[发明专利]基于冻结法施工的矿井井筒温度-位移场耦合物理模拟实验装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于冻结法施工的矿井井筒温度‑位移场耦合物理模拟实验装置及方法，包括模型框架、模拟井筒、液态二氧化碳钢瓶、进液管、不锈钢冻结管、管路温度传感器、光纤温度传感器；模型框架内部分层固定设置有岩土样品；岩土样品中间部位插接有模拟井筒；不锈钢冻结管上部固定设置有回液管。本发明布局严谨、科学，智能化程度高，代替单独施工监测孔并布设温度传感器的作业方式，借助于管路温度传感器、光纤温度传感器组成的温度监测系统实现了岩土层、井筒筒壁及管路的多点温度取样，借助于应变片感知实现了岩土层、井筒筒壁三维变形量的统计，实现了基于冻结法施工的矿井井筒温度‑位移场耦合物理模拟，为优化施工提供了参数借鉴。

技术领域

本发明涉及一种温度-位移场模拟实验装置及方法，尤其是一种基于冻结法施工的矿井井筒温度-位移场耦合物理模拟实验装置及方法。

背景技术

冻结法施工是利用人工制冷技术，通过埋设的冻结管，带走地层中的热量，使地层中的水结冰变成冻土，形成具有较高强度和稳定性的冻土帷幕，并隔绝地下水，而后在冻土帷幕的保护下进行地下工程作业的施工方法。

目前，冻结法已广泛应用于煤矿井筒开凿和井筒修复等地下工程中。冻结法凿井施工过程中，地层中存在冻结壁的形成、发展和融解全过程，井筒周围温度-位移耦合场的分布对于冻结壁的交圈、强度以及变形有着重要的影响。因此，开展冻结法施工过程中井筒周围温度-位移耦合场变化规律研究对确定合理冻结时间、冻结液温度、冻结孔布置参数具有重要指导意义。

目前的冻结法施工一般采用现场实测方法对冻结孔周围温度-位移耦合场进行监测，监测过程中需要单独施工监测孔并布设温度和位移传感器，费时费力，工程量大、监测成本高，最关键的缺陷是无法形成对冻结孔周围温度-位移耦合场的关联数据，有鉴与此，开发一种基于冻结法施工的矿井井筒温度-位移耦合场物理模拟实验装置就很有必要了。

发明内容

技术问题：为本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种基于冻结法施工的矿井井筒温度-位移耦合场物理模拟实验装置及方法。

技术方案：本发明的一种基于冻结法施工的矿井井筒温度-位移耦合场物理模拟实验装置，包括三维模型箱、冻结液循环系统和温度-位移监测系统；

所述的三维模型箱包括由模型框架和有机玻璃密封板围成的箱体，箱体内装有按模拟岩层分布的岩土样品，箱体的中部设有模拟井筒，模拟井筒的四周对称布置有多根相连通的不锈钢冻结管；

所述的冻结液循环系统包括包括液态二氧化碳钢瓶、设在液态二氧化碳钢瓶上的卸压阀，液态二氧化碳钢瓶的出口经进液管与不锈钢冻结管相连，进液管上设有进液管阀门，不锈钢冻结管的出口处连接有回液管；

所述的温度-位移监测系统包括管路温度传感器、红外发射器、AVR单片机、多个光纤温度传感器及应变片，所述的管路温度传感器分别设在进液管和回液管上，所述的红外发射器设在模型框架上部，红外发射器经信号线与AVR单片机相连，所述的多个光纤温度传感器布设在模拟井筒四周的不锈钢冻结管上，AVR单片机通过信号线和转接头分别与管路温度传感器、光纤温度传感器及应变片相连；红外发射器与三维模型箱外部设置的红外接收器红外传输通信，红外接收器布置在上位机内。

所述的模拟井筒下部设有抗压强度为30MPa的混凝土结构井塔基础。

所述的红外发射器为两个，布设在模型框架上部的对角处。

所述的多个光纤温度传感器分层布置在围绕模拟井筒呈圆环形分布的各不锈钢冻结管上。

所述的多个应变片呈圆状且位于光纤温度传感器之间交错布置，相邻光纤温度传感器之间布置多个应变片，多个应变片非等高且环形等距布置在岩土样品中。