CN115452256A - 废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置及方法，涉及岩石力学测试装置技术领域，该装置包括箱体、水压密封盖、气压密封盖、充水腔体、充气腔体、截锥腔、供水管路、加载***和监测装置，在箱体内浇筑有混凝土，截锥腔两端的上底分别连接充水腔体和充气腔体，供水管路连接充水腔体，气泵连接充气腔体，加载***模拟上覆围岩和侧向围岩的压力，监测装置确定密闭墙内的应力和位移变化。利用该装置进行试验，可以通过检测充水腔体中液体的离子浓度可以判断气密性，通过模拟还可以检测密闭墙在不同水压、气压、围岩压力作用下的密闭性，以及应力、位移等情况。

Description

废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置及方法

技术领域

本发明涉及岩石力学测试装置技术领域，尤其是提供了一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置及方法。

背景技术

利用废弃矿井进行压缩空气储能成为调节电力供应、对废弃矿井再利用的有效手段。压气储能矿井中的密闭墙用于防止被压缩气体泄出以及阻挡矿井水进入储存压缩气体的区域，与普通密闭墙相比，用于压气储能矿井的密闭墙既要承受矿井水的浸泡及压力，又要承受较大的压缩气体的压力，密闭墙的性能对工程效果影响显著。

当矿井下密闭墙墙体须承受较大压力时，应选用截锥形结构，该密闭墙的性能是研究的重点，现有技术中，中国专利(CN204613207U)公开了一种混凝土防冲密闭墙相似模拟试验装置，用于井下采空区混凝土永久密闭墙的相似模拟和检测密闭墙受冲击时的压力和位移；该技术中没有考虑国标规定的墙体结构形状，不能墙体形状对墙体密闭性、稳固性的影响，且无法检测在矿井水作用下墙体的性能变化，不适用于具有防水挡气功能的密闭墙的墙体检测。中国专利(CN205246290U)公开了一种检测密闭墙密闭性的试验装置，通过探测瓦斯浓度，判断不同材料密闭墙的密闭性，可有效检测密闭材料的阻隔性能；该技术适用于常压下检测固定形状的矩形墙体密闭性的功能，同样不适用于具有防水挡气功能的密闭墙的墙体检测。

不同材质的密闭墙对气、水的密封性能不同，抗压与抗侵蚀能力也不同，若密闭墙的性能不好，会造成压缩空气的溢出以及矿井水的涌入，继而使压气储能***失去作用。密闭墙的性能测试至关重要，但现有技术不能用于测试在高水压高气压作用下密闭墙性能。

发明内容

为了检测密闭墙在不同水压、气压、围岩压力作用下的密闭性以及应力、位移等情况，方便闭墙的性能测试，本发明提供了一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置及方法，具体的技术方案如下。

一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置，包括箱体、水压密封盖、气压密封盖、充水腔体、充气腔体、截锥腔、供水管路、加载***和监测装置，所述箱体内浇筑混凝土，截锥腔两端的上底分别连接充水腔体和充气腔体；所述供水管路连接充水腔体，气泵连接充气腔体，水压密封盖设置在充水腔体的端部，气压密封盖设置在充气腔体的端部；所述加载***模拟上覆围岩和侧向围岩的压力，所述监测装置确定密闭墙内的应力和位移变化。

优选的是，截锥腔包括第一截锥腔、第二截锥腔、第一圆柱腔、第三截锥腔、第四截锥腔、第二圆柱腔、第五截锥腔、第六截锥腔，并依次通过螺纹连接；所述第一截锥腔的上底与充水腔体的圆形中空盖连接，第六截锥腔的上底与充气腔体上的圆形中空盖连接。

优选的是，箱体的下方设置底座并通过螺栓固定，箱体内灌注混凝土，混凝土与充水腔体、充气腔体、截锥腔共同模拟围岩。

优选的是，截锥腔内设置有应力传感器，应力传感器监测密闭墙内的应力变化，倒截锥密闭墙的墙面上设置有位移传感器，位移传感器监测密闭墙内的位移变化。

优选的是，供水管路包括水泵、水箱、导水管和水压表，水泵通过导水管从水箱内抽水，导水管连接充水腔体上的通水孔，导水管上还设置有水压表。

还优选的是，充气腔体的压气孔连接有导气管，导气管通过气泵连接储气装置，所述导气管上还设置有气压表。

还优选的是，加载***包括上部加载机构、上部压板、第一侧向加载机构、第一侧向压板、第二侧向加载机构、第二侧向压板，上部压板、第一侧向压板和第二侧向压板向模拟围岩施加压力。

一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试方法，利用上述的一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置，步骤包括：

S1.在箱体内涂抹脱模油，组合安装充水腔体、充气腔体和截锥腔；

S2.制作密闭墙，凝固后将密闭墙整体从箱体内取出并布置位移传感器，安装水压密封盖和气压密封盖；

S3.将试验混凝土材料放置在支撑架上，并向充水腔体内注水，模拟巷道内的空气从通气孔排出；

S4.向充气腔体内注气，并通过加载***模拟施加上覆围岩压力和侧向围岩压力；

S5.通过泄压孔泄压监测充气腔体内的压强，随后再次向充气腔体内注气，模拟压气和放气的循环过程；

S6.监测充水腔体内的液体判断密闭墙的密闭性，对密闭墙进行钻孔并通过***机观测裂隙发育，通过在液体内加入碘液判断液体的浸透情况，通过钻孔取芯进行力学性能测试。

进一步优选的是，改变充水腔体内的水压、充气腔体内的气压及加载***施加的载荷大小，监测不同条件下密闭墙的性能。

进一步优选的是，通过调整截锥腔的安装组合方式检测不同高度和截面积对密闭墙性能的影响。

本发明提供的一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置及方法有益效果是，该装置可以对密闭墙在不同水压、气压及围压作用下的密闭性、应力、位移以及破坏情况进行检测分析，方便了密闭墙性能的研究，另外还可以根据需要组合出不同直径、高度的倒截锥墙，更真实有效地模拟井下墙体情况；通过密闭墙的性能测试保证了废气矿井压气储能利用的发展，并提高了其安全可靠性。

附图说明

图1是废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置结构示意图

图2是密闭墙性能测试装置的侧剖面图；

图3为底板结构示意图；

图4为密封盖结构及布置示意图；

图5为模拟巷道的腔体结构示意图；

图6为截锥腔结构***图；

图7为腔体组合示意图；

图8为混凝土浇筑示意图；

图9为密闭墙传感器布设示意图；

图10为密闭墙浇筑示意图；

图中：1-箱体，2-底板，3-水压密封盖，4-气压密封盖，5-充水腔体，6-圆形中空盖，7-充气腔体，8-圆形中空盖，9-第一截锥腔，10-第二截锥腔，11-第一圆柱腔，12-第三截锥腔，13-第四截锥腔，14-第二圆柱腔，15-第五截锥腔，16-第六截锥腔，17-通水孔，18-通气孔，19-压气孔，20-泄压孔，21-水泵，22-水箱，23-导水管，24-水压表，25-气压表，26-第一阀门，27-气泵，28-储气装置，29-导气管，30-气压表，31-第二阀门，32-底座，33-支承架，34-上部加载机构，35-上部压板，36-第一侧向加载机构，37-第一侧向压板，38-第二侧向加载机构，39-第二侧向压板，40-混凝土，41-河沙，42-云母，43-密闭墙材料，44-应力传感器，45-位移传感器。

具体实施方式

结合图1至图10所示，对本发明提供的一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置及方法的具体实施方式进行说明。

一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置，该装置可以对密闭墙在不同水压、气压及围压作用下的密闭性、应力、位移以及破坏情况进行检测分析，方便了密闭墙性能的研究，另外还可以根据需要组合出不同直径、高度的倒截锥墙，更真实有效地模拟井下墙体情况。

该装置的结构具体包括箱体1、水压密封盖3、气压密封盖4、充水腔体5、充气腔体7、截锥腔、供水管路、加载***和监测装置，箱体用于制作模拟密闭墙，水压密封盖和气压密封盖配合充水腔体和充气腔体模拟巷道，截锥腔与充水腔体、充气腔体组合形成腔体组合，供水管路能够提供设定的水量和水压，加载***模拟围岩应力，监测装置能够监测密闭墙的应力和位移。箱体1内可以浇筑混凝土40，截锥腔两端的上底分别连接充水腔体5和充气腔体7。供水管路连接有充水腔体5，充水腔体5的一端设置圆形中空盖，在边缘还设置有螺纹，整体可以呈长方体状，气泵27连接充气腔体，充气腔体7一端设置圆形中空盖，在边缘还设置有螺纹，整体可以呈长方体状。水压密封盖3设置在充水腔体5的端部，水压密封盖3的一面为橡胶垫，一面为刚性材料，靠近下边缘处有通水孔17；气压密封盖4设置在充气腔体的端部，气压密封盖4一面为橡胶垫，一面为刚性材料，气压密封盖4中心有压气孔，压气孔19附近有泄压孔20。加载***模拟上覆围岩和侧向围岩的压力，监测装置确定密闭墙内的应力和位移变化。

截锥腔包括第一截锥腔9、第二截锥腔10、第一圆柱腔11、第三截锥腔12、第四截锥腔13、第二圆柱腔14、第五截锥腔15、第六截锥腔16，并依次通过螺纹连接，可以形成倒截锥墙腔体。第一截锥腔9的上底、下底内侧均有螺纹，第一截锥腔9的上底与充水腔体5的圆形中空盖连接；第二截锥腔10的上底内侧、下底外侧有螺纹，第一圆柱腔的两端外侧均有螺纹，第三截锥腔12的上底、下底内侧均有螺纹，第四截锥腔13的上底内侧、下底外侧有螺纹，第二圆柱腔14两端外侧均有螺纹，第五截锥腔15上底内侧、下底外侧有螺纹，第六截锥腔16上下底内侧均有螺纹，第六截锥腔16的上底与充气腔体上的圆形中空盖连接，形成腔体组合。将不同高度，不同上下底直径的截锥腔进行组合，通过浇筑密闭墙材料可得到不同形状的倒截锥结构密闭墙。

截锥腔的内侧面上设置有应力传感器44，应力传感器监测密闭墙内的应力变化，实时监测试验过程中密闭墙各点应力变化。倒截锥密闭墙的墙面上设置有位移传感器45，位移传感器监测密闭墙内的位移变化。

箱体1的下方设置底座并通过螺栓固定，箱体1内灌注混凝土40，混凝土与充水腔体、充气腔体、截锥腔共同模拟围岩。在箱体1内可以涂抹脱模油并将腔体组合固定在底座32上，然后将箱体1以底座为底立起来，向腔体组合与箱体之间浇筑混凝土材料，混凝土与腔体共同模拟围岩。

供水管路包括水泵21、水箱22、导水管23和水压表24，水泵21通过导水管23从水箱22内抽水，导水管23连接充水腔体上的通水孔，导水管23上还设置有水压表24。充气腔体7的压气孔连接有导气管29，导气管29通过气泵连接储气装置，导气管29上还设置有气压表30。

其加载***包括上部加载机构34、上部压板35、第一侧向加载机构36、第一侧向压板37、第二侧向加载机构38、第二侧向压板39，上部压板35、第一侧向压板37和第二侧向压板39分别通过上部加载机构34、第一侧向加载机构36、第二侧向加载机构38向模拟围岩施加压力。

一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试方法，利用上述的一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置，步骤包括：

步骤S1.在箱体内涂抹脱模油，组合安装充水腔体、充气腔体和截锥腔。

步骤S2.制作密闭墙，混凝土凝固后将密闭墙整体从箱体内取出并布置位移传感器，安装水压密封盖和气压密封盖。

将底座通过螺栓固定在箱体上，在箱体内刷一层脱模油将腔体组合固定在底座上，将固定了底座以及腔体组合的箱体以底座为底立起来，向腔体组合与箱体之间浇筑混凝土材料，混凝土与腔体共同模拟围岩。向腔体组合倒入河沙，当河沙与充水腔体平行时停止，在河沙上面铺一层云母，向组合腔体内注入密闭墙材料，密闭墙材料与第六截锥腔上底平行时停止。

混凝土材料与密闭墙材料均凝固后，取下底座，倒出充水腔体内的河沙，将凝固的混凝土材料连其同内部腔体、密闭墙墙体从箱体中取出，在倒截锥密闭墙墙面上布设位移传感器，将水压密封盖固定在充水腔体末端位置，将气压密封盖固定在充气腔体末端位置。将混凝土材料连其同内部腔体组合、密闭墙墙体、密封盖固定在支承架上。

步骤S3.将试验混凝土材料放置在支撑架上，并向充水腔体内注水，模拟巷道内的空气从通气孔排出。

水泵将水箱中的液体通过导水管、经过通水孔注入充水腔体中，导水管上装有水压表，可监测水压，向充水腔体注水时，模拟巷道中的空气通过通气孔排出，气体排出后关闭第一阀门。

步骤S4.向充气腔体内注气，并通过加载***模拟施加上覆围岩压力和侧向围岩压力。

气泵将储气装置中的气体通过导气管，由压气孔压入充气腔体中，导气管上装有气压表可监测气压。通过上部加载***、上部压板模拟上覆围岩压力，通过第一侧向加载***、第一侧向压板、第二侧向加载***、第二侧向压板模拟侧向围岩压力。应力传感器和位移传感器监测分析墙体应力位移变化情况。

步骤S5.通过泄压孔泄压监测充气腔体内的压强，随后再次向充气腔体内注气，模拟压气和放气的循环过程。

打开第二阀门，通过泄压孔进行泄压，气压表可监测充气巷道内气体压强，泄压后再由气泵将储气装置中的气体通过导气管，由压气孔压入充气巷道腔体中，循环加压泄压，可模拟压气储能过程中循环压气放气的情况。根据模拟的压气储能矿井所在地区一天内用电高峰时段与用电低谷时段的时间比来模拟充气放气时间。

步骤S6.监测充水腔体内的液体判断密闭墙的密闭性，对密闭墙进行钻孔并通过***机观测裂隙发育，通过在液体内加入碘液判断液体的浸透情况，通过钻孔取芯进行力学性能测试。

当充入充气腔体的气体可以与水反应时，可通过导水管排出充水巷道中的液体，检测液体中的离子浓度，判断密闭墙是否发生漏气，进而判断密闭性能。

在充水、充气、加压一定时间后，对倒截锥密闭墙进行钻孔，将***机探入孔中，观测墙体内部裂隙发育情况。当密闭墙材料中掺入淀粉，注入充水腔体的液体添加碘液时可通过摄像机观察墙体内部颜色是否变蓝、变蓝的范围判断水对密闭墙的浸透情况。当充入的水达到试验所需压力时(如6MPa)停止继续充水，根据压气储能矿井所在地区一天内用电高峰时段与用电低谷时段的时间比来模拟充气放气时间，在试验阶段持续加压模拟围岩压力，试验总共持续时间根据需求而定。

在充水、充气、加压一定时间后，可通过钻孔取芯的方式，取出密闭墙材料部分试块进行力学性能测试，对由相同密闭墙材料配置的同一体积的试件进行力学性能测试，比较分析水压气压作用对密闭墙力学性能的影响。

另外，改变密闭墙材料种类及配比，通过多组试验，可检测不同材料的密闭墙性能。

还可以改变充水腔体内的水压、充气腔体内的气压及加载***施加的载荷大小，监测不同条件下密闭墙的性能。例如在多次试验中改变水压数值，用于模拟不同压力的矿井水对密闭墙的作用；在多次实验中改变气压的大小，用于模拟压气储能工程中不同压缩程度的空气对密闭墙的影响；在多次试验中改变加载***载荷的大小，用于模拟不同围岩压力对密闭墙的影响。

通过调整截锥腔的安装组合方式检测不同高度和截面积对密闭墙性能的影响。改变截锥腔与圆柱腔的组合方式，可得到不同高度、截面面积的倒截锥腔体，通过多组试验，检测不同高度、截面面积的倒截锥密闭墙性能。

该方法可以模拟检测密闭墙在水压、气压围岩压力多重作用下的密闭性以及性能变化情况，还可以通过不同的截锥组合，组成不同高度、直径、截锥数的墙体，进而通过试验测试不同形状下墙体的密封性以及受力、位移情况；可改变墙的材质，测试不同材质下密闭墙的性能；检测墙体内部应力情况以及墙面位移情况；测得墙对气体的密闭性以及抗水浸透情况。该方法通过密闭墙的性能测试保证废气矿井压气储能利用的发展，并提高其安全可靠性。

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。

Claims (10)

1.一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置，其特征在于，包括箱体、水压密封盖、气压密封盖、充水腔体、充气腔体、截锥腔、供水管路、加载***和监测装置，所述箱体内浇筑混凝土，截锥腔两端的上底分别连接充水腔体和充气腔体；所述供水管路连接充水腔体，气泵连接充气腔体，水压密封盖设置在充水腔体的端部，气压密封盖设置在充气腔体的端部；所述加载***模拟上覆围岩和侧向围岩的压力，所述监测装置确定密闭墙内的应力和位移变化。

2.根据权利要求1所述的一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置，其特征在于，所述截锥腔包括第一截锥腔、第二截锥腔、第一圆柱腔、第三截锥腔、第四截锥腔、第二圆柱腔、第五截锥腔、第六截锥腔，并依次通过螺纹连接；所述第一截锥腔的上底与充水腔体的圆形中空盖连接，第六截锥腔的上底与充气腔体上的圆形中空盖连接。

3.根据权利要求1所述的一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置，其特征在于，所述箱体的下方设置底座并通过螺栓固定，箱体内灌注混凝土，混凝土与充水腔体、充气腔体、截锥腔共同模拟围岩。

4.根据权利要求1所述的一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置，其特征在于，所述截锥腔内设置有应力传感器，应力传感器监测密闭墙内的应力变化，倒截锥密闭墙的墙面上设置有位移传感器，位移传感器监测密闭墙内的位移变化。

5.根据权利要求1所述的一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置，其特征在于，所述供水管路包括水泵、水箱、导水管和水压表，水泵通过导水管从水箱内抽水，导水管连接充水腔体上的通水孔，导水管上还设置有水压表。

6.根据权利要求1所述的一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置，其特征在于，所述充气腔体的压气孔连接有导气管，导气管通过气泵连接储气装置，所述导气管上还设置有气压表。

7.根据权利要求1所述的一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置，其特征在于，所述加载***包括上部加载机构、上部压板、第一侧向加载机构、第一侧向压板、第二侧向加载机构、第二侧向压板，上部压板、第一侧向压板和第二侧向压板向模拟围岩施加压力。

8.一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试方法，利用权利要求1至7任一项所述的一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试装置，其特征在于，步骤包括：

S1.在箱体内涂抹脱模油，组合安装充水腔体、充气腔体和截锥腔；

S2.制作密闭墙，凝固后将密闭墙整体从箱体内取出并布置位移传感器，安装水压密封盖和气压密封盖；

S3.将试验混凝土材料放置在支撑架上，并向充水腔体内注水，模拟巷道内的空气从通气孔排出；

S4.向充气腔体内注气，并通过加载***模拟施加上覆围岩压力和侧向围岩压力；

S5.通过泄压孔泄压监测充气腔体内的压强，随后再次向充气腔体内注气，模拟压气和放气的循环过程；

S6.监测充水腔体内的液体判断密闭墙的密闭性，对密闭墙进行钻孔并通过***机观测裂隙发育，通过在液体内加入碘液判断液体的浸透情况，通过钻孔取芯进行力学性能测试。

9.根据权利要求8所述的一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试方法，其特征在于，改变充水腔体内的水压、充气腔体内的气压及加载***施加的载荷大小，监测不同条件下密闭墙的性能。

10.根据权利要求8所述的一种废弃井巷空间压气储能利用的密闭墙性能测试方法，其特征在于，调整截锥腔的安装组合方式检测不同高度和截面积对密闭墙性能的影响。

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