[发明专利]地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验装置及试验方法

说明书

本发明涉及地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验装置，由水平冻结管、自反力架、冻凝机、卧式多级离心泵机、试验箱体、起吊孔、下承压钢板、保温材料、密封盘、水平钢管、TDS测温仪、油缸、测温线、低温酒精输送管、阀门组成；同时本发明还提供了地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验方法，给出了具体实施例，对今后本领域相关试验具有指导价值。采用本发明装置不仅实现了材料在地应力作用下保温隔冷性能的测试，而且还获得了沿单冻结管纵向不同土层高度冷量扩散分布情况以及冷量作用范围，对后续地层富余冷量提取具有十分重要的指导意义，也为地下工程冻结法施工时选择保温隔冷性能优良的材料提供了选取依据。

技术领域

本发明涉及材料保温隔冷性能试验测试技术领域，特别涉及地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验装置及试验方法。

背景技术

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；被迫采用爆破法施工则必然使得施工成本增加。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变化，进而使其保温性能受到影响，因此研究材料在土体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。而目前基于材料保温隔冷性能研究时大多是没有考虑受力状态的影响，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，这种试验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。为了准确掌握受压状态下冻结管冷量作用范围以及冻结管周围土层纵向温度，十分有必要对地应力作用下材料保温隔冷性能及冷量扩散情况进行测试。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验装置及试验方法，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，可得到单冻结管冷量作用范围以及其纵向不同土层温度分布情况，获得材料在地应力作用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重要参考。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验装置，包括水平冻结管、自反力架、冻凝机、卧式多级离心泵机、试验箱体、起吊孔、下承压钢板、保温材料、密封盘、水平钢管、TDS测温仪、油缸、测温线、低温酒精输送管、阀门，所述自反力架由螺母、螺杆、丁字钢、十字钢梁、承压柱、上承压钢板焊接而成，所述试验箱体两侧开设两个圆孔并与所述承压柱焊接在一起，所述起吊孔设置在所述试验箱体上端面，所述保温材料包裹于所述水平冻结管外表面，所述冻凝机和所述卧式多级离心泵机分别设有低温酒精输入口及低温酒精输出口，所述卧式多级离心泵机可承受-30℃低温，所述下承压钢板两侧均设有出线孔，所述密封盘分别焊接在所述水平钢管的两端，所述水平钢管焊接于所述密封盘中心，所述TDS测温仪与所述试验箱体内部的测温点通过所述测温线连接，所述油缸放置在所述自反力架与所述下承压钢板之间，采用电动油泵对其加压，并在缸体设有出油口及进油口，所述低温酒精输送管采用橡胶制成，所述阀门焊接于所述水平冻结管一端。

优选地，在上述地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验装置中，所述自反力架、下端承压板由Q235钢材料组成。

优选地，在上述地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验装置中，所述水平钢管采用无缝钢管，直径140mm，厚度22mm，长度600mm。

优选地，本发明还提供地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验方法，包括如下步骤：