CN111735846A - 一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置，包括竖直钢管、钢管接头、水平钢管、外套钢管、密封盘、保温材料，内部测点，外部测点，油泵孔，出线孔，测温导线，压力表，出气孔，其中，竖直钢管下端与钢管接头上端连通，钢管接头水平端与水平钢管左端连通，水平钢管穿过外套钢管和密封盘，密封盘位于外套钢管左右侧两端面，保温材料固定在外套钢管内的水平钢管外表面，内部测点布置在外套钢管内的水平钢管外表面处，外部测点布置在与内部测点对应位置处的保温材料外表面上。采用本发明装置实现了围压作用下材料保温隔冷性能试验测试，获得了相应的评价指标，为煤矿井筒冻结法施工时初始表土段局部保温隔冷材料的选择提供重要参考。

Description

一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及材料保温隔冷性能试验测试技术领域，特别涉及一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置及试验方法。
背景技术
煤矿井筒采用冻结法施工时需要事先对拟开挖地层采用人工制冷技术，将含水地层冻结成一个封闭的不透水帷幕，隔绝地下水与井筒之间的联系，然后在其保护下进行挖砌施工。
新建煤矿井筒沿地层纵向将依次穿过表土段、风化基岩段、稳定基岩段，其冻结深度通常要达到风化基岩段与稳定基岩段交界处，甚至还要往下2～3m，以此确保施工安全。但是在初始表土段，例如地下-150m范围内，这一范围必须采用局部保温隔冷技术，以达到减缓该范围内冻土扩展速度、控制温度场发展的目的。这样做不仅降低了该范围内土体冻胀和融沉对井架基础的影响，而且避免了大量冷量耗散，节省矿井建设中冻结工程分项中的费用投入。然而，该范围内采用材料进行保温隔冷时，由于地应力作用材料处于受压状态，因此受压状态下材料的保温隔冷性能就显得额外重要。但是，目前实验室对于材料保温隔冷性能试验测试基本上是在无压力状态下进行的，这主要是受现有试验装置的限制以及无压力状态下的试验操作相对更为简便的影响。一旦材料受到压力作用，材料内部结构紧密程度势必发生变化，也就是说材料受压状态下的保温隔冷性能与无压力状态下的保温隔冷性能应该存在差别。又由于材料受压状态下的保温隔冷性能是决定煤矿井筒冻结工程局部保温隔冷效果的重要依据，因此非常有必要对材料在受压状态下的保温隔冷性能进行测试。围压作用指的就是材料在σ2和σ3方向上受到相同的压应力作用。
发明内容
基于现有材料保温隔冷性能试验测试所存在的不足，本发明的目的在于提供一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置及试验方法，能够开展围压作用下材料保温隔冷性能试验测试，获得材料在围压作用下的保温隔冷效果评价指标，为煤矿井筒冻结法施工时局部保温隔冷材料的选择提供重要参考。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置，包括竖直钢管、钢管接头、水平钢管、外套钢管、密封盘、保温材料，内部测点，外部测点，油泵孔，出线孔，测温导线，压力表，出气孔，其中，所述竖直钢管下端与所述钢管接头上端连通，所述钢管接头水平端与所述水平钢管左端连通，所述水平钢管穿过所述外套钢管和所述密封盘，所述水平钢管与所述外套钢管以及所述密封盘圆心均在同一点上，所述密封盘位于所述外套钢管左右侧两端面，所述保温材料固定在所述外套钢管内的所述水平钢管外表面，所述内部测点直接布置在所述外套钢管内的所述水平钢管外表面二个相对位置处，所述外部测点布置在与所述内部测点对应位置处的所述保温材料外表面上，所述测温导线分别与所述内部测点和所述外部测点相连并从所述出线孔穿出，所述油泵孔、所述出线孔、所述压力表、所述出气孔均布置在所述外套钢管顶端。
优选地，在上述的围压作用下材料保温隔冷性能试验装置中，
所述竖直钢管直径160mm，厚度20mm，高度200mm，最下端开丝。
优选地，在上述的围压作用下材料保温隔冷性能试验装置中，
所述钢管接头直径160mm，厚度20mm，上端和水平端均开丝。
优选地，在上述的围压作用下材料保温隔冷性能试验装置中，
所述水平钢管采用无缝钢管，直径160mm，厚度20mm，长度800mm。
优选地，在上述的围压作用下材料保温隔冷性能试验装置中，
所述外套钢管采用无缝钢管，直径350mm，厚度28mm，长度600mm。
优选地，在上述的围压作用下材料保温隔冷性能试验装置中，
所述密封盘为直径350mm的圆盘，采用厚度28mm的钢板切割而成，且在所述密封盘中心位置留有直径160mm的圆孔，所述密封盘圆心与所述圆孔圆心在同一点。
优选地，本申请还提供一种利用上述的围压作用下材料保温隔冷性能试验装置的试验方法，包括如下步骤：
步骤一：事先确定出所述水平钢管外表面测点1#、2#的布设位置，该位置后期必须处于所述外套钢管内，将二根所述测温导线分别布置在所述测点1#和所述2#位置处，并利用测试仪器检查二根所述测温导线能否正常工作，检查完成确保正常工作后，再用胶带将二根所述测温导线固定在所述水平钢管外表面上。
步骤二：再通过计算确定出所述水平钢管穿入所述外套钢管的起始端位置和终止端位置，并在所述起始段位置至所述终止段位置范围内将所述保温材料固定在所述水平钢管外表面上，所述保温材料与所述水平钢管外表面直接接触。
步骤三：根据所述水平钢管外表面布设的所述测点1#、2#的位置，确定出所述保温材料外表面测点3#、4#的布置，其中所述测点1#和所述3#在垂直投影方向上处于一条直线上，所述测点2#和所述4#在垂直投影方向上处于另一条直线上。再取二根所述测温导线分别布置在所述测点3#和所述4#位置处，并利用测试仪器检查二根所述测温导线能否正常工作，检查完成确保正常工作后，再用胶带将二根所述测温导线固定在所述保温材料外表面上。
步骤四：再在所述水平钢管与所述保温材料直接接触的范围内分两次各涂抹一层沥青以确保试验过程中围压油不会渗入到所述保温材料上。
步骤五：待沥青硬化后将所述水平钢管穿入所述外套钢管内，并将四根所述测温导线从所述出线孔中穿出，再在所述外套钢管左右侧两端面套上所述密封盘，所述外套钢管与所述密封盘通过电焊焊接封死固定，调整好位置确保所述水平钢管与所述保温材料直接接触的该段范围全部穿入在所述外套钢管内，然后将所述水平钢管与所述密封盘通过电焊焊接封死固定。
步骤六：采用所述钢管接头将所述竖直钢管和所述水平钢管连通在一起，连通后所述竖直钢管垂直向上，所述水平钢管水平。
步骤七：拧开所述出气孔，用高压管将油泵与所述油泵孔相连通，开始向所述外套钢管内施加围压，待所述出气孔有油溢出时，迅速拧紧所述出气孔。
步骤八：继续向所述外套钢管施加围压，待所述压力表上指针达到实验方案设计值时，稳住围压保持不变。
步骤九：采用液氮给酒精降温至设计温度，然后将降温后的酒精沿所述竖直钢管倒入，所述降温后的酒精将沿着所述竖直钢管、所述钢管接头、所述水平钢管方向依次流淌，并在所述水平钢管右端位置用木桶接住流淌过来的所述降温后的酒精，该过程开始实时测量所述内部测点和所述外部测点的温度随时间变化规律。
步骤十：所述降温后的酒精不断地向所述竖直钢管倒入，直到所述内部测点温度与所述外部测点温度达到相同时停止，同时卸掉围压，试验结束。
步骤十一：分析整理试验数据，比较所述测点1#和所述测点3#温度达到一致时所需要的时间，所述测点2#和所述测点4#温度达到一致时所需要的时间，根据温度达到一致时所需时间的长短，用以判断所述保温材料的保温隔冷效果。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明装置通过低温酒精在水平钢管内流动带走热量，能够使水平钢管内的温度与实际煤矿冻结法施工时冻结管内温度一致，再利用油泵对外套钢管施加围压模拟实际煤矿冻结法施工时地应力对保温材料的作用，通过获得布置在水平钢管外表面以及保温材料外表面各测点温度随时间变化的规律，更加直观地反映出材料在围压作用下的保温隔冷效果，能够给煤矿井筒冻结法施工时初始表土段局部保温隔冷材料的保温隔冷效果评价提供重要依据以及试验方法。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明所述的一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置示意图；
图2为本发明所述的外套钢管示意图；
图3为本发明所述的密封盘示意图；
图4为本发明所述的竖直钢管示意图；
图5为本发明所述的水平钢管示意图；
图6为本发明所述的钢管接头示意图；
图中标号说明：1-竖直钢管；2-钢管接头；3-水平钢管；4-外套钢管；5-密封盘；6-保温材料；7-内部测点；8-外部测点；9-油泵孔；10-出线孔；11-测温导线；12-压力表；13-出气孔。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的描述中，术语“上端”、“下端”、“左端”、“右端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
结合图1、图2、图3、图4、图5，图6，实施例：本实施例所述的一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置，包括竖直钢管1、钢管接头2、水平钢管3、外套钢管4、密封盘5、保温材料6，内部测点7，外部测点8，油泵孔9，出线孔10，测温导线11，压力表12，出气孔13，其中，竖直钢管1下端与钢管接头2上端连通，钢管接头2水平端与水平钢管3左端连通，水平钢管3穿过外套钢管4和密封盘5，水平钢管3与外套钢管4以及密封盘5圆心均在同一点上，密封盘5位于外套钢管4左右侧两端面，保温材料6固定在外套钢管4内的水平钢管3外表面，内部测点7直接布置在外套钢管4内的水平钢管3外表面二个相对位置处，外部测点8布置在与内部测点7对应位置处的保温材料6外表面上，测温导线11分别与内部测点7和外部测点8相连并从出线孔10穿出，油泵孔9、出线孔10、压力表12、出气孔13均布置在外套钢管4顶端。
本实施例所述的一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置，其中，竖直钢管1直径160mm，厚度20mm，高度200mm，最下端开丝。
本实施例所述的一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置，其中，钢管接头2直径160mm，厚度20mm，上端和水平端均开丝。
本实施例所述的一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置，其中，水平钢管3采用无缝钢管，直径160mm，厚度20mm，长度800mm。
本实施例所述的一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置，其中，外套钢管4采用无缝钢管，直径350mm，厚度28mm，长度600mm。
本实施例所述的一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置，其中，密封盘5为直径350mm的圆盘，采用厚度28mm的钢板切割而成，且在密封盘中心位置留有直径160mm的圆孔，密封盘5圆心与上述圆孔圆心在同一点。
本发明还提供一种利用上述的围压作用下材料保温隔冷性能试验装置的试验方法，具体试验方法包括如下步骤：
步骤一：事先确定出水平钢管3外表面测点1#、2#的布设位置，该位置后期必须处于外套钢管4内，将二根测温导线11分别布置在上述测点1#和2#位置处，并利用测试仪器检查二根测温导线11能否正常工作，检查完成确保正常工作后，再用胶带将二根测温导线11固定在水平钢管3外表面上。
步骤二：再通过计算确定出水平钢管3穿入外套钢管4的起始端位置和终止端位置，并在起始段位置至终止段位置范围内将保温材料6固定在水平钢管3外表面上，保温材料6与水平钢管3外表面直接接触。
步骤三：根据水平钢管3外表面布设的测点1#、2#的位置，确定出保温材料6外表面测点3#、4#的布置，其中测点1#和3#在垂直投影方向上处于一条直线上，测点2#和4#在垂直投影方向上处于另一条直线上。再取二根测温导线11分别布置在测点3#和4#位置处，并利用测试仪器检查二根测温导线11能否正常工作，检查完成确保正常工作后，再用胶带将二根测温导线11固定在保温材料6外表面上。
步骤四：再在水平钢管3与保温材料6直接接触的范围内分两次各涂抹一层沥青以确保试验过程中围压油不会渗入到保温材料6上。
步骤五：待沥青硬化后将水平钢管3穿入外套钢管4内，并将上述四根测温导线11从出线孔10中穿出，再在外套钢管4左右侧两端面套上密封盘5，外套钢管4与密封盘5通过电焊焊接封死固定，调整好位置确保水平钢管3与保温材料6直接接触的该段范围穿入在外套钢管4内，然后将水平钢管3与密封盘5通过电焊焊接封死固定。
步骤六：采用钢管接头2将竖直钢管1和水平钢管3连通在一起，连通后竖直钢管1垂直向上，水平钢管3水平。
步骤七：拧开出气孔13，用高压管将油泵与油泵孔9相连通，开始向外套钢管4内施加围压，待出气孔13有油溢出时，迅速拧紧出气孔13。
步骤八：继续向外套钢管4施加围压，待压力表12上指针达到实验方案设计值2MPa，稳住围压保持不变。
步骤九：采用液氮给酒精降温至设计温度-35℃，然后将降温后的酒精沿竖直钢管1倒入，降温后的酒精将沿着竖直钢管1、钢管接头2、水平钢管3方向依次流淌，并在水平钢管3右端位置用木桶接住流淌过来的降温后的酒精，该过程开始实时测量内部测点7和外部测点8的温度随时间变化规律。
步骤十：降温后的酒精不断地向竖直钢管1倒入，直到内部测点7温度与外部测点8温度达到相同时停止，同时卸掉围压，试验结束。
步骤十一：分析整理试验数据，比较测点1#和测点3#温度达到一致时所需要的时间，测点2#和测点4#温度达到一致时所需要的时间，根据温度达到一致时所需时间的长短，用以判断保温材料6的保温隔冷效果。
上述本发明具体实施方式的优点与积极效果还集中体现在如下：
本发明装置通过低温酒精在水平钢管内流动带走热量，能够使水平钢管内的温度与实际煤矿冻结法施工时冻结管内温度一致，再利用油泵对外套钢管施加围压模拟实际煤矿冻结法施工时地应力对保温材料的作用，通过获得布置在水平钢管外表面以及保温材料外表面各测点温度随时间变化的规律，更加直观地反映出材料在围压作用下的保温隔冷效果，能够给煤矿井筒冻结法施工时初始表土段局部保温隔冷材料的保温隔冷效果评价提供重要依据以及试验方法。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置及试验方法，其特征在于：竖直钢管(1)、钢管接头(2)、水平钢管(3)、外套钢管(4)、密封盘(5)、保温材料(6)，内部测点(7)，外部测点(8)，油泵孔(9)，出线孔(10)，测温导线(11)，压力表(12)，出气孔(13)，其中，竖直钢管(1)下端与钢管接头(2)上端连通，钢管接头(2)水平端与水平钢管(3)左端连通，水平钢管(3)穿过外套钢管(4)和密封盘(5)，水平钢管(3)与外套钢管(4)以及密封盘(5)圆心均在同一点上，密封盘(5)位于外套钢管(4)左右侧两端面，保温材料(6)固定在外套钢管(4)内的水平钢管(3)外表面，内部测点(7)直接布置在外套钢管(4)内的水平钢管(3)外表面二个相对位置处，外部测点(8)布置在与内部测点(7)对应位置处的保温材料(6)外表面上，测温导线(11)分别与内部测点(7)和外部测点(8)相连并从出线孔(10)穿出，油泵孔(9)、出线孔(10)、压力表(12)、出气孔(13)均布置在外套钢管(4)顶端。
所述试验方法如下：
步骤一：事先确定出水平钢管(3)外表面测点1#、2#的布设位置，该位置后期必须处于外套钢管(4)内，将二根测温导线(11)分别布置在测点1#和2#位置处，并利用测试仪器检查二根测温导线(11)能否正常工作，检查完成确保正常工作后，再用胶带将二根测温导线(11)固定在水平钢管(3)外表面上。
步骤二：再通过计算确定出水平钢管(3)穿入外套钢管(4)的起始端位置和终止端位置，并在起始段位置至终止段位置范围内将保温材料(6)固定在水平钢管(3)外表面上，保温材料(6)与水平钢管(3)外表面直接接触。
步骤三：根据水平钢管(3)外表面布设的测点1#、2#的位置，确定出保温材料(6)外表面测点3#、4#的布置，其中测点1#和3#在垂直投影方向上处于一条直线上，测点2#和4#在垂直投影方向上处于另一条直线上。再取二根测温导线(11)分别布置在测点3#和4#位置处，并利用测试仪器检查二根测温导线(11)能否正常工作，检查完成确保正常工作后，再用胶带将二根测温导线(11)固定在保温材料(6)外表面上。
步骤四：再在水平钢管(3)与保温材料(6)直接接触的范围内分两次各涂抹一层沥青以确保试验过程中围压油不会渗入到保温材料(6)上。
步骤五：待沥青硬化后将水平钢管(3)穿入外套钢管(4)内，并将上述四根测温导线(11)从出线孔(10)中穿出，再在外套钢管(4)左右侧两端面套上密封盘(5)，外套钢管(4)与密封盘(5)通过电焊焊接封死固定，调整好位置确保水平钢管(3)与保温材料(6)直接接触的该段范围穿入在外套钢管(4)内，然后将水平钢管(3)与密封盘(5)通过电焊焊接封死固定。
步骤六：采用钢管接头(2)将竖直钢管(1)和水平钢管(3)连通在一起，连通后竖直钢管(1)垂直向上，水平钢管(3)水平。
步骤七：拧开出气孔(13)，用高压管将油泵与油泵孔(9)相连通，开始向外套钢管(4)内施加围压，待出气孔(13)有油溢出时，迅速拧紧出气孔(13)。
步骤八：继续向外套钢管(4)施加围压，待压力表(12)上指针达到实验方案设计值时，稳住围压保持不变。
步骤九：采用液氮给酒精降温至设计温度，然后将降温后的酒精沿竖直钢管(1)倒入，降温后的酒精将沿着竖直钢管(1)、钢管接头(2)、水平钢管(3)方向依次流淌，并在水平钢管(3)右端位置用木桶接住流淌过来的降温后的酒精，该过程开始实时测量内部测点(7)和外部测点(8)的温度随时间变化规律。
步骤十：降温后的酒精不断地向竖直钢管(1)倒入，直到内部测点(7)温度与外部测点(8)温度达到相同时停止，同时卸掉围压，试验结束。
步骤十一：分析整理试验数据，比较测点1#和测点3#温度达到一致时所需要的时间，测点2#和测点4#温度达到一致时所需要的时间，根据温度达到一致时所需时间的长短，用以判断保温材料(6)的保温隔冷效果。
2.根据权利要求1所述的一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置及试验方法，其特征在于，竖直钢管(1)直径160mm，厚度20mm，高度200mm，最下端开丝。
3.根据权利要求1所述的一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置及试验方法，其特征在于，钢管接头(2)直径160mm，厚度20mm，上端和水平端均开丝。
4.根据权利要求1所述的一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置及试验方法，其特征在于，水平钢管(3)采用无缝钢管，直径160mm，厚度20mm，长度800mm。
5.根据权利要求1所述的一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置及试验方法，其特征在于，外套钢管(4)采用无缝钢管，直径350mm，厚度28mm，长度600mm。
6.根据权利要求1所述的一种围压作用下材料保温隔冷性能试验装置及试验方法，其特征在于，密封盘(5)为直径350mm的圆盘，采用厚度28mm的钢板切割而成，且在密封盘(5)中心位置留有直径160mm的圆孔，密封盘(5)圆心与圆孔圆心在同一点。
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