一种模拟巷道围岩热损伤的加热装置及方法

摘要

本发明公开了一种模拟巷道围岩热损伤的加热装置及方法，该加热装置，包括加热炉体、电加热单元、控制台、石英玻璃管、真空泵、密封阀、泄压阀以及对真空压力表，所述加热炉体的两侧壁均开设有与石英玻璃管外径匹配的通孔，所述通孔通过石棉盘封堵，所述电加热单元包括电连接的加热丝、电阻区、切换开关和电源，所述电阻区包括并联的NTC热敏电阻和PTC热敏电阻。采用本申请的加热装置和方法，一方面，可以使岩石试样在非真空、完全真空以及不同真空度状态下加热，另一方面，确保岩石试样的升温曲线与火灾发生时巷道围岩的真实升温曲线基本一致，从而可模拟煤矿井火灾发生后，巷道围岩的真实热损伤。

权利要求

1.一种模拟巷道围岩热损伤的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：取样、分组：将巷道围岩结构从表到内依次划分成非真空受热带、非完全真空受热带和完全真空受热带，并分别取样以及分组成非真空受热岩石试样组、非完全真空受热岩石试样组和完全真空受热岩石试样组；

S2：对各组岩石试样组分别加热：该加热装置包括加热炉体、对岩石试样进行加热的电加热单元、对加热过程进行控制的控制台、使岩石试样隔绝空气受热的石英玻璃管、对石英玻璃管进行抽真空的真空泵、使石英玻璃管处于密封状态的密封阀、对石英玻璃管进行泄压保护的泄压阀以及对石英玻璃管内压力进行测试的真空压力表，所述加热炉体的两侧壁均开设有与石英玻璃管外径匹配的通孔，所述通孔通过石棉盘封堵，所述电加热单元包括电连接的加热丝、电阻区、切换开关和电源，所述电阻区包括并联的NTC热敏电阻和PTC热敏电阻，所述切换开关与NTC热敏电阻和PTC热敏电阻之间择一电连接；对非真空受热岩石试样组加热时，将岩石试样放入加热炉体内，通过石棉盘封堵加热炉体两侧壁的通孔，启动电加热单元对岩石试样进行加热，将岩石试样加热至1000℃，然后保温2小时；对非完全真空受热岩体试样组加热时，将岩石试样放入石英玻璃管并用石棉塞将岩石试样的两端封堵，然后将石英玻璃管沿加热炉体侧壁的通孔插入加热炉体内，使试样处于加热炉体内的中心位置，将石英玻璃管内抽真空至设定的真空度后停止抽真空并关闭密封阀，启动电加热单元对岩石试样进行加热，将岩石试样加热至1000℃，然后保温2小时；对完全真空受热岩体试样组加热时，将岩石试样放入石英玻璃管并用石棉塞将岩石试样的两端封堵，然后将石英玻璃管沿加热炉体侧壁的通孔插入加热炉体内，使试样处于加热炉体内的中心位置，将石英玻璃管内完全抽真空后停止抽真空并关闭密封阀，启动电加热单元对岩石试样进行加热，将岩石试样加热至1000℃，然后保温2小时；

通过电加热单元对每组岩石试样进行加热的具体过程为：初始把切换开关调至与NTC热敏电阻电导通，此时加热电路随温度升高，总电阻减小，功率不断增大，加热速率也不断升高；当试样温度升至实际火灾时巷道围岩升温速率开始减小的临界温度时，把切换开关调至与PTC热敏电阻电导通，此时加热电路随温度升高，总电阻增大，功率不断减小，加热速率也不断降低。

2.根据权利要求1所述的模拟巷道围岩热损伤的方法，其特征在于：所述石英玻璃管内设置有对岩石试样的两端进行封堵的石棉塞。

3.根据权利要求2所述的模拟巷道围岩热损伤的方法，其特征在于：所述石棉盘通过螺栓与加热炉体侧壁可拆卸连接。

4.根据权利要求3所述的模拟巷道围岩热损伤的方法，其特征在于：所述密封阀设置在石英玻璃管与真空泵连接的一端，所述泄压阀和真空压力表设置在石英玻璃管的另一端。

5.根据权利要求4所述的模拟巷道围岩热损伤的方法，其特征在于：所述石英玻璃管的两端分别通过法兰连接有抽吸管道和泄压管道，所述密封阀和泄压阀分别设置在抽吸管道和泄压管道上，所述真空压力表安置在泄压管道上。

6.根据权利要求5所述的模拟巷道围岩热损伤的方法，其特征在于：所述法兰与石英玻璃管的连接处通过密封圈密封。

7.根据权利要求6所述的模拟巷道围岩热损伤的方法，其特征在于：所述加热丝为镍铬加热丝。

8.根据权利要求7所述的模拟巷道围岩热损伤的方法，其特征在于：所述NTC热敏电阻和PTC热敏电阻均由陶瓷材料制备。

9.根据权利要求1所述的模拟巷道围岩热损伤的方法，其特征在于：将非完全真空受热带分为－0.02MPa真空度受热带、－0.04MPa真空度受热带、－0.06MPa真空度受热带、－

0.08MPa真空度受热带，对每个真空度受热带的岩石取样、制样，并对每个真空度受热带的岩石试样采用非完全真空受热岩体试样组加热的方式加热，加热时，石英玻璃管内的抽真空度与受热带的真空度一一对应匹配。

说明书

一种模拟巷道围岩热损伤的加热装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及火灾后工程稳定性分析技术领域，具体为一种模拟巷道围岩热损伤的加热装置及方法。

背景技术

[0002] 煤矿火灾是影响煤矿安全生产的五大灾害之一，煤矿井巷发生火灾后，持续的高温环境会使围岩产生热损伤，使围岩强度降低，甚至导致围岩顶板垮落，严重危及煤矿井下
人员的生命安全。当矿井火灾发生后，在实验室内通过加热岩石试样模拟巷道围岩的热损
伤，然后对试样进行一系列物理力学实验，得出巷道围岩相对于火灾发生前物理力学性质
的变化，对指导巷道支护、分析围岩稳定性具有实际意义。

[0003] 当前实验室内模拟矿井火灾后巷道围岩的热损伤，通常是在普通加热炉中将岩石试样加热至800至1000度，待岩样冷却到室温后，利用核磁共振仪和MTS试验机等设备测试
其物理力学性质。然而当煤矿井巷发生火灾时，围岩的升温速率和受热环境均与试样在普
通加热炉内加热不同，具体体现在：1、火灾时井巷围岩的升温速率是先增大后减小，而试样
在普通加热炉中的升温速率恒定，无法再现火灾时井巷围岩的真实升温曲线；2、火灾时井
巷围岩实际是在三种环境中受热损伤，一是完全与空气接触的环境，这部分围岩在高温作
用下，其矿物成分与空气中的各种气体发生化学反应，因此是高温和化学反应共同作用，导
致围岩物理力学性质变化；二是完全隔绝空气的环境，在高温作用下，这部分围岩中的矿物
成分没有和空气中的气体成分发生化学反应，只有高温导致围岩物理力学性质变化；三是
介于完全接触和隔绝空气之间的环境，这部分围岩在加热时，随着围岩厚度的增加，真空度
逐渐减低，化学反应对围岩物理力学性质的影响也越来越弱；3、由于作用机理不同，井巷发
生火灾后，处在不同环境中围岩的物理力学性质会有差异，而试样在普通加热炉内加热，只
能模拟井巷火灾后，完全与空气接触那部分围岩的热损伤，不能模拟其它环境中围岩的热
损伤，更不能反映火灾后围岩整体的物理力学性质。

[0004] 当前有一种管式炉可以利用真空泵将管内抽真空，给试样提供一个真空加热环境，但管式炉一般是用在冶金、磨具等行业的真空加热设备，在岩石力学实验室很少有管式
炉设备，单独采购新的管式炉成本较高，很多岩石力学实验室还不具备在真空环境中加热
岩石试样的条件，而且管式炉与普通加热炉都是利用普通电阻丝加热，升温速率在加热过
程中均保持不变。

发明内容

[0005] 针对现有技术不足，本发明的目的之一在于提供一种模拟巷道围岩热损伤的加热装置，以便使岩石试样在近似真实的煤矿巷道火灾环境中加热，从而模拟巷道围岩真实的
热损伤。本发明的目的之二在于提供一种加热方法，该加热方法能够模拟矿井火灾发生后，
巷道周边处于不同真空度状态下围岩的热损伤，并且能够模拟巷道围岩在升温速率变化的
加热过程中的热损伤。

[0006] 本发明通过以下技术手段解决上述问题：

[0007] 一种模拟巷道围岩热损伤的加热装置，包括加热炉体、对岩石试样进行加热的电加热单元、对加热过程进行控制的控制台、使岩石试样隔绝空气受热的石英玻璃管、对石英
玻璃管进行抽真空的真空泵、使石英玻璃管处于密封状态的密封阀、对石英玻璃管进行泄
压保护的泄压阀以及对石英玻璃管内压力进行测试的真空压力表，所述加热炉体的两侧壁
均开设有与石英玻璃管外径匹配的通孔，所述通孔通过石棉盘封堵，所述电加热单元包括
电连接的加热丝、电阻区、切换开关和电源，所述电阻区包括并联的NTC热敏电阻和PTC热敏
电阻，所述切换开关与NTC热敏电阻和PTC热敏电阻之间择一电连接。

[0008] 进一步，所述石英玻璃管内设置有对岩石试样的两端进行封堵的石棉塞。

[0009] 进一步，所述石棉盘通过螺栓与加热炉体侧壁可拆卸连接。

[0010] 进一步，所述密封阀设置在石英玻璃管与真空泵连接的一端，所述泄压阀和真空压力表设置在石英玻璃管的另一端。

[0011] 进一步，所述石英玻璃管的两端分别通过法兰连接有抽吸管道和泄压管道，所述密封阀和泄压阀分别设置在抽吸管道和泄压管道上，所述真空压力表安置在泄压管道上。

[0012] 进一步，所述法兰与石英玻璃管的连接处通过密封圈密封。

[0013] 进一步，所述加热丝为镍铬加热丝。

[0014] 进一步，所述NTC热敏电阻和PTC热敏电阻均由陶瓷材料制备。

[0015] 一种采用上述的加热装置模拟巷道围岩火灾受热的方法，包括如下步骤：

[0016] S1：取样、分组：将巷道围岩结构从表到内依次划分成非真空受热带、非完全真空受热带和完全真空受热带，并分别取样以及分组成非真空受热岩石试样组、非完全真空受
热岩石试样组和完全真空受热岩石试样组；

[0017] S2：对各组岩石试样组分别加热：对非真空受热岩石试样组加热时，将岩石试样放入加热炉体内，通过石棉盘封堵加热炉体两侧壁的通孔，启动电加热单元对岩石试样进行
加热，将岩石试样加热至1000℃，然后保温2小时；对非完全真空受热岩体试样组加热时，将
岩石试样放入石英玻璃管并用石棉塞将岩石试样的两端封堵，然后将石英玻璃管沿加热炉
体侧壁的通孔插入加热炉体内，使试样处于加热炉体内的中心位置，将石英玻璃管内抽真
空至设定的真空度后停止抽真空并关闭密封阀，启动电加热单元对岩石试样进行加热，将
岩石试样加热至1000℃，然后保温2小时；对完全真空受热岩体试样组加热时，将岩石试样
放入石英玻璃管并用石棉塞将岩石试样的两端封堵，然后将石英玻璃管沿加热炉体侧壁的
通孔插入加热炉体内，使试样处于加热炉体内的中心位置，将石英玻璃管内完全抽真空后
停止抽真空并关闭密封阀，启动电加热单元对岩石试样进行加热，将岩石试样加热至1000
℃，然后保温2小时；

[0018] 通过电加热单元对每组岩石试样进行加热的具体过程为：初始把切换开关调至与NTC热敏电阻电导通，此时加热电路随温度升高，总电阻减小，功率不断增大，加热速率也不
断升高；当试样温度升至实际火灾时巷道围岩升温速率开始减小的临界温度时，把切换开
关调至与PTC热敏电阻电导通，此时加热电路随温度升高，总电阻增大，功率不断减小，加热
速率也不断降低。

[0019] 进一步，将非完全真空受热带分为－0.02MPa真空度受热带、－0.04MPa真空度受热带、－0.06MPa真空度受热带、－0.08MPa真空度受热带，对每个真空度受热带的岩石取
样、制样，并对每个真空度受热带的岩石试样采用非完全真空受热岩体试样组加热的方式
加热，加热时，石英玻璃管内的抽真空度与受热带的真空度一一对应匹配。

[0020] 本发明的有益效果：

[0021] 本发明公开了一种模拟巷道围岩热损伤的加热装置及方法，一方面，岩石试样通过加热炉体直接加热或者通过石英玻璃管加热并对石英玻璃管抽取不同的真空度，可以使
岩石试样在非真空、完全真空以及不同真空度状态下加热，另一方面，通过改造加热电路，
加热时，加热电路在串联NTC热敏电阻(电阻值随温度升高而减小)或串联PTC热敏电阻(电
阻值随温度升高而增大)之间切换，使岩石试样的升温速率先增大后减小，确保岩石试样的
升温曲线与火灾发生时巷道围岩的真实升温曲线基本一致，从而可模拟煤矿井火灾发生
后，巷道围岩的真实热损伤，对火灾发生后测试井巷围岩物理力学性质以及围岩稳定性分
析具有基础意义。

附图说明

[0022] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

[0023] 图1为本发明的加热装置的结构示意图；

[0024] 图2为电加热单元的示意图；

[0025] 图3为NTC、PTC热敏电阻的电阻值值随温度变化曲线；

[0026] 图4为不同真空度状态的围岩结构图。

具体实施方式

[0027] 以下将结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

[0028] 如图1‑2所示：本实施例提供了一种模拟巷道围岩热损伤的加热装置，包括加热炉体1、对岩石试样13进行加热的电加热单元、对加热过程进行控制的控制台7、使岩石试样13
隔绝空气受热的石英玻璃管6、对石英玻璃管6进行抽真空的真空泵8、使石英玻璃管6处于
密封状态的密封阀9、对石英玻璃管6进行泄压保护的泄压阀5以及对石英玻璃管6内压力进
行测试的真空压力表4。

[0029] 所述加热炉体1的两侧壁均开设有与石英玻璃管外径匹配的通孔11，所述通孔11通过石棉盘10封堵，所述石棉盘10通过螺栓与加热炉体1侧壁可拆卸连接。所述电加热单元
包括电连接的镍铬加热丝14、电阻区、切换开关18和电源17，所述电阻区包括并联的NTC热
敏电阻15和PTC热敏电阻16，所述切换开关18与NTC热敏电阻15和PTC热敏电阻16之间择一
电连接。

[0030] 所述石英玻璃管6内设置有对岩石试样的两端进行封堵的石棉塞12，石英玻璃管6的内径由岩石试样13决定，本实施例中，为满足国际岩石力学学会对岩石试样尺寸的要求，
岩石试样为直径50mm，高度100mm的圆柱形砂岩试样，因此选用的石英玻璃管内径为60mm；
加热炉体两侧壁的通孔间距为400mm，炉腔内的加热区间长度为250mm，试样两端的石棉塞
直径50mm，高度50mm，石英玻璃管的长度为700mm。真空压力表的最小刻度单位为0.01Mpa，
可以通过控制真空泵的工作时间调节石英玻璃管中的真空度。

[0031] 所述密封阀9设置在石英玻璃管6与真空泵8连接的一端，所述泄压阀5和真空压力表4设置在石英玻璃管6的另一端，具体来说，所述石英玻璃管6的两端分别通过法兰3连接
有抽吸管道和泄压管道，所述密封阀9和泄压阀5分别设置在抽吸管道和泄压管道上，所述
真空压力表4安置在泄压管道上，所述法兰3与石英玻璃管6的连接处通过密封圈2密封。

[0032] 所述NTC热敏电阻15和PTC热敏电阻16均由陶瓷材料制备，适用的温度范围为0‑1500℃。陶瓷制备的热敏电阻不具备加热功能，保证了加热电路更换热敏电阻后、加热炉内
温度不发生突变。

[0033] 采用上述的加热装置模拟巷道围岩火灾受热的方法，包括如下步骤：

[0034] S1：取样、分组：将巷道围岩结构从表到内依次划分成非真空受热带、非完全真空受热带和完全真空受热带，并分别取样以及分组成非真空受热岩石试样组、非完全真空受
热岩石试样组和完全真空受热岩石试样组；

[0035] S2：对各组岩石试样组分别加热：对非真空受热岩石试样组加热时，将岩石试样放入加热炉体内，通过石棉盘封堵加热炉体两侧壁的通孔，启动电加热单元对岩石试样进行
加热，将岩石试样加热至1000℃，然后保温2小时；对非完全真空受热岩体试样组加热时，将
岩石试样放入石英玻璃管并用石棉塞将岩石试样的两端封堵，然后将石英玻璃管沿加热炉
体侧壁的通孔插入加热炉体内，使试样处于加热炉体内的中心位置，将石英玻璃管内抽真
空至设定的真空度后停止抽真空并关闭密封阀，启动电加热单元对岩石试样进行加热，将
岩石试样加热至1000℃，然后保温2小时；对完全真空受热岩体试样组加热时，将岩石试样
放入石英玻璃管并用石棉塞将岩石试样的两端封堵，然后将石英玻璃管沿加热炉体侧壁的
通孔插入加热炉体内，使试样处于加热炉体内的中心位置，将石英玻璃管内完全抽真空后
停止抽真空并关闭密封阀，启动电加热单元对岩石试样进行加热，将岩石试样加热至1000
℃，然后保温2小时；

[0036] 通过电加热单元对每组岩石试样进行加热的具体过程为：初始把切换开关调至与NTC热敏电阻电导通，此时加热电路随温度升高，总电阻减小，功率不断增大，加热速率也不
断升高；如图3所示，当控制台显示试样温度升至实际火灾时巷道围岩升温速率开始减小的
临界温度时，把切换开关调至与PTC热敏电阻电导通，此时加热电路随温度升高，总电阻增
大，功率不断减小，加热速率也不断降低。

[0037] 进一步，如图4所示，将非完全真空受热带分为－0.02MPa真空度受热带、－0.04MPa真空度受热带、－0.06MPa真空度受热带、－0.08MPa真空度受热带，对每个真空度
受热带的岩石取样、制样，并对每个真空度受热带的岩石试样采用非完全真空受热岩体试
样组加热的方式加热，加热时，石英玻璃管内的抽真空度与受热带的真空度一一对应匹配。

[0038] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技
术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本
发明的权利要求范围当中。