[发明专利]一种冻融循环模拟装置

说明书

本发明涉及一种冻融循环模拟装置，包括开采实验平台、承载支架以及温控系统；开采实验平台用于铺设实验材料，承载支架设置在开采实验平台上，温控系统设置在承载支架上，承载支架用于伸缩以改变温控系统与实验材料的接触状态。在实验材料开始接触式冻融循环前，承载支架收缩，使温控系统与实验材料接触，温控系统用于制冷或者制热，并将制冷产生的能量或者制热产生的能量传递至实验材料，使实验材料完成冻融循环；在实验材料完成接触式冻融循环后，承载支架伸张，使温控系统远离实验材料，为开采和观察实验材料留出空间。本发明能够在实验室中，实现真实冻融循环条件下，开采造成多年冻土层破断及地表沉陷的实时动态过程的模拟。

技术领域

本发明涉及试验设备技术领域，特别是涉及一种冻融循环模拟装置。

背景技术

随着我国煤炭生产布局快速向西部转移，在西部煤层资源中，青藏高原等地多年冻土区下贮藏的厚煤层资源开采成为亟待解决的难题。冻土为土颗粒、冰晶、未冻水以及空气组成的四相介质，物理力学特性受温度影响明显，在煤炭开采的过程中必然会产生影响。因此，深入研究高寒地区冻融循环条件下煤层开采上覆多年冻土层破断结构特征及其运动规律，并分析由冻土层破断所导致的地表沉陷规律，对多年冻土层下煤炭资源的安全、高效、绿色开采具有重要的科学价值和现实意义。

多年冻土层由永冻层与季融层组成，而永冻层内部的温度分布与埋深相关，在一定埋深范围内随着埋深变化而变化，温度场变化呈现非均匀变化特性，从而造成永冻层温度变化呈现非均质分布，变现为冻融循环的实时性与复杂性。一般在经过数次冻融过程后，冻土的渗透系数会增大1～2个数量级，孔隙明显减少，土体温度越低，自身强度越高，承压能力越强，破坏特征越不明显。

现有技术中，关于模拟冻融循环条件下煤层开采的实验平台所采用的温控系统均是蒸汽压缩式温控系统(室内机、室外机两部分)，可以人为控制，实现温度升降，但是会对模拟煤岩层，特别是地表冻土层造成一定影响。

首先，现有加热、制冷系统多采用室内机、室外机及移动终端控制，对外界环境及气候条件有要求，受场地限制，室内机与室外机需要单独存放，通过人为控制移动终端实现加热、制冷，效率低下，造成冻融循环时间周期较长，而冻土为特殊的四相介质黏性材料，具有明显的流变效应，与煤岩层的移动、变形和破断相比较具有明显的滞后性。

其次，现有实验平台多采用冻融循环系统与机械移动系统联动的方式实现整体温度控制，但不利于实现分区域温度控制，不满足煤岩层直至地表区域的温度的非线性变化，而且对于动态开挖及加载过程会产生不良影响。冻土的破坏方式与应变速率相关，应变速率较高时，土体通常发生脆性破坏，应变速率较低时，则更容易发生塑性破坏。不同的破坏方式对应不同的破坏特征，而时间过长会造成两种破坏叠加，增加冻土层变形、破坏的复杂性，不利于后期试验。

另一方面，加热过程产生的热蒸汽遇冷液化形成液态水，如果无法及时排出，液态水与相似实验材料混合后会对实验结果造成影响。由于冻土中赋存有冰和冰水混合物，经过反复的冻融循环，冰涨压力和渗透压力联合作用会产生疲劳应力，改变其原有的赋存条件和应力环境，产生由表及里的剥蚀破坏，从而降低其强度，对冻土层相关力学参数准确性造成影响。

因此，亟需一种应用于实验室中、能够实现分区域温度控制的冻融循环模拟装置，从而通过模拟冻融循环的真实条件，研究高寒地区变温条件下的矿山开采覆岩移动规律及冻土层破断规律。

发明内容

本发明的目的是提供一种冻融循环模拟装置，模拟真实冻融循环条件下，开采造成多年冻土层破断及地表沉陷的实时动态过程。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种冻融循环模拟装置，包括开采实验平台、承载支架以及温控系统；

所述开采实验平台用于铺设实验材料；