一种裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量装置与测量方法制造方法及图纸

技术编号:20220414 阅读:27 留言:0更新日期:2019-01-28 19:23
本发明专利技术公开了一种裂隙试样渗流‑传热过程中的数据测量装置与测量方法,在进行单裂隙试件渗流‑传热试验过程中通过入口假岩芯的检测通道中的测温线可测得裂隙入口水温Tin2,出口假岩芯的检测通道中的测温线可实时测得裂隙出口水温Tout、通孔中的测温线可实测裂隙内沿程水温Tf、沉孔中的测温线可实测裂隙沿程内表面岩温Ti;通过设计的裂隙隙宽测量装置可以准确测量到裂隙隙宽b的变化量,垂直裂隙面的探头紧贴试样的外表面,消除了胶套变形产生的影响,大大消除了测量误差。本发明专利技术对夹持器入口端进行了特别设计,在入口端预先进行温度标定,先研究夹持器入口水温和裂隙入口水温在不同环境状态下的关系,从而可以准确控制裂隙入口水温达到标准设计值。

【技术实现步骤摘要】
一种裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量装置与测量方法
本专利技术涉及一种测量装置,具体是一种裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量装置与测量方法,属于矿山地热与热害防治领域。
技术介绍
随着我国东部及部分中部地区进入深地开采,高地温矿井越来越普遍,针对深循环上升地下水引起的高热异常矿井,其地热资源进行主动利用或被动防治成为绿色矿山新方向。该课题需要解决的关键科学问题包括岩体裂隙网络中水-热迁移特性研究,其中进行单裂隙岩样渗流过程中的传热试验研究是基础工作。研究时可将岩样装入夹持部件中,对相关参数进行测量,继而通过计算和规律总结得到岩体裂隙网络中水-热迁移特性。在实际工作中发现,水流进入夹持部件后会明显受到传热的影响,导致夹持部件入口水温与进入岩样的裂隙入口水温会有很大的不同,在这种情况下如果简单的以夹持部件入口水温来代表裂隙入口水温会有很大的误差。另外,在当前对于单裂隙岩石试样渗流过程中的传热问题的研究中,基本都视岩样内部温度为黑箱,即对裂隙沿程水温和裂隙沿程内表面岩温是不做研究的,且裂隙的隙宽b的测量也存在较大的误差。综上,由于试验变量的不统一、对岩石内部温度情况不了解等都将导致单裂隙渗流过程中的传热问题研究不充分,无法为生产实际提供足够的参考价值。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题,本专利技术的目的是提供一种能够准确测量裂隙入口水温,且能够对岩样内部温度和裂隙变化情况准确了解的裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量装置与测量方法。为实现上述目的,本专利技术采用的技术方案是:一种裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量装置,包括夹持器,所述夹持器包括套筒,所述套筒中与其同轴设有胶套,套筒内壁与胶套外壁之间设有围压腔,且套筒外设有围压加载装置;一入口假岩芯和一入口堵头依次从夹持器的入口侧塞入胶套中,且夹持器的入口侧设有入口端盖,一出口假岩芯和一出口堵头依次从夹持器的出口侧塞入胶套中,所述入口假岩芯和出口假岩芯沿各自中轴线分别设有水流通道,且入口假岩芯和出口假岩芯彼此相对的侧面上各自从中心沿径向发散设有多个渗流槽;所述入口堵头中与其中轴线平行设有两条水流通孔,一条水流通孔通过管线Ⅰ连通至外部注水装置,管线Ⅰ上设有阀门Ⅰ和温度传感器,另一条水流通孔通过管线Ⅱ连通至外部,管线Ⅱ上设有阀门Ⅱ;所述入口假岩芯、出口假岩芯、胶套围成的空腔中设有单裂隙试样,单裂隙试样中沿其长度方向间隔分布设有多个测试孔组,所述测试孔组包括一从单裂隙试样外壁沿其径向通至裂隙面的通孔和一从单裂隙试样外壁向内开设的沉孔,所述沉孔的底部靠近裂隙面;所述入口假岩芯和出口假岩芯中各自以水流通道为起点沿径向延伸设有检测通道,所述各检测通道、通孔和沉孔中皆设有测温线,所述测温线皆通过出口堵头中设置的布线槽共同引出夹持器,所述出口堵头中心沿其轴向设有水流引出孔,水流引出孔露出出口堵头的一端通过出水管连接至一出水流量计,所述出水管上设有三通阀和背压阀;所述套筒外部设有隙宽测量装置,所述隙宽测量装置的探头垂直于裂隙面穿过套筒和胶套并顶住单裂隙试样的外壁;所述温度传感器、测温线引出夹持器的端部、隙宽测量装置、出水流量计共同连接至一数据采集器上。优选的,所述围压加载装置包括环压泵和加热套,所述加热套套在套筒上,套筒上设有进油孔和出油孔,进油孔和出油孔皆从围压腔通至套筒外部;所述环压泵的出口连接一加压管路,所述加压管路穿过加热套并连接至进油孔上,出油孔上连接一卸压管路,卸压管路穿过加热套并通至大气中,所述加压管路上设有开关,卸压管路上设有排气阀。加热套可以具备测温功能,可以实时测量加热到的温度;加热套还可采用电加热,具有较高的加热效率,先加热套筒,热量会由套筒向内传输至压力油、胶套并传至单裂隙试样表面。上述围压加载装置还包括一循环泵,循环泵的一端通过循环阀Ⅰ连接至加压管路上,所述卸压管路在出油孔和排气阀之间设有循环阀Ⅱ,循环泵的另一端连接至排气阀与循环阀Ⅱ之间的卸压管路段。循环泵可对围压腔中的压力油进行持续循环,避免传热导致不同位置的油温出现差异,保证围压腔中的压力油各处油温均匀;循环泵具有加热功能时还可以对压力油因传热至水流损失的热量及时补偿,保证单裂隙试样外表面温度始终稳定。进一步的,出口假岩芯朝向出口堵头的侧面环绕水流通道设有一O型圈,O型圈设在出口假岩芯与出口堵头之间,可以有效防止从水流通道流出的水直接进入布线槽中损坏测温线。优选的,布线槽露出夹持器的槽口上设有耐压软垫,所述耐压软垫由三层软垫材料组成,分别为聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚酰亚胺材料,测温线穿过耐压软垫并引出夹持器,耐压软垫具有耐压的特点,可以紧紧固定住测温线。优选的,隙宽测量装置包括LVDT位移传感器,隙宽测量平台的探头与LVDT位移传感器连接,能够根据隙宽选择量程,可以测量试样裂隙的垂直变形量△b,且LVDT位移传感器连接至数据采集器上。为了减少水流从夹持器入口流入裂隙的热量损失,所述入口端盖设计为中空结构,入口堵头采用非金属聚酰亚胺材料,入口假岩芯采用聚四氟乙烯材料,采用这样的材料导热效率低,进一步缩小了夹持器入口水温与夹持器中的裂隙入口水温之间的差值,也尽可能减少了夹持器入口端压力油的温度对水流的传热影响。本专利技术还公开了一种裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量方法,包括如下步骤:步骤一:用砂线切割机将岩石切割为具有某一粗糙特征的单裂隙试样,并用0.8mm钻头从单裂隙试样表面向内间隔钻设多个通孔和沉孔,沉孔的底部靠近裂隙面,孔径1mm,将测温线分别置入通孔、沉孔和检测通道中,再将单裂隙试样装入夹持器中,并使隙宽测量装置的探头垂直于裂隙面,测温线皆通过出口堵头中设置的布线槽引出夹持器本体并连接至数据采集器;步骤二:打开开关、排气阀、循环阀Ⅱ,关闭循环阀Ⅰ,再驱动环压泵排出围压腔中的空气,关闭排气阀,向围压腔内加入压力油施加围压σ3并测出该围压下裂隙的变形为Δb,可以知道在围压σ3条件下的裂隙隙宽为b0-Δb;关闭开关稳压后用加热套加热夹持器至目标温度T0,同时打开循环阀Ⅰ,循环泵进行工作,将围压腔中的压力油抽出进行循环加热保持均温;温度稳定后,在热量传递作用下单裂隙试样外表面温度、围压腔中的压力油温度均与夹持器表面温度一致,均为T0;步骤三:开启外部注水装置,向管线Ⅰ中注入流量Q、温度为Tin1的水流,此时夹持器入口水温即为Tin1;关闭夹持器出水管上的三通阀,打开阀门Ⅱ,此时水流经管线Ⅰ进入入口堵头并经入口假岩芯的水流通道进入裂隙面,由于三通阀被关闭,水流会从入口堵头的另一条水流通孔流出、经管线Ⅱ排出夹持器,入口假岩芯的检测通道中的测温线测得的温度即为裂隙入口水温Tin2,温度传感器监测到的温度为夹持器入口水温Tin1;对夹持器入口水温Tin1和裂隙入口水温Tin2在不同的流量Q、单裂隙试样外表面温度T0条件下的关系进行标定,得出Tin2与Tin1之间的关系,据此保证Tin2与设计值一致;步骤四:需要研究在某一裂隙入口水温Tin2、裂隙隙宽为b0-Δb、单裂隙试样外表面温度T0、流量Q下的传热情况时,先依据上述步骤三的Tin2与Tin1的关系得到该工况下的Tin1值;再控制外部注水装置将温度为Tin1的水流以流量Q注入,水流从管线Ⅱ流出,当温度传感器检测温度达到Tin1时,打开三通阀、关闭阀门Ⅱ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种裂隙试样渗流‑传热过程中的数据测量装置,包括夹持器,其特征在于,所述夹持器包括套筒(9),所述套筒(9)中与其同轴设有胶套(10),套筒(9)内壁与胶套(10)外壁之间设有围压腔,且套筒(9)外设有围压加载装置;一入口假岩芯(12)和一入口堵头(11)依次从夹持器的入口侧塞入胶套(10)中,且夹持器的入口侧设有入口端盖(15),一出口假岩芯(34)和一出口堵头(35)依次从夹持器的出口侧塞入胶套(10)中,所述入口假岩芯(12)和出口假岩芯(34)沿各自中轴线分别设有水流通道(40),且入口假岩芯(12)和出口假岩芯(34)彼此相对的侧面上各自从中心沿径向发散设有多个渗流槽(37);所述入口堵头(11)中与其中轴线平行设有两条水流通孔,一条水流通孔通过管线Ⅰ(33)连通至外部注水装置,管线Ⅰ(33)上设有阀门Ⅰ(33‑1)和温度传感器(18),另一条水流通孔通过管线Ⅱ(32)连通至外部,管线Ⅱ(32)上设有阀门Ⅱ(32‑1);所述入口假岩芯(12)、出口假岩芯(34)、胶套(10)围成的空腔中设有单裂隙试样(13),单裂隙试样(13)中沿其长度方向间隔分布设有多个测试孔组,所述测试孔组包括一从单裂隙试样(13)外壁沿其径向通至裂隙面(13‑3)的通孔(13‑1)和一从单裂隙试样(13)外壁向内开设的沉孔(13‑2),所述沉孔(13‑2)的底部靠近裂隙面(13‑3);所述入口假岩芯(12)和出口假岩芯(34)中各自以水流通道(40)为起点沿径向延伸设有检测通道(50),所述各检测通道(50)、通孔(13‑1)和沉孔(13‑2)中皆设有测温线(21),所述测温线(21)皆通过出口堵头(35)中设置的布线槽(17)共同引出夹持器,所述出口堵头(35)中心沿其轴向设有水流引出孔(35‑1),水流引出孔(35‑1)露出出口堵头(35)的一端通过出水管连接至一出水流量计(60),所述出水管上设有三通阀(31)和背压阀(19);所述套筒(9)外部设有隙宽测量装置(14),所述隙宽测量装置(14)的探头(14‑1)垂直于裂隙面(13‑3)穿过套筒(9)和胶套(10)并顶住单裂隙试样(13)的外壁;所述温度传感器(18)、测温线(21)引出夹持器的端部、隙宽测量装置(14)、出水流量计(60)共同连接至一数据采集器(70)上。...

【技术特征摘要】
1.一种裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量装置,包括夹持器,其特征在于,所述夹持器包括套筒(9),所述套筒(9)中与其同轴设有胶套(10),套筒(9)内壁与胶套(10)外壁之间设有围压腔,且套筒(9)外设有围压加载装置;一入口假岩芯(12)和一入口堵头(11)依次从夹持器的入口侧塞入胶套(10)中,且夹持器的入口侧设有入口端盖(15),一出口假岩芯(34)和一出口堵头(35)依次从夹持器的出口侧塞入胶套(10)中,所述入口假岩芯(12)和出口假岩芯(34)沿各自中轴线分别设有水流通道(40),且入口假岩芯(12)和出口假岩芯(34)彼此相对的侧面上各自从中心沿径向发散设有多个渗流槽(37);所述入口堵头(11)中与其中轴线平行设有两条水流通孔,一条水流通孔通过管线Ⅰ(33)连通至外部注水装置,管线Ⅰ(33)上设有阀门Ⅰ(33-1)和温度传感器(18),另一条水流通孔通过管线Ⅱ(32)连通至外部,管线Ⅱ(32)上设有阀门Ⅱ(32-1);所述入口假岩芯(12)、出口假岩芯(34)、胶套(10)围成的空腔中设有单裂隙试样(13),单裂隙试样(13)中沿其长度方向间隔分布设有多个测试孔组,所述测试孔组包括一从单裂隙试样(13)外壁沿其径向通至裂隙面(13-3)的通孔(13-1)和一从单裂隙试样(13)外壁向内开设的沉孔(13-2),所述沉孔(13-2)的底部靠近裂隙面(13-3);所述入口假岩芯(12)和出口假岩芯(34)中各自以水流通道(40)为起点沿径向延伸设有检测通道(50),所述各检测通道(50)、通孔(13-1)和沉孔(13-2)中皆设有测温线(21),所述测温线(21)皆通过出口堵头(35)中设置的布线槽(17)共同引出夹持器,所述出口堵头(35)中心沿其轴向设有水流引出孔(35-1),水流引出孔(35-1)露出出口堵头(35)的一端通过出水管连接至一出水流量计(60),所述出水管上设有三通阀(31)和背压阀(19);所述套筒(9)外部设有隙宽测量装置(14),所述隙宽测量装置(14)的探头(14-1)垂直于裂隙面(13-3)穿过套筒(9)和胶套(10)并顶住单裂隙试样(13)的外壁;所述温度传感器(18)、测温线(21)引出夹持器的端部、隙宽测量装置(14)、出水流量计(60)共同连接至一数据采集器(70)上。2.根据权利要求1所述的裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量装置,其特征在于,所述围压加载装置包括环压泵(23)和加热套(25),所述加热套(25)套在套筒(9)上,套筒(9)上设有进油孔(9-1)和出油孔(9-2),进油孔(9-1)和出油孔(9-2)皆从围压腔通至套筒(9)外部;所述环压泵(23)的出口连接一加压管路,所述加压管路穿过加热套(25)并连接至进油孔(9-1)上,出油孔(9-2)上连接一卸压管路,卸压管路穿过加热套(25)并通至大气中,所述加压管路上设有开关(26),卸压管路上设有排气阀(28)。3.根据权利要求2所述的裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量装置,其特征在于,还包括一循环泵(24),循环泵(24)的一端通过循环阀Ⅰ(27)连接至加压管路上,所述卸压管路在出油孔(9-2)和排气阀(28)之间设有循环阀Ⅱ(29),循环泵(24)的另一端连接至排气阀(28)与循环阀Ⅱ(29)之间的卸压管路段。4.根据权利要求1所述的裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量装置,其特征在于,所述出口假岩芯(34)朝向出口堵头(35)的侧面环绕水流通道(40)设有一O型圈(38),O型圈(38)设在出口假岩芯(34)与出口堵头(35)之间。5.根据权利要求1所述的裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量装置...

【专利技术属性】
技术研发人员:万志军王骏辉张源丁根荣程敬义陈建
申请(专利权)人:中国矿业大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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