一种冻融循环模拟装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种冻融循环模拟装置，包括开采实验平台、承载支架以及温控系统；开采实验平台用于铺设实验材料，承载支架设置在开采实验平台上，温控系统设置在承载支架上，承载支架用于伸缩以改变温控系统与实验材料的接触状态。在实验材料开始接触式冻融循环前，承载支架收缩，使温控系统与实验材料接触，温控系统用于制冷或者制热，并将制冷产生的能量或者制热产生的能量传递至实验材料，使实验材料完成冻融循环；在实验材料完成接触式冻融循环后，承载支架伸张，使温控系统远离实验材料，为开采和观察实验材料留出空间。本发明专利技术能够在实验室中，实现真实冻融循环条件下，开采造成多年冻土层破断及地表沉陷的实时动态过程的模拟。拟。拟。

【技术实现步骤摘要】
一种冻融循环模拟装置


[0001]本专利技术涉及试验设备
，特别是涉及一种冻融循环模拟装置。

技术介绍

[0002]随着我国煤炭生产布局快速向西部转移，在西部煤层资源中，青藏高原等地多年冻土区下贮藏的厚煤层资源开采成为亟待解决的难题。冻土为土颗粒、冰晶、未冻水以及空气组成的四相介质，物理力学特性受温度影响明显，在煤炭开采的过程中必然会产生影响。因此，深入研究高寒地区冻融循环条件下煤层开采上覆多年冻土层破断结构特征及其运动规律，并分析由冻土层破断所导致的地表沉陷规律，对多年冻土层下煤炭资源的安全、高效、绿色开采具有重要的科学价值和现实意义。
[0003]多年冻土层由永冻层与季融层组成，而永冻层内部的温度分布与埋深相关，在一定埋深范围内随着埋深变化而变化，温度场变化呈现非均匀变化特性，从而造成永冻层温度变化呈现非均质分布，变现为冻融循环的实时性与复杂性。一般在经过数次冻融过程后，冻土的渗透系数会增大1～2个数量级，孔隙明显减少，土体温度越低，自身强度越高，承压能力越强，破坏特征越不明显。
[0004]现有技术中，关于模拟冻融循环条件下煤层开采的实验平台所采用的温控系统均是蒸汽压缩式温控系统(室内机、室外机两部分)，可以人为控制，实现温度升降，但是会对模拟煤岩层，特别是地表冻土层造成一定影响。
[0005]首先，现有加热、制冷系统多采用室内机、室外机及移动终端控制，对外界环境及气候条件有要求，受场地限制，室内机与室外机需要单独存放，通过人为控制移动终端实现加热、制冷，效率低下，造成冻融循环时间周期较长，而冻土为特殊的四相介质黏性材料，具有明显的流变效应，与煤岩层的移动、变形和破断相比较具有明显的滞后性。
[0006]其次，现有实验平台多采用冻融循环系统与机械移动系统联动的方式实现整体温度控制，但不利于实现分区域温度控制，不满足煤岩层直至地表区域的温度的非线性变化，而且对于动态开挖及加载过程会产生不良影响。冻土的破坏方式与应变速率相关，应变速率较高时，土体通常发生脆性破坏，应变速率较低时，则更容易发生塑性破坏。不同的破坏方式对应不同的破坏特征，而时间过长会造成两种破坏叠加，增加冻土层变形、破坏的复杂性，不利于后期试验。
[0007]另一方面，加热过程产生的热蒸汽遇冷液化形成液态水，如果无法及时排出，液态水与相似实验材料混合后会对实验结果造成影响。由于冻土中赋存有冰和冰水混合物，经过反复的冻融循环，冰涨压力和渗透压力联合作用会产生疲劳应力，改变其原有的赋存条件和应力环境，产生由表及里的剥蚀破坏，从而降低其强度，对冻土层相关力学参数准确性造成影响。
[0008]因此，亟需一种应用于实验室中、能够实现分区域温度控制的冻融循环模拟装置，从而通过模拟冻融循环的真实条件，研究高寒地区变温条件下的矿山开采覆岩移动规律及冻土层破断规律。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提供一种冻融循环模拟装置，模拟真实冻融循环条件下，开采造成多年冻土层破断及地表沉陷的实时动态过程。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0011]一种冻融循环模拟装置，包括开采实验平台、承载支架以及温控系统；
[0012]所述开采实验平台用于铺设实验材料；
[0013]所述承载支架设置在所述开采实验平台上，所述温控系统设置在所述承载支架上，所述承载支架用于伸缩以改变所述温控系统与所述实验材料的接触状态；
[0014]在所述实验材料开始接触式冻融循环前，所述承载支架收缩，使所述温控系统与所述实验材料接触，所述温控系统用于制冷或者制热，并将制冷产生的能量或者制热产生的能量传递至所述实验材料，使所述实验材料完成接触式冻融循环；在所述实验材料完成接触式冻融循环后，所述承载支架伸张，使所述温控系统远离所述实验材料，为开采和观察所述实验材料留出空间。
[0015]可选地，所述温控系统包括压缩机、冷凝器、蒸发器、蓄电池箱以及温度感应器件；
[0016]将所述压缩机、所述冷凝器、所述蒸发器以及所述蓄电池箱依次首尾连接以构成冷热循环系统；所述冷热循环系统的连通管路内设置制冷剂；
[0017]所述温度感应器件设置在所述蓄电池箱内，所述温度感应器件用于检测所述冷热循环系统的温度，并当所述冷热循环系统的温度达到设定温度时，向所述蓄电池箱发出制冷剂流向改变信号，以改变所述制冷剂流向。
[0018]可选地，所述蓄电池箱机内设置四通阀；
[0019]所述四通阀与所述温度感应器件连接，所述四通阀用于在所述制冷剂流向改变信号的控制下改变所述制冷剂的流向。
[0020]可选地，所述冷热循环系统还包括干燥过滤器、热力膨胀圈以及气液分离器；
[0021]将所述压缩机、所述冷凝器、所述干燥过滤器、所述热力膨胀圈、所述蒸发器、所述气液分离器以及所述蓄电池箱依次首尾连接以构成所述冷热循环系统。
[0022]可选地，所述温控系统还包括第一风扇和第二风扇；
[0023]所述第一风扇对应所述冷凝器设置；
[0024]所述第二风扇对应所述蒸发器设置。
[0025]可选地，所述开采实验平台包括外框架、承载底梁以及底座；
[0026]所述承载底梁设置在所述底座上；
[0027]所述承载底梁与所述外框架构成容置空间，所述容置空间内铺设所述实验材料；
[0028]所述外框架还用于固定所述承载支架。
[0029]可选地，所述开采实验平台还包括螺纹卡槽和安装把手；
[0030]所述螺纹卡槽和所述安装把手均设置在所述外框架上；
[0031]所述安装把手用于将螺母组件与所述螺纹卡槽固定，以固定所述承载支架；所述螺母组件包括螺栓及螺母。
[0032]可选地，所述承载支架包括连接座和伸缩梁；
[0033]所述温控系统设置在所述连接座上；
[0034]所述伸缩梁与所述连接座连接，所述伸缩梁用于伸缩以改变所述温控系统与所述
实验材料的接触状态。
[0035]可选地，所述冻融循环模拟装置还包括挡板；
[0036]所述挡板设置在所述伸缩梁远离所述开采实验平台的一端，所述挡板用于当所述温控系统远离所述实验材料时，对所述温控系统进行拦挡固定。
[0037]可选地，所述温控系统的壳体包括内材料层和外材料层；
[0038]所述内材料层的材料为真空绝热板，所述外材料层的材料为聚氨酯塑料。
[0039]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0040]在开采实验平台上铺设实验材料，将承载支架设置在开采实验平台的某个位置，设置在承载支架上且与实验材料接触的温控系统开始制冷或制热，并将制冷产生的能量或者制热产生的能量传递至实验材料，完成对实验材料的接触式冻融循环；接触式冻融循环完成后，承载支架伸张，使温控系统远离实验材料，为对实验材料的开采和观察留出空间，进而实现对真实冻融循环条件下的实验材料的破断以及地表沉陷的实时动态监测。
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冻融循环模拟装置，其特征在于，所述冻融循环模拟装置包括开采实验平台、承载支架以及温控系统；所述开采实验平台用于铺设实验材料；所述承载支架设置在所述开采实验平台上，所述温控系统设置在所述承载支架上，所述承载支架用于伸缩以改变所述温控系统与所述实验材料的接触状态；在所述实验材料开始接触式冻融循环前，所述承载支架收缩，使所述温控系统与所述实验材料接触，所述温控系统用于制冷或者制热，并将制冷产生的能量或者制热产生的能量传递至所述实验材料，使所述实验材料完成接触式冻融循环；在所述实验材料完成接触式冻融循环后，所述承载支架伸张，使所述温控系统远离所述实验材料，为开采和观察所述实验材料留出空间。2.根据权利要求1所述的冻融循环模拟装置，其特征在于，所述温控系统包括压缩机、冷凝器、蒸发器、蓄电池箱以及温度感应器件；将所述压缩机、所述冷凝器、所述蒸发器以及所述蓄电池箱依次首尾连接以构成冷热循环系统；所述冷热循环系统的连通管路内设置制冷剂；所述温度感应器件设置在所述蓄电池箱内，所述温度感应器件用于检测所述冷热循环系统的温度，并当所述冷热循环系统的温度达到设定温度时，向所述蓄电池箱发出制冷剂流向改变信号，以改变所述制冷剂流向。3.根据权利要求2所述的冻融循环模拟装置，其特征在于，所述蓄电池箱机内设置四通阀；所述四通阀与所述温度感应器件连接，所述四通阀用于在所述制冷剂流向改变信号的控制下改变所述制冷剂的流向。4.根据权利要求2所述的冻融循环模拟装置，其特征在于，所述冷热循环系统还包括干燥过滤器、热力膨胀圈以及气液分离器；将所述压缩机、所述冷凝器...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨胜利，许金梦，李明，刘垚，刘传义，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：