研究不同注浆材料和注浆压力的岩体裂隙注浆试验方法

技术领域

本发明涉及工程流体力学试验技术领域，具体的说，涉及一种研究不同注浆材料和注浆压力的岩体裂隙注浆试验方法。

背景技术

现在建筑工程中面临着许多因地层中出现或大或小的裂隙、节理薄弱地带而导致的问题，地面工程中常遇到地基不稳，甚至下沉的问题；地下工程中（隧道工程，煤矿工程等）则常遇到岩层渗水，地下支架压力过大甚至是巷道垮落等问题。而对于上述的问题，采用合适的注浆技术均可有效解决，整体来说，注浆有以下两大作用：

（1）注浆可对从微观上充填岩体的孔隙与裂隙，从而提高岩体的整体性，增强岩体的强度和稳定性，对于地面工程来说，可有效加固地基，从而减小地基的下沉距离，对于地下工程来说，加固岩层可减小支架的压力。

（2）注浆可填充岩层的节理与裂隙，降低围岩的渗透性，从而有效减少巷道上方的有害气体或水流的下泄量。

在实际施工时，由于各地地形环境不同，岩层构造不同，岩层深度不同，岩层的岩石种类不同，故针对不同的岩层需要不同的注浆材料与不同的注浆工艺，而目前施工中注浆参数常根据经验设定，没有科学的理论指导，市面上也缺乏较为专业的注浆设备，无法对注浆材料和注浆工艺进行全面的研究，其模拟试验试验数据也缺乏科学性和准确性。

而且目前市面上的注浆仪的注浆压力的采集元件多设置在浆罐内，以浆罐内的压力作为注浆压力，注浆流量采集元件也多设置在注浆管路前端，忽略了浆液在注浆管路中流动带来的流量和压力损耗会导致试验数据不准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种研究不同注浆材料和注浆压力的岩体裂隙注浆试验方法，本发明能够确保可以采集正确的注浆数据，工作量小，可节省大量的人力，可更改注浆压力、浆液原材料或浆液各材料配比进行试验，实现恒定压力注浆，为研究浆液在恒定压力下的流动规律提供试验基础。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

研究不同注浆材料和注浆压力的岩体裂隙注浆试验方法，具体包括以下步骤：

（一）、设计组装一种多功能岩体裂隙注浆试验装置，该多功能岩体裂隙注浆试验装置包括注水装置、恒压注气装置、储浆罐、数据采集控制系统和计算机，储浆罐的顶部设置有注水口、注气口和泄压口，储浆罐的外侧壁上侧部设置有带密封盖的浆液灌入口，储浆罐的底部设置有注浆出口和泄浆出口，注水装置的出水口与储浆罐的注水口通过注水管连接，恒压注气装置的出气口与储浆罐的注气口通过注气管连接，储浆罐的泄压口连接有泄压管，泄压管上设置有泄压阀门，储浆罐内设置有搅拌装置，储浆罐的注浆出口连接有注浆管，注浆管的另一端与外接所需注浆设备连接，储浆罐的泄浆出口连接有泄浆管，泄浆管上设置有泄浆阀门，注浆管上沿液体流动方向依次设置有注浆阀门、浆液流量计和注浆压力计，注浆阀门设在注浆管的前端，浆液流量计和注浆压力计设在注浆管的末端，数据采集控制系统分别与浆液流量计和注浆压力计信号连接，计算机与数据采集控制系统信号连接；

（二）、将按需求配置的浆液加入到储浆罐中，并通过搅拌装置搅拌均匀；

（三）、通过恒压注气装置向储浆罐内注气，使储浆罐内压力升高；

（四）、当储浆罐内压力达到设定注浆压力时，打开注浆阀门，开始向所需注浆设备中注入浆液；

（五）、通过数据采集控制系统随时监测试验数据，并通过计算机提取试验数据进行研究或存储；

（六）、更改注浆压力、浆液原材料或浆液各材料配比重复步骤（二）～（五），继续进行试验；

（七）、试验完成后，将储浆罐内的剩余浆液排出，通过注水装置和恒压注气装置对整个系统进行清洗，便于下次试验。

注水装置包括水箱、注水泵和液体调压阀，水箱的出水口与注水泵的进水口之间通过抽水管连接，注水泵的出水口与储浆罐的注水口之间通过注水管连接，液体调压阀设置在注水管上，数据采集控制系统分别与注水泵和液体调压阀信号连接。

恒压注气装置包括气泵、注气阀门、稳压器、溢流调压阀和注气压力计，气泵的出气口与储浆罐的注气口之间通过注气管连接，注气阀门、稳压器、溢流调压阀和注气压力计沿气体流动方向依次设置在注气管上，数据采集控制系统分别与气泵、溢流调压阀和注气压力计信号连接。

搅拌装置包括搅拌电机、搅拌轴和搅拌扇叶，搅拌电机固定安装在储浆罐的顶部，搅拌轴同中心竖向设置在储浆罐内，搅拌轴的上端转动安装在储浆罐的顶部中心，搅拌电机的动力轴下端同轴传动连接搅拌轴的上端，搅拌轴的下端位于储浆罐内下部，搅拌扇叶设置有若干块，各块搅拌扇叶圆周阵列固定安装在搅拌轴的下端部外圆周，数据采集控制系统与搅拌电机信号连接。

数据采集控制系统包括机箱和集成电脑，机箱的底部通过机架固定支撑在地面上，集成电脑设置在机箱内，机箱的前侧面左侧部设置有控制面板，控制面板的上侧部设置有液晶显示屏，控制面板的下侧部设置有注气控制开关、注水控制开关、搅拌控制开关和总电源控制开关，集成电脑分别与浆液流量计、注浆压力计、液体调压阀、溢流调压阀、注气压力计和液晶显示屏信号连接，计算机与集成电脑信号连接。

步骤（二）具体为：打开密封盖，将按需求配置的浆液通过浆液灌入口加入到储浆罐中，打开总电源控制开关，通过搅拌控制开关启动搅拌电机，搅拌电机驱动搅拌轴转动，则搅拌轴带动搅拌扇叶转动对浆液进行搅拌，防止浆液沉积。

步骤（三）具体为：通过注气控制开关启动气泵，打开注气阀门，向储浆罐内注入气体，通过注气压力计实时监测储浆罐内部压力并传至集成电脑，则液晶显示屏实时显示注气压力计的压力数据，储浆罐内部压力开始升压。

步骤（四）具体为：通过溢流调压阀将注气压力设定到高于所需注浆压力，待液晶显示屏显示储浆罐内部压力升至设定值时，打开注浆阀门，则储浆罐内的浆液在注气压力的作用下经注浆管注入到外接所需注浆设备中。

步骤（五）具体为：通过浆液流量计和注浆压力计实时监测注浆过程的浆液流量和注浆压力，集成电脑采集浆液流量计和注浆压力计的试验数据，计算机提取集成电脑采集的试验数据并进行分析处理，进而测得浆液在注入过程中的压力变化规律，并存储试验数据。

步骤（七）具体为：试验完成后，关闭注浆阀门和气泵，打开泄压阀门和泄浆阀门，储浆罐内的气压经泄压管释放出去，同时储浆罐内的剩余浆液经泄浆管排出，然后再关闭泄压阀门和泄浆阀门，通过注水控制开关开启注水泵，注水泵将水箱内的水通过注水管向储浆罐内注入一定量的清水，然后关闭注水泵，搅拌扇叶搅拌清水进而对储浆罐内部进行清洗，再打开注浆阀门和气泵，将储浆罐内的清水通过注浆管注入到外接所需注浆设备中并全部排出，同时气泵也将注浆管内的剩余的清水全部吹出，避免影响下次注浆试验时浆液成分，清水在注浆管和外接所需注浆设备内流动过程中可以对注浆管和外接所需注浆设备内部清洗，接着再关闭注浆阀门和气泵，开启注水泵，注水泵将水箱内的水通过注水管向储浆罐内注入一定量的清水，然后关闭注水泵，搅拌装置搅拌清水进而对储浆罐内部进行清洗，再打开注浆阀门和气泵，将储浆罐内的清水通过注浆管注入到外接所需注浆设备中并全部排出，同时气泵也将注浆管内的剩余的清水全部吹出，避免影响下次注浆试验时浆液成分，清水在注浆管和外接所需注浆设备内流动过程中可以对注浆管和外接所需注浆设备内部清洗，如此多次重复上述操作，对整个系统进行清洗，便于下次试验。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明具有以下有益效果：

（1）、本发明在注浆管末端设置有浆液流量计和注浆压力计作为注浆流量和注浆压力的采集元件，确保可以采集正确的注浆数据；

（2）、本发明的数据采集控制系统将设备操控和数据采集集成在一起，集成度高，且可实现自动数据实时采集，工作量小，只需1-2人即可操控设备，可节省大量的人力；

（3）、本发明可更改注浆压力、浆液原材料或浆液各材料配比进行试验，实现恒定压力注浆，为研究浆液在恒定压力下的流动规律提供试验基础。

附图说明

图1是本发明的模拟多类型单裂隙注浆渗流可视化试验系统的原理示意图。

图2是本发明的可视化单裂隙渗流装置的轴侧示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

如图1和图2所示，研究不同注浆材料和注浆压力的岩体裂隙注浆试验方法，具体包括以下步骤：

（一）、设计组装一种多功能岩体裂隙注浆试验装置，该多功能岩体裂隙注浆试验装置包括注水装置、恒压注气装置、储浆罐1、数据采集控制系统2和计算机，储浆罐1的顶部设置有注水口3、注气口4和泄压口5，储浆罐1的外侧壁上侧部设置有带密封盖的浆液灌入口6，储浆罐1的底部设置有注浆出口7和泄浆出口8，注水装置的出水口与储浆罐1的注水口3通过注水管9连接，恒压注气装置的出气口与储浆罐1的注气口4通过注气管10连接，储浆罐1的泄压口5连接有泄压管11，泄压管11上设置有泄压阀门12，储浆罐1内设置有搅拌装置13，储浆罐1的注浆出口7连接有注浆管14，注浆管14的另一端与外接所需注浆设备40连接，储浆罐1的泄浆出口8连接有泄浆管15，泄浆管15上设置有泄浆阀门16，注浆管14上沿液体流动方向依次设置有注浆阀门17、浆液流量计18和注浆压力计19，注浆阀门17设在注浆管14的前端，浆液流量计18和注浆压力计19设在注浆管14的末端，数据采集控制系统2分别与浆液流量计18和注浆压力计19信号连接，计算机与数据采集控制系统2信号连接；

（二）、将按需求配置的浆液加入到储浆罐1中，并通过搅拌装置13搅拌均匀；

（三）、通过恒压注气装置向储浆罐1内注气，使储浆罐1内压力升高；

（四）、当储浆罐1内压力达到设定注浆压力时，打开注浆阀门17，开始向所需注浆设备中注入浆液；

（五）、通过数据采集控制系统2随时监测试验数据，并通过计算机提取试验数据进行研究或存储；

（六）、更改注浆压力、浆液原材料或浆液各材料配比重复步骤（二）～（五），继续进行试验；

（七）、试验完成后，将储浆罐1内的剩余浆液排出，通过注水装置和恒压注气装置对整个系统进行清洗，便于下次试验。

注水装置包括水箱20、注水泵21和液体调压阀22，水箱20的出水口与注水泵21的进水口之间通过抽水管23连接，注水泵21的出水口与储浆罐1的注水口3之间通过注水管9连接，液体调压阀22设置在注水管9上，数据采集控制系统2分别与注水泵21和液体调压阀22信号连接。

恒压注气装置包括气泵24、注气阀门25、稳压器26、溢流调压阀27和注气压力计28，气泵24的出气口与储浆罐1的注气口4之间通过注气管10连接，注气阀门25、稳压器26、溢流调压阀27和注气压力计28沿气体流动方向依次设置在注气管10上，数据采集控制系统2分别与气泵24、溢流调压阀27和注气压力计28信号连接。

搅拌装置13包括搅拌电机29、搅拌轴30和搅拌扇叶31，搅拌电机29固定安装在储浆罐1的顶部，搅拌轴30同中心竖向设置在储浆罐1内，搅拌轴30的上端转动安装在储浆罐1的顶部中心，搅拌电机29的动力轴下端同轴传动连接搅拌轴30的上端，搅拌轴30的下端位于储浆罐1内下部，搅拌扇叶31设置有若干块，各块搅拌扇叶31圆周阵列固定安装在搅拌轴30的下端部外圆周，数据采集控制系统2与搅拌电机29信号连接。

数据采集控制系统2包括机箱32和集成电脑，机箱32的底部通过机架33固定支撑在地面上，集成电脑设置在机箱32内，机箱32的前侧面左侧部设置有控制面板35，控制面板35的上侧部设置有液晶显示屏34，控制面板35的下侧部设置有注气控制开关36、注水控制开关37、搅拌控制开关38和总电源控制开关39，集成电脑分别与浆液流量计18、注浆压力计19、液体调压阀22、溢流调压阀27、注气压力计28和液晶显示屏34信号连接，计算机与集成电脑信号连接。

步骤（二）具体为：打开密封盖，将按需求配置的浆液通过浆液灌入口6加入到储浆罐1中，打开总电源控制开关39，通过搅拌控制开关38启动搅拌电机29，搅拌电机29驱动搅拌轴30转动，则搅拌轴30带动搅拌扇叶31转动对浆液进行搅拌，防止浆液沉积。

步骤（三）具体为：通过注气控制开关36启动气泵24，打开注气阀门25，向储浆罐1内注入气体，通过注气压力计28实时监测储浆罐1内部压力并传至集成电脑，则液晶显示屏34实时显示注气压力计28的压力数据，储浆罐1内部压力开始升压。

步骤（四）具体为：通过溢流调压阀27将注气压力设定到高于所需注浆压力，待液晶显示屏34显示储浆罐1内部压力升至设定值时，打开注浆阀门17，则储浆罐1内的浆液在注气压力的作用下经注浆管14注入到外接所需注浆设备40中。

步骤（五）具体为：通过浆液流量计18和注浆压力计19实时监测注浆过程的浆液流量和注浆压力，集成电脑采集浆液流量计18和注浆压力计19的试验数据，计算机提取集成电脑采集的试验数据并进行分析处理，进而测得浆液在注入过程中的压力变化规律，并存储试验数据。

步骤（七）具体为：试验完成后，关闭注浆阀门17和气泵24，打开泄压阀门12和泄浆阀门16，储浆罐1内的气压经泄压管11释放出去，同时储浆罐1内的剩余浆液经泄浆管15排出，然后再关闭泄压阀门12和泄浆阀门16，通过注水控制开关37开启注水泵21，注水泵21将水箱20内的水通过注水管9向储浆罐1内注入一定量的清水，然后关闭注水泵21，搅拌扇叶31搅拌清水进而对储浆罐1内部进行清洗，再打开注浆阀门17和气泵24，将储浆罐1内的清水通过注浆管14注入到外接所需注浆设备40中并全部排出，同时气泵24也将注浆管14内的剩余的清水全部吹出，避免影响下次注浆试验时浆液成分，清水在注浆管14和外接所需注浆设备40内流动过程中可以对注浆管14和外接所需注浆设备40内部清洗，接着再关闭注浆阀门17和气泵24，开启注水泵21，注水泵21将水箱20内的水通过注水管9向储浆罐1内注入一定量的清水，然后关闭注水泵21，搅拌装置13搅拌清水进而对储浆罐1内部进行清洗，再打开注浆阀门17和气泵24，将储浆罐1内的清水通过注浆管14注入到外接所需注浆设备40中并全部排出，同时气泵24也将注浆管14内的剩余的清水全部吹出，避免影响下次注浆试验时浆液成分，清水在注浆管14和外接所需注浆设备40内流动过程中可以对注浆管14和外接所需注浆设备40内部清洗，如此多次重复上述操作，对整个系统进行清洗，便于下次试验。

计算机和集成电脑在图中均未示出。

本发明具有以下有益效果：

（1）、本发明在注浆管14末端设置有浆液流量计18和注浆压力计19作为注浆流量和注浆压力的采集元件，确保可以采集正确的注浆数据；

（2）、本发明的数据采集控制系统2将设备操控和数据采集集成在一起，集成度高，且可实现自动数据实时采集，工作量小，只需1-2人即可操控设备，可节省大量的人力；

（3）、本发明可更改注浆压力、浆液原材料或浆液各材料配比进行试验，实现恒定压力注浆，为研究浆液在恒定压力下的流动规律提供试验基础。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。