專利名稱：一種三軸壓力下巖樣加熱裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種巖樣加熱裝置及方法，尤其是一種適用于巖石三軸試驗的巖樣加
熱裝置及方法，屬于巖石力學(xué)工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著人類社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的飛速進步，諸如煤炭地下氣化、高溫巖體地?zé)?開發(fā)、深部油氣開采、廢料處置等與溫度有關(guān)的工程問題越來越多，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，而這些問題的解決離不開實驗技術(shù)的發(fā)展和 進步，離不開試驗機技術(shù)的發(fā)展。例如石油鉆井的深度已達到8000m，高溫巖體地?zé)豳Y源 開采深度在5000m以上，金屬礦山開采深度達到3000m，煤炭地下氣化與井下火災(zāi)溫度在 IOO(TC以上。國內(nèi)外現(xiàn)有的高溫高壓試驗機，盡管試驗的溫度和壓力都很高，但所測試件 多為小20X40mm，非常小，且功能單一，僅可以進行變形特性和彈性波等地球物理方面的研 究，根本無法提供與人類工程活動相關(guān)的巖體性態(tài)。 美國MTSMTS8504600KW試驗機，能實驗尺寸為①50xl00mm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。中國科學(xué)院工程地質(zhì)力學(xué)重點實驗室?guī)r石力學(xué)試驗室TAW-2000
電液伺服試驗機具有軸壓、圍巖、孔隙水壓和溫度獨立閉環(huán)控制系統(tǒng)，主機采用美國MTS
三軸主機結(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，最小采樣時間間隔為lms?？蛇M行單軸、三軸應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^
程試驗，恒速、變速、循環(huán)加卸載及多種波形控制試驗，孔隙水和高低溫特性試驗等。 目前，國內(nèi)外巖石力學(xué)實驗室研究主要以①50xl00mm的小巖石試樣為主，壓力試
驗機剛度小，實際操作中存在破斷后回彈的現(xiàn)象，同時在三軸試驗中，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)工程要求對巖體力學(xué)有更深入的研究和認識，從宏
觀上解決實際工程中遇到的問題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)中存在有問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，方法
簡便，易操作，可對大直徑巖樣進行三軸力學(xué)性能試驗裝置及方法。 技術(shù)方案 本發(fā)明的巖樣加熱裝置，包括推移小車底座，推移小車底座上設(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，推移小車底座的中部開有與內(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。
本發(fā)明的巖樣加熱方法 a、將加工好的巖樣安裝到上下壓頭之間，在其外部包裹好絕緣隔熱層，然后按軸
壓頭、下壓頭、巖樣體、上壓頭與厚壁圓筒內(nèi)壁所圍成的空間分段順序充填下葉臘石粉、工
業(yè)鹽和上葉臘石粉，并在工業(yè)鹽段安裝多個熱電偶，蓋上蓋板，完成巖樣的安裝； b、將裝好巖樣的加熱裝置推移至加壓裝置中，并將蓋板上的銅電極和熱電偶引線
與溫控柜相連； c、啟動加壓裝置對軸壓頭和圍壓套緩慢施加壓力，達到約2. 5MPa時，啟動溫控柜 輸出電流，緩慢升高輸出電流，使電熱合金片開始發(fā)熱，發(fā)熱量逐漸增大直至熱量穿過云母 紙傳遞到巖樣體中； d、通過溫控柜顯示和記錄熱電偶實時測量得到的電熱合金片周圍的溫度值，對比 實測溫度與試驗設(shè)定溫度之間的差異，調(diào)節(jié)溫控柜輸出電流，以改變電熱合金片發(fā)熱量的 大小，實現(xiàn)巖樣體加熱溫度的控制； e、當(dāng)實測溫度達到約300°C時，開啟和冷卻水增壓泵，使冷卻水流經(jīng)爐體外壁的銅 管，實現(xiàn)強制熱對流，降低爐體溫度，以保證爐體內(nèi)在高溫時仍能保持良好的工作狀態(tài)。
所述的緩慢施加的壓力約為0.005mm/s ;所述緩慢升高輸出的電流約為 10A/10min。 有益效果本發(fā)明解決了長期以來小巖樣、低溫的、液體施加圍壓的實驗條件；裝 置采用①200x400mm的大巖石試樣，是普通巖石試樣的64倍，同時允許巖石試樣有大的 裂隙，可以模擬構(gòu)造面對巖體強度的影響；采用固體顆粒工業(yè)鹽來施加圍壓，允許高溫、高 壓耦合場，最高溫度可以達到600°C ，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_采、煤層氣開采、 深部油氣開采、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，為能源與資源開發(fā)提供原創(chuàng)性的思路與研究方向。


圖1是本發(fā)明的巖樣加熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明圖1中局部I放大圖。
圖3是本發(fā)明圖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，18-電熱合金片，19-外云 母紙層，20-熱電偶，21-瓷管，22-云母紙。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步的描述 本發(fā)明的巖樣加熱裝置，主要由推移小車底座9、設(shè)在推移小車底座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03OOrrm外徑051Oi歷;夕卜厚壁圓筒15的內(nèi)徑為051O咖外徑01O6Omm，高 度皆約為1000mm，內(nèi)層厚壁圓筒精加工后內(nèi)壁進行滲氮處理，之后兩圓筒預(yù)應(yīng)力縮套裝配； 推移小車底座9的中部開有與內(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ll，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IO，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并裝有多個熱電偶 20，每個熱電偶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，為了防止實驗過程中鑄鋼溫度過高，超 過設(shè)計溫度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'02Onm，進水出水間隔安裝，冷卻水經(jīng)增壓泵后進入銅管8，所產(chǎn)生的高溫水由回水口 進入冷卻水水箱。 本發(fā)明的巖樣加熱方法將加工好的巖樣7安裝到上下壓頭4、11之間，在其外部 包裹好絕緣隔熱層；按軸壓頭12、下壓頭11、巖樣體7、上壓頭4與充填厚壁圓筒14所圍成 的空間分段順序充填下葉臘石粉10、工業(yè)鹽6和上葉臘石粉5，并在工業(yè)鹽6段安裝多個熱 電偶20 ;各個部件端面之間對齊，巖樣體7與上下壓頭之間涂抹巖石凝膠，蓋上蓋板3，完成 巖樣的安裝，將安裝好巖樣的加熱裝置推移至加壓裝置中，并將蓋板3上的銅電極和熱電 偶引線1與溫控柜相連；啟動加壓裝置對軸壓頭12和圍壓套13緩慢施加壓力，緩慢施加 的壓力約為0. 005mm/s。達到約2. 5MPa時，啟動溫控柜輸出電流，控制電流大小，緩慢升高 輸出電流，緩慢升高輸出的電流約為10A/10min，使電熱合金片18開始發(fā)熱，發(fā)熱量逐漸增 大直至熱量穿過云母紙傳遞到巖樣體7中；通過溫控柜顯示和記錄熱電偶20實時測量電 熱合金片18周圍的溫度值，對比實測溫度與試驗設(shè)定溫度之間的差異，調(diào)節(jié)溫控柜輸出電 流，以改變電熱合金片18發(fā)熱量的大小，實現(xiàn)巖樣體7加熱溫度的控制；當(dāng)溫度表顯示快 達到實驗溫度時，停止加熱，待溫度穩(wěn)定后緩慢周節(jié)，若溫度超過實驗溫度，則降低3 5安 培，反之，升高3 5安培，遵守少量多次的原則，直到巖樣體7溫度達到實驗擬定最高溫度 600°C;當(dāng)溫控柜顯示溫度超過30(TC之后，打開冷卻水開關(guān)，冷卻水流經(jīng)爐體外壁的銅管8，實現(xiàn)強制熱對流，降低爐體溫度，以保證爐體內(nèi)在60(TC高溫時仍能保持良好的工作狀態(tài)c
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底座(9)，推移小車底座(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，推移小車底座(9)的中部開有與內(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。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖樣加熱裝置，其特征在于所述的熱電偶(20)鎧裝有瓷管 (21)。
8. —種如權(quán)利要求1所述裝置的巖樣加熱方法，其特征在于a、 將加工好的巖樣(7)安裝到上下壓頭(4、11)之間，在其外部包裹好絕緣隔熱層，然 后按軸壓頭(12)、下壓頭(11)、巖樣體(7)、上壓頭(4)與厚壁圓筒(14)內(nèi)壁所圍成的空間 分段順序充填下葉臘石粉(10)、工業(yè)鹽(6)和上葉臘石粉(5)，并在工業(yè)鹽(6)段安裝多個 熱電偶(20)，蓋上蓋板(3)，完成巖樣的安裝；b、 將裝好巖樣的加熱裝置推移至三軸壓力機中，并將蓋板(3)上的銅電極和熱電偶引 線(1)與溫控柜相連；c、 啟動三軸壓力機對軸壓頭(12)和圍壓套(13)緩慢施加壓力，達到約2. 5MPa時，啟 動溫控柜輸出電流，緩慢升高輸出電流，使電熱合金片(18)開始發(fā)熱，發(fā)熱量逐漸增大直 至熱量穿過云母紙傳遞到巖樣體(7)中；d、 通過溫控柜顯示和記錄熱電偶(20)實時測量得到巖石試樣(7)周圍的溫度值，對比 實測溫度與試驗設(shè)定溫度之間的差異，調(diào)節(jié)溫控柜輸出電流，以改變電熱合金片(18)發(fā)熱 量的大小，實現(xiàn)巖樣體(7)加熱溫度的控制；e、 當(dāng)實測溫度達到30(TC時，開啟和冷卻水增壓泵，使冷卻水流經(jīng)爐體外壁的銅管 (8)，實現(xiàn)強制熱對流，降低爐體溫度，以保證爐體內(nèi)在高溫時仍能保持良好的工作狀態(tài)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的巖樣加熱方法，其特征在于所述的緩慢施加的壓力約為 0.005mm/s。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的巖樣加熱方法，其特征在于所述緩慢升高輸出的電流約為10A/10min。
全文摘要
一種三軸壓力下巖樣加熱裝置及方法，裝置由三軸壓力室爐體，軸壓頭、圍壓頭、上下壓頭，傳壓、發(fā)熱、絕緣隔熱材料，熱電偶、推移小車底座、三軸壓力機、溫控柜構(gòu)成；推移小車底座上設(shè)置三軸壓力室爐體，軸壓頭、圍壓頭、上下壓頭和巖樣體與三軸壓力室爐體內(nèi)壁所圍成的空間內(nèi)裝有固體顆粒傳壓、熱電偶以及發(fā)熱、絕緣隔熱材料，三軸壓力室爐體外周布有水冷卻銅管；利用三軸壓力機對軸壓頭和圍壓套加壓，調(diào)節(jié)溫控柜輸出電流大小，實現(xiàn)改變電熱合金片發(fā)熱量的大小，熱量穿過云母紙傳遞到巖樣中，熱電偶實時測量電熱合金片周圍溫度，通過溫控柜顯示并記錄，對比顯示溫度與實驗擬定溫度，調(diào)節(jié)電流大小，實現(xiàn)巖樣溫度可控。
文檔編號G01N3/18GK101710048SQ20091021320
公開日2010年5月19日 申請日期2009年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月21日
發(fā)明者萬志軍, 馮子軍, 張源, 李根威, 王沖 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)