一种巷道过断层注浆加固模拟装置及使用方法与流程

本发明涉及矿山安全技术领域，具体涉及一种巷道过断层注浆加固模拟装置及使用方法。

背景技术：

我国煤炭开采过程中各类灾害与构造关系十分密切，有水害、瓦斯灾害、顶板灾害及冲击地压等。巷道过断层也有以上各种灾害发生，为此主要通过超前注浆加固来减少灾害。一般情况下，为确保安全通过断层，采用高密度钻孔注入高强度浆液。虽然也能确保安全通过断层，但常常经济上浪费。现有模拟注浆加固的装置和方法有以下问题：

(1)采用数值模拟方法，但注浆加固难以准确模拟，且数值模拟中难以模拟绝对时间效应。

(2)有的物理模拟仅对断层破碎带岩体，而没有模拟出在工程实施过程中的注浆模拟。

(3)有的物理模拟仅能实现注浆扩散模拟，但是没有注浆加固后的工程扰动模拟。

(4)各方面虽然有一定的基础，但是由于物理相似模拟的相似准则是不同的，无法机械的叠加。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种巷道过断层注浆加固模拟装置及使用方法，本发明是通过以下技术方案来实现的。

一种巷道过断层注浆加固模拟装置，包括巷道系统、断层加固系统和监测系统；

所述巷道系统包括从上向下依次设置的巷道顶板岩层、模拟巷道和巷道底板岩层，还包括模拟断层，所述模拟断层与模拟巷道斜交，模拟巷道的左侧为已掘进部分，模拟巷道的右侧为未掘进部分；

所述断层加固系统包括密布在模拟断层内的浆液扩散区、插入浆液扩散区内的模拟注浆孔和连通模拟注浆孔的输浆管，所述模拟注浆孔均匀分布在插入浆液扩散区内，每个所述浆液扩散区内至少设置四个模拟注浆孔，输浆管的头部共同连接有输浆主管，所述输浆主管的头部同时连接有微生物菌液注射器和培养液注射器；

所述监测系统包括应力监测单元和位移监测单元，所述应力监测单元包括第一应力传感器组、第二应力传感器组和应力数据采集器，所述第一应力传感器组布置在模拟巷道外5-10cm范围内，所述第二应力传感器组布置在浆液扩散区外5-10cm范围内，第一应力传感器组和第二应力传感器组与应力数据采集器电性连接，所述位移监测单元包括第一位移传感器组、第二位移传感器组和位移数据采集器，所述第一位移传感器组布置在模拟巷道外10-15cm范围内，所述第二位移传感器组布置在浆液扩散区外10-15cm范围内，第一位移传感器组和第二位移传感器组与位移数据采集器电性连接。

进一步地，所述巷道顶板岩层和巷道底板岩层的构成材料为河砂、方解石、石膏和水。

进一步地，所述模拟断层的组成材料为黏土和水，或者河砂、黏土和水。

进一步地，所述微生物菌液注射器进行巴氏芽孢八叠球菌液的注射，所述培养液注射器进行尿素、氯化钙及营养肉汤混合液的注射。

进一步地，所述浆液扩散区之外的模拟断层处设有可移动的紫外杀菌灯，所述紫外杀菌灯产生的紫外光波长为200-300nm。

一种巷道过断层注浆加固模拟装置的使用方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：通过物探和钻探获取实际生产中断层的地质条件，包括断层的充填物组成、充填密度、断层的宽度及断层与巷道的空间关系；

步骤二：通过实际生产的设计说明，获取实际生产中断层注浆加固钻孔的数量和位置；

步骤三：通过钻孔探测确定实际生产中的浆液扩散半径，结合模型设计的几何比例和重度比例，确定模型中浆液扩散半径，结合步骤二设计的钻孔数量和位置，确定模型所有浆液扩散区的范围；

步骤四：依据模型设计的几何比例和重度比例，确定实际与模型三轴抗压强度比值；

步骤五：通过室内力学实验测试确定模拟断层中破碎物质微生物固化和水泥固化三轴抗压强度，进而选择模型注浆加固的微生物浆液和营养液配比及固化时间；

步骤六：铺设模拟巷道过模拟断层的原始物理相似模型，同时埋设位移传感器和应力传感器，并掘进模拟巷道到注浆加固位置，注浆的加固位置依据几何比换算得到；

步骤七：进行模型的模拟断层加固处理，依据步骤三确定的浆液扩散区的范围和通过步骤四确定的微生物浆液和营养液配比，采用微生物菌液注射器和培养液注射器，依次通过输浆主管、输浆管和模拟注浆孔注入模拟断层中的浆液扩散区，在注入后1-100分钟，在模拟断层中的非浆液扩散区之外，采用紫外杀菌灯进行杀菌；

步骤八：依据步骤五的实验结果，待微生物固化达到模拟要求时，对模拟巷道未掘进的部分逐步开挖，开挖的同时，对巷道顶板岩层、巷道底板岩层和模拟断层的应力和位移进行监测；

步骤九：依据步骤八的监测结果，评价实际工程中注浆加固后巷道过断层的工程问题；

步骤十：依据步骤九分析得到的工程问题，对应采取措施，实际生产安全通过断层，继续开展矿产资源。

本发明为了解决巷道过模拟断层注浆加固效果评价估的问题，提供了一种巷道过模拟断层注浆加固模拟装置及使用方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)能够实现巷道超前注浆加固后，巷道过模拟断层时，围岩破坏和移动的模拟；

2)模拟更加精准；

3)简单易实施；

4)成本低，可重复。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明所述一种巷道过断层注浆加固模拟装置的结构示意图；

图2：本发明所述巷道系统的结构示意图；

图3：本发明所述巷道系统与断层加固系统的结构示意图；

图4：本发明所述巷道系统、断层加固系统和应力监测单元的结构示意图；

图5：本发明所述巷道系统、断层加固系统和位移监测单元的结构示意图。

附图标记如下：

1-巷道系统，101-巷道顶板岩层，102-模拟巷道，103-巷道底板岩层，104-模拟断层，2-断层加固系统，201-浆液扩散区，202-模拟注浆孔，203-输浆管，204-输浆主管，205-微生物菌液注射器，206-培养液注射器，207-紫外杀菌灯，3-监测系统，301-第一应力传感器组，302-第二应力传感器组，303-应力数据采集器，304-第一位移传感器组，305-第二位移传感器组，306-位移数据采集器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示，一种巷道过模拟断层注浆加固模拟装置，包括巷道系统1、断层加固系统2和监测系统3；

所述巷道系统1包括从上向下依次设置的巷道顶板岩层101、模拟巷道102和巷道底板岩层103，还包括模拟断层104，模拟断层104与模拟巷道102斜交，模拟巷道102的左侧为已掘进部分，模拟巷道102的右侧为未掘进部分；

模拟断层104加固系统2包括密布在模拟断层104内的浆液扩散区201、插入浆液扩散区201内的模拟注浆孔202和连通模拟注浆孔202的输浆管203，模拟注浆孔202均匀分布在插入浆液扩散区201内，每个浆液扩散区201内至少设置四个模拟注浆孔202，输浆管203的头部共同连接有输浆主管204，输浆主管204的头部同时连接有微生物菌液注射器205和培养液注射器206；

监测系统3包括应力监测单元和位移监测单元，应力监测单元包括第一应力传感器组301、第二应力传感器组302和应力数据采集器303，第一应力传感器组301布置在模拟巷道102外5-10cm范围内，第二应力传感器组302布置在浆液扩散区201外5-10cm范围内，第一应力传感器组301和第二应力传感器组302与应力数据采集器303电性连接，位移监测单元包括第一位移传感器组304、第二位移传感器组305和位移数据采集器306，第一位移传感器组304布置在模拟巷道102外10-15cm范围内，第二位移传感器组305布置在浆液扩散区201外10-15cm范围内，第一位移传感器组304和第二位移传感器组305与位移数据采集器306电性连接。

巷道顶板岩层101和巷道底板岩层103的构成材料为河砂、方解石、石膏和水。

模拟断层104的组成材料为黏土和水，或者河砂、黏土和水。

微生物菌液注射器205进行巴氏芽孢八叠球菌液的注射，培养液注射器206进行尿素、氯化钙及营养肉汤混合液的注射。

浆液扩散区201之外的模拟断层104处设有可移动的紫外杀菌灯207，紫外杀菌灯207产生的紫外光波长为200-300nm。

具体应用案例

山西某煤矿，煤矿开采处于二水平向三水平过度阶段，二水平向三水平延伸过程中运输巷要过f断层。为了巷道安全通过f断层，设计了注浆加固工程。为了评价设计方案的可靠性，采用本实验装置进行了以下的实验，步骤如下：

步骤一：通过物探和钻探获取实际生产中断层的地质条件，包括断层的充填物组成、充填密度、断层的宽度及断层与巷道的空间关系；

经探测断层充填物为黏土、砂和水质量比2:1：1混合构成，充填密度为1.4g/cm3。断层实际宽度为20米，断层与巷道夹角72°。

步骤二：通过实际生产的设计说明，获取实际生产中断层注浆加固钻孔的数量和位置；

设计注浆钻孔18个，位置集中在断层与巷道交汇区域。

步骤三：通过钻孔探测确定实际生产中的浆液扩散半径，结合模型设计的几何比例和重度比例，确定模型中浆液扩散半径，结合步骤二设计的钻孔数量和位置，确定模型所有浆液扩散区201的范围；

模型几何比例为1:100(即模型1米代表实际100米)，重度比例为1:1(即模型密度与实际密度一样)，经探测实际工程中，浆液扩散半径为9.6米，对应模型中，各钻孔的浆液扩散区201的扩散半径9.6厘米，然后，结合步骤二的设计，圈定了模型所有浆液扩散区201的范围。

步骤四：依据模型设计的几何比例和重度比例，确定实际与模型三轴抗压强度比值；

依据弹性力学，可确定抗压强度比值为1:100(即模型强度为1mpa代表实际工程100mpa)

步骤五：通过室内力学实验测试确定模拟断层104中破碎物质微生物固化和水泥固化三轴抗压强度，进而选择模型注浆加固的微生物浆液和营养液配比及固化时间；

经测试，实际断层破碎物被设计的1:1水泥浆液胶结后三轴抗压强度为42.5mpa，通过采用微生物浆液和营养液1:1配比下，3天后胶结强度达到0.43mpa。

步骤六：铺设模拟巷道102过模拟断层104的原始物理相似模型，同时埋设位移传感器和应力传感器，并掘进模拟巷道102到注浆加固位置，注浆的加固位置依据几何比换算得到；

实际工程掘进到距离断层水平距离40米时停止掘进，进行注浆加固，因此，模型在掘进到距离断层水平距离40厘米时停止掘进。

步骤七：进行模型的模拟断层104加固处理，依据步骤三确定的浆液扩散区201的范围和通过步骤四确定的微生物浆液和营养液配比，采用微生物菌液注射器205和培养液注射器206，依次通过输浆主管204、输浆管203和模拟注浆孔202注入模拟断层104中的浆液扩散区201，在注入后1-100分钟，在模拟断层104中的非浆液扩散区201之外，采用紫外杀菌灯207进行杀菌；

步骤八：依据步骤五的实验结果，待微生物固化达到模拟要求时，对模拟巷道102未掘进的部分逐步开挖，开挖的同时，对巷道顶板岩层101、巷道底板岩层103和模拟断层104的应力和位移进行监测；

开挖的同时，对巷道顶板岩层101、巷道底板岩层103和模拟断层104的应力和位移进行监测。

步骤九：依据步骤八的监测结果，评价实际工程中注浆加固后巷道过断层的工程问题；

经过监测，在该类工程地质条件和注浆措施下，模型中，在模拟巷道102掘进到模拟断层104水平距离8厘米时，在模拟巷道102顶板5厘米处出现最大应力集中，应力集中系数为2.3。

步骤十：依据步骤九分析得到的工程问题，对应采取措施，实际生产安全通过断层，继续开展矿产资源。

在实际工程中，巷道掘进到距离断层10米时，超前加强了顶板支护，巷道安全通过断层，没有发生事故，矿产资源安全开采。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。