一种矿井耦合状态下破裂岩石注浆堵水装置及试验方法

1.本发明涉及岩石力学试验技术领域，尤其是一种矿井耦合状态下破裂岩石注浆堵水装置及试验方法。


背景技术：

2.随着开采深度的增加，尤其是“三高”(高应力、高地温及高水压)条件下受采矿活动影响，深部岩石内部会更容易形成大量翼状微裂纹，这些微裂纹在底板应力及水压渗透扩展的共同作用下相互贯通，增加了岩石渗透性，诱发突水灾害发生几率增加，给煤矿安全生产带来严重隐患，如何有效地将岩石产生的裂隙进行封堵是治理此类灾害的关键。岩石裂缝注浆堵水技术是防治矿井水害，保证安全采掘的有效措施之一。
3.现有的试验设备对岩石裂隙扩展研究大多集中在单一因素方面，单一因素对岩石的影响不能完全反映岩石实际变化情况及突水条件，因此，需要考虑耦合因素下岩石裂隙扩展变化，并对岩石破裂后裂缝封堵效果进行验证。开展耦合条件下岩石裂隙扩展测试，并对裂缝封堵效果进行验证，进而为煤矿安全开采提供可靠依据。


技术实现要素：

4.为了进行矿井深部应力-温度-水压耦合作用下岩石裂隙扩展测试，揭示不同水压、温度及应力条件下岩石的裂隙扩展规律，进行岩石裂缝注浆堵水试验，并对裂缝封堵效果进行验证，为煤矿安全开采提供可靠依据，本发明提供了一种矿井耦合状态下破裂岩石注浆堵水装置及试验方法，具体的技术方案如下。
5.一种矿井耦合状态下破裂岩石注浆堵水装置，包括加压器、蓄水池、试验箱及注浆泵，所述蓄水池中包括温度传感器及水压板，水压板通过加压杆与加压器连接，蓄水池侧壁安装有测压管及排水管，蓄水池通过注水管与水泵连接；所述试验箱包括横向施力板、纵向施力板、应力传感器及温度传感器，底座通过电动推杆与底板及横向施力板相连接，横向施力板通过电动推杆与纵向施力板连接，纵向施力板上设置有若干通水孔，试验箱前壁铰接有推拉箱门，试验箱后壁安装有测压管及排水管，试验箱后壁通过注浆管与注浆泵相连。
6.优选的是，加压器推动水压板对水流进行轴向加压，左支柱和右支柱推动横向施力板对岩石试件施加横向压力。
7.优选的是，蓄水池对称的侧壁上均匀的布置有测压管，蓄水池内还设置有温度传感器。
8.优选的是，注浆管上安装有水压力表，测压管上安装有水压力表，注浆管、测压管、注水管和排水管上分别安装有阀门。
9.还优选的是，横向施力板对称且分别设置试验箱内的左支柱和右支柱上，所述纵向施力板上设置有若干通水孔。
10.还优选的是，推拉箱门上设有把手，推拉箱门一侧与试验箱磁性连接；所述推拉箱门上包覆有保温层，所述蓄水池和试验箱外层均包覆有保温层。
11.进一步优选的是，试验箱相邻位置设置有控制面板，控制面板内设置有单片机，所述控制面板还设置有液晶显示屏与控制按键，所述单片机与传感器、液晶显示屏、控制按键、电动推杆相连。
12.一种矿井耦合状态下破裂岩石注浆堵水试验方法，利用上述的一种矿井耦合状态下破裂岩石注浆堵水装置，步骤包括：
13.a.制作岩石试件并放入试验箱中，进行应力-温度-水压耦合试验，确定岩石裂隙的扩展规律；
14.b.关闭通水孔，打开注浆管上的阀门，注浆泵将堵水材料注入试验箱对应力-温度-水压耦合试验后的岩石试件进行注浆；
15.c.清理试验箱，对注浆后的岩石试件进行应力-温度-水压耦合试验，确定注浆堵水效果。
16.进一步优选的是，蓄水池中通过水泵注水，加压器推动水压板使水流通过纵向施力板上设置的通水孔给岩石试件施加轴向压力，记录测压管上的水压力表压力值；通过左支柱和右支柱推动横向施力板给岩石施以横向压力，记录压力值。
17.进一步优选的是，打开注浆管上阀门，通过注浆管对破裂岩石试件进行裂缝封堵，记录注浆压力，重复步骤c确定堵水效果。
18.本发明提供的一种矿井耦合状态下破裂岩石注浆堵水装置及试验方法有益效果是，岩石试件可以灵活的改变环境条件，模拟岩石在应力-温度-水压耦合条件下的裂隙扩展规律及突水条件，并可验证注浆堵水效果；试验装置通过设置保温层，可以提高试验结果准确率；试验装置还提供的精准可控的轴向压力施加方式和横向压力施加，进而为煤矿安全开采条件提供可靠依据。
附图说明
19.图1是矿井耦合状态下破裂岩石注浆堵水装置的结构示意图；
20.图2是试验箱体及蓄水池的管道连接俯视图。
21.图中：1-加压器，11-加压杆，12-水压板，2-蓄水池，3-试验箱，31-岩石试件，4-注浆泵，41-注浆管，5-测压管，51-水压力表，6-阀门，7-排水管，71-流量计，8-水泵，81-注水管，9-温度传感器，10-推拉箱门，101-门把手，11-纵向施力板，111-通水孔，12-横向施力板，121-右支柱，122-左支柱，123-电动推杆，13-应力传感器，14-底座，15-底板，16-控制面板，161-液晶显示屏，162-控制按键，163-支柱。
具体实施方式
22.结合图1和图2对本发明提供的一种矿井耦合状态下破裂岩石注浆堵水装置及试验方法的具体实施方式进行说明。
23.一种矿井耦合状态下破裂岩石注浆堵水装置，包括加压器1、蓄水池2、试验箱3及注浆泵4。加压器用于对水流施加轴向力模拟地下水的水压，蓄水池通过水管等连接方式提供模拟水源，试验箱结构整体配合试验试件在试验箱内完成模拟试验，注浆泵通过管路模拟现成注浆情况，进行应力-温度-水压耦合条件下的试验。
24.蓄水池2中包括温度传感器9及水压板12，水压板12通过加压杆11与加压器1连接，
蓄水池2侧壁安装有测压管5及排水管7，蓄水池2通过注水管81与水泵8连接。试验箱包括横向施力板12、纵向施力板11、应力传感器13及温度传感器9，底座14通过电动推杆123与底板14及横向施力板相连接，横向施力板12通过电动推杆123与纵向施力板11连接，纵向施力板11上设置有若干通水孔111，试验箱3前壁铰接有推拉箱门，试验箱3后壁安装有测压管及排水管7，试验箱3后壁通过注浆管与注浆泵4相连。
25.加压器1推动水压板12对水流进行轴向加压，从而可以模拟地下水水压。左支柱122和右支柱121推动横向施力板对岩石试件施加横向压力。横向施力板12对称且分别设置试验箱内的左支柱122和右支柱121上，纵向施力板上设置有若干通水孔111。通水孔111使蓄水池2中水流可以被压入试验箱3内，通水孔111可以改变大小，以模拟井下水流大小。
26.蓄水池2对称的侧壁上均匀的布置有测压管5，蓄水池内还设置有温度传感器9。注浆管41上安装有水压力表，测压管上安装有水压力表51，用于测量水流在位于该测压管5处的水压值，水压力表51可采用常用的u型压力计。注浆管41、测压管5、注水管81和排水管7上分别安装有阀门。注浆管41与注浆泵4用于向试验箱3中注入堵水材料，注浆管41上安装有水压力表51，可以读取注浆压力值。
27.可以在蓄水池2后壁安装有排水管7，排水管7上安装有流量计71，流量计71用于显示水流量。蓄水池2右壁通过注水管81与水泵8连接，水泵8用于向蓄水池2中进行注水。蓄水池2内部安装有温度传感器9，温度传感器9用于测量蓄水池2中水温。
28.推拉箱门10上设有把手101，推拉箱门10一侧与试验箱磁性连接。推拉箱门10上包覆有保温层，蓄水池2和试验箱3外层均包覆有保温层。
29.试验箱3相邻位置设置有控制面板16，控制面板内设置有单片机，控制面板16还设置有液晶显示屏与控制按键，单片机与传感器、液晶显示屏、控制按键、电动推杆相连。进行试验时，温度传感器9、应力传感器13将数据传递给单片机161，单片机161将数据传递给液晶显示屏162，液晶显示屏162将收到的数据转换成线形图，更方便数据的对比、分析与记录。
30.试验箱3固定安装在底板15上，试验箱3内设置有岩石试件31、温度传感器9、纵向施力板11、横向施力板12、应力传感器13，底座14通过电动推杆123与底板15及横向施力板12连接，横向施力板12通过电动推杆123与纵向施力板11连接，分别安装在右支柱121及左支柱122上，纵向施力板11及横向施力板12分别对岩石试件31施以轴向应力及横向应力，以模拟井下岩石所受应力。温度传感器9用于测量岩石试件31所处环境的温度，应力传感器13用于测量岩石试件31所承受的应力值。
31.一种矿井耦合状态下破裂岩石注浆堵水试验方法，利用上述的一种矿井耦合状态下破裂岩石注浆堵水装置，步骤包括：
32.a.制作岩石试件并放入试验箱中，进行应力-温度-水压耦合试验，确定岩石裂隙的扩展规律。对岩石试件进行耦合加载，记录压力值等试验数据进而可以分析岩石裂隙的扩展变化情况。
33.b.关闭通水孔，打开注浆管上的阀门，注浆泵将堵水材料注入试验箱对应力-温度-水压耦合试验后的岩石试件进行注浆，同时记录注浆压力。
34.c.清理试验箱，对注浆后的岩石试件进行应力-温度-水压耦合试验，确定注浆堵水效果。
35.试验过程中，蓄水池中通过水泵注水，加压器推动水压板使水流通过纵向施力板上设置的通水孔给岩石试件施加轴向压力，记录测压管上的水压力表压力值；通过左支柱和右支柱推动横向施力板给岩石施以横向压力，记录压力值。打开注浆管上阀门，通过注浆管对破裂岩石试件进行裂缝封堵，记录注浆压力，重复步骤c确定堵水效果。
36.矿井耦合状态下破裂岩石注浆堵水装置试验箱3内可进行不同类型岩石的单一因素及多因素试验。
37.通过选取不同类型岩石试件31，以及改变岩石试件31所处环境，模拟岩石31在应力-温度-水压耦合条件下的裂隙扩展规律及突水条件，并可验证注浆堵水效果。通过在蓄水池2、试验箱3及推拉箱门10周围包覆有保温层，可以提高试验结果准确率，另外试验装置通过设置保温层，可以进一步提高试验结果准确率；试验装置还提供的精准可控的轴向压力施加方式和横向压力施加，保证试验的可操作性，进而为煤矿安全开采条件提供可靠依据。
38.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。