地应力作用下冻结管保温材料性能实验室测试模型装置及其测试方法

1.本发明涉及材料保温隔冷性能实验室测试技术领域，特别涉及地应力作用下冻结管保温材料性能实验室测试模型装置及其测试方法。


背景技术：

2.由于深厚表土层水文地质条件复杂，地下工程尤其是煤矿井筒建井期间采用冻结法施工时，冻结管经过初始表土段时易造成大量冷量向周围土体扩散，使得周围土体过分冻结进而影响到后续井筒开挖延误工期，期间被迫采用爆破法施工则必然使得工程成本增加、危险系数提高。因此需要采用一种保温隔冷性能优良的材料进行冻结管保温隔冷。然而在初始表土段采用材料进行保温隔冷时，在土体地应力作用下材料处于受压状态。由于材料在受压状态下内部结构会发生改变，进而使其保温性能受到影响，因此研究材料在地应力作用下的保温隔冷性能具有实际意义，尤其是掌握冻结管周围土层冷量的扩散情况对后续地层富余冷量提取具有十分重要的指导价值。
3.然而，目前基于材料保温隔冷性能测试时大多没有考虑到受力状态影响，纵使在冻结管外采用套管再在封闭空间施加油压模拟冻结管保温材料的受压状态，这种测试方法也只能在保温材料、冻结管上布置测温点，仅能得到冻结管极小范围内的温度变化情况，不仅无法获得冻结管冷量扩散作用范围，而且沿冻结管纵向不同土层高度的温度也无从得知，具有一定的局限性。同时，现阶段也没有考虑到实际工程中冻结管可能会穿过不同性质的土层，而不同土层之间传热系数存在差异，使得不同土层共同作用下的冷量损失指标无法获得。此外，冻结法施工时通常布置多根冻结管，两相邻冻结管之间存在相互影响，这一点在实验室测试时也未能被考虑到。
4.因此十分需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。


技术实现要素：

5.本发明目的在于克服现有技术存在的不足，提供地应力作用下冻结管保温材料性能实验室测试模型装置及其测试方法。不仅能够开展地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验测试，得到单冻结管冷量作用范围及其纵向不同土层温度分布情况；还能够开展地应力作用下双冻结管保温材料性能模型试验测试，获得沿冻结管高度三到四层不同性质的土层冷量损失情况。本发明能够较为全面地进行地应力作用下冻结管保温材料性能实验室测试，获得材料在相应条件下的保温隔冷效果评价指标，为煤矿井筒冻结法施工时保温隔冷材料的选择提供试验手段和重要参考。
6.为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
7.地应力作用下冻结管保温材料性能实验室测试模型装置及其测试方法，包括冻结模型试验箱、吊装孔、第一冻结管、第二冻结管、水平冻结管、低温酒精传输管、自反力架、下端承压板、保温材料、密封垫圈、竖直钢管、水平钢管、温度测试仪、冻结控制系统、卧式多级
离心泵、液压缸、测温线、第一阀门、第二阀门、第三阀门、承压柱，所述冻结模型试验箱上端面四周设有6个吊装孔并与所述承压柱相连接，所述吊装孔配有尺寸匹配的吊装螺栓并设置在所述冻结模型试验箱上端面，所述十字钢梁、承压柱、上端承压板、丁字钢、螺母、螺杆相互连接形成自反力架，所述承压柱顶端与螺杆连接，所述十字钢梁与上端承压板、丁字钢连接形成整体并通过螺母同承压柱固定连接，所述下端承压板两侧设有出线孔并在下端承压板两侧分别开设两个圆孔，所述温度测试仪通过测温线与所述冻结模型试验箱内测温点相连接，所述冻结控制系统及所述卧式多级离心泵分别设置有一个低温酒精输出口和一个低温酒精输入口，所述冻结控制系统与卧式多级离心泵、冻结管通过输送管相连接，所述冻结管通过低温酒精传输管连接，冻结管上设有阀门，所述液压缸包括进油口、出油口并与电动油泵通过油管相连接，所述保温材料固定在所述冻结管的外表面上，所述密封垫圈设在所述冻结管两端，所述竖直钢管、水平钢管设在所述密封垫圈正中心位置。
8.优选地，在上述地应力作用下冻结管保温材料性能实验室测试模型装置及其测试方法中，所述所述卧式多级离心泵可承受-30℃低温。
9.本发明所述的地应力作用下冻结管保温材料性能实验室测试模型装置及其测试方法，其中，所述密封垫圈为直径350mm的圆盘，采用厚度28mm的钢板切割而成，且在所述密封垫圈中心位置留有直径160mm的圆孔，所述密封垫圈圆心与所述圆孔圆心在同一点。
10.本发明所述的地应力作用下冻结管保温材料性能实验室测试模型装置及其测试方法，其中，所述自反力架、下端承压板由q235钢材料组成，所述竖直钢管、水平钢管采用无缝钢管，直径140mm，厚度22mm，长度600mm。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果：
12.本发明装置通过低温酒精在冻结管内不断循环实现冷量向冻结管外扩散，以模拟实际工程中冻结管工作情况。同时在土层上方由液压缸施加压力，模拟冻结管所受垂向地应力作用，在冻结管身以及土体中分层布置测温点以获得测温点处温度随时间的变化规律，明确保温材料作用下相邻冻结管间冷量在土体中的扩散情况、作用范围和沿地层横向不同距离的温度分布情况，且基于本试验装置可一次性获得保温材料在多种土层中的保温隔冷效果。此外，本发明装置使用低温酒精在单冻结管中不断循环进行冷量扩散，使其能与冻结施工时冻结管的温度保持一致，通过沿冻结管纵向不同土层布置测温点，可监测沿单冻结管纵向不同高度的温度变化情况，也可获得单冻结管冷量扩散作用范围，试验结果更加接近真实工况，试验数据更加全面，能够为冻结施工时选取保温隔冷性能优良的材料提供了一种理想的试验装置及试验方法。
附图说明
13.图1为本发明所述的实施例1的结构连接图。
14.图2为本发明所述的实施例2的结构连接图。
15.图3为本发明所述的实施例1的冻结模型试验箱结构图。
16.图4为本发明所述的实施例2的冻结模型试验箱结构图。
17.图5为本发明所述的第一冻结管和第二冻结管结构示意图。
18.图6为本发明所述的水平冻结管结构示意图。
19.图7为本发明所述的液压缸结构示意图。
20.图8为本发明所述的下端承压板结构示意图。
21.图9为本发明所述的自反力架结构示意图。
22.图10为本发明所述的密封垫圈结构示意图。
23.图11为本发明所述的第一阀门和第二阀门结构示意图。
24.图12为本发明所述的第三阀门结构示意图。
25.图中标号说明：1-冻结模型实验箱，2-吊装孔，3-第一冻结管，4-第二冻结管，5-低温酒精传输管，6-自反力架，7-下端承压板，8-保温材料，9-密封垫圈，10-竖直钢管，11-温度测试仪，12-冻结控制系统，13-卧式多级离心泵，14-液压缸，15-十字钢梁，16-承压柱，17-上端承压板，18-丁字钢，19-螺母，20-螺杆，21-测温线，22-低温酒精输出口，23-低温酒精输入口，24-进油口，25-出油口，26-第一阀门，27-第二阀门，28-出线孔，29-圆孔，30-输送管，31-水平冻结管，32-水平钢管，33-第三阀门
具体实施方式
26.以下将结合附图和具体实施例对本发明专利做进一步的详细说明，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。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明的限制。
28.在本发明的描述中，术语“安装”、“相连”、“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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发明中的具体含义。
29.实施例1：
30.如图1所示的地应力作用下冻结管保温材料性能实验室测试模型装置及其测试方法，包括冻结模型试验箱1、吊装孔2、第一冻结管3、第二冻结管4、水平冻结管31、低温酒精传输管5、自反力架6、下端承压板7、保温材料8、密封垫圈9、竖直钢管10、水平钢管32、温度测试仪11、冻结控制系统12、卧式多级离心泵13、液压缸14，所述冻结模型试验箱1上端面四周设有6个吊装孔2并与所述承压柱16相连接，所述吊装孔2配有尺寸匹配的吊装螺栓并设置在所述冻结模型试验箱1上端面，所述十字钢梁15、承压柱16、上端承压板17、丁字钢18、螺母19、螺杆20相互连接形成自反力架6，所述承压柱16顶端与螺杆20连接，所述十字钢梁15与上端承压板17、丁字钢18连接形成整体并通过螺母19同承压柱16固定连接，所述下端承压板7两侧设有出线孔28并在下端承压板7两侧分别开设两个圆孔29，所述温度测试仪11通过测温线21与所述冻结模型试验箱1内测温点相连接，所述冻结控制系统12及所述卧式多级离心泵13分别设置有一个低温酒精输出口22和一个低温酒精输入口23，所述冻结控制系统12与所述卧式多级离心泵13、冻结管通过输送管相连接，所述冻结管包括第一冻结管3、第二冻结管4、水平冻结管31，所述冻结管通过低温酒精传输管5连接，冻结管上设有阀
门，所述阀门包括第一阀门26、第二阀门27、第三阀门33，所述液压缸14包括进油口24、出油口25并与电动油泵通过油管相连接，所述保温材料8固定在所述冻结管的外表面上，所述冻结管两端，所述竖直钢管10设在所述密封垫圈9正中心位置。所述所述卧式多级离心泵13可承受-30℃低温，所述密封垫圈9为直径350mm的圆盘，采用厚度28mm的钢板切割而成，且在所述密封垫圈9中心位置留有直径160mm的圆孔，所述密封垫圈9圆心与所述圆孔圆心在同一点，所述自反力架6、下端承压板7由q235钢材料组成，所述竖直钢管10、水平钢管32采用无缝钢管，直径140mm，厚度22mm，长度600mm。
31.具体操作步骤如下：
32.(a)使用吊机通过冻结模型试验箱1上的吊装孔2将冻结模型试验箱1吊至试验预留场地；
33.(b)首先通过测量确定第一冻结管3、第二冻结管4穿过下端承压板7两侧圆孔29，在第一冻结管3、第二冻结管4上侧平行于管轴线等间距布置3个测温点，将3根测温线21分别布置在3个测点上，然后使用胶带将3根测温线21固定在第一冻结管3、第二冻结管4外侧，将保温材料8固定在第一冻结管3、第二冻结管4的外表面上；
34.(c)在冻结模型试验箱1内每隔40cm布置一层土层，共计布置3～4层不同性质的土层，距离第一冻结管3、第二冻结管4横向每隔10cm布置一层测温点，每个土层纵向布置2层测温点，共布置6～8层，每层布置10个测温点，每个测温点等间距布置，填土完毕后，将下端承压板7盖在土体上方，测温线21从下端承压板7的出线孔28中伸出；
35.(d)将密封垫圈9分别焊接在第一冻结管3、第二冻结管4的两端，竖直钢管10焊接在密封垫圈9的中心，在竖直钢管10套上输送管30，一端连接冻结控制系统12的低温酒精输入口23，另一端连接卧式多级离心泵13低温酒精输出口22，然后在卧式多级离心泵13的低温酒精输入口23套上输送管30，另一端套在冻结控制系统12的低温酒精输出口22；
36.(e)使用起重机将液压缸14放置在下端承压板7上，将电动油泵通过油管与液压缸14上的进油口24及出油口25相连接，然后根据垂向地应力计算公式计算出需施加压力大小并使用电动油泵及液压缸14对土体施加压力；
37.(f)将第一冻结管3上的第一阀门26打开，第二阀门27关闭，操作冻结控制系统12开启制冷模式，启动卧式多级离心泵13，低温酒精不断循环通过第一冻结管3、第二冻结管4，形成冻结回路，检测冻结管与竖直钢管、阀门连接处及输送管有无酒精渗漏现象；
38.(g)启动温度测试仪11，将测温线21与温度测试仪11相连接，开始温度监测至试验结束；
39.(h)待试验结束后，卸掉液压缸14的压力，关闭温度测试仪11，关闭第一冻结管3上的第一阀门26，打开第二阀门27使用气泵向第二阀门27中冲气将低温酒精卸出，保存试验数据，对试验数据进行整理分析。
40.实施例2：
41.如图2所示的地应力作用下冻结管保温材料性能实验室测试模型装置及其测试方法，包括冻结模型试验箱1、吊装孔2、第一冻结管3、第二冻结管4、水平冻结管31、低温酒精传输管5、自反力架6、下端承压板7、保温材料8、密封垫圈9、竖直钢管10、水平钢管32、温度测试仪11、冻结控制系统12、卧式多级离心泵13、液压缸14，所述冻结模型试验箱1上端面四周设有6个吊装孔2并与所述承压柱16相连接，所述吊装孔2配有尺寸匹配的吊装螺栓并设
置在所述冻结模型试验箱1上端面，所述十字钢梁15、承压柱16、上端承压板17、丁字钢18、螺母19、螺杆20相互连接形成自反力架6，所述承压柱16顶端与螺杆20连接，所述十字钢梁15与上端承压板17、丁字钢18连接形成整体并通过螺母19同承压柱16固定连接，所述下端承压板7两侧设有出线孔28并在下端承压板7两侧分别开设两个圆孔29，所述温度测试仪11通过测温线21与所述冻结模型试验箱1内测温点相连接，所述冻结控制系统12及所述卧式多级离心泵13分别设置有一个低温酒精输出口22和一个低温酒精输入口23，所述冻结控制系统12与所述卧式多级离心泵13、冻结管通过输送管相连接，所述冻结管包括第一冻结管3、第二冻结管4、水平冻结管31，所述冻结管通过低温酒精传输管5连接，冻结管上设有阀门，所述阀门包括第一阀门26、第二阀门27、第三阀门33，所述液压缸14包括进油口24、出油口25并与电动油泵通过油管相连接，所述保温材料8固定在所述冻结管的外表面上，所述冻结管两端，所述竖直钢管10设在所述密封垫圈9正中心位置。所述所述卧式多级离心泵13可承受-30℃低温，所述密封垫圈9为直径350mm的圆盘，采用厚度28mm的钢板切割而成，且在所述密封垫圈9中心位置留有直径160mm的圆孔，所述密封垫圈9圆心与所述圆孔圆心在同一点，所述自反力架6、下端承压板7由q235钢材料组成，所述竖直钢管10、水平钢管32采用无缝钢管，直径140mm，厚度22mm，长度600mm。
42.具体操作步骤如下：
43.(a)首先通过测量所述冻结模型试验箱1两侧圆孔间距离选取适合长度的所述水平冻结管31，使得所述水平冻结管31穿过所述冻结模型试验箱1并两端露出箱体10cm，然后在所述水平冻结管31上侧平行于管轴线的直线上等间距布置3个测温点，将3根所述测温线21分别布置在3个测温点上，使用胶带将3根所述测温线21固定在所述水平冻结管31上侧，其次将所述保温材料8固定在所述水平冻结管31的外表面上，并在所述保温材料8外表面以同样方式布置3个测温点；
44.(b)在距离所述水平冻结管31下侧每隔15cm布置一层测温点，共布置3～4层，每层布置3个测温点，3个测温点均在一条平行于所述水平冻结管31轴线的直线上并等间距布置，以同样的方式在所述水平冻结管31上侧布置5～6层测温点；
45.(c)在所述冻结模型试验箱1填土至埋设测温点层位时，将所述测温线21的一端埋设在步骤二中测温点的位置处，由下而上分层填土并埋设所述测温线21，填土完毕后，将所述下端承压板7盖在土体上方，所述测温线21从所述下端承压板7的出线孔中伸出；
46.(d)将所述密封垫圈9焊接在所述水平冻结管31的两端，在所述密封垫圈9的中心焊接所述水平钢管32，所述水平钢管32、所述冻结控制系统12、所述卧式多级离心泵13之间通过所述低温酒精传输管5连接在一起，形成循环回路；
47.(e)将低温酒精倒入所述冻结控制系统12并开启制冷模式，然后打开所述卧式多级离心泵机13，低温酒精不断循环通过所述水平冻结管31，将步骤三中伸出的所述测温线21连接在所述温度测试仪11上，检测所述测温线21是否正常工作，检测并确保正常工作后，关闭仪器；
48.(f)首先使用起重机将所述液压缸14放置在所述下端承压板7上，将电动油泵通过油管与所述液压缸14上的进油口及出油口相连接，然后使用电动油泵及所述液压缸14对土体施加压力，其次打开所述温度测试仪11，开始温度监测至试验结束；
49.(g)待试验结束后，在电脑上保存试验数据，卸掉所述液压缸14的压力，关闭所述
温度测试仪11，打开所述水平冻结管31上的第三阀门33将低温酒精卸出；
50.(h)试验数据的整理及分析，以各层测温点温度和所述水平冻结管1上温度差值作为标准衡量所述保温材料8的保温隔冷性能，同时当某层测温点温度与室温保持一致，则该层测温点到所述水平冻结管1的距离即是在所述保温材料8工作时的所述水平冻结管1冷量作用最大范围。
51.由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。