CN113945704B - 炭质泥岩崩解装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了炭质泥岩崩解装置及其试验方法，炭质泥岩崩解装置包括加载系统、水气循环系统、监测系统、控温系统、装料系统、排料系统、筛分系统、运输系统，信息收集控制系统；炭质泥岩采用炭质泥岩崩解装置在湿热力耦合作用下快速崩解或在模拟自然环境下崩解。本发明炭质泥岩崩解装置及其试验方法，可控制加载方式、加载循环和干湿循环次数，提高试验效率；可控制崩解筛分运输过程，解放了人力；可更换筛网，获得试验所需要的不同炭质泥岩粒组；可模拟不同自然环境下软岩的崩解过程，主要用于在竖向循环荷载及干湿循环共同作用下炭质泥岩的快速崩解；同时可用于模拟自然环境下炭质泥岩的崩解过程。

Description

炭质泥岩崩解装置及其试验方法

技术领域

本发明属于试验装置技术领域，涉及炭质泥岩崩解装置及其试验方法。

背景技术

炭质泥岩广泛分布于我国西南地区，而随着该地区铁路网、高速公路网的快速发展，公路建设将不可避免穿越炭质泥岩分布地区，因此，考虑经济和环保两方面需求，利用炭质泥岩作为路堤填料势在必行。炭质泥岩作为一种软岩，处于干燥状态下力学性能优良，而在荷载及干湿循环等复杂环境作用下导致软岩力学性质改变，岩体迅速软化并崩解, 同时软岩填筑的路基稳定性也会降低，甚至出现路面沉降和塌陷。若直接将炭质泥岩应用于公路路堤填筑，在南方地区降雨较多的情况下极易导致路堤的整体失稳及不均匀沉降，故在实际应用与研究中常将大块的炭质泥岩人工砸碎成小块，再利用岩石破碎机将其逐步破碎筛分得到所需要的粒组。现有的对炭质泥岩破碎崩解的方法效率低下、耗费人力，同时破碎时会产生较大的噪音和烟尘，既造成部分原料的浪费也污染环境。

因此，为大幅度提高炭质泥岩破碎崩解效率、保护环境以及研究炭质泥岩的崩解特性，有必要设计一种在多因素（湿-热-力）耦合作用下，模拟自然条件下炭质泥岩快速崩解过程的炭质泥岩快速崩解一体化装置。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供炭质泥岩崩解装置及其试验方法，本发明可控制加载方式、加载循环和干湿循环次数，提高试验效率；可在电脑端控制崩解筛分运输过程，解放了人力；可更换筛网，获得试验所需要的不同炭质泥岩粒组；可模拟不同自然环境下软岩的崩解过程，主要用于在竖向循环荷载及干湿循环共同作用下炭质泥岩的快速崩解; 同时可用于模拟自然环境下炭质泥岩的崩解过程，解决了现有技术中存在的问题。

本发明所采用的技术方案是，炭质泥岩崩解装置，包括加载系统、水气循环系统、监测系统、控温系统、装料系统、排料系统、筛分系统、运输系统，信息收集控制系统；

加载系统，用于对待崩解的炭质泥岩施加循环动荷载或者静荷载；

水气循环系统，用于使炭质泥岩在湿热力耦合作用下快速崩解或模拟炭质泥岩在自然环境下崩解；

监测系统，用于监测水气循环系统的水位、温度和湿度；

控温系统，用于控制水气循环系统的温度；

装料系统，用于传送和装载待崩解的炭质泥岩；

排料系统，用于将湿热力耦合作用下或模拟自然环境条件下崩解后的炭质泥岩从崩解室排出；

筛分系统，用于对崩解后的炭质泥岩颗粒进行筛分；

运输系统，用于运送炭质泥岩进入装料系统；

信息收集控制系统，用于控制炭质泥岩崩解装置的运行过程。

进一步地，加载系统包括底座，底座上固定设置有电动机，电动机的中心位置设有电动转轴，电动转轴转动连接转动杆，电动转轴的轴向方向与转动杆的轴向方向垂直，转动杆远离电动转轴的一端与直杆转动连接，直杆转动连接杠杆，杠杆的中间位置转动连接支架，杠杆远离直杆的一侧前端弧形板上设置有钢丝绳，钢丝绳远离杠杆的一端通过固定环旋拧连接砝码。

进一步地，水气循环系统包括崩解室，崩解室的顶部设置有顶板，顶板为内部空腔板状结构，顶板的底面下端对称设置有两块加载壁，顶板的内部空腔内对称设置有两块活动顶板，每块活动顶板均与顶板铰接；两块活动顶板上分别对称设置有一个降雨喷头和一列补光灯；崩解室的各个侧壁均设置有保温隔热层；崩解室底部由两块可开合的活动底板组成，活动底板的顶面上通过圆形凹槽底座设置有带筛孔的圆筒；崩解室一侧侧壁上设置有进料管道；崩解室的两侧侧壁分别设置有一个风扇；崩解室位于进料管道下部的侧壁内壁分别设置有湿度传感器、温度传感器、制冷器以及电阻加热器；崩解室远离进料管道的一侧侧壁的内壁下部设置有水位传感器，崩解室位于水位传感器的上部侧壁上设置有进水口；右侧的活动底板上设置有过滤网，过滤网的下端设置有排水管，排水管一端连接注水箱，注水箱上部连接抽水机，抽水机分别通过进水管与崩解室侧壁上的进水口以及崩解室顶部设置的降雨喷头连接。

进一步地，排料系统设置在水气循环系统底部，包括两个活动底板，两个活动底板相远离的一端分别设置有自动推拉杆，每个活动底板的底面两侧均分别设置有一列滑轮，每个滑轮的前端分别设置一个清扫板，每列滑轮下方均设置有滑轮轨道。

进一步地，筛分系统设置在排料系统底部，包括多个筛分室，每个筛分室内设置一个筛网，各层筛网的筛孔孔径大小自上到下依次减小，最下层的所述筛分室的底面中部设置有振动电机，振动电机的底面两端各设置有一个弹簧，每一个弹簧的底端均通过一个支杆固定在底板上；最上层的筛分室上部一侧设置有一个第一出料管道，第一出料管道的出料口下端设置有传送带；每个筛分室远离传送带的一端均与一个第二出料管道连接，每一个所述第二出料管道的底端均设置有一个集料箱，每一个所述集料箱的底部均设置有一个称重传感器。

更进一步地，运输系统包括传送带，传送带由水平的传送带与向上倾斜的传送带组成，传送带的底部由三组传送带支撑板固定支撑于地面上，水平的传送带的底面设置有传送带电机，水平的传送带的顶面设置有若干防护板，向上倾斜的传送带顶端下方的传送带支撑板上端固定设置有支撑钢管，支撑钢管固定连接盛料箱，盛料箱的底部与进料管道的顶端相接搭。

进一步地，信息收集控制系统由信息收集中心和计算机构成，信息收集中心与水位传感器、温度传感器和湿度传感器信号连接，信息收集中心与计算机信号连接，计算机与电动机、振动电机、自动进水阀门、自动出水阀门、自动推拉杆、风扇和传送带信号连接。

本发明的另一发明目的，在于提供一种上述炭质泥岩崩解装置的试验方法，炭质泥岩采用炭质泥岩崩解装置在湿热力耦合作用下快速崩解或在模拟自然环境下崩解，其中炭质泥岩采用炭质泥岩崩解装置在湿热力耦合作用下快速崩解的试验方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据炭质泥岩破碎岩体在自然状态下的堆积密度ρ与带筛孔的圆筒的体积v，根据公式M=ρv得到每次崩解所需的炭质泥岩质量M，而后将质量为M的炭质泥岩放入到传送带上，传送至带筛孔的圆筒中；

步骤S2：开启自动进水阀门，向崩解室内放水，放水结束后开启电动机，带动砝码对带筛孔的圆筒中的炭质泥岩施加循环动荷载或静载荷；

步骤S3：施加荷载后，开启自动出水阀门和抽水机，将水经过滤排出崩解室；

步骤S4：排水结束后，开启电阻加热器和风扇，电阻加热器加热至0~100℃，风扇的风速控制在4m/s~20m/s；

步骤S5：重复步骤S2~S4，进行N次干湿循环，完成干湿循环过程；

步骤S6：干湿循环过程结束后，开启自动推拉杆，拉开崩解室底部设置的两块活动底板，崩解后的炭质泥岩颗粒落入到筛分系统中；

步骤S7：开启筛分系统的振动，对崩解后的炭质泥岩颗粒进行筛分，经筛分后的炭质泥岩颗粒进入集料箱，通过称重传感器得到筛分后不同粒径的炭质泥岩颗粒的质量，未通过筛分系统的炭质泥岩颗粒进入传送带中，再传送回带筛孔的圆筒中继续崩解。

进一步地，炭质泥岩采用炭质泥岩崩解装置在模拟自然环境下崩解的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：打开崩解室顶部的活动顶板，将砝码升起，然后合上崩解室顶部的活动顶板；

步骤2：称取适当质量的炭质泥岩放入到传送带上，而后启动传送带将炭质泥岩运输到带筛孔的圆筒中；

步骤3：根据试验所需要模拟的自然环境，调节白炽灯和冷光灯的强度和个数，调节降雨喷头水量的大小，调节风扇风速，调节电阻加热器、制冷器的温度；

步骤4：控制自动推拉杆拉开崩解室底部设置的两块活动底板，崩解后的炭质泥岩颗粒落入到筛分系统中；

步骤5：开启筛分系统的振动，对崩解后的炭质泥岩颗粒进行筛分，经筛分后的炭质泥岩颗粒进入集料箱，通过称重传感器得到在不同自然环境下炭质泥岩崩解后不同粒径的炭质泥岩颗粒的质量。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的试验装置通过加载系统来施加竖向循环的动荷载，模拟多种自然气候条件下（光照、降雨、温度、湿度、风力）炭质泥岩的崩解过程，采用多层筛网和称重传感器实现了多级筛分和筛分颗粒的动态计量，实现炭质泥岩在湿-热-力耦合作用下的快速崩解。

（2）本发明的试验装置可以控制装置的加载频率和干湿循环次数，使炭质泥岩达到不同的崩解程度，同时可以更换带筛孔的试验筒和筛网，尽可能的获得试验所需的炭质泥岩粒组，本实验装置集动荷载加载、干湿循环、筛分、运输全自动一体化，通过计算机可以控制试验装置的崩解全过程，极大的解放了人力，提高试验效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是本发明实施例炭质泥岩崩解装置的结构示意图。

图2是本发明实施例中水气循环、装料和控温系统结构示意图。

图3a是本发明实施例中崩解室顶部的正视图。

图3b是本发明实施例中崩解室顶部的俯视图。

图3c是本发明实施例中崩解室顶部活动顶板的结构示意图。

图4是本发明实施例中加载系统结构示意图。

图5是本发明实施例中装料系统结构示意图。

图6是本发明实施例中排料系统结构示意图。

图7是本发明实施例中运输系统结构示意图。

图中，1-电动机、2-底座、3-电动转轴、4-转动杆、5-直杆、6-杠杆、7-1第一固定螺栓、7-2第二固定螺栓、7-3第三固定螺栓、7-4第四固定螺栓、8-支架、9-钢丝绳、10-固定环、11-砝码、12-风扇、13-温度传感器、14-活动挡板、15-进料管道、16-湿度传感器、17-电阻加热器、18-圆形凹槽底座、18-1支杆结构、19-自动推拉杆、20-活动底板、21-滑轮、22-滑轮轨道、23-注水箱、24-加载壁、25-进水管、26-自动进水阀门、27-水位传感器、28-带筛孔的圆筒、29-过滤网、30-自动出水阀门、31-抽水机、32-排水管、33-筛网、34-1第一出料管道、34-2第二出料管道、35-振动电机、36-弹簧、37-称重传感器、38-清扫板、39-筛分室、40-制冷器、41-支杆、42-集料箱、43-传送带、43-1传送带支撑板、43-2传送带电机、43-3防护板、43-4盛料箱、43-5支撑钢管、44-降雨喷头、45-保温隔热层、46-崩解室、47-白炽灯、48-冷光灯、49-信息收集中心、50-计算机、51-降雨控制阀门、52-水龙头、53-1-顶板、53-2-活动顶板、53-3-旋转拉手。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例炭质泥岩崩解装置，如图1~图7所示，包括加载系统、水气循环系统、监测系统、控温系统、装料系统、排料系统、筛分系统、运输系统，信息收集控制系统。

加载系统，用于对待崩解的炭质泥岩施加循环动荷载或者静荷载，加载系统包括底座2，底座2固定设置在底板上，底座2距离底板的高度优选为50cm；底座2上固定设置有电动机1，电动机1的旋转频率优选为0r/min~60r/min，电动机1的中心位置设有电动转轴3，电动转轴3转动连接转动杆4，电动转轴3的轴向方向与转动杆4的轴向方向垂直，带动转动杆4在垂直于电动转轴3的平面内以电动转轴3为圆心做圆弧运动；转动杆4远离电动转轴3的一端通过第一固定螺栓7-1与直杆5转动连接，用于带动直杆5的底端一起做圆周运动，转动杆4的长度优选为70cm，直杆5的长度优选为80cm，直杆5通过第二固定螺栓7-2转动连接杠杆6，杠杆6的中间位置下部通过第三固定螺栓7-3转动连接支架8，支架8固定在底板上，杠杆6的左右两端以第三固定螺栓7-3为中心点分别上下反方向转动；杠杆6远离直杆5的一侧前端弧形板上设置第四固定螺栓7-4，第四固定螺栓7-4上系有钢丝绳9，钢丝绳9贴合杠杆6前端弧形板的凹槽下垂，钢丝绳9远离杠杆6的一端固定设置有固定环10，固定环10下端旋拧连接砝码11，固定环10上端为圆环，用于连接钢丝绳9，下端为螺丝，用于旋拧连接砝码11，通过连接在杠杆6上的钢丝绳9拉动砝码11上下移动对设置在崩解室46内的炭质泥岩施加荷载，砝码11可更换为不同的重量。

加载系统的运行原理是：设置电动机1的转动时间t和转动速率r，启动电动机1，电动机1带动电动转轴3转动，从而带动转动杆4在垂直于电动转轴3的平面内，以电动转轴3为圆心、转动杆4长度为半径做圆弧运动，转动杆4的转动带动直杆5的转动，整个直杆5在垂直于电动转轴3的平面内上下左右来回摆动，直杆5的摆动带动杠杆6以支架8的顶端为支点，在垂直于电动转轴3的平面内顺时针和逆时针来回转动，转动角度范围为0~60°，杠杆6的来回转动带动钢丝绳9上的砝码11上下运动，砝码11对炭质泥岩施加竖向循环荷载或静荷载，电动机1转动一圈即为砝码11上下运动一次，砝码11施加竖向动荷载循环次数n=转动时间t×转动速率r。施加静荷载时只需控制电动机1转动将砝码11竖直降落到最低处即可。对炭质泥岩加载处理后，炭质泥岩表面会出现裂纹，裂纹会逐渐粗化、贯通，导致岩体内部结构的破坏，水分易从表面逐渐浸入到岩体内部，加速炭质泥岩的崩解。该加载系统可施加动荷载，也可施加静荷载。

加载系统的加载对象即炭质泥岩，设置在水气循环系统中，水气循环系统用于使炭质泥岩在湿热力耦合作用下快速崩解或模拟炭质泥岩在自然环境下崩解。

水气循环系统包括崩解室46，崩解室46为长方形腔体结构；崩解室46的顶部设置有顶板53-1，顶板53-1为内部空腔板状结构，顶板53-1的底面下端对称设置有两块加载壁24，两块加载壁24设置于带筛孔的圆筒28的上方；每块加载壁24与顶板53-1均通过L形钢片和铆钉固定连接，加载壁24为内部较为光滑的薄壁结构，用于限制砝码11的移动方向，使砝码11沿着加载壁24上下移动，在加载过程中不会出现明显的晃动；每块加载壁24的高度优选为45cm，砝码11沿着加载壁24上下最大移动量程优选为50cm；通过更换不同重量的砝码11施加不同级别的竖向应力，施加的竖向应力大小范围是200kPa到800kPa；顶板53-1的内部空腔内对称设置有两块活动顶板53-2，每块活动顶板53-2均与顶板53-1铰接，每块活动顶板53-2的顶面上均设置有旋转把手53-3，用于拉起或落下活动顶板53-2，两块活动顶板53-2可转动开合；两块活动顶板53-2上分别对称设置有一个降雨喷头44和一列补光灯，每列补光灯由一个白炽灯47和一个冷光灯48组成，两块活动顶板53-2上的补光灯按对角线放置相同类型的灯；降雨喷头44用于在模拟炭质软岩在自然降雨环境中的崩解；白炽灯47用于模拟天气晴朗时太阳的光照；冷光灯用于模拟天气阴天时太阳的光照情况；白炽灯47和冷光灯48在各个灯泡旋紧后，在灯座与灯泡的缝隙面上用耐温胶带或压敏胶带裹实，达到防潮的要求；通过调节两种类型灯亮的个数和强度来模拟晴天和阴天，晴天时，对角线上的两个白炽灯47打开，另一对角线上的两个冷光灯48关闭；阴天时，对角线上的两个冷光灯48打开，另外对角线上的两个白炽灯47关闭；晴天和阴天的夜晚则所有灯均关闭；同时通过光照和温度的合理调节可以实现模拟各个季节的气候。

崩解室46的各个侧壁均设置有保温隔热层45，用于防止热量的散失；崩解室46底部由两块可开合的活动底板20组成，活动底板20优选为长40×宽40×厚3cm的实心钢板。活动底板20的顶面上设置有圆形凹槽底座18，圆形凹槽底座18为中空结构，圆形凹槽底座18的两端分别固定设置一个弧形的支杆结构18-1，两个弧形的支杆结构18-1与崩解室46的两侧侧壁的内壁固定连接，用于支撑带筛孔的圆筒28，带筛孔的圆筒28的底部开口，坐落于圆形凹槽底座18上，用于崩解后的炭质泥岩颗粒落入筛分系统中。带筛孔的圆筒28的内部用于设置炭质泥岩，带筛孔的圆筒28优选为直径50cm、高度50cm的圆柱形薄筒，崩解室46内注水时水可从各个方向通过带筛孔的圆筒28上的筛孔渗入炭质泥岩的颗粒间，使得炭质泥岩颗粒快速与水接触，加速炭质泥岩的崩解。

崩解室46一侧侧壁上设置有进料口，进料口的位置高于带筛孔的圆筒28顶面的位置，进料口处接搭设置有进料管道15，进料管道15向下倾斜，倾斜角度优选为45°，进料管道15倾斜向下的一端接搭在带筛孔的圆筒28的顶端边沿上，用于使炭质泥岩沿着进料管道15落入到带筛孔的圆筒28中，进料口上端设置有活动挡板14，用于防止灰尘的进入。

崩解室46的两侧侧壁分别设置有一个风扇12，风扇12的位置位于进料口位置的上端，风扇12用于将崩解室46内的热气排出，并用于调节风速大小来模拟自然环境中风力的大小，风力分别是微风（4m/s）、强风（12m/s）、大风（20m/s）。

崩解室46位于进料管道15下部的侧壁内壁分别设置有湿度传感器16、温度传感器13、制冷器40以及电阻加热器17；其中湿度传感器16用于监测崩解室46内湿度的变化情况；温度传感器13用于监测崩解室46内温度的变化情况；制冷器40用来降低崩解室46内的温度，制冷器40优选采用半导体制冷器，制冷温度范围为0~-20℃；电阻加热器17用于加热烘干带筛孔的圆筒28内的炭质泥岩；电阻加热器17加热烘干岩体时，通过崩解室46侧壁上设置的风扇12使崩解室46内的水蒸气向外排出，电阻加热器17的加热温度范围是0~100℃。

崩解室46远离进料管道15的一侧侧壁的内壁下部设置有水位传感器27，用于监测崩解室46的水位变化情况，水位传感器27优选采用科瑞GD-2电极式水位传感器，水从各个方向进入到带筛孔的圆筒28中，最终带筛孔的圆筒28内的水位和崩解室46的水位相一致；崩解室46位于水位传感器27的上部侧壁上设置有进水口。

右侧的活动底板20上设置有过滤网29，用于排出崩解室46内的水并防止炭质泥岩颗粒的流出；过滤网29的下端设置有排水管32，随活动底板20的移动来回移动；排水管32远离过滤网29的一端连接注水箱23，注水箱23尺寸优选为80cm×80cm×50cm，排水管32上设置有自动出水阀门30，用于控制崩解室46的水排入到注水箱23中；注水箱23上部连接抽水机31，抽水机31分别通过进水管25与崩解室46侧壁上的进水口以及崩解室46顶部设置的降雨喷头44连接，用于将经过滤的水输送回崩解室46内；在抽水机31与降雨喷头44之间的进水管25上设置有降雨控制阀门51，用于控制模拟降雨量的大小；在抽水机31与崩解室46的进水口之间的进水管25上设置自动进水阀门26，用于控制抽水机31将水输送到崩解室46内浸湿炭质泥岩；降雨喷头44的喷洒动力来自于抽水机31，当需要模拟自然降雨环境时，关闭自动出水阀门30和自动进水阀门26，打开降雨控制阀门51，启动抽水机31，水从注水箱23沿着进水管25向上运送到降雨喷头44，降雨控制阀门51控制降雨喷头44的水量大小模拟小雨、中雨、大雨的自然降雨环境，小雨、中雨、大雨的降雨量分别为3mm·h^-1、15mm·h^-1、30mm·h^-1，实现炭质泥岩崩解所用水的循环利用。

注水箱23的一侧上端设置有进水管道，进水管道上端设置有水龙头52，用于对注水箱23进行补水。

水气循环系统在湿热力耦合作用下崩解炭质泥岩时，通过旋转把手53-3将崩解室46顶部设置的两块活动顶板53-2转动180°打开，每块活动顶板53-2上的降雨喷头44、白炽灯47和冷光灯48随活动顶板53-2的转动转移至崩解室46的顶面外侧，打开自动进水阀门26，向崩解室46内放水，然后启动电动机1，带动砝码11对设置在带筛孔的圆筒28内的炭质泥岩施加竖向循环荷载或静荷载，然后通过开启自动出水阀门30和抽水机31，将水经过滤排出崩解室46；开启电阻加热器17和风扇12，控制崩解室46内的温度和风速，完成一次干湿循环，经多次干湿循环，打开排料系统，使得崩解后的炭质泥岩进入筛分系统。

水气循环系统模拟炭质泥岩在自然环境下崩解的场所时，通过启动电动机1，带动砝码11从崩解室46升起，人工旋转崩解室46顶部的活动顶板53-2关闭，根据试验所需要模拟的自然环境，调节白炽灯47和冷光灯48的强度和个数来模拟光照，调节降雨喷头44水量的大小来模拟小雨、大雨和暴雨的降雨天气，调节风扇12风速来模拟风力大小、调节电阻加热器17、制冷器40来模拟自然环境四种季节下的各种气候条件，设置在带筛孔的圆筒28内的炭质泥岩模拟自然环境下的崩解，崩解完成后打开排料系统，使得崩解后的炭质泥岩进入筛分系统。

自动进水阀门26、自动出水阀门30、降雨控制阀门51与计算机50信号连接，计算机50控制自动进水阀门26、自动出水阀门30、降雨控制阀门51的开关。

监测系统由水位传感器27、温度传感器13、湿度传感器16组成，用于监测水气循环系统的水位、温度和湿度。

装料系统包括带筛孔的圆筒28、圆形凹槽底座18、进料管道15、活动挡板14，用于传送和装载待崩解的炭质泥岩。

控温系统由电阻加热器17、制冷器40、白炽灯47和冷光灯48组成，用于控制水气循环系统的温度。

崩解室46底部设置排料系统，用于将湿热力耦合作用下或模拟自然环境条件下崩解后的炭质泥岩从崩解室46排出，进入到筛分室39中进行筛分，得到试验所需要的炭质泥岩颗粒粒组，并分析其不同粒径的炭质泥岩颗粒质量来研究炭质泥岩的崩解情况。

排料系统包括自动推拉杆19、活动底板20、滑轮21、滑轮轨道22、过滤网29、清扫板38；两个活动底板20相远离的一端分别设置有自动推拉杆19，自动推拉杆19与计算机50信号连接，用于自动推拉所连接的活动底板20， 每个活动底板20的底面两侧均分别设置有一列滑轮21，每个滑轮21的前端分别设置一个清扫板38，用于清扫落在滑轮轨道22上的炭质泥岩颗粒；每列滑轮21下方均设置有滑轮轨道22，用于使活动底板20向两侧移动。

当炭质泥岩在崩解室46内崩解完成后，在计算机50下达信号启动两侧的自动推拉杆19拉动活动底板20，活动底板20通过底部的滑轮21沿着滑轮轨道22分别向两侧移动，由于崩解后的炭质泥岩颗粒依靠带筛孔的圆筒28的承载，带筛孔的圆筒28底部的活动底板20打开后，崩解后的炭质泥岩颗粒失去了支撑力，在自重作用下会快速落入筛分系统中，而后自动推拉杆19再推动两个活动底板20闭合。

排料系统底部设置筛分系统，用于对崩解后的炭质泥岩颗粒进行筛分；筛分系统包括多个筛分室39，每个筛分室39两端都设置有凹形槽，凹型槽内设置有筛网33，每个筛网33均作为所在筛分室39内的顶部结构；本申请优选四层筛网33，各层筛网33的筛孔孔径大小自上到下依次为5mm、2mm、1mm、0.75mm，也可以根据实际需求更换其它筛孔孔径的筛网33。

最下层的筛分室39的底面中部设置有振动电机35，作为筛分系统的动力源，振动电机35的振动频率优选为0~50Hz，振幅优选为0~5mm，振动电机35的底面两端各设置有一个弹簧36，在载荷作用下可以产生较大的弹性变形，可以起到控制机构的运动、减震和缓冲、储存及输出能量的作用，每一个弹簧36的底端均设置一个支杆41，用于支撑整个炭质泥岩崩解装置，每个支杆41均通过六角螺丝固定在底板上。

最上层的筛分室39上部一侧设置有一个第一出料管道34-1，第一出料管道34-1的出料口下端设置有传送带43，传送带43用于将未崩解的炭质泥岩或者未崩解完全的炭质泥岩颗粒传送到带筛孔的圆筒28中进行崩解。

每个筛分室39远离传送带43的一端均与一个第二出料管道34-2连接，每一个第二出料管道34-2的底端均设置有一个集料箱42，每一个集料箱42的底部均设置有一个称重传感器37，用于炭质泥岩崩解筛分后不同粒径炭质泥岩颗粒质量的计量。

传送带43为上升式，由水平的传送带与向上倾斜的传送带组成，传送带43的底部由三组传送带支撑板43-1固定支撑于地面上，水平的传送带的底面设置有传送带电机43-2，水平的传送带的顶面设置有若干防护板43-3，防护板43-3的高度优选为15cm，用于防止在运输过程中炭质泥岩颗粒的滑落，向上倾斜的传送带顶端下方的传送带支撑板43-1上端固定设置有支撑钢管43-5，支撑钢管43-5固定连接盛料箱43-4，盛料箱43-4的底部与进料管道15的顶端相接搭。

炭质泥岩被传送到盛料箱43-4，由于其底部与进料管道15的顶部相搭接，从而炭质泥岩能够滑落到进料管道15中。从进料管道15进入的炭质泥岩全部来自传送带43，试验开始前将所需要的炭质泥岩放到传动带43上，然后启动传送带43将炭质泥岩运到带筛孔的圆筒28中开始崩解。

运输系统，用于运送炭质泥岩进入装料系统，包括传送带43，传送带43包括传送带支撑板43-1、传送带电机43-2、防护板43-3、盛料箱43-4、支撑钢管43-5。

信息收集控制系统，用于控制炭质泥岩崩解装置的运行过程，由信息收集中心49和计算机50构成，信息收集中心49与水位传感器27、温度传感器13和湿度传感器16信号连接，信息收集中心49与计算机50信号连接，计算机50与电动机1、振动电机35、自动进水阀门26、自动出水阀门30、自动推拉杆19、风扇12和传送带43的控制器信号连接。

筛分系统的工作过程是：当炭质泥岩在崩解室46内崩解后，崩解的炭质泥岩颗粒通过排料系统落入到最上层的筛分室39中，计算机50启动振动电机35，振动电机35的高速振动带动支杆41上的弹簧36振动，从而通过弹簧36均匀带动筛网33振动筛分，炭质泥岩颗粒在振动的作用下从最上层的筛网33一层层落入到最下层，待每层的炭质泥岩颗粒粒径基本稳定后从每侧的第二出料管道34-2筛分出到集料箱42中，得到试验所需要粒径大小的炭质泥岩颗粒；此时未通过最上层的筛分室39的炭质泥岩颗粒通过第一出料管道34-1进入到传送带43上，由传送带43传送至带筛孔的圆筒28内，重新进行炭质泥岩的崩解过程。

本申请炭质泥岩崩解装置实现了炭质泥岩的快速崩解和模拟炭质泥岩在自然环境下的崩解全过程两个功能，并且筛分室39之间的筛网33是可以根据试验需求设定的，需要几种粒径范围的炭质泥岩颗粒，就设置几种筛网33，例如当只需要一种粒径范围的炭质泥岩颗粒时就将多余的筛网33抽出，依次类推。当炭质泥岩崩解装置用来实现炭质泥岩的快速崩解这个功能时，实际试验所需要的炭质泥岩颗粒往往是2mm以下，故将最上层的筛网33更换为2mm筛孔的筛网，其余筛网33不放，虽然炭质泥岩是一种软岩，强度较低，但是在经过湿热力条件下快速崩解时，仍会有大于2mm粒径的颗粒，故在筛分后大于2mm炭质泥岩颗粒从最上层的筛分室39通过第一出料管道34-1落入到传动带43上，重新运回至崩解室46内进行再次崩解，而小于2mm的颗粒则通过筛分室39侧面的第二出料管道34-2落入到集料箱42中收集起来直接供试验所用。

当本申请炭质泥岩崩解装置用来实现模拟不同自然环境下炭质泥岩的崩解过程时，最上层的筛分室39一侧设置的第一出料管道34-1不会产生物料；各个筛分室39每侧的第二出料管道34-2筛分出崩解后不同粒径的炭质泥岩颗粒。

炭质泥岩崩解装置的试验方法，采用上述炭质泥岩崩解装置，进行炭质泥岩的快速崩解和在自然环境下的崩解。

其中，采用上述炭质泥岩崩解装置，进行炭质泥岩的快速崩解的试验方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据炭质泥岩破碎岩体在自然状态下的堆积密度ρ与带筛孔的圆筒28的体积v，根据公式M=ρv得到每次崩解所需的炭质泥岩质量M，而后将质量为M的炭质泥岩放入到传送带43上，传送至带筛孔的圆筒28中；

步骤S2：开启自动进水阀门26，向崩解室46内放水，放水结束后开启电动机1，带动砝码11对带筛孔的圆筒28中的炭质泥岩施加循环动荷载或静载荷；

对炭质泥岩施加循环动荷载时，电动机1的转动频率范围是0r/min~60r/min；电动机1转一圈即施加一次循环荷载，可在电脑端设定相应的转动频率对待崩解的炭质泥岩施加不同次数的循环加载；

对炭质泥岩施加静载荷时，控制电动机1转动将砝码11竖直降落到最低处即可；

本步骤一个优选的实施例中具体的控制程序是：在计算机50加载及干湿循环程序第一阶段中设定自动进水阀门26在t₁=0min时开启，向崩解室46内放水，设定∆t₁=5min后关闭，在t₂=5min时开启电动机1，带动加载系统中的砝码11对带筛孔的圆筒28中的炭质泥岩施加循环动荷载或静载荷，设定载荷时间为∆t₂=60min；

步骤S3：施加荷载后，开启自动出水阀门30和抽水机31，将水经过滤排出崩解室46，然后关闭自动出水阀门30和抽水机31；

本步骤一个优选的实施例中具体的控制程序是：在计算机50加载及干湿循环程序第二阶段中设定自动出水阀门30和抽水机31在t₃=65min时开启，将水经过滤排出崩解室46，设定开启时间为∆t₃=10min，之后关闭自动出水阀门30和抽水机31；

步骤S4：排水结束后，开启电阻加热器17和风扇12，电阻加热器17加热至0~100℃，风扇12的风速控制在4m/s~20m/s；

本步骤一个优选的实施例中具体的控制程序是：在计算机50加载及干湿循环程序第三阶段中设定电阻加热器17和风扇12在t₄=75min时开启，电阻加热器17加热至0~100℃，风扇12的风速控制在4m/s~20m/s，设定开启时间为∆t₄=60min；

步骤S5：重复步骤S2~S4，进行N次干湿循环，完成干湿循环过程；

本步骤一个优选的实施例中具体的控制程序是：在计算机50加载及干湿循环程序第四阶段中设定干湿循环次数N，重复步骤S2~S4进行N次干湿循环，完成干湿循环过程；

步骤S6：干湿循环过程结束后，开启自动推拉杆19，拉开崩解室46底部设置的两块活动底板20，崩解后的炭质泥岩颗粒落入到筛分系统中；

本步骤一个优选的实施例中具体的控制程序是：在计算机50排料程序中设定自动推拉杆19在t₅=N×(t₄+∆t₄)后开启，拉开崩解室46底部设置的两块活动底板20，崩解后的炭质泥岩颗粒落入到最上层的筛分室39中，之后计算机50控制自动推拉杆19回到初始状态；

步骤S7： 开启筛分系统的振动，对崩解后的炭质泥岩颗粒进行筛分，经筛分后的炭质泥岩颗粒进入集料箱42，通过称重传感器37得到筛分后不同粒径的炭质泥岩颗粒的质量，未通过筛分系统的炭质泥岩颗粒进入传送带43中，再传送回带筛孔的圆筒28中继续崩解；

本步骤一个优选的实施例中具体的控制程序是：在计算机50筛分程序中设定振动电机35在t₆=N×(t₄+∆t₄)后开启，设定开启时间∆t₆=10min，经筛分后的炭质泥岩颗粒进入集料箱42，通过称重传感器37得到筛分后不同粒径的炭质泥岩颗粒的质量；在计算机50运输程序中设定传送带43在t₇=N×(t₄+∆t₄+∆t₆)后开启，将从最上层的筛分室39一侧设置的第一出料管道34-1中筛分出来的未崩解完全的炭质泥岩颗粒传动回带筛孔的圆筒28中继续崩解。

采用上述炭质泥岩崩解装置，进行自然环境下的崩解的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：打开崩解室46顶部的活动顶板53-2，通过计算机50控制将砝码11升起，然后合上崩解室46顶部的活动顶板53-2；

步骤2：称取适当质量的炭质泥岩放入到传送带43上，而后启动传送带43将炭质泥岩运输到带筛孔的圆筒28中；

步骤3：根据试验所需要模拟的自然环境，调节白炽灯47和冷光灯48的强度和个数来模拟光照，调节降雨喷头44水量的大小来模拟小雨、大雨和暴雨的降雨天气，调节风扇12风速来模拟风力大小，调节电阻加热器17、制冷器40来模拟自然环境四种季节下的各种气候条件；

步骤4：计算机50 控制自动推拉杆19拉开崩解室46底部设置的两块活动底板20，崩解后的炭质泥岩颗粒落入到筛分系统中；

步骤5：开启筛分系统的振动，对崩解后的炭质泥岩颗粒进行筛分，经筛分后的炭质泥岩颗粒进入集料箱42， 通过称重传感器37得到在不同自然环境下炭质泥岩崩解后不同粒径的炭质泥岩颗粒的质量。

需要说明的是，在本申请中，诸如第一、第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.炭质泥岩崩解装置，其特征在于，包括加载系统、水气循环系统、监测系统、控温系统、装料系统、排料系统、筛分系统、运输系统，信息收集控制系统；

所述加载系统，用于对待崩解的炭质泥岩施加循环动荷载或者静荷载；

所述水气循环系统，用于使炭质泥岩在湿热力耦合作用下快速崩解或模拟炭质泥岩在自然环境下崩解，其包括崩解室（46），崩解室（46）的顶部设置有顶板（53-1），所述顶板（53-1）为内部空腔板状结构，所述顶板（53-1）的底面下端对称设置有两块加载壁（24），所述顶板（53-1）的内部空腔内对称设置有两块活动顶板（53-2），每块所述活动顶板（53-2）均与顶板（53-1）铰接；两块所述活动顶板（53-2）上分别对称设置有一个降雨喷头（44）和一列补光灯；所述崩解室（46）的各个侧壁均设置有保温隔热层（45）；所述崩解室（46）底部由两块可开合的活动底板（20）组成，所述活动底板（20）的顶面上通过圆形凹槽底座（18）设置有带筛孔的圆筒（28）；所述崩解室（46）一侧侧壁上设置有进料管道（15）；所述崩解室（46）的两侧侧壁分别设置有一个风扇（12）；所述崩解室（46）位于进料管道（15）下部的侧壁内壁分别设置有湿度传感器（16）、温度传感器（13）、制冷器（40）以及电阻加热器（17）；所述崩解室（46）远离进料管道（15）的一侧侧壁的内壁下部设置有水位传感器（27），所述崩解室（46）位于水位传感器（27）的上部侧壁上设置有进水口；右侧的所述活动底板（20）上设置有过滤网（29），所述过滤网（29）的下端设置有排水管（32），所述排水管（32）一端连接注水箱（23），所述注水箱（23）上部连接抽水机（31），所述抽水机（31）分别通过进水管（25）与崩解室（46）侧壁上的进水口以及崩解室（46）顶部设置的降雨喷头（44）连接；

所述监测系统，用于监测水气循环系统的水位、温度和湿度；

所述控温系统，用于控制水气循环系统的温度；

所述装料系统，用于传送和装载待崩解的炭质泥岩；

所述排料系统，用于将湿热力耦合作用下或模拟自然环境条件下崩解后的炭质泥岩从崩解室（46）排出；

所述筛分系统，用于对崩解后的炭质泥岩颗粒进行筛分，其设置在排料系统底部，包括多个筛分室（39），每个所述筛分室（39）内设置一个筛网（33），各层所述筛网（33）的筛孔孔径大小自上到下依次减小，最下层的所述筛分室（39）的底面中部设置有振动电机（35），所述振动电机（35）的底面两端各设置有一个弹簧（36），每一个所述弹簧（36）的底端均通过一个支杆（41）固定在底板上；最上层的所述筛分室（39）上部一侧设置有一个第一出料管道（34-1），所述第一出料管道（34-1）的出料口下端设置有传送带（43）；所述每个筛分室（39）远离传送带（43）的一端均与一个第二出料管道（34-2）连接，每一个所述第二出料管道（34-2）的底端均设置有一个集料箱（42），每一个所述集料箱（42）的底部均设置有一个称重传感器（37）；

所述运输系统，用于运送炭质泥岩进入装料系统；

所述信息收集控制系统，用于控制炭质泥岩崩解装置的运行过程。

2.根据权利要求1所述的炭质泥岩崩解装置，其特征在于，所述加载系统包括底座（2），所述底座（2）上固定设置有电动机（1），所述电动机（1）的中心位置设有电动转轴（3），所述电动转轴（3）转动连接转动杆（4），所述电动转轴（3）的轴向方向与转动杆（4）的轴向方向垂直，所述转动杆（4）远离电动转轴（3）的一端与直杆（5）转动连接，所述直杆（5）转动连接杠杆（6），所述杠杆（6）的中间位置转动连接支架（8），所述杠杆（6）远离直杆（5）的一侧前端弧形板上设置有钢丝绳（9），所述钢丝绳（9）远离杠杆（6）的一端通过固定环（10）旋拧连接砝码（11）。

3.根据权利要求1所述的炭质泥岩崩解装置，其特征在于，所述排料系统设置在水气循环系统底部，包括两个活动底板（20），两个活动底板（20）相远离的一端分别设置有自动推拉杆（19），每个活动底板（20）的底面两侧均分别设置有一列滑轮（21），每个滑轮（21）的前端分别设置一个清扫板（38），每列滑轮（21）下方均设置有滑轮轨道（22）。

4.根据权利要求1所述的炭质泥岩崩解装置，其特征在于，所述运输系统包括传送带（43），所述传送带（43）由水平的传送带与向上倾斜的传送带组成，所述传送带（43）的底部由三组传送带支撑板（43-1）固定支撑于地面上，水平的传送带的底面设置有传送带电机（43-2），水平的传送带的顶面设置有若干防护板（43-3），向上倾斜的传送带顶端下方的传送带支撑板（43-1）上端固定设置有支撑钢管（43-5），所述支撑钢管（43-5）固定连接盛料箱（43-4），所述盛料箱（43-4）的底部与进料管道（15）的顶端相接搭。

5.根据权利要求1所述的炭质泥岩崩解装置，其特征在于，所述信息收集控制系统由信息收集中心（49）和计算机（50）构成，信息收集中心（49）与水位传感器（27）、温度传感器（13）和湿度传感器（16）信号连接，信息收集中心（49）与计算机（50）信号连接，计算机（50）与电动机（1）、振动电机（35）、自动进水阀门（26）、自动出水阀门（30）、自动推拉杆（19）、风扇（12）和传送带（43）信号连接。

6.如权利要求1~5中任一项所述的炭质泥岩崩解装置的试验方法，其特征在于，炭质泥岩采用炭质泥岩崩解装置在湿热力耦合作用下快速崩解或在模拟自然环境下崩解，其中炭质泥岩采用炭质泥岩崩解装置在湿热力耦合作用下快速崩解的试验方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据炭质泥岩破碎岩体在自然状态下的堆积密度ρ与带筛孔的圆筒（28）的体积v，根据公式M=ρv得到每次崩解所需的炭质泥岩质量M，而后将质量为M的炭质泥岩放入到传送带（43）上，传送至带筛孔的圆筒（28）中；

步骤S2：开启自动进水阀门（26），向崩解室（46）内放水，放水结束后开启电动机（1），带动砝码（11）对带筛孔的圆筒（28）中的炭质泥岩施加循环动荷载或静载荷；

步骤S3：施加荷载后，开启自动出水阀门（30）和抽水机（31），将水经过滤排出崩解室（46）；

步骤S4：排水结束后，开启电阻加热器（17）和风扇（12），电阻加热器（17）加热至0~100℃，风扇（12）的风速控制在4m/s~20m/s；

步骤S5：重复步骤S2~S4，进行N次干湿循环，完成干湿循环过程；

步骤S6：干湿循环过程结束后，开启自动推拉杆（19），拉开崩解室（46）底部设置的两块活动底板（20），崩解后的炭质泥岩颗粒落入到筛分系统中；

步骤S7：开启筛分系统的振动，对崩解后的炭质泥岩颗粒进行筛分，经筛分后的炭质泥岩颗粒进入集料箱（42），通过称重传感器（37）得到筛分后不同粒径的炭质泥岩颗粒的质量，未通过筛分系统的炭质泥岩颗粒进入传送带（43）中，再传送回带筛孔的圆筒（28）中继续崩解。

7.根据权利要求6所述的炭质泥岩崩解装置的试验方法，其特征在于，所述炭质泥岩采用炭质泥岩崩解装置在模拟自然环境下崩解的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：打开崩解室（46）顶部的活动顶板（53-2），将砝码（11）升起，然后合上崩解室（46）顶部的活动顶板（53-2）；

步骤2：称取适当质量的炭质泥岩放入到传送带（43）上，而后启动传送带（43）将炭质泥岩运输到带筛孔的圆筒（28）中；

步骤3：根据试验所需要模拟的自然环境，调节白炽灯（47）和冷光灯（48）的强度和个数，调节降雨喷头（44）水量的大小，调节风扇（12）风速，调节电阻加热器（17）、制冷器（40）的温度；

步骤4：控制自动推拉杆（19）拉开崩解室（46）底部设置的两块活动底板（20），崩解后的炭质泥岩颗粒落入到筛分系统中；

步骤5：开启筛分系统的振动，对崩解后的炭质泥岩颗粒进行筛分，经筛分后的炭质泥岩颗粒进入集料箱（42），通过称重传感器（37）得到在不同自然环境下炭质泥岩崩解后不同粒径的炭质泥岩颗粒的质量。

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