專利名稱：一種三軸壓力下巖樣加熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種巖樣加熱裝置，尤其是一種適用于巖石三軸試驗(yàn)的巖樣加熱
裝置，屬于巖石力學(xué)工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，諸如煤炭地下氣化、高溫巖體地?zé)?開(kāi)發(fā)、深部油氣開(kāi)采、廢料處置等與溫度有關(guān)的工程問(wèn)題越來(lái)越多，迫切需要了解深部巖體 在溫度、應(yīng)力和流體共同作用下的耦合特性，而這些問(wèn)題的解決離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和 進(jìn)步，離不開(kāi)試驗(yàn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展。例如石油鉆井的深度已達(dá)到8000m，高溫巖體地?zé)豳Y源 開(kāi)采深度在5000m以上，金屬礦山開(kāi)采深度達(dá)到3000m，煤炭地下氣化與井下火災(zāi)溫度在 IOO(TC以上。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的高溫高壓試驗(yàn)機(jī)，盡管試驗(yàn)的溫度和壓力都很高，但所測(cè)試件 多為小20X40mm，非常小，且功能單一，僅可以進(jìn)行變形特性和彈性波等地球物理方面的研 究，根本無(wú)法提供與人類(lèi)工程活動(dòng)相關(guān)的巖體性態(tài)。 美國(guó)MTSMTS8504600KW試驗(yàn)機(jī)，能實(shí)驗(yàn)尺寸為①50X 100mm的試樣，采用液壓油加 載圍壓，油溫控制在-20°C《T《20(TC范圍之內(nèi)，一般在200噸至300噸之間，但仍存在加 載溫度低，壓力小的缺點(diǎn)。中國(guó)科學(xué)院工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)試驗(yàn)室TAW-2000 電液伺服試驗(yàn)機(jī)具有軸壓、圍巖、孔隙水壓和溫度獨(dú)立閉環(huán)控制系統(tǒng)，主機(jī)采用美國(guó)MTS 三軸主機(jī)結(jié)構(gòu)，剛度大于10GN/m，軸壓2000kN，圍壓lOOMPa，孔隙水壓60MPa，溫度-50 20(TC，試件直徑25mm 100mm，最小采樣時(shí)間間隔為lms?？蛇M(jìn)行單軸、三軸應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò) 程試驗(yàn)，恒速、變速、循環(huán)加卸載及多種波形控制試驗(yàn)，孔隙水和高低溫特性試驗(yàn)等。 目前，國(guó)內(nèi)外巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究主要以①50X100mm的小巖石試樣為主，壓力 試驗(yàn)機(jī)剛度小，實(shí)際操作中存在破斷后回彈的現(xiàn)象，同時(shí)在三軸試驗(yàn)中，采用液體施加圍 壓，不具備高溫、高壓耦合的條件。巖石力學(xué)工程要求對(duì)巖體力學(xué)有更深入的研究和認(rèn)識(shí)， 從宏觀上解決實(shí)際工程中遇到的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型的目的是針對(duì)已有技術(shù)中存在有問(wèn)題，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 易操作，可對(duì)大直徑巖樣進(jìn)行三軸力學(xué)性能試驗(yàn)裝置。 技術(shù)方案本實(shí)用新型的巖樣加熱裝置，包括推移小車(chē)底座，推移小車(chē)底座上設(shè)置 由內(nèi)外兩層厚壁圓筒預(yù)應(yīng)力縮套為一體的三軸壓力室體爐體，推移小車(chē)底座的中部開(kāi)有與 內(nèi)厚壁圓筒相同直徑的通孔，通孔內(nèi)設(shè)有圍壓套，圍壓套內(nèi)設(shè)有軸壓頭，軸壓頭上設(shè)有支撐 在巖樣體下端的下壓頭，巖樣體上端設(shè)有上壓頭；內(nèi)厚壁圓筒的內(nèi)壁上附著有隔熱層；上 壓頭和軸壓頭的外圓周上附著有上下連通的電熱合金片，巖樣體的外圓周上附著有絕緣隔 熱層；軸壓頭和下壓頭與內(nèi)厚壁圓筒所圍成的空間內(nèi)裝有下葉臘石粉，巖樣體與內(nèi)厚壁圓 筒所圍成的空間內(nèi)裝有工業(yè)鹽，并裝有多個(gè)熱電偶；上壓頭與內(nèi)厚壁圓筒所圍成的空間內(nèi) 裝有上葉臘石粉；內(nèi)厚壁圓筒上部設(shè)有帶有銅電極的蓋板，蓋板上設(shè)有將熱電偶引線導(dǎo)出的錐塞，外厚壁圓筒的外圓周上布有水冷卻銅管。 所述的絕緣隔熱層由設(shè)在電熱合金片內(nèi)外的內(nèi)云母紙層和外云母紙層構(gòu)成；所述 的隔熱層為云母紙；所述上壓頭和下壓頭外圓周上的電熱合金片外部設(shè)有將其箍緊的銅 套；所述內(nèi)厚壁圓筒、外厚壁圓筒采用H13鋼鑄造；所述的熱電偶鎧裝有瓷管。 有益效果本實(shí)用新型解決了長(zhǎng)期以來(lái)小巖樣、低溫的、液體施加圍壓的實(shí)驗(yàn)條 件；裝置采用①200 X 400mm的大巖石試樣，是普通巖石試樣的64倍，同時(shí)允許巖石試樣有 大的裂隙，可以模擬構(gòu)造面對(duì)巖體強(qiáng)度的影響；采用固體顆粒工業(yè)鹽來(lái)施加圍壓，允許高 溫、高壓耦合場(chǎng)，最高溫度可以達(dá)到60(TC，試件最大軸向壓力318MPa，最大側(cè)向固體傳壓 壓力250MPa，最大孔隙壓壓力250MPa ;高溫三軸壓力室具有高精度的溫度穩(wěn)定控制功能， 溫度控制靈敏度不大于±0. 3% ; 可以研究高溫高壓下，或常溫下，巖體變形特性、強(qiáng)度特性、固流熱耦合特性、流變 特性、滲透特性、熱傳導(dǎo)特性；研究熱與應(yīng)力復(fù)合作用下，固體礦物(煤、油母頁(yè)巖等)相變、 熔融、傳熱傳質(zhì)，液化、氣化，化學(xué)反應(yīng)等特性與規(guī)律；研究高溫高壓下，巖體變形與鉆機(jī)具 的相互作用，水力壓裂規(guī)律等。 設(shè)備主要用于探索深部采礦、煤炭地下直接液化與氣化、地?zé)衢_(kāi)采、煤層氣開(kāi)采、 深部油氣開(kāi)采、廢料處置、礦山安全、建筑安全等極為廣泛的工程領(lǐng)域的深刻的科學(xué)規(guī)律與 自然現(xiàn)象，為能源與資源開(kāi)發(fā)提供原創(chuàng)性的思路與研究方向。

圖1是本實(shí)用新型的巖樣加熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本實(shí)用新型圖1中局部I放大圖。 圖3是本實(shí)用新型圖1中局部II放大圖。 圖中l(wèi)-熱電偶引線，2-錐塞，3-蓋板，4-上壓頭，5-上葉臘石粉，6-工業(yè)鹽，7-巖 石試樣，8-冷卻銅管，9-推移小車(chē)底座，10-下葉臘石粉，11-下壓頭，12-軸壓頭，13-圍壓 套，14_內(nèi)厚壁圓筒，15_外厚壁圓筒，16-銅套，17_內(nèi)云母紙層，IS-電熱合金片，19_外云 母紙層，20-熱電偶，21-瓷管，22-云母紙。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例作進(jìn)一步的描述 本實(shí)用新型的巖樣加熱裝置，主要由推移小車(chē)底座9、設(shè)在推移小車(chē)底座9上的 三軸壓力室爐體、三軸壓力室爐體內(nèi)設(shè)置的固定巖樣體7的上下壓頭和圍壓材料構(gòu)成，三 軸壓力室爐體由內(nèi)厚壁圓筒14和外厚壁圓筒15采用H13鋼鑄造而成，為兩直徑不同的 厚壁圓筒，內(nèi)厚壁圓筒14的內(nèi)徑03OOmm外徑051Omm;外厚壁圓筒15的內(nèi)徑為,051O咖外徑 01060nm，高度皆約為1000mm，內(nèi)層厚壁圓筒精加工后內(nèi)壁進(jìn)行滲氮處理，之后兩圓筒預(yù)應(yīng) 力縮套裝配；推移小車(chē)底座9的中部開(kāi)有與內(nèi)厚壁圓筒14相同直徑的通孔，通孔內(nèi)設(shè)有圍 壓套13，圍壓套13內(nèi)設(shè)有軸壓頭12，軸壓頭12上設(shè)有支撐在巖樣體7下端的下壓頭11，巖 樣體7上端設(shè)有上壓頭4 ;內(nèi)厚壁圓筒14的內(nèi)壁上附著有云母紙隔熱層22 ;上壓頭4和下 壓頭12的外圓周上附著有上下連通的電熱合金片18，電熱合金片18外部設(shè)有將其箍緊的 銅套16。巖樣體7的外圓周上附著有絕緣隔熱層，絕緣隔熱層由設(shè)在電熱合金片18內(nèi)外的內(nèi)云母紙層17和外云母紙層19構(gòu)成。軸壓頭12和下壓頭11與內(nèi)厚壁圓筒14所圍成的 空間內(nèi)裝有下葉臘石粉10，巖樣體7與內(nèi)厚壁圓筒14所圍成的空間內(nèi)裝有工業(yè)鹽6并裝有 多個(gè)熱電偶20，每個(gè)熱電偶20除觸頭外均鎧裝有瓷管21，以保證絕緣效果。上壓頭4與內(nèi) 厚壁圓筒14所圍成的空間內(nèi)裝有上葉臘石粉5;內(nèi)厚壁圓筒14上部設(shè)有用H13鋼制成的蓋 板3，蓋板3設(shè)有銅電極，并設(shè)有將熱電偶引線1導(dǎo)出的錐塞2，為了防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鑄鋼溫 度過(guò)高，超過(guò)設(shè)計(jì)溫度30(TC，在緊貼外厚壁圓筒15的外圓柱體周向纏繞冷卻用的銅管8。 銅管8的直徑為02Omm，進(jìn)水出水間隔安裝，冷卻水經(jīng)增壓泵后進(jìn)入銅管8，所產(chǎn)生的高溫水 由回水口進(jìn)入冷卻水水箱。
權(quán)利要求一種三軸壓力下巖樣加熱裝置，其特征在于它包括推移小車(chē)底座(9)，推移小車(chē)底座(9)上設(shè)有由內(nèi)外兩層厚壁圓筒(14、15)預(yù)應(yīng)力縮套為一體的三軸壓力室爐體，推移小車(chē)底座(9)的中部開(kāi)有與內(nèi)厚壁圓筒(14)相同直徑的通孔，通孔內(nèi)設(shè)有圍壓套(13)，圍壓套(13)內(nèi)設(shè)有軸壓頭(12)，軸壓頭(12)上設(shè)有支撐在巖樣體(7)下端的下壓頭(11)，巖樣體(7)上端設(shè)有上壓頭(4)；內(nèi)厚壁圓筒(14)的內(nèi)壁上附著有隔熱層(22)；上壓頭(4)和軸壓頭(12)的外圓周上附著有上下連通的電熱合金片(18)，巖樣體(7)的外圓周上附著有絕緣隔熱層；軸壓頭(12)和下壓頭(11)與內(nèi)厚壁圓筒(14)所圍成的空間內(nèi)裝有下葉臘石粉(10)，巖樣體(7)與內(nèi)厚壁圓筒(14)所圍成的空間內(nèi)裝有工業(yè)鹽(6)，并裝有多個(gè)熱電偶(20)；上壓頭(4)與內(nèi)厚壁圓筒(14)所圍成的空間內(nèi)裝有上葉臘石粉(5)；內(nèi)厚壁圓筒(14)上部設(shè)有帶銅電極的蓋板(3)，蓋板(3)上設(shè)有將熱電偶引線(1)導(dǎo)出的錐塞(2)，外厚壁圓筒(15)的外圓周上布有水冷卻銅管(8)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖樣加熱裝置，其特征在于所述的絕緣隔熱層由設(shè)在電熱 合金片(18)內(nèi)外的內(nèi)云母紙層(17)和外云母紙層(19)構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的巖樣加熱裝置，其特征在于所述的隔熱層(22)為云母紙。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的巖樣加熱裝置，其特征在于所述的發(fā)熱層(22)為電熱合金片。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖樣加熱裝置，其特征在于所述上壓頭(4)和下壓頭(11) 外圓周上的電熱合金片(18)外部設(shè)有將其箍緊的銅套(16)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的巖樣加熱裝置，其特征在于所述內(nèi)厚壁圓筒(14)、外厚壁圓 筒(15)采用H13鋼鑄造。
專利摘要一種三軸壓力下巖樣加熱裝置，主要由推移小車(chē)底座、三軸壓力室爐體、上下壓頭和圍壓材料構(gòu)成，推移小車(chē)底座上設(shè)置由內(nèi)外缸體套合為一體的三軸壓力室爐體，上下壓頭設(shè)在三軸壓力室爐體內(nèi)，三軸壓力室爐體內(nèi)壁上附著有隔熱層，上下壓頭的外圓周上附著有絕緣隔熱層；軸壓頭、上下壓頭和巖樣體與內(nèi)缸體所圍成的空間內(nèi)裝有壓力層，并裝有多個(gè)熱電偶，外缸體的外圓周上布有冷卻銅管。利用三軸壓力機(jī)對(duì)軸壓頭和圍壓套加壓，調(diào)節(jié)溫控柜輸出電流大小，實(shí)現(xiàn)改變電熱合金片發(fā)熱量的大小，熱量穿過(guò)云母紙傳遞到巖樣中，熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量電熱合金片周?chē)鷾囟?，通過(guò)溫控柜顯示并記錄，對(duì)比顯示溫度與實(shí)驗(yàn)擬定溫度，調(diào)節(jié)電流大小，實(shí)現(xiàn)巖樣溫度可控。
文檔編號(hào)G01N3/18GK201548462SQ20092004922
公開(kāi)日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2009年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月21日
發(fā)明者萬(wàn)志軍, 馮子軍, 張?jiān)? 李根威, 王沖 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)