[發明專利]一種煤巖單向受熱和雙向受力模擬實驗系統及方法

有效

• 申請號: 201810155320.2
• 申請日: 2018-02-23
• 公開（公告）號: CN108387712B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 辛林;程衛民;謝軍;宋玥;劉震;付海政;胡相明;劉晨
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24;G01N25/00;G01N3/00
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

1.一種煤巖單向受熱和雙向受力模擬實驗方法，其特征在于，所述煤巖單向受熱和雙向受力模擬實驗方法為：

針對煤炭地下工作面反應界面煤巖體所處的單向受熱邊界條件，對煤巖樣在不同溫度水平下的單向加熱進行分析；

模擬反應界面煤巖體雙向受力的應力狀態，通過XY方向上的雙向加壓螺桿對煤巖樣施加預緊力，模擬煤巖體所處的原巖應力狀態；

根據反應區煤巖體所處的位置不同其所受的溫度邊界條件不同，采用不同溫度水平對煤巖體進行單向對流換熱加熱，加熱時間依據火焰工作面的移動速度以及不同溫度水平的分布范圍值進行確定；

所述煤巖單向受熱和雙向受力模擬實驗方法具體包括：

步驟一，試樣及制備：

試樣可為原煤樣或型煤， 原煤樣通過切割打磨成正四方形；或者將原煤粉碎后，篩取其中粒徑為0.2～0.3mm的煤粉，加入少量水后攪拌均勻，然后在成型模具中壓制成煤樣，將煤樣放在100℃烘干箱中連續烘48h；

步驟二，確定溫度控制參數：

在接近煤巖樣部位安裝耐高溫熱電偶，監測煤巖樣下表面附近的溫度；加熱過程為恒溫加熱方式；

步驟三，各部分安裝；

步驟四，加熱操作：

確定煤巖試件下端的加熱溫度分別為200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃八個溫度水平分別進行測試；

步驟五，雙向加壓與應力監測操作：

通過兩端的雙向加壓螺桿對煤巖施加預緊力，模擬煤巖樣所處的應力狀態；在加熱的過程中，高溫氣體與煤巖樣下表面通過對流換熱的方式進行換熱，熱量在煤巖樣內通過熱傳導的方式在煤巖樣內傳遞，煤巖樣受熱膨脹產生熱應力，由XY兩個方向上的應力計進行檢測，由數據采集裝置對熱應力數據進行采集；

步驟六，熱破裂剝落指標測量操作：

煤巖樣在一定的溫度和壓力狀態下，在受熱自由面發生熱破裂并出現熱剝落，熱破剝落煤巖樣直接通到方形通道掉落在孔口底部的耐高溫石英燒杯中，然后由電子天平直接稱取剝落質量，得到不同溫度水平下隨加熱時間變化的熱破裂剝落速率參數；

步驟七，實驗結束；

所述各部分安裝包括：

試樣與加熱部分安裝：將標準煤巖樣下端嵌入在傳壓隔熱石英墊塊中間，傳壓隔熱石英墊塊下部安裝加熱裝置，傳熱墊片與煤巖樣直接接觸，使煤巖樣下端面受熱；

單向恒溫加熱與溫控部分安裝：傳壓隔熱石英墊塊放置在單向恒溫加熱爐上的預制凹槽上，恒溫加熱爐外部和頂蓋為方形Hastelloy188耐高溫合金，內部有50mm×50mm×100mm方形通道，通道中段纏繞螺旋硅碳棒加熱管；螺旋硅碳棒加熱管與爐體之間填充耐高溫隔熱材料；加熱爐方形通道上端擱置煤巖樣；在接近煤巖樣部位安裝有耐高溫熱電偶，熱電偶所測溫度與溫度控制器連接；通過調節電流大小控制螺旋硅碳棒加熱管產生熱量，急性恒溫控制；

雙向加壓與應力監測部分安裝：在方形槽鋼框架的XY方向的雙向加壓固定端通過圓柱形傳壓隔熱石英墊塊與煤巖樣相連，在XY方向分別增加一個應力計，然后用雙向加壓螺桿在兩端對煤巖施加預緊力；

熱破裂剝落指標測量部分安裝：在單向恒溫加熱爐方形通道孔口底部放置耐高溫石英燒杯，放置在電子天平上，并在燒杯底部連接氮氣保護瓶，通過減壓閥和管路后將氮氣輸送到耐高溫石英燒杯內，為剝落的煤巖樣提供氮氣氛圍；

外框架結構安裝：在支撐托板上，用緊固螺栓、緊固托盤和雙向約束鋼框架固定，并用支腿螺母做支撐。

2.一種如權利要求1所述的煤巖單向受熱和雙向受力模擬實驗方法的煤巖單向受熱和雙向受力模擬實驗系統。

3.一種應用權利要求1所述煤巖單向受熱和雙向受力模擬實驗方法的巖石單向受熱和雙向受力模擬實驗方法，其特征在于，所述巖石單向受熱和雙向受力模擬實驗方法為：

對于巖石地下工作面反應界面煤巖體所處的單向受熱邊界條件，對巖石樣在不同溫度水平下的單向加熱進行分析；

模擬反應界面巖石體雙向受力的應力狀態，通過XY方向上的雙向加壓螺桿對巖石樣施加預緊力，模擬巖石體所處的原巖應力狀態；

根據反應區巖石體所處的位置不同所受的溫度邊界條件不同，采用不同溫度水平對巖石體進行單向對流換熱加熱，加熱時間依據火焰工作面的移動速度以及不同溫度水平的分布范圍值進行確定。