CN113092724B - 一种泥岩膨胀试验用压力及温度控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩石力学实验技术领域，具体涉及一种泥岩膨胀试验用压力及温度控制系统及方法，包括：中央处理器以及被中央处理器信号控制的温控器和空压机，温控器连接有伸入到试验箱体的加热管和加热带；空压机连接有稳压阀，稳压阀由中央处理器信号控制；加热管设置在试验箱体的底部，加热带围绕设置在试验件的周围，加热带随着试验件运动而运动；中央处理器内预设有温度变化策略和压力变化策略，温度变化策略通过加热管和加热带使试验箱体的不同位置呈现不同温度状态。本发明使试验件的膨胀试验结果能够更加趋近真实情况，解决了现有的泥岩膨胀试验仪难以模拟真实环境对于泥岩膨胀的影响的技术问题。

Description

一种泥岩膨胀试验用压力及温度控制系统及方法

技术领域

本发明涉及岩石力学实验技术领域，具体涉及一种泥岩膨胀试验用压力及温度控制系统及方法。

背景技术

泥岩属于膨胀岩范畴，但又不同于一般的膨胀岩，它含有大量亲水性黏土矿物，力学性质与水的关系极其密切，在其内部相邻的黏粒比较靠近时，各自形成的水化膜会有一部分重叠起来，形成公共水化膜。若各自水化膜变薄，公共水化膜形成，水胶连接可以使软岩变得相当坚硬，该状态下的泥质岩又具有一定的支承强度；当各相邻的黏粒见水化膜加厚时，公共水化膜消失，水胶连接力消失，软岩产生膨胀，产生软化、崩解和失水收缩、开裂的现象，导致巷道开挖后围岩的支护难度大、控制效果差，极易发生巷道底鼓、冒顶、抽冒、甚至塌方灾害，严重影响巷道稳定性。同时，环境温度和湿度对软岩岩体含水率的影响显著，变形受约束时产生较大的内应力；开挖扰动等因素对泥质岩体强度的影响也非常明显。由于西南地区矿井具有围岩强度低、自稳时间短、易风化水解、泥化等特点，使得该地区强膨胀软岩巷道的破坏形式更加复杂，支护更加困难，给巷道掘进、支护施工等带来巨大困难，甚至造成重大的经济损失和人员伤亡。

强膨胀软岩巷道支护问题一直是我国西部地区矿井建设和生产维护中亟需重点解决的关键问题，而要解决这个问题，一般在施工之前，需要对施工地的泥岩膨胀各项参数通过泥岩膨胀试验仪进行测试，这就必须用到泥岩膨胀试验仪。现有的泥岩膨胀试验仪的压力和温度变化都是理论上的，是均匀变化的，很难模拟真实环境对于泥岩膨胀的影响，故而，泥岩膨胀试验结果对真实施工环境的指导作用有限。

发明内容

本发明提供一种泥岩膨胀试验用压力及温度控制系统及方法，解决了现有的泥岩膨胀试验仪难以模拟真实环境对于泥岩膨胀的影响的技术问题。

本发明提供的基础方案为：一种泥岩膨胀试验用压力及温度控制系统，包括：中央处理器以及被中央处理器信号控制的温控器和空压机，温控器连接有伸入到试验箱体的加热管和加热带；空压机连接有稳压阀，稳压阀由中央处理器信号控制；加热管设置在试验箱体的底部，加热带围绕设置在试验件的周围，加热带随着试验件运动而运动；中央处理器内预设有温度变化策略和压力变化策略，温度变化策略通过加热管和加热带使试验箱体的不同位置呈现不同温度状态。

本发明的工作原理及优点在于：

(1)通过预设在中央处理器中的温度变化策略和压力变化策略，使试验箱体内的环境能够尽可能地模拟真实环境，使试验件的膨胀试验结果能够更加趋近真实情况，给实际施工提供更高的可参考指导数据。

(2)通过加热管和加热带的设置，不仅能够使试验箱体内不同位置可以有不同的温度状态，因为加热带是随着试验件运动的，还可以模拟真实的工具在岩层中的施工动作，模拟出更加真实的试验环境，使试验件的膨胀试验结果更加准确。

(3)中央处理器依次启动空压机和稳压阀，空压机向试验箱体内逐渐加压，当试验箱体内的压力达到预设压力时，中央处理器控制空压机停止向试验箱体加压，并通过稳压阀保持空压机和试验箱体之间的压力，从而可以为试验件营造真实的压力环境。

本发明通过预设在中央处理器中的温度变化策略和压力变化策略，使试验箱体内的环境能够尽可能地模拟真实环境，使试验件的膨胀试验结果能够更加趋近真实情况，解决了现有的泥岩膨胀试验仪难以模拟真实环境对于泥岩膨胀的影响的技术问题。

进一步，加热带为螺旋状的刚性结构，试验件的顶端连接有转轴，转轴带动试验件转动。

有益效果在于：由于加热带围绕设置在试验件的周围，加热带为螺旋状可以增大加热带与试验件的接触面积，提高加热效果；通过转轴带动试验件动，可以使得加热带与试验件的接触位置不断变化，从而确保加热带能够对试验件进行均匀的加热。

进一步，转轴连接有电机，电机由中央处理器按照温度变化策略控制转动。

有益效果在于：通过中央处理器按照温度变化策略控制电机转动，进而带动试验件转动，使得试验件转速与温度变化策略相关，从而通过试验件转速实现温度变化策略。

进一步，温度变化策略包括加热管变化策略和加热带变化策略，加热带变化策略包括多组试验件转速和加热带温度的对应关系。

有益效果在于：加热带变化策略通过试验件转速，也即试验件的转动速度和加热带温度变化来体现，可以实现在加热带温度较低时缓慢转动，以及在加热带温度较高时快速转动，从而提高加热效果。

进一步，加热管变化策略包括多组加热管相对距离和加热管温度的对应关系，加热管相对距离为试验件和加热管竖直方向的相对距离。

有益效果在于：通过控制试验件和加热管竖直方向的相对距离，以及加热管温度的变化，能够直接影响到试验件所在位置的温度。

进一步，试验箱体内装有水，水将试验件完全淹没浸没。

有益效果在于：试验箱体内装有水，加热带和加热管的热量会先传递到水中，热量再由水传递给试验件，由于水可以将试验件完全浸没，从而可以确保对试验件进行均匀加热；同时，也可以预先将水加热到一定温度后再放入试验件。

本发明还提供一种泥岩膨胀试验用压力及温度控制方法，包括步骤：

S1、中央处理器依次启动空压机和稳压阀，空压机向试验箱体内逐渐加压，当试验箱体内的压力达到预设压力时，中央处理器控制空压机停止向试验箱体加压，并通过稳压阀保持空压机和试验箱体之间的压力；

S2、中央处理器启动温控器以及与温控器连接的加热管，当试验箱体内的温度达到预设温度时，中央处理器通过温控器保持试验箱体内的温度；

S3、将试验件放置到已经调节好压力和温度的试验箱体内；

S4、中央处理器按照预设的温度变化策略，启动加热管按照加热管变化策略改变温度，启动加热带按照加热带变化策略改变温度；

S5、试验件上下运动，加热带随着试验件同步运动。

本发明的工作原理及优点在于：加热带和加热管为试验件营造真实的温度环境，试验件在运动的时候加热带同步运动，能够模拟出更加真实的泥岩环境；中央处理器依次启动空压机和稳压阀，空压机向试验箱体内逐渐加压，当试验箱体内的压力达到预设压力时，中央处理器控制空压机停止向试验箱体加压，并通过稳压阀保持空压机和试验箱体之间的压力，可以为试验件营造真实的压力环境；通过这样的方式，试验件在进行泥岩膨胀试验时，结果更加准确，也具有更高的参考性。

附图说明

图1为本发明一种泥岩膨胀试验用压力及温度控制系统实施例的系统框图。

图2为本发明一种泥岩膨胀试验用压力及温度控制系统实施例的结构示意图。

图3为本发明一种泥岩膨胀试验用压力及温度控制方法实施例的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的标记包括：中央处理器1、温控器2、空压机3、稳压阀4、加热管5、加热带6、试验件7、转轴8、电机9、试验箱体10。

实施例1

实施例基本如附图1所示与附图2所示，包括中央处理器1、温控器2、空压机3、稳压阀4、加热管5、加热带6、试验件7、试验箱体10。中央处理器1信号控制的温控器2和空压机3，温控器2连接有伸入到试验箱体10的加热管5和加热带6；空压机3连接有稳压阀4，稳压阀4由中央处理器1信号控制；加热管5设置在试验箱体10的底部，加热带6围绕设置在试验件7的周围，加热带6随着试验件7运动而运动；中央处理器1内预设有温度变化策略和压力变化策略，温度变化策略通过加热管5和加热带6使试验箱体10的不同位置呈现不同温度状态。温度变化策略包括加热管5变化策略和加热带6变化策略，加热带6变化策略包括多组加热带6转速和加热带6温度的对应关系。

在实施例中，温度变化策略包括加热管5变化策略和加热带6变化策略，加热带6变化策略包括多组试验件7转速和加热带6温度的对应关系。加热带6变化策略通过加热带6转速，也即加热带6的转动速度和加热带6温度变化来体现，可以实现在加热带6温度较低时缓慢转动，以及在加热带6温度较高时快速转动，从而提高加热效果。加热管5变化策略包括多组加热管5相对距离和加热管5温度的对应关系，加热管5相对距离为试验件7和加热管5竖直方向的相对距离，通过控制试验件7和加热管5竖直方向的相对距离，以及加热管5温度的变化，能够直接影响到试验件7所在位置的温度。

试验箱体10内装有水，水将试验件7完全淹没浸没，试验箱体10内装有水，加热带6和加热管5的热量会先传递到水中，热量再由水传递给试验件7，由于水可以将试验件7完全浸没，从而可以确保对试验件7进行均匀加热；同时，也可以预先将水加热到一定温度后再放入试验件7。

具体实施过程如下，如附图3所示：

首先，中央处理器1依次启动空压机3和稳压阀4，空压机3向试验箱体10内逐渐加压，当试验箱体10内的压力达到预设压力时，中央处理器1控制空压机3停止向试验箱体10加压，并通过稳压阀4保持空压机3和试验箱体10之间的压力；

然后，中央处理器1启动温控器2以及与温控器2连接的加热管5，当试验箱体10内的温度达到预设温度时，中央处理器1通过温控器2保持试验箱体10内的温度；

再然后，将试验件7放置到已经调节好压力和温度的试验箱体10内；

接着，中央处理器1按照预设的温度变化策略，启动加热管5按照加热管5变化策略改变温度，启动加热带6按照加热带6变化策略改变温度；

最后，试验件7上下运动，加热带6随着试验件7同步运动。

由此可见，在本实施例中，通过预设在中央处理器1中的温度变化策略和压力变化策略，使试验箱体10内的环境能够尽可能地模拟真实环境，使试验件7的膨胀试验结果能够更加趋近真实情况，给实际施工提供更高的可参考指导数据；通过加热管5和加热带6的设置，不仅能够使试验箱体10内不同位置可以有不同的温度状态，因为加热带6是随着试验件7运动的，还可以模拟真实的工具在岩层中的施工动作，模拟出更加真实的试验环境，使试验件7的膨胀试验结果更加准确；中央处理器1依次启动空压机3和稳压阀4，空压机3向试验箱体10内逐渐加压，当试验箱体10内的压力达到预设压力时，中央处理器1控制空压机3停止向试验箱体10加压，并通过稳压阀4保持空压机3和试验箱体10之间的压力，从而可以为试验件7营造真实的压力环境。

实施例2

与实施例1不同之处仅在于，还包括转轴8和电机9，加热带6为螺旋状的刚性结构，试验件7的顶端连接有转轴8，转轴8带动试验件7转动，转轴8连接电机9，电机9由中央处理器1按照温度变化策略控制转动。由于加热带6围绕设置在试验件7的周围，加热带6为螺旋状可以增大加热带6与试验件7的接触面积，提高加热效果；通过转轴8带动试验件7动，可以使得加热带6与试验件7的接触位置不断变化，从而确保加热带6能够对试验件7进行均匀的加热。通过中央处理器1按照温度变化策略控制电机9转动，进而带动试验件7转动，使得加热带6转速与温度变化策略相关，从而通过加热带6转速实现温度变化策略。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (5)

1.一种泥岩膨胀试验用压力及温度控制系统，其特征在于，包括：中央处理器以及被中央处理器信号控制的温控器和空压机，温控器连接有伸入到试验箱体的加热管和加热带；空压机连接有稳压阀，稳压阀由中央处理器信号控制；加热管设置在试验箱体的底部，加热带围绕设置在试验件的周围，加热带随着试验件运动而运动；中央处理器内预设有温度变化策略和压力变化策略，温度变化策略通过加热管和加热带使试验箱体的不同位置呈现不同温度状态；

转轴连接有电机，电机由中央处理器按照温度变化策略控制转动；温度变化策略包括加热管变化策略和加热带变化策略，加热带变化策略包括多组试验件转速和加热带温度的对应关系。

2.如权利要求1所述的泥岩膨胀试验用压力及温度控制系统，其特征在于，加热带为螺旋状的刚性结构，试验件的顶端连接有转轴，转轴带动试验件转动。

3.如权利要求2所述的泥岩膨胀试验用压力及温度控制系统，其特征在于，加热管变化策略包括多组加热管相对距离和加热管温度的对应关系，加热管相对距离为试验件和加热管竖直方向的相对距离。

4.如权利要求3所述的泥岩膨胀试验用压力及温度控制系统，其特征在于，试验箱体内装有水，水将试验件完全淹没浸没。

5.一种泥岩膨胀试验用压力及温度控制方法，其特征在于，包括步骤：

S1、中央处理器依次启动空压机和稳压阀，空压机向试验箱体内逐渐加压，当试验箱体内的压力达到预设压力时，中央处理器控制空压机停止向试验箱体加压，并通过稳压阀保持空压机和试验箱体之间的压力；

S2、中央处理器启动温控器以及与温控器连接的加热管，当试验箱体内的温度达到预设温度时，中央处理器通过温控器保持试验箱体内的温度；

S3、将试验件放置到已经调节好压力和温度的试验箱体内；

S4、中央处理器按照预设的温度变化策略，启动加热管按照加热管变化策略改变温度，启动加热带按照加热带变化策略改变温度；温度变化策略包括加热管变化策略和加热带变化策略，加热带变化策略包括多组试验件转速和加热带温度的对应关系；

S5、试验件上下运动，加热带随着试验件同步运动。

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