本發(fā)明屬于地層注漿技術領域，具體而言，本發(fā)明涉及一種深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置及試驗方法。
背景技術：
在礦山井筒施工中，采用地面預注漿技術可以大幅度降低井筒涌水量、改善鑿井條件和加快施工速度；同時，可對不穩(wěn)定地層進行注漿加固，確保圍巖穩(wěn)定。隨著新建井筒穿過地層深度的不斷加大，圍巖承受的地應力和水壓力也越來越大，地層的裂隙特征也發(fā)生了變化，特別是微孔隙發(fā)育，注漿漿液滲透性差，難以形成防治水帷幕，嚴重地影響了建井工期，增加了施工難度和工程造價。
由于深埋地層處于高地應力、高水壓狀態(tài)，注漿施工難度大，注漿壓力、漿液擴散半徑與巖石滲透系數(shù)及裂隙率的關系缺乏研究資料和工程實踐經驗，給井筒地面預注漿設計和施工帶來難題。
因此，需要提供一種針對上述現(xiàn)有技術不足的改進技術方案。
技術實現(xiàn)要素：
為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置，系統(tǒng)地進行深部地層的地面預注漿可注性、滲流規(guī)律、壓力衰減和注漿效果的研究，并提出了相應的試驗方法，其技術方案如下：
一種深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置，其包括高壓罐，用于容納模擬深埋地層；壓力機，用于向所述高壓罐內的所述模擬深埋地層施加豎向地應力；高壓注漿泵，通過高壓管路與所述高壓罐相連通，用于向所述高壓罐內施加壓力水并注漿；排漿管，與所述高壓罐相連通；和傳感器，置于所述模擬深埋地層中，用于實時監(jiān)測注漿壓力的傳遞變化規(guī)律和漿液擴散情況。
如上述的深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置，進一步優(yōu)選為：所述高壓管路為高壓軟管。
如上述的深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置，進一步優(yōu)選為：還包括單向閥，所述單向閥安裝在所述高壓管路上，用于控制壓力水由所述高壓注漿泵向所述高壓罐內注入，以模擬深埋地層中的承壓水。
如上述的深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置，進一步優(yōu)選為：所述高壓罐包括油缸套，所述油缸套的上端為開口設置，所述油缸套的下端設有穿插口；油缸活塞，所述油缸活塞的活塞桿部穿過所述油缸套的穿插口；和頂蓋，安裝在所述油缸套的上端位置。
如上述的深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置，進一步優(yōu)選為：所述油缸套的外徑為500mm，所述油缸套的內徑為400mm，所述油缸套的高度為1000mm。
如上述的深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置，進一步優(yōu)選為：所述頂蓋為采用20mm厚度的鋼板加工而成，與所述油缸套采用螺栓連接。
如上述的深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置，進一步優(yōu)選為：所述油缸套為厚壁圓筒結構，采用鑄造工藝加工而成；優(yōu)選地，所述油缸套采用20mm厚度的鑄鋼材料鑄造而成，可承受60MPa的注漿壓力。
如上述的深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置，進一步優(yōu)選為：所述排漿管為高壓鋼管；所述排漿管的出漿口為豎直向下設置。
如上述的深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置，進一步優(yōu)選為：還包括：
溢流閥，設置在所述排漿管上，用于溢出漿液；優(yōu)選地，還包括過濾裝置，設置在所述排漿管上，用于過濾掉從所述高壓罐內溢出的漿液中的水泥顆粒；再優(yōu)選地，所述過濾裝置設置在所述溢流閥的前端位置。
一種如上述的深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置的試驗方法，其步驟包括：
步驟一、將深埋地層的模擬材料裝入所述高壓罐內，在所述高壓罐內形成所述模擬深埋地層；
步驟二、將所述高壓罐吊放到所述壓力機內；
步驟三、通過所述壓力機對所述高壓罐施加豎向荷載；
步驟四、通過所述高壓注漿泵向所述模擬深埋地層中注入壓力水，以模擬裂隙承壓水；繼續(xù)調整所述壓力機的壓力值，以精確所述模擬深埋地層的地壓值；
步驟五、調整好地壓值后，采用所述高壓注漿泵向所述高壓罐的所述模擬深埋地層注入水泥漿；在注漿過程中，通過埋入在所述模擬深埋地層中的所述傳感器實時監(jiān)測注漿壓力的傳遞變化規(guī)律和漿液擴散情況；
步驟六、當注漿壓力高于設計值時，通過所述溢流閥自動溢出多余漿液、保證注漿壓力穩(wěn)定在設計值；
步驟七、注漿結束后，當漿液達到設計養(yǎng)護期后，打開所述高壓罐，獲取注漿結實體，進行其微觀研究和強度試驗，以分析評價其注漿效果。
分析可知，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果在于：
一、本發(fā)明提供的深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置以高壓罐為容納空間，在高壓罐內裝有模擬深埋地層，通過高壓注漿泵往模擬深埋地層內注漿，以實現(xiàn)深埋地層的高壓注漿的模擬。本發(fā)明通過設置高壓罐就能實現(xiàn)模擬深埋地層的地面預注漿技術的研究，使得本發(fā)明具有結構簡單、實用性能強和模擬精確度高的特點。
二、本發(fā)明的油缸套為大直徑油缸套并且采用20mm厚的高強鑄鋼材料鑄造而成，可承受60MPa超高壓的注漿壓力，可模擬2000m深埋地層的地面預注漿技術研究。
三、本發(fā)明在高壓管路中安裝了單向閥，可實現(xiàn)在高地壓和高承壓水的模擬深埋地層中進行模擬注漿。
四、本發(fā)明在排漿管中安裝了溢流閥，當注漿壓力高于設計值時，可自動溢出多余漿液、保證注漿壓力穩(wěn)定在設計壓力值。
附圖說明
圖1為本發(fā)明優(yōu)選實施例的深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置的結構示意圖；
圖中：1-高壓注漿泵；2-高壓管路；3-單向閥；4-油缸套；5-高壓管閥門；6-模擬深埋地層；7-油缸活塞；8-排漿管；9-過濾裝置；10-溢流閥；11-出漿口；12-長柱式壓力機上蓋板；13-長柱式壓力機下蓋板；14-高壓罐。
具體實施方式
下面將對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發(fā)明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
在本發(fā)明的描述中，術語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明而不是要求本發(fā)明必須以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。本發(fā)明中使用的術語“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接；可以是直接相連，也可以通過中間部件間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術語的具體含義。
如圖1所示，本發(fā)明優(yōu)選實施例的深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置主要包括高壓罐14，用于容納模擬深埋地層6；壓力機(未圖示)，用于向高壓罐14內的模擬深埋地層6施加豎向地應力；高壓注漿泵1，通過高壓管路2與高壓罐14相連通，用于向高壓罐14內施加壓力水并注漿；排漿管8，與高壓罐14相連通；和傳感器(未圖示)，置于模擬深埋地層6中，用于實時監(jiān)測注漿壓力的傳遞變化規(guī)律和漿液擴散情況。優(yōu)選為，傳感器為分布式光纖傳感器。
總而言之，本發(fā)明提供的深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置以高壓罐14為容納空間，在高壓罐14內裝有模擬深埋地層6，通過高壓注漿泵1往模擬深埋地層6內注漿，以實現(xiàn)深埋地層的高壓注漿的模擬。本發(fā)明通過設置高壓罐14就能實現(xiàn)模擬深埋地層6的地面預注漿技術的研究，使得本發(fā)明具有結構簡單、實用性能強和模擬精確度高的特點。
在本發(fā)明中，高壓注漿泵1可以實施單液或雙液注漿。
在本發(fā)明中，為了能夠使注漿的漿液能夠滲透模擬深埋地層6，本發(fā)明的高壓管路2和排漿管8對稱設置在高壓罐14的兩側。高壓管路2和排漿管8均通過高壓管閥門5與高壓罐14相連通。
為了能夠節(jié)省空間和便于安裝，如圖1所示，本發(fā)明的高壓管路2為高壓軟管。為了防止注入高壓罐14內壓力水返回高壓注漿泵1，如圖1所示，本發(fā)明還包括單向閥3，單向閥3安裝在高壓管路2上，壓力水通過單向閥3由高壓注漿泵1向高壓罐14注入；在高壓管路2(即進漿管路)上安裝了單向閥3(即單向控制閥)，可實現(xiàn)在高地壓和高承壓水的深埋地層中進行模擬注漿。
為了能夠提供模擬深埋地層6的安裝空間并提供模擬運行工作，如圖1所示，本發(fā)明的高壓罐14為大直徑高壓罐。具體為，高壓罐14包括油缸套4，油缸套4的上端為開口設置，油缸套4的下端設有穿插口；油缸套4的外徑為500mm，油缸套4的內徑為400mm，油缸套的高度為1000mm；油缸活塞7，油缸活塞7的活塞桿部穿過油缸套4的穿插口，油缸活塞7的本體部的直徑為400mm；頂蓋，安裝在油缸套4的上端位置；具體為，頂蓋為采用20mm厚度的鋼板加工而成，與油缸套4采用螺栓連接，優(yōu)選地，在本發(fā)明中采用高強螺栓。優(yōu)選為，油缸套4為厚壁圓筒結構，采用鑄造工藝加工而成，油缸套可承受注漿壓力為60MPa。優(yōu)選地，油缸套采用20mm厚度的高強鑄鋼材料鑄造而成，可承受60MPa的注漿壓力，可模擬2000m深埋地層的地面預注漿技術研究。
如圖1所示，在本發(fā)明中，排漿管8為高壓鋼管。為了便于排出漿液，如圖1所示，本發(fā)明的排漿管8的出漿口11為豎直向下設置。如圖1所示，本發(fā)明還包括溢流閥10，設置在排漿管8上，用于溢出漿液。為了對溢流閥10進行保護以及對模擬深埋地層6進行保護，如圖1所示，本發(fā)明還包括過濾裝置9，設置在排漿管8上，用于過濾掉溢出漿液中的水泥顆粒。優(yōu)選為，過濾裝置9位于溢流閥10的前端位置。
為了能夠精確實現(xiàn)對高壓罐14內的模擬深埋地層6施加豎向地應力，本發(fā)明的壓力機為長柱式壓力機。長柱式壓力機包括長柱式壓力機上蓋板12和長柱式壓力機下蓋板13；其施加豎向地應力的方式為，長柱式壓力機上蓋板12位于高壓罐14的頂蓋的上方，長柱式壓力機下蓋板13位于高壓罐14的油缸活塞7的下方；通過長柱式壓力機上蓋板12和長柱式壓力機下蓋板13的收緊實現(xiàn)施加豎向地應力。
本發(fā)明還提供一種深埋地層高壓注漿模擬試驗方法，其步驟包括：
步驟一、根據(jù)相似理論，進行相似材料配制試驗，得到深埋地層的模擬材料，將深埋地層的模擬材料裝入高壓罐14的油缸套4內，在高壓罐14的油缸套4內形成模擬深埋地層6；
步驟二、將高壓罐14吊放到壓力機的長柱式壓力機下蓋板13上，安裝并調試好深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置；
步驟三、下放壓力機的長柱式壓力機上蓋板12，通過壓力機對高壓罐14施加豎向荷載，由油缸活塞7運動施加給模擬深埋地層6豎向垂直應力；
步驟四、通過高壓注漿泵1向模擬深埋地層6中注入壓力水，以模擬裂隙承壓水；繼續(xù)調整壓力機的壓力值，以精確模擬深埋地層6的地壓值；
步驟五、當一切準備就緒后，采用高壓注漿泵1向高壓罐14的油缸套4內的模擬深埋地層6注入水泥漿；在注漿過程中，通過埋入在模擬深埋地層6中的分布式光纖傳感器實時監(jiān)測注漿壓力的傳遞變化規(guī)律和漿液擴散情況；
步驟六、當注漿壓力高于設計值時，通過溢流閥10自動溢出多余漿液、保證注漿壓力穩(wěn)定在設計值；
步驟七、注漿結束后，當漿液達到設計養(yǎng)護期后，打開高壓罐14，獲取注漿結實體，進行其微觀研究和強度試驗，以分析評價其注漿效果。
分析可知，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果在于：
一、本發(fā)明提供的深埋地層高壓注漿模擬試驗裝置以高壓罐14為容納空間，在高壓罐14內裝有模擬深埋地層6，通過高壓注漿泵1往模擬深埋地層6內注漿，以實現(xiàn)深埋地層的高壓注漿的模擬。本發(fā)明通過設置高壓罐14就能實現(xiàn)模擬深埋地層6的地面預注漿技術的研究，使得本發(fā)明具有結構簡單、實用性能強和模擬精確度高的特點。
二、本發(fā)明的油缸套4為大直徑油缸套并且采用20mm厚的高強鑄鋼材料鑄造而成，可承受60MPa超高壓的注漿壓力，可模擬2000m深埋地層的地面預注漿技術研究。
三、本發(fā)明在高壓管路2中安裝了單向閥3，可實現(xiàn)在高地壓和高承壓水的模擬深埋地層6中進行模擬注漿。
四、本發(fā)明在排漿管8中安裝了溢流閥10，當注漿壓力高于設計值時，可自動溢出多余漿液、保證注漿壓力穩(wěn)定在設計壓力值。
由技術常識可知，本發(fā)明可以通過其它的不脫離其精神實質或必要特征的實施方案來實現(xiàn)。因此，上述公開的實施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，并不是僅有的。所有在本發(fā)明范圍內或在等同于本發(fā)明的范圍內的改變均被本發(fā)明包含。