1.一种煤炭地下气化覆岩单向受热模拟实验系统,其特征在于:包括岩石试件、罐体及支架部分、保温部分、加热和温控部分、温度监测部分、热应力监测部分和声发射监测部分;
所述岩石试件尺寸为Φ50×100mm;
所述罐体及支架部分包括上部哈氏合金垫块、下部哈氏合金垫块、哈氏合金加热垫块、合金钢罐体、合金钢罐体顶盖、螺旋紧固盘、不锈钢支柱、合金钢底座、合金钢上部托架;
所述保温部分包括上部填充隔热保温材料、叶蜡石粉;
所述加热和温控部分包括镍铬合金发热片、温度控制器;
所述温度监测部分包括耐高温热电偶、温度采集模块;
所述声发射监测部分包括AE声发射传感器;
所述热应力监测部分包括应力监测模块。
2.一种煤炭地下气化覆岩单向受热模拟实验方法,其特征在于:步骤如下:一、确定岩石试件物理力学参数:
在煤层顶板现场采集顶板岩石,在实验室做成岩石试件,尺寸为Φ50×100,进行岩石力学分析,确定煤体的物理力学参数,所要获得的岩石物理力学参数主要包括:岩石的抗压强度、弹性模量、泊松比、热传导系数、比热容、密度、热膨胀系数;
二、确定加热工艺参数:
根据傅里叶热传导理论,建立满足第一类边界条件的一维非稳态热传导方程,理论计算岩石试件在单面恒温加热条件下,试件高度方向上随时间的温度分布范围,理论计算试件轴向随传热时间变化的热应力数值,根据试件高度方向上随时间变化的温度分布值,可以得到不同加热时间时试件不同高度层位的温度值,作为不同高度层位热电偶选择的依据,根据试件轴向随传热时间变化的热应力值,作为热应力监测模块选型的依据;煤炭地下气化火焰工作面附近的温度可达800-1000℃,为了在实验室模拟覆岩的受热状态,实验室确定岩石试件下端的加热温度为900℃,采用恒温加热方式,由温控控制器对加热端温度进行恒温控制;
三、各部分的安装:
(1)、岩石试件与加热部分安装:将岩石试件下端嵌入在下部的哈氏合金B2上,哈氏合金B2内部安装镍铬合金发热片,发热片上端安装一个哈氏合金传热垫片,传热垫片与岩石试件直接接触,使岩石试件下端面受热均匀,将哈式合金B2嵌入下垫块(碳纤维隔热材料)内,然后将下垫块嵌入缸体下底盖,将缸筒与下底盖螺纹连接在一起,完成装置缸体部分安装;
(2)、温度监测部分安装:在缸筒纵剖面两侧,打眼布置温度热电偶安装孔,所安装温度热电偶由温度采集模块将所测温度值显示在电脑并储存;
(3)、声发射探头安装:在岩石试件的上端面安装AE声发射探头,声发射探头可监测岩石试件在加热过程中,岩石热破裂所引发的声发射事件;
(4)、隔热材料填装:在岩石试件、加热部分、温度监测部分、声发射探头安装到位后,在缸筒内填充隔热保温材料;
(5)、热应力监测部分安装:将岩石试件上端面嵌入其上部的合金压头,在合金压头上面安装压力传感器,通过压力传感器监测岩石试件受热膨胀的热应力大小值,并由采集模块将所测压力值显示在电脑并储存;
(6)、外框架结构安装:将缸筒置于底座上,用螺栓固定,底座与上横梁用立柱螺纹连接;
四、加热操作:
岩石试件下端面由加热炉对岩石试件进行加热,并通过加热控制系统对加热方式进行控制;
五、温度、热应力以及声发射事件监测:
岩石试件高度方向上不同层位的温度值由热电偶进行监测,热应力值由压力传感器进行监测,声发射事件由AE声发射探头采集并经声发射监测系统进行监测记录;
六、实验结束:
当最上端热电偶的测温显示该处岩石试件温度增量ΔT分别达到所设定的终止条件时,停止加热,停止加热后,考虑到传热以及热破裂的滞后性,上述温度、热应力以及声发射事件监测系统继续进行监测,带岩石试件降温至常温后停止监测,实验结束。