[發(fā)明專利]基于凍結(jié)法施工的礦井井筒溫度-位移場耦合物理模擬實驗裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110031185.2
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112761729B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 秦偉;秦松;高杰;溫慶杰;張宏貞
• 申請（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學(xué);西安科技大學(xué)
• 主分類號: E21F17/18
• 分類號: E21F17/18;E21F17/00;G06F30/20
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 張聯(lián)群

1.一種基于凍結(jié)法施工的礦井井筒溫度-位移場耦合物理模擬實驗裝置，包括三維模型箱、凍結(jié)液循環(huán)系統(tǒng)和溫度-位移監(jiān)測系統(tǒng)；其特征在于：

所述的三維模型箱包括由模型框架(1)和有機玻璃密封板(2)圍成的箱體，箱體內(nèi)裝有按模擬巖層分布的巖土樣品(3)，箱體的中部設(shè)有模擬井筒(4)，模擬井筒(4)的四周對稱布置有多根相連通的不銹鋼凍結(jié)管（9）；

所述的凍結(jié)液循環(huán)系統(tǒng)包括液態(tài)二氧化碳鋼瓶(5)、設(shè)在液態(tài)二氧化碳鋼瓶(5)上的卸壓閥(6)，液態(tài)二氧化碳鋼瓶(5)的出口經(jīng)進液管(8)與不銹鋼凍結(jié)管(9)相連，進液管(8)上設(shè)有進液管閥門(7)，不銹鋼凍結(jié)管(9)的出口處連接有回液管(10)；

所述的溫度-位移監(jiān)測系統(tǒng)包括管路溫度傳感器(11)、紅外發(fā)射器（19）、AVR單片機（21）、多個光纖溫度傳感器(12)及多個應(yīng)變片（18），所述的管路溫度傳感器(11)分別設(shè)在進液管（8）和回液管(10)上，所述的紅外發(fā)射器（19）設(shè)在模型框架(1)上部，紅外發(fā)射器（19）經(jīng)信號線（20）與AVR單片機（21）相連，所述的多個光纖溫度傳感器(12)布設(shè)在模擬井筒(4)四周的不銹鋼凍結(jié)管(9)上，AVR單片機（21）通過信號線（20）和轉(zhuǎn)接頭（22）分別與管路溫度傳感器（11）、光纖溫度傳感器（12）及應(yīng)變片（18）相連；紅外發(fā)射器（19）與三維模型箱外部設(shè)置的紅外接收器（24）紅外傳輸通信，紅外接收器（24）布置在上位機（23）內(nèi)；

所述的多個應(yīng)變片（18）呈圓狀且位于光纖溫度傳感器(12)之間交錯布置，相鄰光纖溫度傳感器(12)之間布置多個應(yīng)變片（18），多個應(yīng)變片（18）非等高且環(huán)形等距布置在巖土樣品(3)中；應(yīng)變片（18）的直徑定義為D ，應(yīng)變片（18）感測的應(yīng)變數(shù)據(jù)組成的數(shù)組為ξ，應(yīng)變數(shù)組ξ的元素為ξ_ij，應(yīng)變片（18）縱向圓心相連與重力線方向相同點定義為i，自上而下縱向任意一個應(yīng)變片（18）的定義為i=1，順時針遞增計數(shù)；應(yīng)變片（18）環(huán)向圓心相連與模擬井筒（4）的水平剖面相平行點為j，沿著同一水平方向任意一個應(yīng)變片（18）的平行點定義為j=1，順時針遞增計數(shù)；應(yīng)變片（18）感測的應(yīng)變數(shù)組ξ_ij對應(yīng)的變形量數(shù)組為A；數(shù)組A中的元素為A_ij，那么應(yīng)變數(shù)組ξ、變形量數(shù)組A及元素A_ij的表達式為：

獲取特定溫度場下的位移場演化規(guī)律。

2.如權(quán)利要求1所述的基于凍結(jié)法施工的礦井井筒溫度-位移場耦合物理模擬實驗裝置，其特征在于：所述的模擬井筒（4）下部設(shè)有抗壓強度為30MPa的混凝土結(jié)構(gòu)井塔基礎(chǔ)（13）。

3.如權(quán)利要求1所述的一種基于凍結(jié)法施工的礦井井筒溫度-位移場耦合物理模擬實驗裝置，其特征在于：所述的紅外發(fā)射器（19）為兩個，布設(shè)在模型框架(1)上部的對角處。

4.如權(quán)利要求1所述的一種基于凍結(jié)法施工的礦井井筒溫度-位移場耦合物理模擬實驗裝置，其特征在于：所述的多個光纖溫度傳感器(12)分層布置在圍繞模擬井筒（4）呈圓環(huán)形分布的各不銹鋼凍結(jié)管(9)上。

5.一種實施權(quán)利要求1-4任意項所述的基于凍結(jié)法施工的礦井井筒溫度-位移場耦合物理模擬實驗裝置的實驗方法，根據(jù)現(xiàn)場煤層頂?shù)装鍨榉治鰧ο蠼⑽锢砟M實驗裝置，其特征在于，實驗方法包括如下步驟：

①取樣：從現(xiàn)場獲取巖土樣品（3）,按照現(xiàn)場鉆孔柱狀將巖土樣品（3）由下而上鋪設(shè)在三維模型箱中；

②安裝：在巖土鋪設(shè)過程中，將模擬井筒（4）、不銹鋼凍結(jié)管（9）、光纖溫度傳感器（12）預(yù)埋至巖土樣品（3）中，將進液管（8）和回液管（10）接入不銹鋼凍結(jié)管（9），并在進液管（8）和回液管（10）上安裝管路溫度傳感器（11）；

③試驗：打開液態(tài)二氧化碳鋼瓶（5）的泄壓閥（6），并打開進液管閥門（7），液態(tài)二氧化碳通過進液管（8）進入不銹鋼凍結(jié)管（9），在巖土樣品（3）中循環(huán)并帶走周圍熱量使巖土樣品凍結(jié)，循環(huán)出的二氧化碳?xì)怏w通過回液管（10）排除，在實驗過程中，通過管路溫度傳感器（11）、光纖溫度傳感器（12）及應(yīng)變片（18）對溫度-位移進行監(jiān)測；

④采集：通過上位機（23）接收到的溫度-位移數(shù)據(jù)實時記錄，掌握基于凍結(jié)法施工的礦井井筒溫度-位移場耦合物理模擬實驗數(shù)據(jù)，為現(xiàn)場確定合理凍結(jié)時間、凍結(jié)液溫度、凍結(jié)孔的布置提供參考。