一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置

1.本实用新型涉及承载性能实验技术领域，尤其是涉及一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置。


背景技术：

2.二氧化碳的封存场所包括海洋和地下，其中地质封存研究较多，地质封存方式主要有：深部咸水层封存，油气田封存、无开采价值的深部煤层封存。
3.同时采空区充填材料的承载强度是决定采空区二氧化碳封存可靠性的关键。
4.现有的三轴压缩试验设备（如cn207850832u），无法模拟采空区充满二氧化碳气体的环境，试验设备内部无测定二氧化碳气体浓度、湿度和压力的仪器，无法还原模拟现实采空区环境；或者现有混凝土碳化实验箱虽能准确模拟碳封存采空区气体环境和湿度（如cn203232033u），但无法模拟碳封存采空区内充填材料所承受的顶板重力和气体压力环境，并且实验设备过大，不能与其他力学设备配合使用。因此，开发出一种实验方法简单，且能控制试验系统内气体参数、湿度、气体压力、上覆载压力的实验装置及实验方法是推进当下绿色采矿行之有效的措施。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置，使得充填材料在可控覆载压力下进行碳化实验，并能够对填充材料的二氧化碳浓度和湿度进行调控，使得模拟实验更具真实性，实验数据更贴近现场数据。
6.为实现上述目的，本实用新型提供了一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置，包括釜体和釜盖，釜体与釜盖卡接，釜盖的中部设置有使活塞穿过的通孔，活塞的外部套设有套筒，活塞与釜盖及套筒均密封滑动连接；封盖上设置有向釜体内通入二氧化碳、水蒸汽的进气管，封盖上设置有测定釜体内二氧化碳浓度、湿度和气压的测定仪。
7.优选的，所述釜体的顶部设置有向外翻折的釜齿，釜盖的底部内表面设置有与釜齿相适配的盖齿，盖齿与釜齿间隔设置，盖齿旋转后卡设在釜齿与釜体之间。
8.优选的，所述套筒的顶部与釜盖之间设置有密封圈一，套筒顶部与釜盖之间密封固定连接。
9.优选的，所述釜盖的内表面上设置有将釜盖与釜体进行密封的密封垫。
10.优选的，所述活塞与釜盖之间设置有密封圈二；活塞的侧面上设置有将活塞与套筒进行密封的活塞环。
11.优选的，所述活塞的顶端与压力机的凸模接触，用于对釜体内的试样进行加压。
12.优选的，所述进气管通过三通道气体单向阀与二氧化碳储气瓶、加湿器连接，进气管通过进气软管与三通道气体单向阀设置有泄压阀的一支路连接，泄压阀设置在支路的侧壁上；二氧化碳储气瓶通过送气软管与三通道气体单向阀设置有二氧化碳单向阀的一支路连接，加湿器通过送气软管与三通道气体单向阀设置有水蒸汽单向阀的一支路连接。
13.一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置的实验方法，包括以下步骤：
14.s1、根据釜体内部大小设计试样尺寸，将试样放入釜体内，并置于活塞底端正下方，盖好釜盖；
15.s2、把釜体放置于压力机的凸模正下方，且凸模与活塞顶端接触对齐；
16.s3、通过进气软管将进气管与三通道气体单向阀设置有泄压阀的一支路连接；通过送气软管将二氧化碳储气瓶与三通道气体单向阀设置有二氧化碳单向阀的一支路连接；通过送气软管将加湿器与三通道气体单向阀设置有水蒸汽单向阀的一支路连接；
17.s4、将水蒸汽单向阀打开，同时关闭泄压阀和二氧化碳单向阀，向釜体内部通入水蒸汽，实现釜体内部湿度的调节；
18.s5、将二氧化碳单向阀打开，同时关闭泄压阀和水蒸汽单向阀，向釜体内部通入二氧化碳，实现釜体内部二氧化碳浓度的调节；
19.s6、通过测定仪观察釜体内的湿度、气压、二氧化碳浓度，若需要降低釜体内气压，则打开泄压阀，关闭二氧化碳单向阀和水蒸汽单向阀，对釜体气压进行调节；
20.s7、通过压力机的凸模对活塞施加垂直向下的压力，通过控制器控制施加的压力大小，通过活塞把压力传至试样，实现釜体内充填材料试样覆载压力的调节。
21.优选的，所述s1中，试样的直径不大于活塞的直径，试样的高度不高于釜体的高度。
22.优选的，所述s4、s5和s6中，进气管通过三通道气体单向阀与二氧化碳储气瓶、加湿器连接，进气管通过进气软管与三通道气体单向阀设置有泄压阀的一支路连接，泄压阀设置在支路的侧壁上；二氧化碳储气瓶通过送气软管与三通道气体单向阀设置有二氧化碳单向阀的一支路连接，加湿器通过送气软管与三通道气体单向阀设置有水蒸汽单向阀的一支路连接。因此釜体内部参数的调节是通过观察测定仪数据的变化，进而调节三通道气体单向阀相应阀门的开关，达到控制釜体内参数的目标。
23.优选的，所述s7中，活塞的顶端与压力机的凸模接触，用于对釜体内的试样进行加压。
24.本实用新型所述的一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置的优点和积极效果是：釜体内设置有活塞，通过压力机的凸模作用在活塞上然后对充填材料试样进行不同覆载的模拟，釜体上设置的进气管通过三通道气体单向阀与二氧化碳储气瓶和加湿器连接，从而调整釜体内的气压、湿度和二氧化碳浓度，模拟充填材料试样的不同湿度、气压和二氧化碳浓度的环境，使得模拟场景更贴合实际，提高充填材料承载性能实验数据准确性。
25.下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
26.图1为本实用新型一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置的实施例的剖面结构示意图；
27.图2为本实用新型一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置的实施例的立体结构示意图；
28.图3为本实用新型一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置的实施例的釜体结构示意图；
29.图4为本实用新型一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置的实施例的釜盖结构示意图；
30.图5为本实用新型一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置的实施例的应用结构示意图。
31.附图标记
32.1、釜体；2、釜盖；3、套筒；4、活塞；5、盖齿；6、釜齿；7、测定仪；8、探头；9、进气管；10、密封垫；11、密封圈一；12、密封圈二；13、活塞环；14、试样；15、压力机；16、凸模；17、二氧化碳储气瓶；18、加湿器；19、送气软管；20、二氧化碳单向阀；21、水蒸汽单向阀；22、泄压阀；23、三通道气体单向阀；24、进气软管。
具体实施方式
33.以下通过附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步说明。
34.除非另外定义，本实用新型使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例
35.图1为本实用新型一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置的实施例的剖面结构示意图，图2为本实用新型一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置的实施例的立体结构示意图，图3为本实用新型一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置的实施例的釜体结构示意图，图4为本实用新型一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置的实施例的釜盖结构示意图，图5为本实用新型一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置的实施例的应用结构示意图。如图所示，一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置，包括釜体1和釜盖2，釜体1与釜盖2卡接，釜盖2卡接在釜体1的外部。釜体1的顶部设置有向外翻折的若干个釜齿6，釜齿6与釜体1为一体结构。釜盖2的底部内表面设置有与釜齿6相适配的盖齿5，盖齿5与釜盖2为一体结构。盖齿5与釜齿6间隔设置，盖齿5正好位于相邻釜齿6之间。使用时，将盖齿5放入相邻的釜齿6之间，然后旋转釜盖2，釜盖2带动盖齿5旋转，盖齿5卡设在釜齿6与釜体1之间，从而实现釜体1与釜盖2之间的固定卡接，安装方便。釜盖2的内表面上设置有将釜盖2与釜体1进行密封的橡胶的密封垫10。密封垫10胶粘固定在釜盖2的内表面上，釜体1的顶端抵靠在密封垫10上，实现釜盖2与釜体1之间的密封连接。
36.釜盖2的中部设置有使活塞4穿过的通孔，通孔的孔径略大于活塞4的直径，使得活
塞4可以在通孔内上下的移动。活塞4与釜盖2之间设置有密封圈二12，橡胶的密封圈二12卡设在釜盖2上表面的凹槽内，提高活塞4与釜盖2之间的密封性。活塞4的外部套设有套筒3，套筒3的内径略大于活塞4的外径，使得活塞4可以在套筒3内滑动，套筒3对活塞4的滑动具有导向和支撑的作用。套筒3的顶端可以通过胶粘固定在釜盖2的内表面上。套筒3的顶部与釜盖2之间设置有密封圈一11，橡胶的密封圈一11保证套筒3与釜盖2之间的密封性。
37.活塞4位于套筒3内的一段侧面上设置有环形的凹槽，凹槽内卡设有橡胶的活塞环13，活塞环13对活塞4与套筒3之间的间隙进行密封，提高套筒3与活塞4之间的密封效果。
38.活塞4的顶端与压力机15的凸模16接触，用于对釜体1内的试样14进行加压，并且根据试验要求调整压力的大小，从而模拟不同充填材料试样14在不同覆载压力条件下的承载性能。试样14放入活塞4的正下方。
39.封盖上设置有向釜体1内通入二氧化碳、水蒸汽的进气管9。封盖上设置有测定釜体1内二氧化碳浓度、湿度和气压的测定仪7。测定仪7的表头位于釜盖2的外部，测定仪7的探头8位于釜体1内。
40.进气管9通过三通道气体单向阀23与二氧化碳储气瓶17、加湿器18连接。加湿器18的内部设置有加热器，用于对加湿器18内的液态水进行加热，使得加热产生的水蒸汽为釜体1提供湿度。进气管9通过进气软管24与三通道气体单向阀23设置有泄压阀22的一支路连接，泄压阀22设置在支路的侧壁上。泄压阀22用于排出釜体1内的气体。
41.二氧化碳储气瓶17通过送气软管19与三通道气体单向阀23设置有二氧化碳单向阀20的一支路连接，加湿器18通过送气软管19与三通道气体单向阀23设置有水蒸汽单向阀21的一支路连接。通过二氧化碳单向阀20、水蒸汽单向阀21和泄压阀22的控制，从而调控釜体1内的湿度、气压和二氧化碳浓度了，从而模拟填充材料试样14在不同湿度、气压和二氧化碳浓度条件下的承载性能。
42.一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置的实验方法，包括以下步骤：
43.s1、根据釜体1内部大小设计试样14尺寸，将试样14放入釜体1内，并置于活塞4底端正下方，盖好釜盖2；试样14的直径不大于活塞4的直径，试样14的高度不高于釜体1的高度。
44.、把釜体1放置于压力机15的凸模16正下方，且凸模16与活塞4顶端接触对齐。
45.、通过进气软管24将进气管9与三通道气体单向阀23设置有泄压阀22的一支路连接；通过送气软管19将二氧化碳储气瓶17与三通道气体单向阀23设置有二氧化碳单向阀20的一支路连接；通过送气软管19将加湿器18与三通道气体单向阀23设置有水蒸汽单向阀21的一支路连接。
46.、将水蒸汽单向阀21打开，同时关闭泄压阀22和二氧化碳单向阀20，向釜体1内部通入水蒸汽，实现釜体1内部湿度的调节。
47.、将二氧化碳单向阀20打开，同时关闭泄压阀22和水蒸汽单向阀21，向釜体1内部通入二氧化碳，实现釜体1内部二氧化碳浓度的调节。
48.、通过测定仪7观察釜体1内的湿度、气压、二氧化碳浓度，若需要降低釜体1内气压，则打开泄压阀22，关闭二氧化碳单向阀20和水蒸汽单向阀21，对釜体1气压进行调节。
49.、通过压力机15的凸模16对活塞4施加垂直向下的压力，通过控制器控制施加的压
力大小，通过活塞4把压力传至试样14，实现釜体1内充填材料试样14覆载压力的调节。
50.优选的，所述s1中，试样14的直径不大于活塞4的直径，试样14的高度不高于釜体1的高度。
51.优选的，所述s4、s5和s6中，进气管9通过三通道气体单向阀23与二氧化碳储气瓶17、加湿器18连接，进气管9通过进气软管24与三通道气体单向阀23设置有泄压阀22的一支路连接，泄压阀22设置在支路的侧壁上；二氧化碳储气瓶17通过送气软管19与三通道气体单向阀23设置有二氧化碳单向阀20的一支路连接，加湿器18通过送气软管19与三通道气体单向阀23设置有水蒸汽单向阀21的一支路连接。因此釜体1内部参数的调节是通过观察测定仪7数据的变化，进而调节三通道气体单向阀23相应阀门的开关，达到控制釜体1内参数的目标。
52.优选的，所述s7中，活塞4的顶端与压力机的凸模16接触，用于对釜体1内的试样14进行加压。
53.因此，本实用新型采用上述测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置，使得充填材料在可控覆载压力下进行碳化实验，并能够对填充材料的二氧化碳浓度和湿度进行调控，使得模拟实验更具真实性，实验数据更贴近现场数据，提高模拟结构准确性。
54.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置，其特征在于：包括釜体和釜盖，釜体与釜盖卡接，釜盖的中部设置有使活塞穿过的通孔，活塞的外部套设有套筒，活塞与釜盖及套筒均密封滑动连接；封盖上设置有向釜体内通入二氧化碳、水蒸汽的进气管，封盖上设置有测定釜体内二氧化碳浓度、湿度和气压的测定仪。2.根据权利要求1所述的一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置，其特征在于：所述釜体的顶部设置有向外翻折的釜齿，釜盖的底部内表面设置有与釜齿相适配的盖齿，盖齿与釜齿间隔设置，盖齿旋转后卡设在釜齿与釜体之间。3.根据权利要求1所述的一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置，其特征在于：所述套筒的顶部与釜盖之间设置有密封圈一，套筒顶部与釜盖之间密封固定连接。4.根据权利要求1所述的一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置，其特征在于：所述釜盖的内表面上设置有将釜盖与釜体进行密封的密封垫。5.根据权利要求1所述的一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置，其特征在于：所述活塞与釜盖之间设置有密封圈二；活塞的侧面上设置有将活塞与套筒进行密封的活塞环。6.根据权利要求1所述的一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置，其特征在于：所述活塞的顶端与压力机的凸模接触，用于对釜体内的试样进行加压。7.根据权利要求1所述的一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置，其特征在于：所述进气管通过三通道气体单向阀与二氧化碳储气瓶、加湿器连接，进气管通过进气软管与三通道气体单向阀设置有泄压阀的一支路连接，泄压阀设置在支路的侧壁上；二氧化碳储气瓶通过送气软管与三通道气体单向阀设置有二氧化碳单向阀的一支路连接，加湿器通过送气软管与三通道气体单向阀设置有水蒸汽单向阀的一支路连接。

技术总结
本实用新型公开了一种测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置，包括釜体和釜盖，釜体与釜盖卡接，釜盖的中部设置有使活塞穿过的通孔，活塞的外部套设有套筒，活塞与釜盖及套筒均密封滑动连接；封盖上设置有向釜体内通入二氧化碳、水蒸汽的进气管，封盖上设置有测定釜体内二氧化碳浓度、湿度和气压的测定仪。本实用新型采用上述测试碳封存采空区充填材料承载性能的实验装置，使得充填材料在可控覆载压力下进行碳化实验，并能够对填充材料的二氧化碳浓度和湿度进行调控，使得模拟实验更具真实性，实验数据更贴近现场实际，提高模拟结果的准确性。结果的准确性。结果的准确性。


技术研发人员：张志义 苏慧 管伟明 宋永泽 赵博
受保护的技术使用者：新疆大学
技术研发日：2023.02.22
技术公布日：2023/7/19