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一种模拟地下工程地温的 温度加载系统

阅读：490发布：2020-05-15

专利汇可以提供一种模拟地下工程地温的温度加载系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种模拟地下工程地温的温度加载系统，针对大尺寸岩石试样物理模型进行加热且实现温度场模拟。包括热电偶 (1)、温度控制仪(2)、交流接触器(3)和至少4根加热棒(4)。热电偶(1)和加热棒(4)均埋入岩石试样物理模型中。加热棒(4)布置围成至少1圈正方形，各圈正方形的形心均与岩石试样物理模型的中心点重合。热电偶(1)埋设在由内向外加热棒(4)布置围成的第1圈正方形任意边的中点上。温度控制仪(2)通过对比预先设定的温度与热电偶(1)探测到的岩石试样物理模型的温度，控制交流接触器(3)接通或跳闸，致使加热棒(4)对岩石试样物理模型加热或停止加热。，下面是一种模拟地下工程地温的温度加载系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种模拟地下工程地温的温度加载系统，其特征在于：包括热电偶（1）、温度控制仪（2）、交流接触器（3）和至少4根加热棒（4），加热棒（4）并联后与交流接触器（3）串联，温度控制仪（2）与热电偶（1）串联，交流接触器（3）与温度控制仪（2）并联，交流接触器（3）和温度控制仪（2）各自连接电源，热电偶（1）和加热棒（4）均埋入岩石试样物理模型中；
所述加热棒（4）布置围成至少 1 圈正方形，各圈正方形的形心与岩石试样物理模型的中心点重合，各圈正方形的边长公式为an=√2（0.08（2n-1）+0.045），单位：米，n 表示由内向外加热棒（4）布置围成的第 n 圈正方形，an 表示由内向外加热棒（4）布置围成的第 n 圈正方形的边长；
所述加热棒（4）在同一圈正方形的每条边上等距布置，埋设在第 n 圈正方形位置上的加热棒（4）的数量根据公式Jn =（n+1）× 4-4计算可得，单位：根，第 n 圈正方形每条边上的加热棒（4）数量为 n+1 根，n 表示由内向外加热棒（4）布置围成的第 n 圈正方形，Jn 表示由内向外埋设在第 n 圈正方形位置上的加热棒（4）的数量。
2.根据权利要求1所述的一种模拟地下工程地温的温度加载系统，其特征在于：所述温度控制仪（2）为数显调节仪。
3.根据权利要求1所述的一种模拟地下工程地温的温度加载系统，其特征在于：所述加热棒（4）的功率为 400 1600w。
~
4.根据权利要求1所述的一种模拟地下工程地温的温度加载系统，其特征在于：所述热电偶（1）测温范围为 0°C 400°C，热电偶（1）埋设在由内向外加热棒（4）布置围成的第 1 圈~
正方形任意边的中点上。
5.一种模拟地下工程地温的温度加载方法，其特征在于：按照权利要求 1的方式将热电偶（1）、温度控制仪（2）、交流接触器（3）和加热棒（4）进行连接，热电偶（1）和加热棒（4）均埋入岩石试样物理模型中，温度控制仪（2）通过对比预先设定的温度与热电偶（1）探测到的岩石试样物理模型的温度，控制交流接触器（3）接通或跳闸，致使加热棒（4）对岩石试样物理模型加热或停止加热。

说明书全文

一种模拟地下工程地温的温度加载系统

技术领域

[0001] 本发明涉及地下工程岩石温度模拟领域，具体涉及一种模拟地下工程地温的温度加载系统。

背景技术

[0002] 21世纪是人类开发利用地下空间的世纪，在经济、科学技术快速发展的当今，人类对资源、生存空间开发利用的需求迅猛增长，目前世界范围内许多已建、在建和即将新建的大型地下工程，包括交通工程建设的地下隧道、矿产开采为主的地下巷道以及水利水电开发的地下洞室等，都逐渐向大埋深的方向发展。以采矿活动为例，原来矿山开采都在几百米深度以内，但近年来，大量矿山转入地下1000米以下的深度进行开采，南非一些矿山甚至进入了4000米的开采深度。

[0003] 有学者研究得出地下未被扰动原始岩温度随着埋深的增大而上升,地热梯度以每100米3摄氏度增加。当凿岩、爆破等破岩活动在地下数千米深度进行时，岩石自身温度远远高于常温，其力学特性也与常温状态下有较大差别，存在许多传统岩石力学无法解释的现象，如：岩体大范围分区破裂、岩爆异常、岩体脆延转化等。

[0004] 大埋深环境下，因高地应力的存在，地下工程的各种受力情况十分复杂，再加上高地温因素的影响，地下工程开展过程中对围岩的控制难度增大。因此，考虑高地温环境对地下工程的影响具有非常重要的意义。为了研究温度场和应力场的热-力耦合作用下大埋深工程活动所引起的问题，必须模拟深埋地下环境中的高地温场，这就需要发明一套能对岩石试样物理模型进行加热获得均匀、稳定的温度场的加载系统，较为真实地模拟实际的地温条件。

[0005] 目前，研究岩石热力性质所采用的加热方式多针对小尺寸岩石试样进行，如利用烘箱对小尺寸岩石试样进行加热，又如在高温三轴试验过程中用油温对小型岩石试样进行加热。这些针对小尺寸岩石试样的加热方式并不能模拟地下结构工程岩体的力学性质，而现有的深部地下工程物理模拟试验又几乎没有考虑地温的影响。因此，针对大尺寸岩石试样物理模型进行加热且实现温度场模拟的方法和设备，目前还没有相关研究。

发明内容

[0006] 鉴于目前尚未存在针对大尺寸岩石试样物理模型进行加热且实现温度场模拟的方法和设备，本发明的目的在于提供一种模拟地下工程地温的温度加载系统。

[0007] 本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：一种模拟地下工程地温的温度加载系统，包括热电偶、温度控制仪、交流接触器和至少4根加热棒，加热棒并联后与交流接触器串联，温度控制仪与热电偶串联，交流接触器与温度控制仪并联，交流接触器和温度控制仪各自连接电源，热电偶和加热棒均埋入岩石试样物理模型中。

[0008] 本发明优选的，上述温度控制仪为数显调节仪。

[0009] 通过将上述温度控制仪和上述交流接触器连接，能够使温度控制仪根据预先设定的温度值控制交流接触器接通或跳闸，实现对岩石试样物理模型温度场的调节。

[0010] 本发明优选的，上述加热棒布置围成至少1圈正方形，各圈正方形的形心与岩石试样物理模型的中心点重合，各圈正方形的边长公式为单位：米，n表示由内向外加热棒布置围成的第n圈正方形，an表示由内向外加热棒布置围成的第n圈正方形的边长。

[0011] 本发明优选的，上述加热棒在同一圈正方形的每条边上等距布置，埋设在第n圈正方形位置上的加热棒的数量根据公式Jn＝(n+1)×4-4计算可得，单位：根，第n圈正方形每条边上的加热棒数量为n+1根，n表示由内向外加热棒布置围成的第n圈正方形，Jn表示由内向外埋设在第n圈正方形位置上的加热棒的数量。

[0012] 本发明优选的，上述加热棒的功率为400～1600w。

[0013] 按照上述方式对上述加热棒进行布置，能够实现对岩石试样物理模型的均匀加热。通过将上述加热棒和上述交流接触器串联，能够使交流接触器控制加热棒的电源，使加热棒加热或停止加热，从而实现对岩石试样物理模型温度场的稳定控制。

[0014] 本发明优选的，上述热电偶测温范围为0℃～400℃，热电偶埋设在由内向外加热棒布置围成的第1圈正方形任意边的中点上。

[0015] 上述热电偶埋设于岩石试样物理模型内，能够实时探测岩石试样物理模型的温度。通过将上述热电偶与上述温度控制仪连接，能够使温度控制仪显示热电偶探测到的温度情况。热电偶埋设在由内向外加热棒布置围成的第1圈正方形任意边的中点上，使得热电偶既能探测隧道开挖部分洞壁附近的温度，又不受隧道开挖的影响。

[0016] 考虑到最外层上述加热棒要有3厘米左右的保护层，因而上述一种模拟地下工程地温的温度加载系统应用于边长a为an+0.03≤a＜an+1+0.03的岩石试样物理模型，单位：米，a表示岩石试样物理模型的边长，an表示由内向外加热棒布置围成的第n圈正方形的边长，an+1表示由内向外加热棒布置围成的第n+1圈正方形的边长。

[0017] 一种模拟地下工程地温的温度加载方法，包括上述热电偶、上述温度控制仪、上述交流接触器和至少4根上述加热棒，加热棒并联后与交流接触器串联，温度控制仪与热电偶串联，交流接触器与温度控制仪并联，交流接触器和温度控制仪各自连接电源，热电偶和加热棒均埋入岩石试样物理模型中，温度控制仪通过对比预先设定的温度与热电偶探测到的岩石试样物理模型的温度，控制交流接触器接通或跳闸，致使加热棒对岩石试样物理模型加热或停止加热。

[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：可以对大尺寸地下岩石试样物理模型施加均匀、可调节温度值的温度场，并能实时控制温度场使其保持稳定；由于所用元器件简单易得，因而该系统构造简单、操作方便、造价低廉；另外还可根据实际情况灵活调整加热棒的数量，以适应不同尺寸岩石试样物理模型的试验研究需要。附图说明

[0019] 图1是本发明所述一种模拟地下工程地温的温度加载系统的电路图。

[0020] 图2是本发明所述一种模拟地下工程地温的温度加载系统的加热棒和热电偶平面布置图。

具体实施方式

[0021] 如图1所示，本发明包括热电偶1、温度控制仪2、交流接触器3和加热棒4，加热棒4并联后与交流接触器3串联，交流接触器3与温度控制仪2并联，温度控制仪2与热电偶1串联，交流接触器3和温度控制仪2各自连接电源，热电偶1和加热棒4均埋入岩石试样物理模型中。

[0022] 其中，温度控制系统由温度控制仪2、交流接触器3和加热棒4组成，温度监测系统由温度控制仪2和热电偶1组成。

[0023] 实施例1

[0024] 将n＝1代入公式 Jn＝(n+1)×4-4以及岩石试样物理模型的边长范围an+0.03≤a＜an+1+0.03可得：加热棒布置围成1圈正方形，该正方形的形心与岩石试样物理模型的中心点重合，该正方形边长为0.177米，共埋设4根加热棒，该正方形每条边上埋设2根加热棒，本实施例适用于边长范围为0.207～0.433米的岩石试样物理模型。

[0025] 实施例2

[0026] 如图2所示，将n＝2代入公式 Jn＝(n+1)×4-4以及岩石试样物理模型的边长范围an+0.03≤a＜an+1+0.03可得：加热棒布置围成2圈正方形，所有
2圈正方形的形心均与岩石试样物理模型的中心点重合；第1圈正方形边长为0.177米，共埋设4根加热棒，该圈正方形每条边上埋设2根加热棒；第2圈正方形边长为0.403米，共埋设8根加热棒，该圈正方形每条边上埋设3根加热棒；所有2圈正方形上埋设的加热棒总数为12根，本实施例适用于边长范围为0.433～0.659米的岩石试样物理模型。

[0027] 实施例3

[0028] 将n＝5代入公式 Jn＝(n+1)×4-4以及岩石试样物理模型的边长范围an+0.03≤a＜an+1+0.03可得：由内向外加热棒布置围成5圈正方形，所有5圈正方形的形心均与岩石试样物理模型的中心点重合；第1圈正方形边长为0.177米，共埋设4根加热棒，该圈正方形每条边上埋设2根加热棒；第2圈正方形边长为0.403米，共埋设8根加热棒，该圈正方形每条边上埋设3根加热棒；第3圈正方形边长为0.629米，共埋设12根加热棒，该圈正方形每条边上埋设4根加热棒；第4圈正方形边长为0.856米，共埋设16根加热棒，该圈正方形每条边上埋设5根加热棒；第5圈正方形边长为1.082米，共埋设20根加热棒，该圈正方形每条边上埋设6根加热棒；所有5圈正方形上埋设的加热棒总数为60根，本实施例适用于边长范围为1.112～1.338米的岩石试样物理模型。

[0029] 本系统不限于上述实施例，如下表所示列举了部分数据：

[0030] 表1加热棒埋设参数与岩石试样物理模型尺寸范围数据表

[0031]

[0032] 由于本系统应用于温度场和应力场的热-力耦合作用下的岩爆物理模拟，试验重点关注开挖隧道洞壁附近(即岩爆范围)的温度场，因而将热电偶1埋设在加热棒4围成的第1圈正方形任意边的中点上，这样既能使热电偶1探测隧道洞壁附近(即岩爆范围)的温度，又不受隧道开挖的影响。

[0033] 所有加热棒4并联到一根电源线上，再和交流接触器3串联，加热棒4的工作由交流接触器3控制；交流接触器3和温度控制仪2并联，温度控制仪2控制交流接触器3接通或跳闸；热电偶1和温度控制仪2串联，温度控制仪2通过热电偶1探测岩石试样物理模型内部的温度值；交流接触器3以及温度控制仪2各自连接电源。

[0034] 具体工作过程是：

[0035] 首先设置温度控制仪2上的控制温度，当热电偶1探测到的温度值达到温度控制仪2预设的控制温度值时，温度控制仪2强制交流接触器3跳闸，加热棒4因断电而停止工作，不再对岩石试样物理模型进行加热；当岩石试样物理模型的温度下降，热电偶1探测到的温度值低于温度控制仪2预设的控制温度值时，温度控制仪2将控制交流接触器3使其接通，因而加热棒4又开始对岩石试样物理模型进行加热。以上两个控制过程反复进行，因此能保证岩石试样物理模型内部的温度值稳定在预先设置的控制温度。

[0036] 上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均应视为落入要求保护的本发明范围内。

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