CN113882824B - 一种深部取芯高温高压模拟测试平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种深部取芯高温高压模拟测试平台，包括平台本体、取芯测试装置、控制系统、降温系统、拉力测试装置、升温系统、液压系统，所述取芯测试装置、控制系统、降温系统、拉力测试装置、升温系统、液压系统设置在平台本体上，所述取芯测试装置、降温系统、拉力测试装置、升温系统均与控制系统组配连接，所述取芯测试装置与降温系统、升温系统、液压系统组配连接形成取芯测试系统，所述拉力测试装置与降温系统、升温系统组配连接形成拉力测试系统。本发明可模拟高温高压状态下的取芯过程，可测试取芯装置的保温保压效果，可根据测试数据对取芯装置进行改良调整，完成相关大数据采集。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种深部取芯高温高压模拟测试平台。
背景技术
目前，地球浅部矿产资源已逐渐枯竭，资源开发不断走向地球深部，煤炭开采深度已达1500m，地热开采深度超过3000m，金属矿开采深度超过4350m，油气资源开采深度达7500m，深部资源开采已成为常态。深部岩石总是处在高温环境中，与地表岩石有很大不同。而温度是影响岩石力学等性质的重要因素，其中逐渐向深部发展的煤炭资源开采活动便受到了温度的影响，因此众多学者已针对温度对煤岩力学性质、瓦斯吸附解析及渗流规律等的影响开展了研究。煤体力学性质方面，已有研究均表明煤体随着温度的升高，强度降低；瓦斯吸附/解吸方面的研究，相关学者均认为煤的吸附能力随着温度的升高而降低；而针对瓦斯在煤体内渗流与温度之间的关系比较复杂，学术界尚未形成统一认识。可见随着温度的升高，煤岩力学性质、瓦斯吸附解析、渗流规律等均会发生变化，将常温下岩石的各类性质当作深部岩石的性质将会给工程带来极大的偏差，因此温度作为深部岩石原位赋存环境之一显得尤为重要。科学钻探是人类解决所面临的资源、灾害、环境等重大问题不可或缺的重要手段，而传统大陆深地钻探取芯领域由于不能保温，岩芯温度的失真将导致不能完全科学获取原位岩芯力学行为规律和气相信息等，因此必须研发深部岩石原位保温取芯技术装备实现对深部原位环境条件下岩石温度的保真，为后续的测试分析提供基础。
目前在大陆深地钻探取芯领域，主要关注点仍集中在取芯钻进技术，只有海洋钻探领域已经率先关注海底沉积物保真取样技术，但海洋取芯器主要设计为保压取芯，绝大多数没有采用保温措施，而是当取芯器到达地面时，将岩芯放入特殊设计的装置中，采用快速覆冰或液氮冷冻等措施来实现保温目的，如DAPC和MAC取芯器；仅有少数的海底沉积物取芯器涉及保温技术，且其取芯器保温措施均为被动保温(减少岩芯散热量)，未采取主动保温措施(控制温度恒定)，最终岩芯温度仍会降低。此外，与海底沉积物保温取芯领域截然不同的是，陆地深部岩层往往处于高温状态，其保温取芯技术的目的是防止岩芯温度降低，因此已有的保温技术不能直接适用于深部岩层保温取芯，适用于岩层保温取芯技术仍需要进一步探索。
在以主动保温结合被动保温为研究思路开展的室内试验过程中，需要一款用于仿真模拟原位高温高压的取芯装置的测试平台来对其效果进行模拟测试。
发明内容
本发明旨在提供一种深部取芯高温高压模拟测试平台，可模拟高温高压状态下的取芯过程，可测试取芯装置的保温保压效果，可根据测试数据对取芯装置进行改良调整，完成相关大数据采集。
为达到上述目的，本发明提供的上述一种深部取芯高温高压模拟测试平台，包括平台本体、取芯测试装置、控制系统、降温系统、拉力测试装置、升温系统、液压系统，所述取芯测试装置、控制系统、降温系统、拉力测试装置、升温系统、液压系统设置在平台本体上，所述取芯测试装置、降温系统、拉力测试装置、升温系统均与控制系统组配连接，所述取芯测试装置与降温系统、升温系统、液压系统组配连接形成取芯测试系统，所述拉力测试装置与降温系统、升温系统组配连接形成拉力测试系统；
所述液压系统由液压站与取芯测试装置组配连接形成；
所述控制系统包括控制柜、控制单元，所述控制单元设置在控制柜内，所述控制柜的正面设置有控制舱门，控制舱门与控制柜的一侧铰接，控制舱门上设置有控制面板，控制单元与控制面板电连接，所述取芯测试系统、降温系统、拉力测试系统、升温系统、液压系统与对应的控制单元电连接；
所述取芯测试装置设置在平台本体的取芯测试舱中，取芯测试舱设置在平台本体上；
所述取芯测试舱的两侧分别设置有降温系统室、升温系统室；
所述拉力测试装置设置在平台本体的拉力测试舱中，拉力测试舱设置在平台本体上。
优选的，所述控制面板包括显示屏、控制按钮、数据仪表，所述显示屏、控制按钮、数据仪表均与控制单元电连接。
优选的，所述降温系统包括轴流式风机、冷风机本体、第一降温管、第二降温管，所述轴流式风机、冷风机本体设置在降温系统室内，所述轴流式风机与冷风机本体连通，所述第一降温管的近端与冷风机本体连通，第一降温管的远端有两条支管，第一降温管的两条支管分别与升温系统、拉力测试系统组配连接，所述第二降温管一端与冷风机本体连通，另一端与控制柜组配连接，所述冷风机本体与控制单元电连接。
优选的，所述拉力测试装置包括第一夹紧组件、第二夹紧组件、驱动装置，第一夹紧组件与驱动装置连接，第一夹紧组件与第二夹紧组件之间通过传动杆连接，所述第一夹紧组件与驱动装置的连接处设置有压力传感器所述压力传感器(、驱动装置与控制单元电连接。
优选的，所述升温系统包括风机、热风机主体、升温管，所述风机、热风机主体设置在升温系统室内，所述风机与热风机主体的进风口连通，升温管的近端与热风机主体的出风口连通，升温管的远端有两条支管，升温管的两条支管分别与取芯测试系统、拉力测试系统组配连接。
优选的，所述控制系统与降温系统组配连接的管道出口设置有电控风阀A，降温系统与拉力测试系统组配连接的管道出口设置有电控风阀B，降温系统与升温系统组配连接的管道出口设置有电控风阀C，取芯测试系统与升温系统的组配连接的管道出口设置有电控风阀D，拉力测试系统与升温系统组配连接的管道出口设置有电控风阀E，所述电控风阀A、电控风阀B、电控风阀C、电控风阀D、电控风阀E均与控制单元电连接。
优选的，所述取芯测试装置包括压力组件、限位组件、温度模拟器、保温取芯器、换芯调整器，所述压力组件设置在保温取芯器的尾部，压力组件与液压站连接，限位组件与保温取芯器的尾部可拆卸连接，保温取芯器的头部与换芯调整器活动连接，换芯调整器与取芯测试舱的底部连接，温度模拟器与取芯测试舱的内壁连接，温度模拟器表面设置有温度传感器，温度传感器与控制单元电连接。
进一步地，所述限位组件包括设置在取芯测试舱顶部两侧的液压缸、限位臂，所述限位臂一端与液压缸连接，限位臂另一端与保温取芯器的尾部可拆卸连接，液压缸与液压站连接。
进一步地，所述换芯调整器包括底座、液压连杆机构、支撑板，保温取芯器的头部两侧与支撑板铰接，保温取芯器的头部中间部分与液压连杆机构连接，液压连杆机构与液压站连接。
优选的，所述取芯测试舱的正面开设有取芯测试舱门A，所述降温系统室的侧面开设有降温系统室门，所述拉力测试舱的正面开设有拉力测试舱门，所述升温系统室的侧面开设有升温系统室门，取芯测试舱的背面开设有取芯测试舱门B，取芯测试舱门A的中部设置有透明可视窗口。
相比现有的技术，本发明具有以下技术效果：
1、本发明可模拟高温高压状态下的取芯过程，满足原位取芯测试条件要求，为保温保压原位取芯实验模拟出不同温度、压力的环境条件；
2、本发明可测试取芯装置的保温保压效果，提供检验合格标准，对该领域具有指导作用；
3、本发明可根据测试数据对取芯装置进行改良调整，修正测量参数，对设备改进具有引导作用；
4、本发明可完成各种环境条件下测试的大数据采集，有利于后人对其进行进一步研究。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的外部结构结构示意图；
图2为本发明的升温舱内部结构示意图；
图3为本发明的降温系统内部结构示意图；
图4为本发明的平台本体内部结构示意图；
图标：1-平台本体、2-取芯测试舱、201-取芯测试舱门A、202-透明可视窗口、3-控制柜、301-控制舱门、302-显示屏、303-控制按钮、304-数据仪表、401-降温系统室门、5-拉力测试舱、501-拉力测试舱门、6-压力组件、7-限位组件、8-温度模拟器、9-保温取芯器、10-换芯调整器、11-压力传感器、12-第一夹紧组件、13-第二夹紧组件、14-手动操作杆、15-减速器、16-驱动装置、17-第一降温管、18-液压站、19-风机、20-热风机主体、21-升温管、22-轴流式风机、23-冷风机本体、24-第二降温管、25-电控风阀A、26-电控风阀B、27-电控风阀C、28-电控风阀D、29-电控风阀E、30-万向轮。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例
一种深部取芯高温高压模拟测试平台，包括平台本体1、取芯测试装置、控制系统、降温系统、拉力测试装置、升温系统、液压系统，所述取芯测试装置、控制系统、降温系统、拉力测试装置、升温系统、液压系统设置在平台本体1上，所述取芯测试装置、降温系统、拉力测试装置、升温系统均与控制系统组配连接，所述取芯测试装置与降温系统、升温系统、液压系统组配连接形成取芯测试系统，所述拉力测试装置与降温系统、升温系统组配连接形成拉力测试系统；
液压系统由液压站18与取芯测试装置组配连接形成；
控制系统包括控制柜3、控制单元，所述控制单元设置在控制柜3内，所述控制柜3的正面设置有控制舱门301，控制舱门301与控制柜3的一侧铰接，控制舱门301上设置有控制面板，控制单元与控制面板电连接，所述取芯测试系统、降温系统、拉力测试系统、升温系统、液压系统与对应的控制单元电连接；
取芯测试装置设置在平台本体1的取芯测试舱2中，取芯测试舱2设置在平台本体1上；
取芯测试舱2的两侧分别设置有降温系统室、升温系统室31；
拉力测试装置设置在平台本体1的拉力测试舱5中，拉力测试舱5设置在平台本体1上；
平台本体1内还配置有减速器15，减速器15用于取芯测试装置的转动部分的速度控制；
平台本体1的底部设置有万向轮30，便于移动平台本体1。
控制面板包括显示屏302、控制按钮303、数据仪表304，所述显示屏302、控制按钮303、数据仪表304均与控制单元电连接。
降温系统包括轴流式风机22、冷风机本体23、第一降温管17、第二降温管24，所述轴流式风机22、冷风机本体23设置在降温系统室内，所述轴流式风机22与冷风机本体23连通，所述第一降温管17的近端与冷风机本体23连通，第一降温管17的远端有两条支管，第一降温管17的两条支管分别与升温系统、拉力测试系统组配连接，所述第二降温管24一端与冷风机本体23连通，另一端与控制柜3组配连接，所述冷风机本体23与控制单元电连接。
拉力测试装置包括第一夹紧组件12、第二夹紧组件13、驱动装置16，第一夹紧组件12与驱动装置16连接，第一夹紧组件12与第二夹紧组件13之间通过传动杆连接，所述第一夹紧组件12与驱动装置16的连接处设置有压力传感器11所述压力传感器11、驱动装置16与控制单元电连接，第一夹紧组件12、第二夹紧组件13上均设置有手动操作杆14，通过手动操作杆14可进行预紧处理和紧急情况处理。
升温系统包括风机19、热风机主体20、升温管21，所述风机19、热风机主体20设置在升温系统室31内，所述风机19与热风机主体20的进风口连通，升温管21的近端与热风机主体20的出风口连通，升温管21的远端有两条支管，升温管21的两条支管分别与取芯测试系统、拉力测试系统组配连接。
控制系统与降温系统组配连接的管道出口设置有电控风阀A25，降温系统与拉力测试系统组配连接的管道出口设置有电控风阀B26，降温系统与升温系统组配连接的管道出口设置有电控风阀C27，取芯测试系统与升温系统的组配连接的管道出口设置有电控风阀D28，拉力测试系统与升温系统组配连接的管道出口设置有电控风阀E29，所述电控风阀A25、电控风阀B26、电控风阀C27、电控风阀D28、电控风阀E29均与控制单元电连接。
取芯测试装置包括压力组件6、限位组件7、温度模拟器8、保温取芯器9、换芯调整器10，所述压力组件6设置在保温取芯器9的尾部，压力组件6与液压站18连接，限位组件7与保温取芯器9的尾部可拆卸连接，保温取芯器9的头部与换芯调整器10活动连接，换芯调整器10与取芯测试舱2的底部连接，温度模拟器8与取芯测试舱2的内壁连接，温度模拟器8表面设置有温度传感器，温度传感器与控制单元电连接。
限位组件7包括设置在取芯测试舱2顶部两侧的液压缸、限位臂，所述限位臂一端与液压缸连接，限位臂另一端与保温取芯器9的尾部可拆卸连接，液压缸与液压站18连接。
换芯调整器10包括底座、液压连杆机构、支撑板，保温取芯器9的头部两侧与支撑板铰接，保温取芯器9的头部中间部分与液压连杆机构连接，液压连杆机构与液压站18连接。
取芯测试舱2的正面开设有取芯测试舱门A201，所述降温系统室的侧面开设有降温系统室门401，所述拉力测试舱5的正面开设有拉力测试舱门501，所述升温系统室31的侧面开设有升温系统室门，取芯测试舱2的背面开设有取芯测试舱门B，取芯测试舱门A201的中部设置有透明可视窗口202。
操作方法：
使用时先打开取芯测试舱2背面的取芯测试舱门B，然后通过控制面板上的控制按钮303控制换芯调整器10的液压连杆机构从垂直状态转动至水平状态，然后安装上保温取芯器9并向保温取芯器9内装填岩样，然后再在保温取芯器9的尾部安装上压力组件6，通过控制按钮303控制换芯调整器10转动至初始垂直状态，启动取芯测试舱2顶部的限位组件7，限位组件7两侧的限位臂由液压缸驱动相向运动将保温取芯器9夹紧并对其进行限位，防止保温取芯器9发生摆动，然后关闭取芯测试舱门B，通过降温系统、升温系统对取芯测试舱2的内部温度进行调控，模拟不同温度下的取芯过程，模拟深层取芯时的外部环境温度由高变低的过程，测试保温取芯器9的保温保压效果；拉力测试舱5用于测试高温下用于保温取芯器9的供电的铠甲电缆在高温下的相关数据，将铠甲电缆的两端分别用拉力测试装置的第一夹紧组件12和第二夹紧组件3夹持锁紧，然后通过驱动装置16驱使第一夹紧组件12和第二夹紧组件13反向运动使铠甲电缆拉伸并获得相关测试数据反馈至控制面板。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种深部取芯高温高压模拟测试平台，其特征在于：包括平台本体(1)、取芯测试装置、控制系统、降温系统、拉力测试装置、升温系统、液压系统，所述取芯测试装置、控制系统、降温系统、拉力测试装置、升温系统、液压系统设置在平台本体(1)上，所述取芯测试装置、降温系统、拉力测试装置、升温系统均与控制系统组配连接，所述取芯测试装置与升温系统、液压系统组配连接形成取芯测试系统，所述拉力测试装置与降温系统、升温系统组配连接形成拉力测试系统；
所述液压系统由液压站(18)与取芯测试装置组配连接形成；
所述控制系统包括控制柜(3)、控制单元，所述控制单元设置在控制柜(3)内，所述控制柜(3)的正面设置有控制舱门(301)，控制舱门(301)与控制柜(3)的一侧铰接，控制舱门(301)上设置有控制面板，控制单元与控制面板电连接，所述取芯测试系统、降温系统、拉力测试系统、升温系统、液压系统与对应的控制单元电连接；
所述取芯测试装置设置在平台本体(1)的取芯测试舱(2)中，取芯测试舱(2)设置在平台本体(1)上；
所述取芯测试舱(2)的两侧分别设置有降温系统室、升温系统室(31)；
所述拉力测试装置设置在平台本体(1)的拉力测试舱(5)中，拉力测试舱(5)设置在平台本体(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种深部取芯高温高压模拟测试平台，其特征在于：所述控制面板包括显示屏(302)、控制按钮(303)、数据仪表(304)，所述显示屏(302)、控制按钮(303)、数据仪表(304)均与控制单元电连接。
3.根据权利要求1所述的一种深部取芯高温高压模拟测试平台，其特征在于：所述降温系统包括轴流式风机(22)、冷风机本体(23)、第一降温管(17)、第二降温管(24)，所述轴流式风机(22)、冷风机本体(23)设置在降温系统室内，所述轴流式风机(22)与冷风机本体(23)连通，所述第一降温管(17)的一端与冷风机本体(23)连通，第一降温管(17)的另一端有两条支管，第一降温管(17)的两条支管分别与升温系统、拉力测试系统组配连接，所述第二降温管(24)一端与冷风机本体(23)连通，另一端与控制柜(3)组配连接，所述冷风机本体(23)与控制单元电连接。
4.根据权利要求1所述的一种深部取芯高温高压模拟测试平台，其特征在于：所述拉力测试装置包括第一夹紧组件(12)、第二夹紧组件(13)、驱动装置(16)，第一夹紧组件(12)与驱动装置(16)连接，第一夹紧组件(12)与第二夹紧组件(13)之间通过传动杆连接，所述第一夹紧组件(12)与驱动装置(16)的连接处设置有压力传感器(11)所述压力传感器(11)、驱动装置(16)与控制单元电连接。
5.根据权利要求1所述的一种深部取芯高温高压模拟测试平台，其特征在于：所述升温系统包括风机(19)、热风机主体(20)、升温管(21)，所述风机(19)、热风机主体(20)设置在升温系统室(31)内，所述风机(19)与热风机主体(20)的进风口连通，升温管(21)的一端与热风机主体(20)的出风口连通，升温管(21)的另一端有两条支管，升温管(21)的两条支管分别与取芯测试系统、拉力测试系统组配连接。
6.根据权利要求1所述的一种深部取芯高温高压模拟测试平台，其特征在于：所述控制系统与降温系统组配连接的管道出口设置有电控风阀A(25)，降温系统与拉力测试系统组配连接的管道出口设置有电控风阀B(26)，降温系统与升温系统组配连接的管道出口设置有电控风阀C(27)，取芯测试系统与升温系统的组配连接的管道出口设置有电控风阀D(28)，拉力测试系统与升温系统组配连接的管道出口设置有电控风阀E(29)，所述电控风阀A(25)、电控风阀B(26)、电控风阀C(27)、电控风阀D(28)、电控风阀E(29)均与控制单元电连接。
7.根据权利要求1所述的一种深部取芯高温高压模拟测试平台，其特征在于：所述取芯测试装置包括压力组件(6)、限位组件(7)、温度模拟器(8)、保温取芯器(9)、换芯调整器(10)，所述压力组件(6)设置在保温取芯器(9)的尾部，压力组件(6)与液压站(18)连接，限位组件(7)与保温取芯器(9)的尾部可拆卸连接，保温取芯器(9)的头部与换芯调整器(10)活动连接，换芯调整器(10)与取芯测试舱(2)的底部连接，温度模拟器(8)与取芯测试舱(2)的内壁连接，温度模拟器(8)表面设置有温度传感器，温度传感器与控制单元电连接。
8.根据权利要求7所述的一种深部取芯高温高压模拟测试平台，其特征在于：所述限位组件(7)包括设置在取芯测试舱(2)顶部两侧的液压缸、限位臂，所述限位臂一端与液压缸连接，限位臂另一端与保温取芯器(9)的尾部可拆卸连接，液压缸与液压站(18)连接。
9.根据权利要求7所述的一种深部取芯高温高压模拟测试平台，其特征在于：所述换芯调整器(10)包括底座、液压连杆机构、支撑板，保温取芯器(9)的头部两侧与支撑板铰接，保温取芯器(9)的头部中间部分与液压连杆机构连接，液压连杆机构与液压站(18)连接。
10.根据权利要求1所述的一种深部取芯高温高压模拟测试平台，其特征在于：所述取芯测试舱(2)的正面开设有取芯测试舱门A(201)，所述降温系统室的侧面开设有降温系统室门(401)，所述拉力测试舱(5)的正面开设有拉力测试舱门(501)，所述升温系统室(31)的侧面开设有升温系统室门，取芯测试舱(2)的背面开设有取芯测试舱门B，取芯测试舱门A(201)的中部设置有透明可视窗口(202)。
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