盖板上的若干钻孔，设置在其中一个钻孔上的管道以及连接在管道上的单向阀，单向阀连接漏斗，连接单向阀的管道通过旁接管道连接空气压缩机，箱体侧面设置有排水巷道，在排水巷道内设置滤网。通过各钻孔的试验数据来计算实际工程中风沙总量、各钻孔填充速度、钻孔间距、钻孔位置，以制定采空区风积沙填充方案，将其用于指导实际采空区填充工作。

说明书

技术领域

本发明属于地质灾害整治技术领域，具体的讲一种采空区风积沙充填试验装置及试验方法。

背景技术

目前，在高速公路下伏采空区的处治技术方面，国内外尚没有相对完善的技术规程与规范。高速公路下伏采空区加固方案的选择，不但要考虑采空区的埋深、规模成因、水文地质工程地质条件、矿的开采方式、开采时间等诸多因素，而且与经济条件、地基条件、道路条件、施工技术密切相关，所以一般情况下，各采空区处理方案不具有通用性，且可比性也相对较差。就采空区充填治理而言，主要以注浆全充填法为主，注浆材料以水泥粉煤灰为主，也有水泥粘土或水泥黄土浆材，因地而异。

对于风积沙丰富的地区，采用风积沙填充高速公路下伏采空区便成为一种潜在的具有巨大经济效益的采空区处治方法。然而，目前采用风积沙填充高速公路下伏采空区的实例非常少，严重缺乏可借鉴的经验，采空区处理的效果关乎工程施工及运营期间的安全可靠性，不合理的采空区处治方案会使得地表形成沉降盆地并产生裂缝和陷坑，对周边环境造成破环，严重威胁着人员的生命安全。

目前国内一般采用的采空区处治方案存在的缺点:填充成本高、工艺流程复杂、工程量大、效率低下。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采空区风积沙充填试验装置及试验方法，以解决采空区处治中的填充成本高，效果差的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种采空区风积沙充填试验装置，包括箱体、箱体内支撑物以及设置在箱体上方的封闭盖板，设置在所述封闭盖板上的若干钻孔，设置在其中一个钻孔上的管道以及连接在所述管道上的单向阀，所述单向阀连接漏斗，所述连接单向阀的管道通过旁接管道连接空气压缩机，所述箱体侧面设置有排水巷道，在所述排水巷道内设置滤网。

本发明的有益效果是：

1.本实验装置简单，投入成本较低，能为实际施工提供可靠参数。

2.使用风积沙作为采空区主要填充物，相对于传统采空区填充方案能够明显节约成本。

3.风积沙的获取较为容易，不存在复杂的制作工艺，能够大幅缩短施工时间。

4.根据模型试验提供的参数进行施工，能够提高采空区充填效率，保证施工质量，节约施工时间，为项目带来巨大经济效益，同时为今后同类型工程提供重要的参考价值，具有重要的工程意义。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述管道为PVC管道。

进一步，所述箱体材料为砖，所述滤网材料为麻布。

进一步，所述封闭盖板材料为钢化玻璃。

另外，本发明还提供了一种采空区风积沙充填试验方法，判断采空区是否干燥，如果采空区干燥，则执行风积沙充填试验步骤，否则，则由采空区实际积水深度h_H，通过相似比换算成模型内注水深度h_M，向采空区注入深度为h_M的水，再执行风积沙充填试验步骤，其风积沙充填试验步骤为：

(1)将干燥的风积沙倒入漏斗，打开单向阀并开始计时，直到风积沙的自然下漏状态结束，记录该状态下各钻孔每次灌入风积沙体积V_aMij、各钻孔每次风积沙灌入时间t_aMij以及各钻孔每次风积沙灌入形成的最大扩散半径r_aMij；

(2)关闭单向阀，打开空气压缩机，将风积沙自然下漏形成的锥体顶部一定范围的风积沙吹散到其它区域；

(3)打开单向阀并保持空气压缩机处于工作状态，直到漏下的风积沙将管口堵住为止，记录该状态下各钻孔每次灌入风积沙体积V_aMij、各钻孔每次风积沙灌入时间t_aMij以及各钻孔每次风积沙灌入形成的最大扩散半径r_aMij；

(4)重复步骤(2)，将堵在管口的风积沙吹散，然后进行步骤(3)；依次循环进行，直到空气压缩机不能将管口周围的风积沙吹散，风积沙无法灌入为止；

(5)利用相似比将模型试验中各钻孔每次灌入风积沙体积V_aMij、各钻孔每次风积沙灌入时间t_aMij以及各钻孔最大扩散半径r_aMi转化为实际各钻孔每次灌入风积沙体积V_aHij、实际各钻孔每次风积沙灌入时间t_aHij以及实际各钻孔最大扩散半径r_aHi；

(6)根据步骤(5)得到的实际各钻孔每次灌入风积沙体积V_aHij、实际各钻孔每次风积沙灌入时间t_aHij以及实际各钻孔最大扩散半径r_aHi，计算得到采空区的实际工程中风沙总量V_H以及各钻孔填充速度v_i；

(7)根据计算所得的实际工程中风积沙总量V_H以及各钻孔填充速度v_i、钻孔间距d、钻孔位置制定采空区风积沙填充方案。

该方法的有益效果是：考虑现场有无积水的情况，使试验更加符合工程实际，在封闭盖板上取多个钻孔进行试验，充分考虑了采空区内各处结构的差异性对灌入效果的影响，并且对每个试验钻孔进行多次灌入，能够减小试验误差，使试验数据更加可靠，能更好地指导实际施工。

进一步，采空区注水深度h_M的具体计算方法为：

式中，L_H为原型长度；L_M为模型长度。

进一步，所述步骤(5)的具体计算方法分别为：

实际各钻孔每次灌入风积沙体积V_aHij为：

实际各钻孔每次风积沙灌入时间t_aHij为：

t_aHij＝t_aMij

实际各钻孔最大扩散半径r_aHi为：

式中，L_H为实际长度；L_M为模型长度；m_i表示第i号钻孔的风积沙灌入次数。

进一步，所述步骤(6)的计算方法分别为：

采空区的实际工程中风沙总量V_H为：

V_H＝0.9·V

各钻孔填充速度v_i为：

式中，d表示钻孔间距，V表示实际采空区总体积；n表示试验钻孔总数；m_i表示第i号钻孔的风积沙灌入次数。

采用上述进一步方案的有益效果是：确定了最佳钻孔位置以及最经济的钻孔数，提升了采空区填充效率，极大地节约成本，工期大大缩短，并且完全满足施工的要求。

附图说明

图1为试验装置示意图；

图2采空区试验模型平面图；

图3采空区试验模型排水巷道示意图。

其中，

1-箱体；2-滤网；3-封闭盖板；4-单向阀；5-管道；6-漏斗；7-空气压缩机；8-旁接管道；9-支撑物。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图3所示，本发明提供了一种采空区风积沙充填试验装置，该装置根据现场实际情况建立的相似模型，包括箱体1、箱体1内支撑物9以及设置在箱体1上方的封闭盖板3，设置在封闭盖板3上的若干钻孔，设置在其中一个钻孔上的管道5以及连接在管道5上的单向阀4，单向阀4连接漏斗6，连接单向阀4的管道5通过旁接管道5连接空气压缩机7。设置在箱体1侧面的排水巷道，排水巷道内设置滤网2。其中箱体1与支撑物9材料为砖，封闭盖板3材料为钢化玻璃，滤网2材料为麻布。

另外本发明基于本实验装置，还提供了一种采空区风积沙充填试验方法，判断采空区是否干燥，如果采空区干燥，则执行风积沙充填试验步骤，否则，当采空区存在积水时，由采空区实际积水深度h_H，通过相似比换算成模型内注水深度h_M，向采空区注入深度为h_M水，再执行风积沙充填试验步骤，其风积沙充填试验步骤为：

(1)将干燥的风积沙倒入漏斗6，打开PVC管道5的单向阀4并开始计时，直到风积沙的自然下漏状态结束，记录该状态下各钻孔每次灌入风积沙体积V_aMij、各钻孔每次风积沙灌入时间t_aMij、各钻孔每次风积沙灌入形成的最大扩散半径r_aMij；

(2)关闭单向阀4，打开空气压缩机7，将风积沙自然下漏形成的锥体顶部一定范围的风积沙吹散到其它区域；

(3)打开单向阀4并保持空气压缩机7处于工作状态，直至漏下的风积沙将管口堵住为止，记录该状态下各钻孔每次灌入风积沙体积V_aMij、各钻孔每次风积沙灌入时间t_aMij、各钻孔每次风积沙灌入形成的最大扩散半径r_aMij；

(4)重复步骤(2)，将堵在管口的风积沙吹散，然后进行步骤(3)；依次循环进行，直至空气压缩机7不能将管口周围的风积沙吹散，风积沙无法灌入为止；

(5)利用相似比将模型试验中各钻孔每次灌入风积沙体积V_aMij、各钻孔每次风积沙灌入时间t_aMij、各钻孔最大扩散半径r_aMi转化为实际各钻孔每次灌入风积沙体积V_aHij、实际各钻孔每次风积沙灌入时间t_aHij、实际各钻孔最大扩散半径r_aHi；具体计算方法分别为：

实际各钻孔每次灌入风积沙体积V_aHij为：

实际各钻孔每次风积沙灌入时间t_aHij为：

t_aHij＝t_aMij

实际各钻孔最大扩散半径r_aHi为：

式中，L_H为实际长度；L_M为模型长度；m_i表示第i号钻孔的风积沙灌入次数。

(6)根据步骤(5)得到的参数，计算得到采空区的实际工程中风沙总量V_H、各钻孔填充速度v_i；具体计算方法分别为：

采空区的实际工程中风沙总量V_H为：

V_H＝0.9·V

各钻孔填充速度v_i为：

式中，d表示钻孔间距，n表示试验钻孔总数；m_i表示第i号钻孔的风积沙灌入次数，V表示实际采空区总体积。

(7)根据计算所得的实际工程中风积沙总量V_H、各钻孔填充速度v_i、钻孔间距d、钻孔位置制定采空区风积沙填充方案。

本发明的有益效果为：

1、本实验装置简单，投入成本较低，能为实际施工提供可靠参数。

2、使用风积沙作为采空区主要填充物，相对于传统采空区填充方案能够明显节约成本。

3、风积沙的获取较为容易，不存在复杂的制作工艺，能够大幅缩短施工时间。

4、根据模型试验提供的参数进行施工，能够提高采空区充填效率，保证施工质量，节约施工时间，为项目带来巨大经济效益，同时为今后同类型工程提供重要的参考价值，具有重要的工程意义。

实施例1

一种采空区风积沙充填试验装置及方法，以陕西省榆神高速公路为例，包括：

1、根据现场实际情况建立相似模型，用砖作为砌体1模拟采空区和采空区内支撑物9，用19×30cm²麻布2作为排水巷道的滤网2材料，模型建立过程遵循几何相似，几何相似比α_L取7.5，砌体1厚度b取25cm。

几何相似：

上式中：α_L为几何相似比，常数；L_H为原型长度；L_M为模型长度。

2、在砌体1上方用钢化玻璃封闭加固，根据采空区结构特征在钢化玻璃相应位置上钻3个钻孔，将其作为填充风积沙入口。

3、用具有单向阀4的PVC管道5将砌体通过钻孔与漏斗6相连，再将PVC管道5与能够提供足够气压的空气压缩机7相连，从而组成采空区风积沙充填装置，空气压缩机7选取lida型空气压缩机7，σ_M为0.6MPa。

其中空气压缩机7满足力学相似：

上式中：σ_H为原型中空气压缩机7所提供的压力；σ_M为模型中空气压缩机7所提供的压力；L_H为原型长度；L_M为模型长度。

4、在采空区干燥的条件下：

①将干燥的风积沙到入大漏斗6中，此时打开PVC管道5的单向阀4并且开始计时，直到风积沙的自然下漏状态结束，记录各钻孔每次灌入风积沙体积V_aMij、各钻孔每次风积沙灌入时间t_aMij、各钻孔每次风积沙灌入形成的最大扩散半径r_aMij等物理量，其中a表示为采空区干燥条件下的试验，M表示该数据为模型试验数据，i表示第i号钻孔，j表示第j次风积沙灌入。

②关上管道5的单向阀4，将空气压缩机7的压力加到最大，然后将风积沙自然下漏形成的锥体顶部一定范围的沙吹散到其它区域。

③打开单向阀4保持空气压缩机7打开，此时风积沙可继续保持下漏状态，直至漏下的风积沙再次将管口堵住为止，记录该状态下各钻孔每次灌入风积沙体积V_aMij、各钻孔每次风积沙灌入时间t_aMij、各钻孔每次风积沙灌入形成的最大扩散半径r_aMij等物理量。

④重复第二步过程，将堵在管口的风积沙吹散，然后进行第三步过程。依次循环进行，直至空气压缩机7不能将管口周围的风积沙吹散，风积沙无法灌入为止，则该钻孔试验结束。

根据不同的钻孔位置，重复以上四个步骤，观察风积沙的扩散情况，记录该状态下各钻孔每次灌入风积沙体积V_aMij、各钻孔每次风积沙灌入时间t_aMij、各钻孔每次风积沙灌入形成的最大扩散半径r_aMij等物理量。

表1：1#孔记录数据

表2:2#孔记录数据

表3：3#孔记录数据

5、利用相似比将模型试验中各钻孔每次灌入风积沙体积V_aMij、各钻孔每次风积沙灌入时间t_aMij、各钻孔最大扩散半径r_aMi转化为实际各钻孔每次灌入风积沙体积V_aHij、实际各钻孔每次风积沙灌入时间t_aHij、实际各钻孔最大扩散半径r_aHi。其中H表示该数据为实际工程数据。

t_aHij＝t_aMij

上式中L_H为原型长度；L_M为模型长度；m_i表示第i号钻孔的风积沙灌入次数。

表4：模型实验数据

表5：用相似比转换后的现场实际数据

注：表格中“自然下落”表示各钻孔第一次风积沙灌入，“压力存在”表示当空气压缩机7工作时风积沙灌入。

6、计算得到采空区干燥条件下的实际工程中风积沙总量V_H，在实际工程中为了保证安全，采用风积沙与水泥砂浆结合充填的方案，风积沙占90％，水泥砂浆占10％；各钻孔填充速度v_i；钻孔间距d。

V_H＝0.9·V

上式中V表示实际采空区总体积；n表示试验钻孔总数；m_i表示第i号钻孔的风积沙灌入次数。

实际工程中风积沙总量：

V_H＝0.9·V＝700340×0.9＝630306m³

在各孔的填充速度为：

在考虑实际情况下，把钻孔平均填充速度v确定为0.1m³/min。

钻孔间距：

在实际工程中为了保证安全，d取14m。

7、根据计算所得的实际工程中风积沙总量V_H、各钻孔填充速度v_i、钻孔间距d、钻孔位置等制定采空区风积沙填充方案，用于指导实际采空区填充工作，能够在保证工程质量的同时极大地节约工程成本，缩短施工时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。