欢迎来到知嘟嘟! 联系电话:13095918853 卖家免费入驻,海量在线求购! 卖家免费入驻,海量在线求购!
知嘟嘟
我要发布
联系电话:13095918853
知嘟嘟经纪人
收藏
专利号: 201810989245X
申请人: 中国矿业大学
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:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
价格&联系人
年费信息
委托购买

摘要:

权利要求书:

1.一种富水基岩段斜井冻结井壁受力模拟试验系统,包括高压试验台、压力加载系统及数据采集系统,高压试验台包括上端盖(1)、承压筒(2)和底座(3),上端盖(1)的底端通过螺母(5)、螺杆(6)和垫片(4)固定在承压筒(2)的上端,底座(3)的上端通过螺母(5)、螺杆(6)和垫片(4)固定在承压筒(2)的下端,其特征在于,模型井壁(18)设在承压筒(2)内,模型井壁(18)的四周设有试验用孔隙围岩(19),孔隙围岩(19)的下端与底座(3)上端之间设有下封口板(9),孔隙围岩(19)的上端与上端盖(1)下端之间设有轴压垫板(7)和上封口板(8),轴压垫板(7)密封安装在上封口板(8)的上端,轴压垫板(7)、上封口板(8)和下封口板(9)均为中心带孔板,且上封口板(8)与下封口板(9)的中心孔与模型井壁(18)外径相当,并与模型井壁(18)之间通过轴向密封圈(36)密封,轴压垫板(7)的中心孔内径大于上封口板(8)、下封口板(9)的中心孔内径,上封口板(8)与轴压垫板(7)接触的一面沿环向设有一圈凹槽,上端盖(1)、轴压垫板(7)、上封口板(8)、承压筒(2)、下封口板(9)和底座(3)之间的端面接触部位之间均通过径向密封圈(37)密封;

压力加载系统包括伺服加压稳压系统及高压管路,上封口板(8)、孔隙围岩(19)和下封口板(9)的外部均紧紧包裹有一层橡胶膜(21),橡胶膜(21)与承压筒(2)之间的空腔构成围压加压腔(26),承压筒(2)侧壁上开设有围压加压孔(25);上封口板(8)上端的环向凹槽与轴压垫板(7)之间的空腔构成轴向加压腔(29),轴压垫板(7)上开设有轴向加压孔(28),上封口板(8)上开有上孔隙水压加压孔(30),下封口板(9)上开有下孔隙水压加压孔(31),伺服加压稳压系统分别通过高压管路连接围压加压孔(25)向围压加压腔(26)注水施加围压、连接轴向加压孔(28)向轴向加压腔内注水施加轴向荷载、连接上孔隙水压加压孔(30)和下孔隙水压加压孔(31)向孔隙围岩(19)内加载孔隙水压;

所述数据采集系统包括传感器组、数据采集仪和计算机,传感器组被布置在模型井壁(18)和孔隙围岩(19)中,传感器组中的各个传感器的导线与数据采集仪相连,数据采集仪与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的富水基岩段斜井冻结井壁受力模拟试验系统,其特征在于,,在孔隙围岩与上、下封口板接触界面处设置了“三油两膜”的润滑层,所述润滑层包括由下封口板至围岩界面或者由上封口板至围岩界面依次均匀铺设的一层二硫化钼润滑脂(22),一层聚四氟乙烯薄膜(23)、一层二硫化钼润滑脂(22)、一层聚四氟乙烯膜(23)和一层二硫化钼润滑脂(22);

为提高孔隙水压力的传递速度及改善加载的均匀性,在润滑层与孔隙围岩界面之间铺设一层透水布(24),上封口板(8)和下封口板(9)上的孔隙水压孔均透过润滑层伸入到滤水布内,从而保证水由孔隙水压加压孔注入,在透水布内迅速扩散并均匀传递进入到孔隙围岩当中。

3.根据权利要求2所述的富水基岩段斜井冻结井壁受力模拟试验系统,其特征在于,所述试验系统还包括冻结系统,冻结系统包括低温制冷机和冻结液循环通道,模型井壁(18)的上端连接出液管(15),下端连接进液管(14),模型井壁(18)、进液管(14)和出液管(15)之间的内腔组成冻结液循环通道,进液管(14)进口和出液管(15)出口分别与低温制冷机相连。

4.根据权利要求3任一权利要求所述的富水基岩段斜井冻结井壁受力模拟试验系统,其特征在于,所述传感器组包括粘贴于模型井壁(18)内壁、外壁的若干应变传感器和若干温度传感器,以及埋设于孔隙围岩(19)内的温度传感器和土压计,孔隙围岩(19)内温度传感器的导线、土压计的导线以及粘附于模型井壁外壁的应变传感器的导线、温度传感器的导线分别通过下封口板(9)上开设的引线孔(32)引出至数据采集仪;粘附于模型井壁(18)内壁上的应变传感器的导线、温度传感器的导线分别通过出液管(15)外壁上设置的圆形法兰接头(16)引出至数据采集仪。

5.根据权利要求4所述的富水基岩段斜井冻结井壁受力模拟试验系统,其特征在于,在模型井壁(18)的外壁靠近上封口板与孔隙围岩接触界面的位置沿轴向开有宽度和深度都极小、通至模型井壁顶端的引线槽(34)。

6.根据权利要求5所述的富水基岩段斜井冻结井壁受力模拟试验系统,其特征在于,在孔隙围岩(19)的外表面与橡胶膜(21)接触的界面均匀涂抹一层环氧树脂系胶结剂(20)或针入度较高的公路沥青;为防止环氧树脂系胶结剂(20)或沥青与橡胶膜(21)黏在一起,还应在沥青层外表面包裹一层塑料薄膜。

7.根据权利要求6所述的富水基岩段斜井冻结井壁受力模拟试验系统,其特征在于,液管(14)与出液管(15)采用耐低温的柔性材料,通过模型井壁上的密封卡槽(35)进行固定。

8.根据权利要求1至7任一权利要求所述的富水基岩段斜井冻结井壁受力模拟试验系统,其特征在于,在上封口板(8)的上端面且靠近模型井壁(18)处以及下封口板(9)的下端面靠近模型井壁(18)处,均沿环向设有若干圈铜制盘管(17),在冻结井壁解冻过程中,所述铜制盘管(17)连接低温制冷机。

9.根据权利要求8所述的富水基岩段斜井冻结井壁受力模拟试验系统,其特征在于,在轴向垫板(7)、上封口板(8)、下封口板(9)的外径端面均设有密封卡槽(33);整个受力模拟试验台外侧包裹保温棉材料,进行绝热处理。

10.一种富水基岩段斜井冻结井壁受力模拟试验方法,其特征在于,包括以下步骤,第一步,装配模拟试验台,具体步骤如下:

a,制作模型井壁(18),然后在模型井壁(18)的内壁、外壁粘贴若干应变传感器和温度传感器并做好保护;

b,将铜制盘管(17)固定在下封口板(9)的预设位置,通过拉紧螺杆(10)及拉紧法兰(11)将下封口板(9)固定在底座(3)上,下封口板(9)的中心线与底座(3)重合;

c,将进液管(14)通过密封卡槽(35)与模型井壁(18)底端连接在一起,将模型井壁(18)底端插入下封口板(9),二者间通过轴向密封圈(36)进行密封,并将进液管从底座(3)的底端引出,通过水平尺与垂直度测定仪保证模型井壁(18)的对中竖直,用水平尺记录下模型井壁(18)在各个方向与下封口板(9)外径边界线的距离;

d,将承压筒(2)下端通过螺母(5)、螺杆(6)和垫片(4)固定在底座(3)的上端,二者之间接触部位通过径向密封圈(37)密封;

e,将上封口板(8)穿过模型井壁(18),然后吊装上端盖(1)并将上端盖(1)下端通过螺母(5)、螺杆(6)和垫片(4)固定在承压筒(2)的上端,通过拉紧螺杆(10)、拉紧法兰(11)、六角螺母(12)和平垫圈(13)将上封口板固定在上端盖(1)上,完成试验台装配;

第二步,进行静水压力试验,具体步骤如下:

a,将各传感器接入数据采集仪,并将围压加压孔(25)通过高压管路接入伺服加压稳压系统,其余加压孔均关闭,向试验空间内注水;通过静水压力试验,检验试验台的密封性,以及模型井壁(18)内、外壁传感器是否有损坏,同时消除模型井壁(18)的初始应力及装配应力;

b,静水压力试验完成后,拆除上端盖(1)和上封口板(8)进行排水,排水完毕后,拆除承压筒(2);

第三步,制作孔隙围岩(19),具体步骤如下:

a,在下封口板(9)与孔隙围岩(19)接触界面做“三油两膜”的润滑处理,具体的首先在下封口板(9)上端均匀涂抹一层二硫化钼润滑脂(22),在二硫化钼润滑脂(22)的上面铺设一层聚四氟乙烯膜(23),在聚四氟乙烯膜(23)的上面铺设一层二硫化钼润滑脂(22),在二硫化钼润滑脂(22)的上面铺设一层聚四氟乙烯膜(23),在聚四氟乙烯膜(23)的上面铺设一层二硫化钼润滑脂(22),在二硫化钼润滑脂(22)的上面铺设一层透水布(24);

b,安装孔隙围岩(19)模板,分层浇筑孔隙围岩(19),将温度传感器和土压计通过引线孔(32)引入做好密封,并置于预埋点;孔隙围岩(19)成型采用夯锤夯实,直至达到设计高度,达到设计高度后松铺一层,待试验台装配时压实,夯实过程要保证层与层之间的均匀、同一层不同部位的均匀,同时夯实过程中要注意测试元件、传输线路的保护,每层都要水平尺对模型井壁(18)进行对中矫正,防止夯实过程中模型井壁(18)产生偏斜,顶部预留高度要合理,预留高度过小,螺母(5)、螺杆(6)紧固困难,无法实现试验空间的密封,预留高度过大,轴压垫板(7)与上端盖(1)脱离,同样无法实现密封;

c,在上封口板(8)与孔隙围岩(19)接触的界面同样做“三油两膜”的润滑处理,润滑层与孔隙围岩(19)的顶部之间再铺一层透水布,将上封口板(8)置于润滑层的上面,再将轴压垫板(7)置于上封口板(8)的上部,进行孔隙围岩(19)的养护,天气寒冷时,需搭建养护棚,保证孔隙围岩(19)养护的温度和湿度;

第四步,在有压状态下对孔隙围岩进行饱和,具体步骤如下:

a,待孔隙围岩(19)成型后,拆卸孔隙围岩模板,拆卸掉的模板清理刷油,在孔隙围岩(19)外部均布涂抹环氧树脂系胶结剂(20),待环氧树脂系胶结剂(20)硬化后,表面做光滑平整处理,包裹一层塑料薄膜,套装橡胶膜(21),并通过轴压垫板(7)、上封口板(8)、下封口板(9)外部的密封卡槽(33)将其密封固定;

b,依次将承压筒(2)底端固定于底座(3)上端,上端盖(1)底端固定于承压筒(2)顶端,完成试验台的装配;

c,将伺服加压稳压系统分别通过高压管路接入围压加压孔(25)和下孔隙水压加压孔(31),将上孔隙水压加压孔(30)连接真空管路、干燥塔、真空皿和真空泵,先通过围压加压孔(25)注水施加围压,待围压稳定后,通过下孔隙水压加压孔(31)注水施加孔隙水压,同时将上孔隙水压孔(30)打开,通过真空泵抽真空,在有压状态下对孔隙围岩(19)进行饱和,加载过程中,孔隙水压要一直保持小于围压;待上孔隙水压孔(30)稳定出水后,关闭上孔隙水压孔(30),若孔隙围岩(19)内孔隙水压力保持稳定则认为孔隙围岩(19)完成饱和;

d,饱和完成后,卸载孔隙水压至0MPa并关闭下孔隙水压孔(31),待孔隙水压卸载完毕后卸载围压至0MPa,并关闭围压加压孔(25);

第五步,冻结壁解冻过程中孔隙水压对井壁的作用进行模拟试验,具体步骤如下:

a,各项压力卸载后,将出液管(15)通过密封卡槽(35)与模型井壁(18)顶端连接在一起,将模型井壁(18)内壁的传感器导线通过圆形法兰接头(16)引出并做好密封;安装冻结系统,并将进液管(14)、出液管(15)分别与低温制冷机连接,做好保温措施,开始冻结;

b,待冻结完成后,打开围压加压孔(25)及下孔隙水压加压孔(31),并将上孔隙水压孔(30)和轴压加压孔(28)分别接入伺服加压稳压系统,开始分级加压,监测解冻过程中模型井壁(18)与孔隙围岩(19)应力场、温度场的变化规律;在分级加压时应保证围压始终大于轴向压力及孔隙水压力,在解冻过程中,应将铜制盘管接入低温制冷机,保证孔隙围岩(19)的顶端和底端的解冻速度要慢于中间层位的解冻速度,防止解冻时水沿着孔隙围岩(19)与上封口板(8)、下封口板(9)的接触界面处进入到模型井壁(18)与孔隙围岩(19)的接触界面,直接作用到模型井壁(18)上。