[發明專利]一種凍融循環模擬裝置

在審

• 申請號: 202111055848.0
• 申請日: 2021-09-09
• 公開（公告）號: CN113670969A
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 楊勝利;許金夢;李明;劉垚;劉傳義
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學（北京）
• 主分類號: G01N25/00
• 分類號: G01N25/00
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 韓雪梅

本發明涉及一種凍融循環模擬裝置，包括開采實驗平臺、承載支架以及溫控系統；開采實驗平臺用于鋪設實驗材料，承載支架設置在開采實驗平臺上，溫控系統設置在承載支架上，承載支架用于伸縮以改變溫控系統與實驗材料的接觸狀態。在實驗材料開始接觸式凍融循環前，承載支架收縮，使溫控系統與實驗材料接觸，溫控系統用于制冷或者制熱，并將制冷產生的能量或者制熱產生的能量傳遞至實驗材料，使實驗材料完成凍融循環；在實驗材料完成接觸式凍融循環后，承載支架伸張，使溫控系統遠離實驗材料，為開采和觀察實驗材料留出空間。本發明能夠在實驗室中，實現真實凍融循環條件下，開采造成多年凍土層破斷及地表沉陷的實時動態過程的模擬。

技術領域

本發明涉及試驗設備技術領域，特別是涉及一種凍融循環模擬裝置。

背景技術

隨著我國煤炭生產布局快速向西部轉移，在西部煤層資源中，青藏高原等地多年凍土區下貯藏的厚煤層資源開采成為亟待解決的難題。凍土為土顆粒、冰晶、未凍水以及空氣組成的四相介質，物理力學特性受溫度影響明顯，在煤炭開采的過程中必然會產生影響。因此，深入研究高寒地區凍融循環條件下煤層開采上覆多年凍土層破斷結構特征及其運動規律，并分析由凍土層破斷所導致的地表沉陷規律，對多年凍土層下煤炭資源的安全、高效、綠色開采具有重要的科學價值和現實意義。

多年凍土層由永凍層與季融層組成，而永凍層內部的溫度分布與埋深相關，在一定埋深范圍內隨著埋深變化而變化，溫度場變化呈現非均勻變化特性，從而造成永凍層溫度變化呈現非均質分布，變現為凍融循環的實時性與復雜性。一般在經過數次凍融過程后，凍土的滲透系數會增大1～2個數量級，孔隙明顯減少，土體溫度越低，自身強度越高，承壓能力越強，破壞特征越不明顯。

現有技術中，關于模擬凍融循環條件下煤層開采的實驗平臺所采用的溫控系統均是蒸汽壓縮式溫控系統(室內機、室外機兩部分)，可以人為控制，實現溫度升降，但是會對模擬煤巖層，特別是地表凍土層造成一定影響。

首先，現有加熱、制冷系統多采用室內機、室外機及移動終端控制，對外界環境及氣候條件有要求，受場地限制，室內機與室外機需要單獨存放，通過人為控制移動終端實現加熱、制冷，效率低下，造成凍融循環時間周期較長，而凍土為特殊的四相介質黏性材料，具有明顯的流變效應，與煤巖層的移動、變形和破斷相比較具有明顯的滯后性。

其次，現有實驗平臺多采用凍融循環系統與機械移動系統聯動的方式實現整體溫度控制，但不利于實現分區域溫度控制，不滿足煤巖層直至地表區域的溫度的非線性變化，而且對于動態開挖及加載過程會產生不良影響。凍土的破壞方式與應變速率相關，應變速率較高時，土體通常發生脆性破壞，應變速率較低時，則更容易發生塑性破壞。不同的破壞方式對應不同的破壞特征，而時間過長會造成兩種破壞疊加，增加凍土層變形、破壞的復雜性，不利于后期試驗。

另一方面，加熱過程產生的熱蒸汽遇冷液化形成液態水，如果無法及時排出，液態水與相似實驗材料混合后會對實驗結果造成影響。由于凍土中賦存有冰和冰水混合物，經過反復的凍融循環，冰漲壓力和滲透壓力聯合作用會產生疲勞應力，改變其原有的賦存條件和應力環境，產生由表及里的剝蝕破壞，從而降低其強度，對凍土層相關力學參數準確性造成影響。

因此，亟需一種應用于實驗室中、能夠實現分區域溫度控制的凍融循環模擬裝置，從而通過模擬凍融循環的真實條件，研究高寒地區變溫條件下的礦山開采覆巖移動規律及凍土層破斷規律。

發明內容

本發明的目的是提供一種凍融循環模擬裝置，模擬真實凍融循環條件下，開采造成多年凍土層破斷及地表沉陷的實時動態過程。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種凍融循環模擬裝置，包括開采實驗平臺、承載支架以及溫控系統；

所述開采實驗平臺用于鋪設實驗材料；