用于研究充填體熱-流-力耦合行為的試驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種用于研究充填體熱-流-力耦合行為的試驗(yàn)裝置，包括試驗(yàn)裝置容器，試驗(yàn)裝置容器的底部設(shè)有容器底板，頂部裝有能上下移動(dòng)的容器頂蓋，內(nèi)部裝有填充體；試驗(yàn)裝置容器內(nèi)設(shè)有溫度傳感器和孔隙水壓力傳感器，試驗(yàn)裝置的容器側(cè)壁裝有應(yīng)變傳感器，溫度傳感器、孔隙水壓力傳感器和應(yīng)變傳感器通過導(dǎo)線與無紙記錄儀相連接。容器底板上鉆鑿若干個(gè)小孔，并在容器底板上鋪一層滲透膜，容器底板的下部設(shè)有漏斗，漏斗的下部設(shè)有帶刻度滲水收集瓶；容器頂蓋的上部設(shè)有砝碼組合。能夠同時(shí)監(jiān)測充填體的溫度變化、孔隙水壓力變化、滲流量變化以及應(yīng)變數(shù)據(jù)。
【專利說明】用于研究充填體熱-流-力耦合行為的試驗(yàn)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種礦山地下采空區(qū)充填體性能的試驗(yàn)裝置，尤其涉及一種用于研究充填體熱-流-力耦合行為的試驗(yàn)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]礦山地下開采不僅產(chǎn)生了大量的固體廢棄物(例如尾礦和煤矸石)，同時(shí)還產(chǎn)生了大量的地下采空區(qū)。這些固體廢棄物的地表堆存不僅會(huì)環(huán)境污染，而且還有可能成為安全隱患(例如尾礦庫的潰壩和矸石山的自燃)。而地下采空區(qū)的存在不僅關(guān)系到礦工的作業(yè)安全，還會(huì)導(dǎo)致地表的沉陷。然而，將這些固體廢棄物制成充填體填充入地下采空區(qū)可以有效地解決上述諸多問題。這種充填體主要由固體廢棄物、水泥與水混合制成(必要的情況下會(huì)摻入礦物添加劑，如高爐礦渣和粉煤灰等)，它是一種內(nèi)部充滿孔隙結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)。
[0003]水泥與水相遇發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物(C-S-H膠凝和AFt晶體等)，這些水化產(chǎn)物將沉淀并積聚在充填體內(nèi)部的孔隙中，從而通過改變充填體內(nèi)孔隙自由水的滲流行為而影響孔隙水壓力分布。與此同時(shí)，水化反應(yīng)還釋放出一定的熱量，從而促進(jìn)充填體自身溫度的發(fā)展。而充填體自身及外界環(huán)境溫度的變化不僅會(huì)通過改變填體內(nèi)水的密度和粘度而影響其滲流行為，還會(huì)引起充填體結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)變。此外，填充入地下采礦區(qū)的充填體還會(huì)受到其上覆巖層的壓力。
[0004]綜上所述可知，充填體將表現(xiàn)出熱(溫度變化)-流(孔隙水的滲流和孔隙水壓力分布)_力(熱應(yīng)力和上覆壓力)耦合作用行為。充填體的關(guān)鍵作用在于支撐上覆巖層，同時(shí)還不能對地下環(huán)境造成污染(例如從充填體中滲流出來的含有害物質(zhì)的水會(huì)污染地下水)。這就要求充填體具有較強(qiáng)的力學(xué)穩(wěn)定性和較弱的水力滲透性，而這些特性主要取決于充填體的熱-流-力耦合作用行為。
[0005]目前，還沒有一種用于研究充填體熱-流-力耦合行為的試驗(yàn)裝置。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠同時(shí)監(jiān)測充填體的溫度變化、孔隙水壓力變化、滲流量變化以及應(yīng)變數(shù)據(jù)的用于研究充填體熱-流-力耦合行為的試驗(yàn)裝置。
[0007]本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本實(shí)用新型的用于研究充填體熱-流-力耦合行為的試驗(yàn)裝置，包括試驗(yàn)裝置容器，所述試驗(yàn)裝置容器的底部設(shè)有容器底板，頂部裝有能上下移動(dòng)的容器頂蓋，內(nèi)部裝有填充體；
[0009]所述試驗(yàn)裝置容器內(nèi)設(shè)有溫度傳感器和孔隙水壓力傳感器，所述試驗(yàn)裝置的容器側(cè)壁裝有應(yīng)變傳感器，所述溫度傳感器、孔隙水壓力傳感器和應(yīng)變傳感器通過導(dǎo)線與無紙記錄儀相連接。
[0010]所述容器底板上鉆鑿若干個(gè)小孔，并在所述容器底板上鋪一層滲透膜，所述容器底板的下部設(shè)有漏斗，所述漏斗的下部設(shè)有帶刻度滲水收集瓶；
[0011 ] 所述容器頂蓋的上部設(shè)有砝碼組合。
[0012]由上述本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的用于研究充填體熱-流-力耦合行為的試驗(yàn)裝置，能夠同時(shí)監(jiān)測充填體的溫度變化、孔隙水壓力變化、滲流量變化以及應(yīng)變數(shù)據(jù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的用于研究充填體熱-流-力耦合行為的試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖中:1 一(不同重量的)砝碼組合；2—能上下移動(dòng)的容器頂蓋；3—充填體；4一試驗(yàn)裝置容器；5—溫度傳感器；6—孔隙水壓力傳感器；7—容器底板；8—漏斗；9一帶刻度滲水收集瓶；10—應(yīng)變傳感器；11—開孔；12—容器側(cè)壁；13—無紙記錄儀。

【具體實(shí)施方式】
[0015]下面將對本實(shí)用新型實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0016]本實(shí)用新型的用于研究充填體熱-流-力耦合行為的試驗(yàn)裝置，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0017]包括試驗(yàn)裝置容器，所述試驗(yàn)裝置容器的底部設(shè)有容器底板，頂部裝有能上下移動(dòng)的容器頂蓋，內(nèi)部裝有填充體；
[0018]所述試驗(yàn)裝置容器內(nèi)設(shè)有溫度傳感器和孔隙水壓力傳感器，所述試驗(yàn)裝置的容器側(cè)壁裝有應(yīng)變傳感器，所述溫度傳感器、孔隙水壓力傳感器和應(yīng)變傳感器通過導(dǎo)線與無紙記錄儀相連接。
[0019]所述容器底板上鉆鑿若干個(gè)小孔，并在所述容器底板上鋪一層滲透膜，所述容器底板的下部設(shè)有漏斗，所述漏斗的下部設(shè)有帶刻度滲水收集瓶；
[0020]所述容器頂蓋的上部設(shè)有砝碼組合。
[0021]所述小孔的直徑為0.9至1.1mm。
[0022]所述容器頂蓋的內(nèi)壁與所述填充體之間墊一層海綿，所述海綿的面積與所述充填體的截面面積相同。
[0023]所述砝碼組合包括若干個(gè)不同重量的砝碼。
[0024]所述試驗(yàn)裝置容器為長方體。
[0025]所述無紙記錄儀與電腦相連。
[0026]本實(shí)用新型的用于研究充填體熱-流-力耦合行為的試驗(yàn)裝置，能夠同時(shí)監(jiān)測充填體的溫度變化、孔隙水壓力變化、滲流量變化以及應(yīng)變數(shù)據(jù)。
[0027]具體實(shí)施例:
[0028]如圖1所示，包括(不同重量的)砝碼組合1、能上下移動(dòng)的容器頂蓋2、充填體3、試驗(yàn)裝置容器4、溫度傳感器5、孔隙水壓力傳感器6、容器底板7、漏斗8、帶刻度滲水收集瓶9、應(yīng)變傳感器10、開孔11、容器側(cè)壁12、無紙記錄儀13等。
[0029]試驗(yàn)裝置容器4為長方體。溫度傳感器5、孔隙水壓力傳感器6和應(yīng)變傳感器10通過導(dǎo)線與無紙記錄儀13相連接，這些傳感器所采集到的數(shù)據(jù)被記錄并保存下來。
[0030]在容器底板7上鉆鑿若干個(gè)小孔(直徑1mm左右)，然后在容器底板7上鋪一層滲透膜，滲透膜的面積與容器底板7的面積保持一致。從容器底板7的小孔中滲出的水將通過漏斗8被收集到帶刻度滲水收集瓶9中。在試驗(yàn)過程中帶刻度滲水收集瓶9始終保持封口狀態(tài)，僅留一個(gè)小孔用來收集從漏斗8中流出的水。
[0031]將制備完成的充填體3澆注進(jìn)試驗(yàn)裝置容器4中:當(dāng)充填體達(dá)到一定的澆注高度時(shí)，將應(yīng)變傳感器10埋設(shè)在該段充填體的表面，傳感器的導(dǎo)線通過容器側(cè)壁12的開孔11連接出去；然后繼續(xù)澆注一段充填體，將孔隙水壓力傳感器6埋設(shè)在該段充填體的表面，傳感器的導(dǎo)線同樣需要通過開孔11連接出去；接下來再繼續(xù)澆注一段充填體，將溫度傳感器5埋設(shè)在該段充填體的表面并將相應(yīng)的導(dǎo)線從試驗(yàn)裝置容器4中連接出去；最后澆注充填體直至充滿容器，并將充填體的表面刮平。
[0032]為了保證充填體3更好地與能上下移動(dòng)的容器頂蓋2接觸，可以在它們之間墊一層海綿，該海綿的面積與充填體3的截面面積以及能上下移動(dòng)的容器頂蓋2的面積保持一致。
[0033]所述砝碼組合1由若干個(gè)砝碼組成，根據(jù)不同的條件選擇不同的砝碼組合，以模擬不同的上覆壓力。通過簡單的計(jì)算可將砝碼的重量換算為對能上下移動(dòng)的容器頂蓋2的相應(yīng)壓力值。
[0034]在試驗(yàn)過程中，可以通過改變整套試驗(yàn)裝置所處的環(huán)境溫度、充填體上覆砝碼的重量、充填體自身的特性(例如水的用量和水泥用量等)來模擬不同的外界條件對充填體的熱-流-力耦合作用行為的影響。
[0035]無紙記錄儀13可以與電腦相連，將所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)輸入電腦進(jìn)行分析，找尋充填體的熱-流-力耦合作用規(guī)律。
[0036]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0037]可以通過試驗(yàn)找尋充填體的自身溫度、孔隙水壓力、滲水量以及應(yīng)變量隨上覆壓力、環(huán)境溫度以及充填體自身特性的變化規(guī)律，從而為制備出強(qiáng)度更高、滲水量更少的充填體提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，還能夠通過分析所記錄下來的傳感器數(shù)據(jù)來揭示充填體的熱-流-力耦合作用規(guī)律，為多孔介質(zhì)多場耦合的研究提供參考。
[0038]以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的【具體實(shí)施方式】，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本實(shí)用新型披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于研究充填體熱-流-力耦合行為的試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括試驗(yàn)裝置容器，所述試驗(yàn)裝置容器的底部設(shè)有容器底板，頂部裝有能上下移動(dòng)的容器頂蓋，內(nèi)部裝有填充體； 所述試驗(yàn)裝置容器內(nèi)設(shè)有溫度傳感器和孔隙水壓力傳感器，所述試驗(yàn)裝置的容器側(cè)壁裝有應(yīng)變傳感器，所述溫度傳感器、孔隙水壓力傳感器和應(yīng)變傳感器通過導(dǎo)線與無紙記錄儀相連接； 所述容器底板上鉆鑿若干個(gè)小孔，并在所述容器底板上鋪一層滲透膜，所述容器底板的下部設(shè)有漏斗，所述漏斗的下部設(shè)有帶刻度滲水收集瓶； 所述容器頂蓋的上部設(shè)有砝碼組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于研究充填體熱-流-力耦合行為的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述小孔的直徑為0.9至1.1mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于研究充填體熱-流-力耦合行為的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述容器頂蓋的內(nèi)壁與所述填充體之間墊一層海綿，所述海綿的面積與所述充填體的截面面積相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于研究充填體熱-流-力耦合行為的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述砝碼組合包括若干個(gè)不同重量的砝碼。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于研究充填體熱-流-力耦合行為的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述試驗(yàn)裝置容器為長方體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的用于研究充填體熱-流-力耦合行為的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述無紙記錄儀與電腦相連。
【文檔編號(hào)】G01N33/00GK204065058SQ201420503693
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月2日
【發(fā)明者】吳迪, 郭利杰 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)