CN109269909B - 用于散体充填材料的温度-压力耦合试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于散体充填材料的温度‑压力耦合试验装置及其试验方法，该装置包括进油管路、出油管路、外保温箱、内保温箱、压实箱体、隔热柱体等六部分。压实箱体外套内外两层保温箱，进、出油管路直通环绕布置在压实箱体外壁上的加热管路，压实箱体上盖板承载隔热柱体，且在盖板上开有放置连温度传感器线用的小孔。本发明各部分相互独立，可真实模拟散体充填材料在深部矿井所受梯度地温、侧限压缩环境下的压实力学特性。本发明结构简单，使用方便，热利用率高，温控效果好，温度梯度选择范围广，适用于广泛用于煤矿充填的矸石、黄土、风积沙、建筑废料等散体材料。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学试验技术领域，具体涉及一种用于散体充填材料的温度-压力耦合试验装置及其试验方法，尤其涉及一种深部煤矿高地温、高地应力环境下的散体充填材料压实力学特性试验装置。
背景技术
随着煤矿开采深度的增加，散体充填材料在井下不仅要面对高地应力作用，还要考虑长期高地温造成的影响。矿井深度超过1000m以后，地温普遍超过50℃；矿井深度达到2000m时，地温普遍在70～80℃左右，高地温与高地应力并存的环境，势必会对散体充填材料的物理力学性质造成显著改变，进而影响充填开采岩层移动与地表沉陷，对地表建(构)筑物的长期稳定提出了新的考验。
为了研究深部煤矿高地温、高地应力环境下的散体充填材料压实力学特性，需要设计一种用于散体充填材料的温度-压力耦合试验装置，现有的研究多着眼于标准岩样的温度-压力耦合，能够对标准岩样进行同时加热和加载试验，对于散体充填材料却只能先加热，冷却后再进行压实试验，与充填材料所在实际环境有较大差距。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种结构简单、操作方便、能够真实模拟煤矿散体充填材料长期在受高地温、高地应力环境条件下力学特性的散体充填材料温度-压力耦合试验装置及其试验方法，从而得到该环境下的散体充填材料压实力学特性，对深部煤矿充填开采岩层移动与地表沉陷预计提供试验支持，弥补现有技术的不足。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于散体充填材料的温度-压力耦合试验装置，包括进油管路、出油管路、外保温箱、内保温箱、压实箱体、隔热柱体；所述压实箱体由上部开口的箱体及上盖板组成，所述上盖板与箱体上部的开口配合，箱体内设置若干温度传感器；所述上盖板上承载有隔热柱体，并开设有放置连接温度传感器线用的小孔；
所述压实箱体的外壁上布置有环绕的加热管路，所述加热管路中设置循环的导热流体，所述进油管路、出油管路分别与所述加热管路的两端连通；
所述压实箱体的箱体的四周外侧紧贴设置有内保温箱，所述内保温箱与所述压实箱体整体内置于一外保温箱内，所述外保温箱上表面分别设有放置隔热柱体、温度传感器线、进出油管路的孔洞，所述隔热柱体、温度传感器线、进出油管路穿过外保温箱上表面相应的孔洞伸出外保温箱。
进一步的，所述压实箱体为长方体形，有效装料空间长×宽×高为150mm×150mm×100mm；所述箱体与上盖板均采用厚度为15mm的Q235钢板制成，其中箱体的四周及底座为焊接在一起的整体，上盖板的上沿至外保温箱内壁留有10mm安装空间。
进一步的，所述压实箱体内部放置包括矸石、黄土、风积沙、建筑废料在内的矿用散体充填材料，所述散体充填材料粒径不大于30mm。
进一步的，所述温度传感器分别位于压实箱体内的上部、中部和下部。
进一步的，所述内保温箱、外保温箱均采用聚氨酯硬泡板外套钢板制成，聚氨酯硬泡板厚度10mm，钢板厚度10mm，二者粘合为一体。
进一步的，所述隔热柱体为实心长方形柱体，长×宽×高为40mm×40mm×70mm，采用氧化铝陶瓷制成，抗压强度850MPa，导热系数20W/m·K。
进一步的，所述加热管路由一整条管路缠绕于箱体四周组成，在单侧箱体表面呈双“S”形布置，管路直径5mm，相邻上下两个管路间距15mm，管路内导热流体流速不大于0.1m/s。
进一步的，所述导热流体采用二甲基硅油，加热范围为室温～200℃。
上述的一种用于散体充填材料的温度-压力耦合试验装置的试验方法，该装置用于对散体充填材料进行温度-压力耦合试验，真实模拟散体充填材料在深部矿井所受梯度地温、侧限压缩环境下的压实力学特性，试验的具体步骤是：
(1)清空压实箱体，将散体充填材料装入箱体并预压，同时装入温度传感器，箱体装满后，记录装料高度与装料质量，盖上上盖板，并在外部依次套上内保温箱、外保温箱，引出温度传感器线，将试验装置置于万能试验机的试验平台上，在外保温箱上部对应的孔洞处放置隔热柱体；
(2)将温度传感器连接电脑，进行温度调试与校正；将进油管路和出油管路连接外部加热***，在外部加热***设置目标温度并对导热流体进行加热，当导热流体温度达到目标值时开始向试验装置内循环，同时对温度传感器进行数据监测；压实箱体内温度达到目标值后，保持温度六小时，使散体充填材料加热充分；
(3)开启万能试验机，设定试验机加载压力与加载速率，对散体充填材料进行侧限轴向加载，实时监测与记录加载过程中的压力与位移；
(4)加载结束后，停止导热流体循环，升起万能试验机立柱，将试验装置移下并拆开内、外保温箱，待温度降低后，倒出散体充填材料，并准备另一组散体充填试验材料，重复步骤(1)(2)(3)，进行下一组的散体充填材料温度-压力耦合试验。
有益效果：本发明提供的一种用于散体充填材料的温度-压力耦合试验装置及其试验方法，与现有技术相比，具有以下优势：
(1)本发明能够在实验室真实模拟散体充填材料在深部矿井所受高地温、高地应力耦合环境，得到该环境下的散体充填材料压实力学特性；
(2)本试验装置各部分相互独立，拆卸方便；导热流体采用二甲基硅油，能够模拟室温至200℃的高温，温度梯度大；
(3)压实箱体外的加热管路由一整条铜制管路组成，导热性好，管路长度大、导热流体流速慢，能够充分利用导热流体的热量；
(4)该装置设有内、外两层保温箱，且传力柱采用隔热性能好、强度高的氧化铝陶瓷制成，能够有效减少热量散失，温度控制效果好；
(5)压实箱体内真实温度测量，未采用常规做法在压力壁上钻孔进行间接测量，而将传感器直接放进压力室内进行测量，温度测量精度高。
附图说明
图1是本发明试验装置整体示意图；
图2是本发明试验装置剖面示意图；
图3是本发明压实箱体正视图；
图4是本发明压实箱体侧视图；
图中：1、进油管路，2、出油管路，3、外保温箱，4、内保温箱，5、压实箱体，6、隔热柱体，7、散体充填材料，8、温度传感器，9、箱体，10、上盖板，11、加热管路。
具体实施方式
本发明公开一种用于散体充填材料的温度-压力耦合试验装置及其试验方法，该装置包括进油管路、出油管路、外保温箱、内保温箱、压实箱体、隔热柱体等六部分。压实箱体外套内外两层保温箱，进、出油管路直通环绕布置在压实箱体外壁上的加热管路，压实箱体上盖板承载隔热柱体，且在盖板上开有放置连温度传感器线用的小孔。本发明各部分相互独立，可真实模拟散体充填材料在深部矿井所受梯度地温、侧限压缩环境下的压实力学特性。本发明结构简单，使用方便，热利用率高，温控效果好，温度梯度选择范围广，适用于广泛用于煤矿充填的矸石、黄土、风积沙、建筑废料等散体材料。
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1、2所示为一种用于散体充填材料的温度-压力耦合试验装置，包括进油管路1、出油管路2、外保温箱3、内保温箱4、压实箱体5、隔热柱体6等六部分。所述压实箱体5由上部开口的箱体9及上盖板10组成，所述上盖板10与箱体5上部的开口配合，箱体内设置若干温度传感器8；所述上盖板10上承载有隔热柱体6，并开设有放置连接温度传感器线用的小孔；所述压实箱体5的外壁上布置有环绕的加热管路11，所述加热管路11中设置流动的导热流体，所述进油管路1、出油管路2分别与所述加热管路的两端连通；所述压实箱体5的外部紧贴设置有内保温箱4，所述内保温箱外部套有外保温箱3，所述外保温箱上表面设有放置隔热柱体、温度传感器线、进出油管路的对应的孔洞，所述隔热柱体、温度传感器线、进出油管路穿过外保温箱上表面相应的孔洞伸出外保温箱。隔热柱体伸出是为了与压力机压头连接，采用压力机对材料进行压缩，起到传递力的作用。
如图3、4所示，压实箱体5由箱体9及上盖板10组成，压实箱体5为长方体形，可提供的有效装料空间长×宽×高为150mm×150mm×100mm。所述箱体9与上盖板10均采用厚度为15mm的Q235钢板制成，其中箱体9的四周及底座为焊接在一起的整体，可为散体充填材料提供侧限环境，上盖板10上沿至外保温箱3内壁留有10mm安装空间。
压实箱体5内部放置包括矸石、黄土、风积沙、建筑废料在内的矿用散体充填材料7，其粒径不大于30mm，可对其进行温度-压力耦合试验。且在压实箱体5内的上部、中部和下部三个位置布置有温度传感器8，能够监测试验材料各个高度的温度。
外保温箱3、内保温箱4均采用聚氨酯硬泡板外套钢板制成，聚氨酯硬泡板厚度10mm，钢板厚度10mm，二者粘合为一体。
隔热柱体6为实心长方形柱体，长×宽×高为40mm×40mm×70mm，采用氧化铝陶瓷制成，抗压强度850MPa，导热系数20W/m·K。
铜制加热管路11由一整条管路缠绕于箱体9四周，在单侧箱体表面呈双“S”形布置，管路直径5mm，相邻上下两个管路间距15mm，管路内导热流体流速不大于0.1m/s。通过循环在管路中的导热流体来控制试验装置的加热温度。
进一步的，所用导热流体采用二甲基硅油，可提供室温至200℃的高温，且可以长期循环使用。
本发明装置可以对散体充填材料进行温度-压力耦合试验，可真实模拟散体充填材料在深部矿井所受梯度地温、侧限压缩环境下的压实力学特性，试验的具体步骤是：
(1)清空压实箱体5，将散体充填材料7分2～4次装入箱体9并进行预压，尽量保证顶面平整，同时分次装入温度传感器8，箱体装满后，记录装料高度与装料质量，盖上上盖板10，并在外部套上内保温箱4、外保温箱3，引出温度传感器线，将试验装置置于万能试验机的试验平台上，在外保温箱3上部对应的孔洞处放置隔热柱体6。
(2)将温度传感器8连接电脑，进行温度调试与校正；将进油管路1和出油管路2连接外部加热***，在外部加热***设置目标温度并对导热流体进行加热，当导热流体温度达到目标值时开始向试验装置内循环，同时对温度传感器8进行数据监测。压实箱体5内温度达到目标值后，保持温度六小时，以便使散体充填材料7加热充分。
(3)开启万能试验机，设定试验机加载压力与加载速率，对散体充填材料7进行侧限轴向加载，实时监测与记录加载过程中的压力与位移。
(4)加载结束后，停止导热流体循环，升起万能试验机立柱，将试验装置移下并拆开内、外保温箱，待温度降低后，倒出散体充填材料7，并准备另一组散体充填试验材料，重复步骤(1)(2)(3)，进行下一组的散体充填材料温度-压力耦合试验。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于散体充填材料的温度-压力耦合试验装置，包括内保温箱、压实箱体，所述压实箱体由上部开口的箱体及上盖板组成，所述上盖板与箱体上部的开口配合，其特征在于，还包括进油管路、出油管路、外保温箱、隔热柱体；箱体内设置若干温度传感器；所述上盖板上承载有隔热柱体，并开设有放置连接温度传感器线用的小孔；
所述压实箱体的外壁上布置有环绕的加热管路，所述加热管路中设置循环的导热流体，所述进油管路、出油管路分别与所述加热管路的两端连通；
所述压实箱体的箱体的四周外侧紧贴设置有内保温箱，所述内保温箱与所述压实箱体整体内置于一外保温箱内，所述外保温箱上表面分别设有放置隔热柱体、温度传感器线、进出油管路的孔洞，所述隔热柱体、温度传感器线、进出油管路穿过外保温箱上表面相应的孔洞伸出外保温箱。
2.根据权利要求1所述的一种用于散体充填材料的温度-压力耦合试验装置，其特征在于，所述压实箱体为长方体形，有效装料空间长×宽×高为150 mm×150 mm×100 mm；所述箱体与上盖板均采用厚度为15 mm的Q235钢板制成，其中箱体的四周及底座为焊接在一起的整体，上盖板的上沿至外保温箱内壁留有10 mm安装空间。
3.根据权利要求1所述的一种用于散体充填材料的温度-压力耦合试验装置，其特征在于，所述压实箱体内部放置包括矸石、黄土、风积沙、建筑废料在内的矿用散体充填材料，所述散体充填材料粒径不大于30 mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于散体充填材料的温度-压力耦合试验装置，其特征在于，所述温度传感器分别位于压实箱体内的上部、中部和下部。
5.根据权利要求1所述的一种用于散体充填材料的温度-压力耦合试验装置，其特征在于，所述内保温箱、外保温箱均采用聚氨酯硬泡板外套钢板制成，聚氨酯硬泡板厚度10 mm，钢板厚度10 mm，二者粘合为一体。
6.根据权利要求1所述的一种用于散体充填材料的温度-压力耦合试验装置，其特征在于，所述隔热柱体为实心长方形柱体，长×宽×高为40 mm×40 mm×70 mm，采用氧化铝陶瓷制成，抗压强度850 MPa，导热系数20 W/m·K。
7.根据权利要求1所述的一种用于散体充填材料的温度-压力耦合试验装置，其特征在于，所述加热管路由一整条管路缠绕于箱体四周组成，在单侧箱体表面呈双“S”形布置，管路直径5 mm，相邻上下两个管路间距15 mm，管路内导热流体流速不大于0.1 m/s。
8.根据权利要求1所述的一种用于散体充填材料的温度-压力耦合试验装置，其特征在于，所述导热流体采用二甲基硅油，加热范围为室温~200 ℃。
9.根据权利要求1至8任一所述的一种用于散体充填材料的温度-压力耦合试验装置的试验方法，其特征在于，该装置用于对散体充填材料进行温度-压力耦合试验，真实模拟散体充填材料在深部矿井所受梯度地温、侧限压缩环境下的压实力学特性，试验的具体步骤是：
（1）清空压实箱体，将散体充填材料装入箱体并预压，同时装入温度传感器，箱体装满后，记录装料高度与装料质量，盖上上盖板，并在外部依次套上内保温箱、外保温箱，引出温度传感器线，将试验装置置于万能试验机的试验平台上，在外保温箱上部对应的孔洞处放置隔热柱体；
（2）将温度传感器连接电脑，进行温度调试与校正；将进油管路和出油管路连接外部加热***，在外部加热***设置目标温度并对导热流体进行加热，当导热流体温度达到目标值时开始向试验装置内循环，同时对温度传感器进行数据监测；压实箱体内温度达到目标值后，保持温度六小时，使散体充填材料加热充分；
（3）开启万能试验机，设定试验机加载压力与加载速率，对散体充填材料进行侧限轴向加载，实时监测与记录加载过程中的压力与位移；
（4）加载结束后，停止导热流体循环，升起万能试验机立柱，将试验装置移下并拆开内、外保温箱，待温度降低后，倒出散体充填材料，并准备另一组散体充填试验材料，重复步骤（1）（2）（3），进行下一组的散体充填材料温度-压力耦合试验。
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Families Citing this family (1)
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
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- 2018-09-13 CN CN201811065930.XA patent/CN109269909B/zh active Active
Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
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| 《Compressive deformation and energy dissipation of crushed coal gangue》;Nan Zhou et al.;《Powder Technology》;20160420;第220-228页 * |
| 《基于固体充填材料压实特性的充实率设计研究》;李猛 等.;《采矿与安全工程学报》;20171130;第1110-1115页 * |
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