一种采空区填充用浆液受迫扩散规律试验装置及方法与流程

1.本发明属于煤炭行业绿色充填开采减沉技术领域，涉及流体扩散试验技术领域，具 体涉及一种采空区填充用浆液受迫扩散规律试验装置及方法。


背景技术：

2.煤矿大空洞型采空区是地下煤炭资源开采完成后留下的巨型空洞，是一种不稳定的 人工地质构造，随着形成时间的推移和赋存环境的变化，这种不稳定构造可能发生退化 而衍生地面塌陷、矿山地震等矿山灾害。尤其是小型煤矿，由于开采手段落后、顶板管 理方式粗放、缺乏必要的地质资料，所以采空区的潜在灾害更加严重。随着城市化、工 业化和现代化进程的快速推进，越来越多的煤矿采空区的上覆土地需要被激活，或者用 于建造工业民用建筑，或建设公路和铁路等生命线工程。
3.为了给采空区地面工程建设创造一个安全可靠的地下环境，对顶板破坏程度较弱， 空场体积较大的大空洞型采空区常采用稀浆注浆治理或稀浆加投砂注浆治理，其缺陷在 于：浆液流动范围不可控、注浆量巨大、浆液结实率较低。通过泵送方式将高浓度充填 材料压入至采空区的高浓度材料充填方法已通过数个工程的实践，对采空区顶板岩层移 动控制效果良好，但在采空区治理设计中充填钻孔的间距仍然按照常规稀浆充填进行设 计的，而高浓度充填材料的流动堆积规律与常规稀浆明显不同，高浓度充填材料是一种 固体颗粒含量较多，同时伴有一定量的液体和气体的浆液，由于这种浆液浓度较高、粘 度较大、输送难度高、送泵阻力大、到达采空区后堆积形态复杂、注入到采空区对采空 区的支撑效果未知，目前相关工程设计存在很大的盲目性，具有很大的安全风险。因此， 亟需能够量化高浓度浆液在采空区中的流动规律及堆积规律的装置及方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种采空区填充用浆液受迫扩散规律 试验装置及方法，以解决现有技术中缺少能够量化高浓度浆液在采空区中的流动规律及 堆积规律的装置及方法的技术问题，为采空区治理设计和治理效果预估提供依据。
5.为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
6.一种采空区填充用浆液受迫扩散规律试验装置，包括浆液堆积扩散箱，所述浆液堆 积扩散箱包括底板、竖直设置于底板上且高度可调的立柱、与立柱相配合可拆卸地围绕 于底板四周的前端板、后端板、第一侧板、第二侧板、以及设置于立柱顶部的顶板；
7.所述顶板上开设有用于灌浆的注浆孔，所述注浆孔上连接有注浆管，所述注浆管顶 端连接有浆液泵送设备，注浆管上设置有用于采集浆液流动压力的压力检测单元；
8.所述顶板的底面上靠近边缘处设置有多个用于采集浆液堆积形态的三维扫描装置， 每个所述三维扫描装置的图像采集端均朝向浆液堆积扩散箱内部。
9.本发明还具有以下技术特征：
10.具体的，所述注浆管上还连接有辅助支撑机构，所述辅助支撑机构包括可移动的
升 降平台和设置在升降平台顶端的固定支架，所述固定支架用于固定支撑注浆管。
11.更进一步的，所述浆液堆积扩散箱底部可拆卸地设置有多个高度可调的液压支座。
12.更进一步的，所述前端板上还设置有排水阀门。
13.更进一步的，所述注浆管包括由上至下依次顺序连接设置的第一注浆直管、第一注 浆弯管和第二注浆直管，所述压力检测单元包括设置在第一注浆直管上的第一压力计、 设置在第一注浆弯管上的第二压力计和设置在第二注浆直管上的第三压力计。
14.更进一步的，所述顶板上还开设有进气口，所述排气口上有进气阀门，所述进气阀 门上设置有第四压力计。
15.更进一步的，所述注浆管上还设置有流量传感器。
16.更进一步的，所述侧板为透明有机玻璃板。
17.一种采空区填充用浆液受迫扩散规律试验方法，所述方法通过上述采空区填充用浆 液受迫扩散规律试验装置实现，包括以下步骤：
18.步骤1、收集采空区的探查数据，根据得到的探查数据设置液压支座高度、立柱高 度、注浆管长度和侧板数量，然后完成试验装置装配；
19.步骤2、根据设定的浆液流变参数、坍落度及扩展度制备浆液；
20.步骤3、开始注浆，并采集不同时刻的浆液压力、浆液流量，及浆液堆积形态图像； 当注浆压力升至设定注浆压力或泵送设备额定注浆压力的80％时，结束注浆；
21.步骤4、根据采集到的浆液压力、浆液流量，及浆液堆积形态图像，分析不同时刻 浆液的压力、流量、堆积形态变化特征，得出采空区填充用浆液受迫扩散规律。
22.更进一步的，所述探查数据包括采空区高度、采空区底板倾角、采空区内水位高度， 以及遗留煤柱的数量和位置。
23.本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
24.(1)本发明装置通过调节不同液压支座的高度实现采空区底板的倾斜角度模 拟；通过调节支柱高度模拟采空区高度；通过加卸侧板实现采空区的边界条件模拟； 通过调节侧板上的排水阀门，实现采空区的矿井水条件模拟；通过自动进气阀门调 节控制气压，采空区的气压环境；同时，通过调节注浆管长度，实现充填管线长度 模拟，通过三维扫描装置获取模拟采空区内的浆液堆积形态，得到浆液堆积形态和 三维尺寸；本发明装置通过结构设计可以模拟实际采空区，准确模拟注浆流体在采 空区内的流动过程，可以根据采空区的探查数据制成不同尺寸、不同形状的采空区 模型，从而实现了不同构造采空区的模拟，具有广泛的适用性，对采空区填充设计 具有实际指导作用。
25.(2)本发明方法通过定量可视化浆液在采空区中的流动堆积，得到浆液在采空 区内的流动堆积数据，最终得到浆液在采空区内的流动堆积规律，为解决高浓度充填 材料在采空区中运移、扩散、堆积无法可视化与定量化的黑箱问题提供了试验依据。
附图说明
26.图1为本发明装置的整体结构示意图。
27.图2为浆液堆积扩散箱的俯视图。
28.图3为本发明实施例2采集到的最终的浆液堆积形态图像。
29.图4为本发明实施例2采集到注浆压力和流量随时间变化的曲线。
30.图5为本发明实施例2由最终的浆液堆积形态图像得到的浆体堆积形态剖面 图。
[0031][0032]
图中各标号表示为：
[0033]
1-浆液堆积扩散箱，2-注浆管，3-压力检测单元，4-三维扫描装置，5-辅助支撑机构， 6-液压支座，7-排水阀门，8-进气阀门，9-第四压力计，10-流量传感器，11-底板，12
‑ꢀ
立柱，13-侧板，14-顶板；21-第一注浆直管，22-第一注浆弯管，23-第二注浆直管；31
‑ꢀ
第一压力计，32-第二压力计，33-第三压力计，51-升降平台，52-固定支架，141-注浆孔， 142进气口。
[0034]
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
[0035]
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限 于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范 围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
[0036]
本发明在进行方位描述时，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右
”ꢀ
等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指 的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发 明的限制。
[0037]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重 要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征 可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在未作相反说明的情况下，术语“安 装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接， 也可以是可拆卸连接或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关 系。对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含 义。
[0038]
需要说明的是，本发明中的所有零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域 已知的零部件。
[0039]
本发明中的浆是指在管道输送中无明显浓度梯度和速度梯度的结构流浆体，在管道 中呈柱塞运动，浆体不离析、不脱水，具有良好的可塑性和稳定性。
[0040]
实施例1：
[0041]
遵从上述技术方案，如图1至图2所示，本实施例提供一种采空区填充用浆液受迫 扩散规律试验装置，包括浆液堆积扩散箱1，浆液堆积扩散箱1包括底板11、竖直设置 于底板11上且高度可调的立柱12、与立柱12相配合可拆卸地围绕于底板11四周的侧 板13、以及设置于立柱12顶部的顶板14；本实施例中的顶板和底板尺寸相同，具体为： 长度为1600mm，宽度为1600mm，厚度为5mm。
[0042]
本实施例中，可以通过加卸侧板13实现采空区的边界条件模拟，根据采空区的实 际情况，设计立柱12的高度和侧板13的数量，如，注浆孔位附近四周有遗留煤柱，则 安装四块侧板13；若注浆孔位附近三侧有遗留煤柱，则安装三块侧板13；若注浆孔位 附近两侧有遗留煤柱，则按照遗留煤柱位置安装两块侧板13；若注浆孔位附近没有遗留 煤柱，就不用
设置侧板13。
[0043]
顶板14上开设有用于灌浆的注浆孔141，注浆孔141上连接有注浆管2，注浆管2 顶端连接有浆液泵送设备，注浆管2上设置有用于采集浆液流动压力的压力检测单元3；
[0044]
浆液泵送设备用于向注浆管2中泵入浆液，压力检测单元采集注浆管2上不同位置 的浆液流动压力。
[0045]
顶板14的底面上靠近边缘处设置有多个用于采集浆液堆积形态的三维扫描装置4， 每个三维扫描装置4的图像采集端均朝向浆液堆积扩散箱1内部。三维扫描装置4用于 定时采集浆液在浆液堆积扩散箱1内的堆积形态。
[0046]
作为本实施例的一种优选方案，注浆管2上还连接有辅助支撑机构5，辅助支撑机 构5包括可移动的升降平台51和设置在升降平台51顶端的固定支架52，固定支架52 用于固定支撑注浆管2。在本实施例中，在升降平台51的下方设置有滚轮，固定支架 52上设置有套环，用于套装注浆管2，可以根据立柱12的高度，通过调节升降平台51 的高度实现注浆管2的装夹固定。
[0047]
作为本实施例的一种优选方案，浆液堆积扩散箱1底部可拆卸地设置有多个高度可 调的液压支座6。通过调整不同液压支座6的高度，可以使底板11与水平面呈不同的角 度，从而实现对采空区底板的倾斜角度模拟。
[0048]
作为本实施例的一种优选方案，侧板13上还设置有排水阀门7。在设置四块侧板 13，形成封闭腔体的情况下，用排水阀门17进行排水，从而实现采空区内矿井水条件 的模拟。
[0049]
作为本实施例的一种优选方案，注浆管2包括由上至下依次顺序连接设置的第一注 浆直管21、第一注浆弯管22和第二注浆直管23，压力检测单元3包括设置在第一注浆 直管上21的第一压力计31、设置在第一注浆弯管22上的第二压力计32和设置在第二 注浆直管23上的第三压力计33。本实例中第一注浆直管21、第一注浆弯管22和第二 注浆直管23质检通过注浆管卡扣连接。可以通过增减注浆直管或注浆弯管的数量来改 变注浆管的长度或弯度。
[0050]
作为本实施例的一种优选方案，顶板14上还开设有进气口142，排气口142上有进 气阀门8，进气阀门8上设置有第四压力计9。在设置四块侧板13，形成封闭腔体的情 况下，通过进气阀门8可以调节腔体内的空间压力，从而实现采空区内气压条件的模拟。
[0051]
作为本实施例的一种优选方案，注浆管2上还设置有流量传感器10。流量传感器 10用于采集注浆管2内的浆液流量信息。
[0052]
作为本实施例的一种优选方案，侧板13为透明有机玻璃板。
[0053]
本装置的使用过程如下：
[0054]
1、设置液压支座6的高度、立柱12的高度、注浆管2的长度及弯曲度、侧板13 的数量；
[0055]
2、根据设定的注浆管2的长度和弯曲度，利用卡扣连接第一注浆直管21、第一注 浆弯管22和第二注浆直管23，构成注浆管2，在第一注浆直管上21上设置第一压力计 31、在第一注浆弯管22上设置第二压力计32，在第二注浆直管23上设置第三压力计 33，且通过升降平台51上的固定支架52固定注浆管2；
[0056]
3、启动泵送设备，开始注浆，采集注浆过程中不同时刻的浆液压力、浆液流量、 浆
单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
[0070]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾 的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种 可能的组合方式不再另行说明。
[0071]
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公 开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。