一种模拟拱形巷道骨料灌注堵水试验装置的制作方法

测流经所述巷道模拟管道的进水管与出水管的流量信号；
12.支架系统，包括支撑平台和配置在所述支撑平台下端的多个第一伸缩装置，所述巷道模 拟管道配置在所述支撑平台上，多个所述第一伸缩装置通过伸缩运动实现支撑平台的角度调 节。
13.在该技术方案中，在试验时，由支架系统的第一伸缩装置通过伸缩运动将支撑平台调整 至预设的角度，外部动力水源由进水管进入巷道模拟管道，且外部动力水源由入口端流入出 口端流出；灌注器向巷道模拟管道内注入骨料，直至骨料在巷道模拟管道内部形成稳定的阻 水段，关闭灌注器，在此过程中，由数据采集系统中的压力传感器采集巷道模拟管道内的压 力信号的变化规律，由流量监测仪监测其进水管与出水管的流量信号变化规律；该试验装置 能够准确模拟不同倾角、粗糙度等工况的拱形巷道，从而为实际工程方案设计提供有效指导， 而且试验场地小，易于操作和拆卸，便于监测试验数据。
14.另外，根据本发明的模拟拱形巷道骨料灌注堵水试验装置，还可以具有如下技术特征：
15.在本发明的一个示例中，所述巷道模拟管道包括：
16.管道本体，具有管腔；
17.粗糙板，可拆卸地安装在所述管腔内，且所述粗糙板沿着所述管腔的延伸方向布置。
18.在本发明的一个示例中，所述巷道模拟管道还包括：
19.多个支撑架，所述支撑架沿着所述管腔的延伸方向间隔安装在所述管腔内，所述粗糙板 被限定在所述支撑架与所述管腔之间。
20.在本发明的一个示例中，所述支撑架包括：
21.与所述管腔内壁相适配的拱形体和形成在所述拱形体上端的凸起，所述凸起至少包括两 个且沿着所述拱形体上外周壁间隔设置；
22.其中，在与所述粗糙板延伸方向相垂直的方向的两侧配置有凹槽，所述凹槽与所述凸起 相适配。
23.在本发明的一个示例中，所述粗糙板包括多个，且多个所述粗糙板沿着所述支撑架的周 向方向间隔设置。
24.在本发明的一个示例中，所述巷道模拟管道为透明亚克力管件。
25.在本发明的一个示例中，所述灌注器包括：
26.漏斗，具有出料端，所述出料端与所述巷道模拟管道上的灌注孔相连通；
27.密封体，配置在所述出料端，且能够在打开所述出料端的打开位置和关闭所述出料端的 关闭位置之间切换运动。
28.在本发明的一个示例中，所述灌注器还包括：
29.第二伸缩装置，至少部分伸入所述漏斗内且与所述密封体相连接，通过伸缩运动带动所 述密封体沿着漏斗的流动方向在打开所述出料端的打开位置和关闭所述出料端的关闭位置 之间切换运动。
30.在本发明的一个示例中，所述灌注器包括多个，沿着所述巷道模拟管道的延伸方向等间 隔设置，并且多个灌注器能够向所述巷道模拟管道内注入骨料。
31.在本发明的一个示例中，所述进水管上还配置有调速装置，用于调整进入巷道模
拟管道 内的初始水流速度。
32.下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本 发明的特征和优点。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单 介绍。其中，附图仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。
34.图1为根据本发明实施例的模拟拱形巷道骨料灌注堵水试验装置的结构示意图；
35.图2为根据本发明实施例的巷道模拟管道的结构示意图(隐去支撑架)；
36.图3为根据本发明实施例的支撑架的结构示意图；
37.图4为根据本发明实施例的粗糙板的结构示意图；
38.图5为根据本发明实施例的灌注器的结构示意图。
39.附图标记列表：
40.试验装置100；
41.进水管110；
42.巷道模拟管道120；
43.管道本体121；
44.管腔1211；
45.粗糙板122；
46.凹槽1221；
47.支撑架123；
48.拱形体1231；
49.凸起1232；
50.卡槽12321；
51.灌注孔1201；
52.测压孔1202；
53.入口端120a；
54.出口端120b；
55.出水管130；
56.灌注器140；
57.漏斗141；
58.出料端1411；
59.第二伸缩装置142；
60.第二缸体1421；
61.第二活塞杆1422；
62.密封体143；
63.数据采集系统150；
64.压力传感器151；
65.流量监测仪152；
66.图像采集仪153；
67.相机1531；
68.三脚架1532；
69.dt数据采集仪154；
70.支架系统160；
71.支撑平台161；
72.第一伸缩装置162；
73.坡脚规163；
74.调速装置170；
75.控制阀门180；
76.水箱190；
77.立架191；
78.外部水管200；
79.溢水管210；
80.废液箱220。
具体实施方式
81.为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具 体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标 记代表相同部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的 实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所 获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
82.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技 能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第 二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。 同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似 的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等 同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或 者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、
ꢀ“
右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也 可能相应地改变。
83.根据本发明的一种模拟拱形巷道骨料灌注堵水试验装置100，如图1所示，包括：
84.进水管110，其一端与外部动力水源相连通；
85.巷道模拟管道120，具有入口端120a和出口端120b，所述入口端120a与所述进水管 110的另一端相连通，其中，所述巷道模拟管道120为横截面为拱形的管道，且其内壁具有 粗糙度；也就是说，所述拱形为上部分为半圆形结构，下部分为方形结构。
86.出水管130，其一端与所述出口端120b相连通，其另一端与外部相连通；
87.灌注器140，所述灌注器140与所述巷道模拟管道120相连通，且所述灌注器140内
配 置有骨料，所述骨料能够在所述灌注器140的作用下向所述巷道模拟管道120注入骨料；
88.数据采集系统150，包括压力传感器151和流量监测仪152，所述压力传感器151 安装在巷道模拟管道120上，用于监测所述巷道模拟管道120在骨料灌注过程中压力信 号的变化规律，所述流量监测仪152用于监测流经所述巷道模拟管道120的进水管110 与出水管130的流量信号的变化规律；
89.支架系统160，包括支撑平台161和配置在所述支撑平台161下端的多个第一伸缩装置 162，所述巷道模拟管道120配置在所述支撑平台161上，多个所述第一伸缩装置162通过 伸缩运动实现支撑平台161的角度调节；具体地，在本发明中包括两个第一伸缩装置162， 分别配置在巷道模拟管道120的两端，其包括第一缸体和伸缩于所述第一缸体内的第一活塞 杆，其中，第一缸体与地面固定，第一活塞杆与支撑平台161铰接联接，通过调整两个第一 伸缩装置162的伸缩高度来调整支撑平台161的角度；例如，第一伸缩装置162为千斤顶。
90.在试验时，由支架系统160的第一伸缩装置162通过伸缩运动将支撑平台161调整至预 设的角度，外部动力水源由进水管110进入巷道模拟管道120，且外部动力水源由入口端120a 流入出口端120b流出；灌注器140向巷道模拟管道120内注入骨料，直至骨料在巷道模拟 管道120内部形成稳定的阻水段，关闭灌注器140，在此过程中，由数据采集系统150中的 压力传感器151采集巷道模拟管道120内的压力信号的变化规律，由流量监测仪152监测其 进水管110与出水管130的流量信号变化规律；该试验装置100能够准确模拟不同倾角、粗 糙度等工况的拱形巷道，从而为实际工程方案设计提供有效指导，而且试验场地小，易于操 作和拆卸，便于监测试验数据。
91.可以理解的是，所述的dt数据采集仪154和压力传感器151组合使用，即压力传感器 与dt数据采集仪154相耦接，并连接计算机实时查看和存储试验过程的水压力数据，通过 监测水压力变化值和观察管道内骨料堆积形态来综合判断是否堵水成功，即当堵水成功时， 靠近进水管110侧的水压高于靠近出水管130侧的水压。
92.所述骨料可以根据试验要求选择合适粒径的材料，用来模拟突水巷道内进行骨料灌注封 堵的砂子、石子等。
93.在本发明的一个示例中，所述的巷道模拟管道120上安装有多个测压孔1202，压力传 感器151安装在测压孔1202内，用于监测和记录骨料灌注过程中巷道模拟管道120内部不 同位置的压力变化情况。
94.在本发明的一个示例中，如图2所示，所述巷道模拟管道120包括：
95.管道本体121，具有管腔1211；
96.粗糙板122，可拆卸地安装在所述管腔1211的内壁上，且所述粗糙板122沿着所述管 腔1211的延伸方向布置；
97.由于实际的拱形巷道内壁具有粗糙度，为了更加准确地模拟实际工况下巷道工况，故而 在管腔1211内设置粗糙板122，并沿着管腔1211的延伸方向布置；而且通过将粗糙板122 可拆卸地安装在管腔1211内，可以便于更换不同粗糙度的粗糙板122，从而提高巷道模拟 管道120对于不同工况模拟的适用性和灵活性。
98.在本发明的一个示例中，所述巷道模拟管道120还包括：
99.多个支撑架123，所述支撑架123沿着所述管腔1211的延伸方向间隔安装在所述管
腔 1211内，所述粗糙板122被限定在所述支撑架123与所述管腔1211之间；
100.例如，在本发明中，支撑架123包括三个，且分别布置在巷道模拟管道120的前端、中 部和后端，从而有效地将粗糙板122限定在支撑架123和管腔1211之间，从而方便粗糙板 122与官腔之间的连接。需要指出的是，支撑架123与巷道模拟管道120之间通过插接联接， 即在所述巷道模拟管道的底壁的两侧配置有插接孔，而支撑架123的两侧插接在所述插接孔 内。
101.在本发明的一个示例中，如图3、图4所示，所述支撑架123包括：
102.与所述管腔1211内壁相适配的拱形体1231和形成在所述拱形体1231上端的凸起1232， 所述凸起1232至少包括两个且沿着所述拱形体1231上外周壁间隔设置；
103.其中，在与所述粗糙板122延伸方向相垂直的方向的两侧配置有凹槽1221，所述凹槽 1221与所述凸起1232相适配；
104.也就是说，相邻两个凸起1232之间形成卡槽12321，粗糙板122适配置卡槽12321内， 通过粗糙板122两侧的凹槽1221插接在支撑架123上的凸起1232上，可以将粗糙板122的 位置固定，为管腔1211的内壁提供粗糙度；可以理解的是，粗糙板122紧贴管腔1211的内 壁设置，从而使得管腔1211更加准确地模拟拱形巷道。
105.在本发明的一个示例中，所述粗糙板122包括多个，且多个所述粗糙板122沿着所述支 撑架123的周向方向间隔设置；也就是说，在沿着支撑架123的周向方向间隔设置多个凸起 1232，且相邻的两个凸起1232之间形成的卡槽12321与粗糙板122一一对应。
106.为了更加准确地模拟拱形巷道，在所述支撑架123的周向方向间隔设置多个粗糙板122， 从而使得粗糙板122布满整个巷道模拟管道120的内壁；相应地，沿着所述拱形体1231上 外周壁间隔设置多个凸起1232，与之对应的，多个粗糙板122分别插接在相邻的两个凸起 1232之间，以方便实现在巷道模拟管道120的管腔1211的内壁形成粗糙度；其中，由于支 撑架123的顶部为弧形结构，故而在支撑架123顶部设置多个凸起用于限定多个粗糙板123， 从而方便在顶部形成粗糙度，而支撑架123的侧壁可以通过凸起1232与巷道模拟管道120 共同限定一个粗糙板122来实现巷道模拟管道120的侧壁粗糙度的实现。
107.可以理解的是，在所述巷道模拟管道120的底壁亦联接有粗糙板122，以模拟巷道底壁 的粗糙度，底壁上的粗糙板122可以通过插接或者粘结的方式联接在底壁上，例如，在底壁 和设置在底壁上的粗糙板分别设置第一插孔和第二插孔，支撑架123依次穿设粗糙板122的 第二插孔和底壁上的第一插孔并固定在巷道模拟管道120的底壁上，从而支撑架123在固定 位置的同时将位于底壁上的粗糙板120固定。
108.当然本发明并不限制于此，巷道模拟管道120的内壁可以设置多个卡扣槽，且所述卡扣 槽沿着巷道模拟管道120的内壁的周向方向间隔设置，且每个卡扣槽与相应的粗糙板122相 适配；其中，卡扣槽可以与巷道模拟管道120一体成型，也可以紧固件或粘结在巷道模拟管 道120的内壁上。
109.在本发明的一个示例中，所述巷道模拟管道120为透明亚克力管件；
110.所述拱形透明管道为顶部呈半圆拱形、两壁直立的透明亚克力管，从而实现了在模拟拱 形巷道骨料灌注封堵试验过程中的可视化效果；
111.所述的半圆拱形透明亚克力管件采用的是无缝热压工艺技术达到一体成型，避免了传统 的粘接工艺密实度差，抗压能力差，透光度差的缺点；
112.所述的半圆拱形透明亚克力管的厚度为10mm，可以承受0.5mpa的水压，提高了该试验 装置100的可靠性；
113.所述的半圆拱形透明亚克力管的透光率不低于92％，方便观测整个灌注封堵试验过程；
114.所述的半圆拱形透明亚克力管具有一定的酸碱耐受性，提高模拟巷道管道的可靠性；
115.所述的粗糙度板采用的是三维激光雕刻工艺，通过将国际标准粗糙度曲线(jcr)输入 雕刻机，可以实现连续的雕刻成形；从而在试验实施过程中，可以根据具体的试验方案选取 适合的粗糙度板。
116.在本发明的一个示例中，如图5所示，所述灌注器140包括：
117.漏斗141，具有入料端和出料端1411，所述出料端1411与所述巷道模拟管道120上的 灌注孔1201相连通；
118.密封体143，配置在所述出料端1411，且能够在打开所述出料端1411的打开位置和关 闭所述出料端1411的关闭位置之间切换运动；
119.也就是说，通过调节密封体143在打开位置和关闭位置之间进行运动，从而调节出料端 1411端口的口径大小，从而调节由出料端1411流出的骨料的流量大小，继而实现对灌注器 140的流量调节，以满足相应的试验条件。
120.值得说明的是，在灌注器140的出料端1411与巷道模拟管道的灌注孔之间通过软管相 连通。
121.在本发明的一个示例中，所述灌注器140还包括：
122.第二伸缩装置142，至少部分伸入所述漏斗141内且与所述密封体143相连接，通过伸 缩运动带动所述密封体143沿着漏斗141的流动方向在打开所述出料端1411的打开位置和 关闭所述出料端1411的关闭位置之间切换运动；例如，第二伸缩装置142为电动推杆；
123.具体地，第二伸缩装置142包括第二缸体1421和伸缩于第二缸体1421内的第二活塞杆 1422，其中，第二缸体1421与漏斗141的位置相对固定，例如，通过支架固定；第二活塞 杆1422与密封体143相连接，通过第二活塞杆1422的伸缩运动，实现密封体143在漏斗 141内的上下运动，这样既可以实现对漏斗141内的骨料排放与否的控制，同时又能够根据 控制第二伸缩装置142的运动来控制骨料的灌注速度。
124.在本发明的一个示例中，所述灌注器140包括多个，沿着所述巷道模拟管道120的延伸 方向等间隔设置，并且多个灌注器140以同步或者不同次序向所述巷道模拟管道120内注入 骨料；
125.通过设置多个灌注器140可以准确模拟实际巷道的多个灌注浆孔形成多个阻水段的工 况。
126.在本发明的一个示例中，所述进水管110上还配置有调速装置170，用于调整进入巷道 模拟管道120内的初始水流速度，以适应不同工况条件下的巷道突水情况；
127.例如，调速装置170为高压泵，通过高压泵可以将外部水源进行加压，从而调整外部水 源的流速，以满足相应的试验要求。
128.在本发明的一个示例中，所述流量监测仪152包括两个，
129.其中一个流量监测仪152配置在进水管110路上，其中另一个流量监测仪152配置
在出 水管130路上；
130.通过在进水管110设置流量监测仪152可以实时监测突水流量，而在进水管110、出水 管130上配置流量监测仪152可以有效监测在堵水试验过程中模拟巷道管道的两端流量变化， 为实际工程提供指导。其中，流量监测仪具有显示和存储瞬时流量和累积流量数据的功能。
131.在本发明的一个示例中，还包括：控制阀门180，
132.安装在所述进水管110上，用于调节进水管110的流量大小以满足试验所需要的突水流 量；
133.通过控制阀门180能够调节进水管110的流量大小，进一步模拟实际巷道的突水环境。
134.在本发明的一个示例中，还包括：图像采集仪153，
135.分别配置在所述巷道模拟管道120的延伸方向的两侧，用于在模拟试验过程中拍摄巷道 模拟管道120内骨料沉积、运移与封堵的图片和视频信息；后期可以通过分析图片和视频数 据揭示不同试验条件下的管道封堵机理；分别配置在所述巷道模拟管道120同一侧的前半部 分和后半部分，用于在模拟试验过程中拍摄巷道模拟管道内骨料沉积、运移与封堵的图片和 视频信息。
136.具体地，所述图像采集仪153包括：相机1531和三脚架1532，所述相机1531适配在 三脚架1532上，从而方便对相机1531的位置进行调整以满足最佳的拍摄角度；通过图像采 集仪153能够更加直观的观测模拟巷道管道内的情况。
137.需要指出的是，如图2所示，由于图像采集仪153放置在巷道模拟管道120的一侧，为 了方便图像采集仪153采集巷道模拟管道120内骨料沉积、运移与封堵的图片和视频信息， 故而在巷道模拟管道120的设置图像采集仪153的一侧不设置粗糙板122。
138.在本发明的一个示例中，所述支架系统160还包括：坡角规，将坡脚规163配置在支撑 平台161上，在调整第一伸缩装置162时，实现支撑平台161的角度调节，坡脚规163可以 准确测量支撑平台161的倾斜角度，能够更加准确的模拟巷道的实际工况。
139.在本发明的一个示例中，还包括：
140.水箱190，配置在具有一定高度的立架191上，且水箱190上端与外部水源相连通，水 箱190下端与进水管110相连通，其中，外部水源通过外部水管200与水箱190相连通，在 水箱190上还配置有溢水管210，可以将水箱190中蓄满溢出的水及时排走，同时可以建立 稳定的动力水源。可以理解的是，为了方便对外部水源的控制，在外部水管200上配置控制 阀门180，为了方便对溢水管210的控制，在溢水管210上配置控制阀门180。需要指出的 是，立架191的高度为可调节的，从而改变试验所需要的水力压力。
141.在本发明的一个示例中，还包括：废液箱220，其与出水管130相连通，用于收集试验 过程中的流出巷道模拟管道120的废水及被携带出的部分含骨料废液，防止废液直接排放而 污染水源和环境。
142.本发明的具体工作原理如下：
143.在试验时，由支架系统160的第一伸缩装置162通过伸缩运动将支撑平台161调整角度 并根据坡角规准确设置预设倾斜角度，打开调速装置170，用于调整水流的速度，并通过控 制阀门180调节外部动力水源的突水流量，使得外部动力水源由入口端120a流入出口
端120b 流出；通过调整第二伸缩装置142来调整灌注器140向巷道模拟管道120内注入骨料的速度， 直至骨料在巷道模拟管道120内部形成稳定的阻水段，关闭灌注器140，在此过程中，由数 据采集系统150中的压力传感器151采集巷道模拟管道120内的压力信号，由流量监测仪 152监测其流量信号，图像采集仪153在模拟试验过程中拍摄巷道模拟管道120的图片和视 频信息；通过在拱形巷道模型进行骨料灌注封堵试验，研究在不同骨料粒径、动水流速、巷 道倾角、粗糙度等因素下，骨料的沉降运移规律和堵水效果的评价，从而为实际工程方案设 计提供有效的指导。这一发明成果将对巷道突水封堵、巷道突水灾害的治理等提供科学的依 据，具有重要的理论意义和实际价值；该试验装置100能够准确模拟不同倾角、粗糙度等工 况的拱形巷道，从而为实际工程方案设计提供有效指导，而且试验场地小，易于操作和拆卸， 便于监测试验数据。
144.本发明以最贴近真实情况的工程模型，克服了现有大部分试验装置没有考虑实际工程中 的巷道形状、粗糙度等缺点，实现了模拟不同倾角、粗糙度的拱形巷道，在不同突水条件下 进行可视化骨料灌注堵水试验研究。从而来进一步探究在不同骨料粒径、动水流速等因素下， 骨料的沉积运移规律和骨料灌注封堵效果及影响因素判据，对于指导实际煤矿建设中遇到的 巷道突水，采取骨料灌注封堵工程具有重要的意义和价值。特别是在实际工程中缺少案例工 程来指导实施时，该试验装置可以提供一种结构设计相对简单，占用场地小，便于监测和记 录试验数据的方法，避免了重复设计工程模型，降低了成本的同时能够保证实用性。
145.上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的模拟拱形巷道骨料灌注堵水试验 装置100的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提 下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结 构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。