[发明专利]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

说明书

本发明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，由冻结模型试验箱、第一冻结管、第二冻结管、水平冻结管、温度测试仪、冻结控制系统等组成；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，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、作用范围以及沿地层横向不同距离的温度分布情况；并且基于本试验装置还可监测沿单冻结管纵向不同高度温度变化，获得单冻结管冷量扩散作用范围，为冻结法施工时保温隔冷材料的性能测试提供重要试验手段。

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：