一种模拟导水断层多水平孔注浆的变倾角实验装置及方法

摘要

本发明涉及一种模拟导水断层多水平孔注浆的变倾角实验装置及方法。包括：设置于一底座上的注浆模拟平台，所述注浆模拟平台与所述底座之间的倾角可调节；所述注浆模拟平台包括一钢制外壳，所述钢制外壳的内部设置有断层充填空间，所述钢制外壳的正面设置可视钢化玻璃，背面设置若干个背面注浆孔，侧壁上设置有若干个侧面注浆孔。本发明能够实现不同倾角断层注浆效果的模拟，能够通过可视化的设计使浆液扩散特征得以直观展现，从而实现了断层破碎带典型特征的水平孔注浆加固的模拟实验。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验装置及方法，属于地下工程水害防治技术领域，具体是涉及一种模拟导水断层多水平孔注浆的变倾角实验装置及方法。

背景技术

随着地面水平定向钻技术在煤炭行业的广泛应用，许多矿区采用地面水平定向钻对煤层底板隐伏垂向断层进行超前预注浆加固，但由于导水断层破碎带浆液扩散规律不清，因此，在注浆过程中水平分支孔间距、钻孔轨迹与断层倾向关系和浆液水固比等重要参数选择主要依据施工经验而定。由于地层注浆的隐蔽性特点，因此室内模型试验是研究浆液扩散规律广泛采用的手段。断层破碎带的倾角大小、导水性强弱及其充填介质特征是实验研究水平注浆孔断层加固机理和注浆效果的重要因素，但现阶段研究模型实验装置和方法均不能体现断层破碎带及其注浆加固特征。因此为深入研究断层破碎带注浆加固机理和注浆效果，设计搭建变倾角可视导水断层破碎带多孔注浆模型实验平台，并形成基于不同注浆压力、静水压力、浆液水固比、钻孔布置间距和断层类型条件下对浆液扩散规律和注浆效果研究的实验方法，从而分析断层破碎带中浆液扩散形态的时空特征，总结得出断层破碎带浆液扩散规律和注浆效果主控因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟导水断层多水平孔注浆的变倾角可视化实验装置及方法，用于不同工况和注浆参数下导水断层破碎带注浆加固和效果实验，分析研究断层破碎带注浆加固机理和注浆效果，解决导水断层破碎带注浆加固机理不清、注浆效果差，水平分支孔布置间距、钻孔轨迹与断层走向关系及浆液水固比等注浆参数选取盲目等问题，实现基于水平孔的底板隐伏垂向导水断层超前注浆加固参数的科学选择和设计，达到底板水害超前注浆治理的目的。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种模拟导水断层多水平孔注浆的变倾角实验装置，包括：设置于一底座上的注浆模拟平台，所述注浆模拟平台与所述底座之间的倾角可调节；

所述注浆模拟平台包括一钢制外壳，所述钢制外壳的内部设置有断层充填空间，所述钢制外壳的正面设置有用于观察所述断层充填空间的透明可视钢化玻璃，所述钢制外壳的背面设置若干个垂直于模拟断层走向方向的背面注浆孔；所述钢制外壳的至少一个侧壁上设置有若干个平行于模拟断层走向方向的侧面注浆孔；所述背面注浆孔和所述侧面注浆孔与所述断层充填空间相连通。

优选的，上述的一种模拟导水断层多水平孔注浆的变倾角实验装置，所述钢制外壳底部设置有用于模拟煤层底部承压含水层的承压水槽，所述承压水槽连接进水口并且与所述断层充填空间之间设置有出水花眼。

优选的，上述的一种模拟导水断层多水平孔注浆的变倾角实验装置，所述背面注浆孔为5个，其中一个为中心注浆孔，所述中心注浆孔设置于所述钢制外壳的背面正中，另外4个分别在所述中心注浆孔上下左右对称设置。

优选的，上述的一种模拟导水断层多水平孔注浆的变倾角实验装置，所述钢制外壳相对的两个侧面上相对设置有若干个侧面注浆孔。

优选的，上述的一种模拟导水断层多水平孔注浆的变倾角实验装置，所述钢制外壳上设置有水压调节孔，所述水压调节孔外接管上装有水流流量计与压力表。

优选的，上述的一种模拟导水断层多水平孔注浆的变倾角实验装置，所述注浆模拟平台的底部铰接于所述底座上，上部连接一丝杠，所述丝杠的底部通过一转动轴承铰接于底座上。

一种利用上述装置模拟导水断层多水平孔注浆的方法，包括：

将注浆花管通过注浆孔插入断层注浆模拟平台内，将注浆填充物放入断层充填空间中；

将位于钢制外壳底部的承压水槽充水，使得断层中处于饱水状态，并保持底部进水口水压与上部调节孔水压差稳定不变；

制备水泥浆液，采用进水口水压的不同倍数的注浆压力通过进行注浆，以模拟不同注浆压力的浆液扩散距离。

优选的，上述的模拟导水断层多水平孔注浆的方法，包括：在制备水泥浆液时，在浆液中加入颜色试剂。

本发明的有益效果是：

1)设计搭建了变倾角可视导水断层多水平孔注浆实验装置，能够模拟试验不同倾角断层，且可通过充填不同特征介质模拟试验不同类型断层，能够实现断层与强含水层导通工况实验模拟，能够实现水平钻孔轨迹与断层走向垂直和平行2种工况试验，能够实现水平注浆孔单孔注浆、多孔注浆或不同间距孔注浆等多种注浆工序试验，并且通过可视化的设计使浆液扩散特征得以直观展现，从而实现了断层破碎带典型特征的水平孔注浆加固的模拟实验。

2)基于变倾角可视导水断层多水平注浆实验装置，考虑浆液水固比、断层倾角、断层充填物类型、静水压力与注浆压力差值、水平孔间距、水平孔序次、水平孔轨迹与断层走向关系等因素，通过采集不同工况下浆液扩散距离、形态、注浆压力分布特征及注浆结石体物理力学性质，形成了变倾角可视导水断层多水平注浆实验方法，能够更进一步刻画和揭示不同工况下断层破碎带加固机理和注浆效果，为注浆工程实践参数选择提供指导和依据。

附图说明

图1是变倾角可视导水断层多孔注浆模拟平台轴测图；

图2是变倾角可视导水断层多孔注浆模拟平台侧视图；

图3是变倾角可视导水断层多孔注浆模拟平台剖面图；

图4是变倾角可视导水断层多孔注浆模拟平台背面正视图。

图中，上部水压调节孔1，背面注浆孔2，梯形丝杠螺眼3，金属安全肋板4，光面不锈钢制外壳5，底部水槽进水口6，固定铰接孔7，底部承压水槽8，承压水槽上部出水滤网9，高强度白化钢化玻璃可视平面10，侧面注浆孔11，高强度螺栓12，丝杠13，转动轴承14，铰接15，承载底座16，丝杠转动孔17，铰接栓18，金属压条19，密封垫片20，钢化玻璃21，玻璃承载凸台22，压力传感器23。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，一种变倾角可视导水断层多水平孔注浆实验装置包括可视化导水断层多孔注浆模拟平台和角度可调节承载底座。

所述的可视化导水断层多孔注浆模拟平台由底部承压水槽和断层充填空间组成，其尺寸长1000mm、宽200mm、高1500mm，除断层充填空间正面为透明的钢化玻璃(厚度12mm以上)外，其余部分为光面不锈钢外壳。透明可视钢化玻璃限制在左右侧不锈钢50mm宽的翻边凹槽内，玻璃上覆盖金属框架型安全肋板，金属压条将玻璃和框架型安全肋板固定在钢制外壳上，并通过密封胶条将玻璃、金属安全肋板与金属压条之间进行密封，密封条承受的最大静水压力为0.6MPa，金属压条通过高强度螺栓固定在钢制外壳上。模拟平台背部布置压力传感器以便对注浆过程中的压力变化进行监测和记录。

为模拟断层加固的水平注浆孔，分别按照垂直断层走向与平行断层走向布置了相关水平注浆孔，而断层走向即水平平面与断层模拟空间相交后的断层边界线的延伸方向，因此垂直断层走向方向，即在不锈钢背部部分上设有5个注浆孔，直径为20mm，中心位置的注浆孔圆心距离两侧外壳边界为500mm、距离上下边界均为750mm，在其周围垂向和横向间距250mm位置布设共计4个注浆孔；而平行断层走向方向，即在不锈钢外壳两侧面共布置了6个水平注浆孔，每个侧面上3个注浆孔，注浆孔直径20mm，间距250mm，中间注浆孔圆心距离上下边界为750mm。

为稳定断层空间内压力分布，在上部不锈钢外壳上布置有水压调节孔，孔外接管上装有水流流量计与压力表，外接耐压软管与废液桶连接。

所述的底部承压水槽，是为模拟煤层底部承压含水层，其布置在可视导水断层多孔注浆模拟平台下部50mm范围，均由不锈钢外壳构成，并且在水槽上顶板布设有3排直径5mm的出水花眼，并铺设滤网，以防止在断层中的碎屑或胶结物堵塞出水花眼。水槽一侧布置有进水口，进水口外管上装有水流流量计与压力表。

所述的角度可调节承载底座，为模拟不同倾角下的断层，设计了角度可调节的承载底座(如图2)，其由承载底座、胶结、转动轴承、丝杠、梯形螺母等组成。支撑托板主要支撑断层平台，部分重量由下部和背侧可调节支柱分担支撑。角度调节通过丝杠转动孔转动丝杠实现梯形丝杠螺母的移动带动可视断层破碎带模拟平台转动而实现。承载底座长1800mm、宽1000mm、厚20mm。

变倾角可视导水断层多水平孔注浆试验方法如下：

1)首先对非胶结类断层充填物注浆模拟。

(1)对米石原岩进行物理力学性质试验，得到其强度和模量等物理力学性质；

(2)将注浆花管通过背部注浆孔插入断层注浆模拟平台内，并利用密封胶对花管与孔周围进行密封防水，模拟水平注浆孔垂直断层走向揭露断层带注浆工况；同理，可将注浆花管通过侧面注浆孔插入断层注浆模拟平台内可模拟水平注浆孔平行断层走向揭露断层带注浆工况。

(3)将米石放入可视化导水断层多孔注浆模拟平台内(图1)，并将钢化玻璃、金属安全肋板、金属压条等安装固定；

(4)将可视导水断层多孔注浆模拟平台下部铰接与角度调节承载底座铰接铆接上，后将梯形丝杠螺母与断层破碎带模拟平台一侧的丝杠螺母用螺栓连接，并将丝杠另一端插入承载底座的转动轴承内，调节好倾角；

(5)将底部承压水槽充水，使得断层中处于饱水状态，并保持底部进水口水压与上部调节孔水压差稳定不变；

(6)在制备水泥浆液时，在浆液中加入广告用红色试剂，以便于识别浆液扩散范围；并将高速摄像机和照相机正视对准玻璃平板；将模拟平台背部的压力传感器通过线路与数据处理平台连接，监测和记录注浆过程中不同点位的压力变化；

(7)采用进水口水压的不同倍数的注浆压力进行注浆，以模拟不同注浆压力的浆液扩散距离；

(8)待浆液即将充满断层介质空间时停止注浆，并停止供水，关闭水阀，待静止24小时后，揭开可视玻璃，并利用取芯装置将结石体取出养护，并进行强度和模量等物理力学试验；

(9)重复不同水固比浆液、注浆压力、静水压力、注浆孔间距、注浆孔序、断层倾角得到对应的浆液扩散距离和结石体；

(10)分析高速相机和摄像机对浆液扩散距离的时空变化过程，得到不同水固比浆液、注浆压力、静水压力、注浆孔间距、注浆孔轨迹、断层倾角下浆液时空变化过程，以及不同的结石体物理力学性质，对比米石原岩的物理力学性质可得到不同水固比浆液、注浆压力、静水压力、注浆孔间距、注浆孔轨迹、断层倾角下的注浆效果。

2)胶结类断层充填物注浆模拟：

胶结类断层充填物利用米石和粘土进行混合得到胶结类断层充填物效果，其其他注浆模拟过程与非胶结类断层充填物注浆模拟是一致的。