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专利号: 2018105184211
申请人: 西安科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2025-04-19
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置,其特征在于:包括试验模拟箱体(1)、设置在试验模拟箱体(1)内的围岩模型(32)和设置在围岩模型(32)内的充填体模型(19),以及矿井风流模拟系统、热边界模拟系统、渗流条件模拟系统、应力条件模拟系统和测量监控系统;所述围岩模型(32)内设置有位于充填体模型(19)上部的模拟巷道(2);

所述矿井风流模拟系统包括恒温恒湿机(24)和与恒温恒湿机(24)的出口端连接且伸入模拟巷道(2)内的风筒(26),所述风筒(26)上连接有风机(25);

所述热边界模拟系统包括设置在试验模拟箱体(1)内壁上且用于模拟矿井中地热的多根加热带(31);

所述渗流条件模拟系统包括设置在试验模拟箱体(1)内的渗流形成层(30)和设置在渗流形成层(30)上方的PVC管(4),以及设置在试验模拟箱体(1)外部的渗流入水箱(27)和渗流出水箱(6),所述PVC管(4)上开有渗流孔,所述PVC管(4)的入水口通过穿过试验模拟箱体(1)的进水导管与渗流入水箱(27)的出水口连接,所述进水导管上设置有恒流泵(22)、电磁阀(23)和流量计(5),所述PVC管(4)的出水口通过穿过试验模拟箱体(1)的出水导管与渗流出水箱(6)的入水口连接;

所述应力条件模拟系统包括对称设置在试验模拟箱体(1)两侧的两套应力加载机构,所述应力加载机构包括设置在试验模拟箱体(1)内部且用于将压力加载在充填体模型(19)上的承压板(12),以及设置在试验模拟箱体(1)外部的传力杆(10)、用于对传力杆(10)施加力的千斤顶、用于支撑传力杆(10)的支柱(11);所述承压板(12)与传力杆(10)的端部固定连接;

所述测量监控系统包括监控计算机(9)、矿井风流模拟测量监控系统、热边界模拟测量监控系统、渗流条件模拟监控系统和应力条件模拟监控系统;所述矿井风流模拟测量监控系统包括与监控计算机(9)相接的风速控制器(28)以及均匀布设在模拟巷道(2)中的多个巷道温度探头(7)、多个巷道湿度探头(8)和多个风速探头(3),多个巷道温度探头(7)的输出端、多个巷道湿度探头(8)的输出端和多个风速探头(3)的输出端均与风速控制器(28)的输入端连接,所述风速控制器(28)的输出端接有风机驱动器(14),所述风机(25)与风机驱动器(14)的输出端连接;所述热边界模拟测量监控系统包括与监控计算机(9)相接的温度控制器(15)和均匀布设在试验模拟箱体(1)内壁上的多个箱体温度探头(13),多个箱体温度探头(13)的输出端均与温度控制器(15)的输入端连接,所述温度控制器(15)的输出端接有串联在多根加热带(31)的供电回路中的交流接触器(16);所述渗流条件模拟监控系统包括与监控计算机(9)相接的湿度控制器(17)以及均匀布设在充填体模型(19)内的多个充填体湿度探头(21)和多个孔隙水压力传感器(33),多个充填体湿度探头(21)的输出端和多个孔隙水压力传感器(33)的输出端均与湿度控制器(17)的输入端连接,所述湿度控制器(17)的输出端接有恒流泵驱动器(34)和电磁阀驱动器(35),所述恒流泵(22)与恒流泵驱动器(34)的输出端连接,所述电磁阀(23)与电磁阀驱动器(35)的输出端连接;所述应力条件模拟监控系统包括与监控计算机(9)相接的加载压力控制器(36)、均匀布设在充填体模型(19)内的多个应力应变传感器(20)和设置在支柱(11)上的荷载传感器(37),所述荷载传感器(37)的输出端和多个所述应力应变传感器(20)的输出端均与加载压力控制器(36)的输入端连接。

2.按照权利要求1所述的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置,其特征在于:所述充填体模型(19)内均匀布设有多个充填体温度探头(29),所述充填体温度探头(29)的输出端与温度控制器(15)的输入端连接。

3.按照权利要求1或2所述的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置,其特征在于:所述风机(25)为变频风机。

4.按照权利要求1或2所述的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置,其特征在于:所述渗流形成层(30)包括从下到上依次设置的防砂层(30-1)、过滤网层(30-2)和骨架层(30-3)。

5.按照权利要求1或2所述的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置,其特征在于:所述PVC管(4)呈蛇形布设。

6.按照权利要求1或2所述的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置,其特征在于:所述试验模拟箱体(1)由钢板焊接制成,所述试验模拟箱体(1)的形状为立方体形,所述试验模拟箱体(1)的外壁上设置有防水层和隔热层;所述试验模拟箱体(1)的上部设置有供所述进水导管穿过的进水导管孔,所述试验模拟箱体(1)的下部设置有供所述出水导管穿过的出水导管孔。

7.一种利用如权利要求2所述试验装置进行矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:

步骤一、根据要研究的矿井和相似试验方法设计矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置;

步骤二、制作试验模拟箱体(1)、围岩模型(32)和充填体模型(19),连接矿井风流模拟系统、热边界模拟系统、渗流条件模拟系统、应力条件模拟系统和测量监控系统,制成矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置;

步骤三、启动热边界模拟系统,温度控制器(15)控制交流接触器(16)接通多根加热带(31)的供电回路,多根加热带(31)开始加热,箱体温度探头(13)对试验模拟箱体(1)内的温度进行实时检测并将检测到的箱体内温度信号输出给温度控制器(15),温度控制器(15)将箱体内温度信号与预先设定的箱体内温度阈值相比较,当箱体内温度信号高于箱体内温度阈值时,温度控制器(15)控制交流接触器(16)断开多根加热带(31)的供电回路,多根加热带(31)停止加热,当箱体内温度信号低于箱体内温度阈值时,温度控制器(15)控制交流接触器(16)接通多根加热带(31)的供电回路,多根加热带(31)开始加热,多根加热带(31)循环工作,维持边界温度恒定;同时,多个充填体温度探头(29)对充填体模型(19)内的温度进行实时检测并将检测到的充填体温度信号输出给温度控制器(15),当温度控制器(15)检测到充填体温度信号稳定在预设的充填体温度阈值范围内时,执行步骤四;

步骤四、启动矿井风流模拟系统,设定恒温恒湿机(24)的风流温度和湿度,空气经恒温恒湿机(24)处理后送入风筒(26),再由风机(25)调节风速和风流均匀性后进入模拟巷道(2),风速探头(3)对模拟巷道(2)中的风速进行实时检测并将检测到的巷道风速信号输出给风速控制器(28),风速控制器(28)将巷道风速信号与预先设定的巷道风速阈值相比较,当巷道风速信号高于巷道风速阈值时,风速控制器(28)通过风机驱动器(14)驱动风机(25)降低风速,当巷道风速信号低于巷道风速阈值时,风速控制器(28)通过风机驱动器(14)驱动风机(25)提高风速,维持巷道风速稳定;同时,多个巷道温度探头(7)对模拟巷道(2)中的温度进行实时检测并将检测到的巷道温度信号输出给风速控制器(28),多个巷道湿度探头(8)对模拟巷道(2)中的湿度进行实时检测并将检测到的巷道湿度信号输出给风速控制器(28);

步骤五、温度控制器(15)向监控计算机(9)周期性发送箱体内温度数据和充填体温度数据,风速控制器(28)向监控计算机(9)周期性发送巷道风速数据、巷道温度数据和巷道湿度数据,监控计算机(9)对箱体内温度数据、充填体温度数据、巷道风速数据、巷道温度数据和巷道湿度数据进行记录;

步骤六、启动渗流条件模拟系统,所述进水导管从渗流入水箱(27)引水,经恒流泵(22)提供恒定水流量,并经流量计(5)流入PVC管(4),水从PVC管(4)上的渗流孔流出,形成均匀渗流水后流入所述渗流形成层(30)并渗流进入充填体模型(19),再经所述出水导管流入渗流出水箱(6);多个充填体温度探头(29)对充填体模型(19)内的温度进行实时检测并将检测到的充填体温度信号输出给温度控制器(15),多个充填体湿度探头(21)对充填体模型(19)内的湿度进行实时检测并将检测到的充填体湿度信号输出给湿度控制器(17),多个孔隙水压力传感器(33)对充填体模型(19)内的孔隙水压力进行实时检测并将检测到的充填体孔隙水压力信号输出给湿度控制器(17);

步骤七、温度控制器(15)向监控计算机(9)周期性发送充填体温度数据,湿度控制器(17)向监控计算机(9)周期性发送充填体湿度数据和充填体孔隙水压力数据,监控计算机(9)对充填体温度数据、充填体湿度数据和充填体孔隙水压力数据进行记录;

步骤八、启动应力条件模拟系统,千斤顶施加力,通过传力杆(10)和承压板(12)将压力加载到充填体模型(19)上,多个应力应变传感器对充填体模型(19)的应力应变进行实时检测并将检测到的充填体应力应变信号输出给加载压力控制器(36),荷载传感器(37)对传力杆(10)上的载荷进行实时检测并将检测到的传力杆载荷信号输出给加载压力控制器(36);

步骤九、加载压力控制器(36)向监控计算机(9)周期性发送充填体应力应变数据和传力杆载荷数据,监控计算机(9)对充填体应力应变数据和传力杆载荷数据进行记录;

步骤十、改变矿井风流模拟参数、热边界模拟参数、渗流条件模拟参数和应力条件模拟参数,重复以上步骤三至步骤九,分别记录实验数据;

步骤十一、关闭矿井风流模拟系统、热边界模拟系统、渗流条件模拟系统、应力条件模拟系统和测量监控系统,试验结束。

8.按照权利要求7所述的方法,其特征在于:步骤一中所述根据要研究的矿井和相似试验方法设计矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置的具体过程为:

步骤101、几何模型设计:根据要研究的原型矿井充填体的长L1、宽B1和高H1,以及充填体模型(19)与原型的几何相似比1∶Cl,确定充填体模型(19)的长l1=L1/Cl,宽b1=B1/Cl,高h1=H1/Cl;根据要研究的原型矿井充填体相邻围岩调热圈的长L2、宽B2和高H2,以及围岩模型(32)与原型的几何相似比1∶Cl,确定围岩模型(32)的长l2=L2/Cl,宽b2=B2/Cl,高h2=H2/Cl;

步骤102、导热相似设计:充填体和围岩为多孔介质,充填体和围岩的热物性参数取多孔介质的等效热物性参数,充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型等效导热系数Cλ=1∶1,充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型等效比热容与密度乘积比Ccρ=1∶1,围岩模型(32)与原型外壁的温度比Ctw=1∶1;矿井风流模拟系统与原型风流温度比Ctf=1∶1,矿井风流模拟系统与原型空气湿度比Cφ=1∶1,矿井风流模拟系统与原型风流流速比Cv=Cl∶1;充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型原始温度比Cto=1∶1,充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型时间比Cτ=1∶Cl2;

步骤103、渗流相似设计:充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型的渗流系数比Ck=1∶

1,充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型的动力粘度系数比Cμ=1∶1,充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型渗流温度比Ctk=1∶1,充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型的渗流压差比Cp=1∶Cl;

步骤104、力学相似设计:充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型杨氏模量比为CαE=1∶

1,充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型泊松比为CαV=1∶1,充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型载荷比Cαf=1∶CρCl,其中,Cρ为充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型的密度比。