裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统与计算方法技术方案

本发明专利技术公开了一种裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统与计算方法，在加热保温箱体中设有单裂隙渗流板，将提取的裂隙岩体单元结构模拟为由不同孔隙率的基质岩块和单裂隙构成，用岩石相似材料模拟基质岩块填充到加热保温箱体中的单裂隙渗流板周围设计出了裂隙岩体单元的等效导热系数测试系统，再通过调整单裂隙渗流板与热流方向的夹角可以模拟不同角度的单裂隙；改变试验条件后可以分析不同孔隙率基质岩块、不同角度的单裂隙、不同裂隙宽度、流体种类、不同裂隙内流体流量或压力梯度下的等效导热系数。本发明专利技术的装置和方法可以研究某孔隙率基质岩块和单裂隙水渗流条件下的裂隙岩体单元的等效导热系数，为整个裂隙岩体水热迁移研究奠定了基础。

Measuring System and Calculating Method of Equivalent Thermal Conductivity for Unit Structure of Fractured Rock Mass

The invention discloses an equivalent thermal conductivity testing system and calculation method for unit structure of fractured rock mass. A single fractured seepage plate is installed in the heating insulation box. The extracted unit structure of fractured rock mass is simulated as a matrix rock block with different porosity and a single fissure, and a rock similar material is used to simulate the surrounding of a single fissured seepage plate filled in the heating insulation box. The equivalent thermal conductivity testing system of fractured rock mass unit is calculated, and then the single fracture at different angles can be simulated by adjusting the angle between the seepage plate and the direction of heat flow. After changing the test conditions, the equivalent thermal conductivity system under different porosity matrix blocks, single fracture at different angles, different fracture width, fluid types, fluid flow rate or pressure gradient in different fractures can be analyzed. Number. The device and method of the invention can study the equivalent thermal conductivity of a fractured rock mass unit under the condition of a porous matrix rock block and a single fractured water seepage, and lay a foundation for the study of the water and heat transfer of the whole fractured rock mass.

【技术实现步骤摘要】
裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统与计算方法
本专利技术涉及一种测试装置与计算方法，具体是一种裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统与计算方法。
技术介绍
随着我国东部及部分中部矿井进入深地开采，面临高渗透水压力、高地应力、高地温的特殊开采条件，矿井热害越来越严重。造成深部岩体高温的原因不仅是因为地温梯度的升高，由于受采动影响，如图1所示，高地应力导致岩体裂隙发育，高渗透水压力使得矿井水沿裂隙网络运移，这个过程中伴随着热的迁移。裂隙岩体的传热模式主要包括，①基质岩块的热传导；②裂隙中流体的热传导和热对流，因为裂隙中流体热对流涉及到水-岩界面对流换热系数的确定问题，对流换热系数h是一个动态值，和流速v、隙宽b，水岩界面几何特征、水岩的热物理性质等有关，是个复杂的变量，目前对h的取值没有合适的经验公式或确定的理论，导致裂隙岩体渗流-传热问题研究起来较复杂。为使问题简化，可以考虑从裂隙岩体中提取含单裂隙的基本岩石单元，研究该含裂隙单元的等效导热系数，然而目前尚无较好的能够准确研究等效导热系数的办法，无法为裂隙岩体水-热迁移的研究提供理论基础。
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裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统与计算方法，可以精确研究得出不同基质岩块、不同裂隙及裂隙内流体的不同种类、不同流量条件下的等效导热系数，能够为裂隙岩体水-热迁移的研究提供理论基础。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统，包括加热保温箱体，所述加热保温箱体包括四块侧板围成的箱壁和从上方和下方封住箱壁的水平保温板，所述四块侧板包括相对设置的一组加热板和相对设置的一组竖直保温板，每块竖直保温板上从一侧表面向另一侧表面设有贯通孔，贯通孔中装有可转动通水管；每块加热板上皆设有一加热电极，所述加热电极通过一温度控制仪连接至稳压电源，所述加热板朝向加热保温箱体的内侧表面设有温度传感器；加热保温箱体中设有单裂隙渗流板，所述单裂隙渗流板包括隔热环体和从两侧覆盖住隔热环体的高导热盖板，所述隔热环体由两两相对设置的一对弧形板Ⅰ和一对弧形板Ⅱ围成，每块弧形板Ⅰ从外圈端面向内圈端面贯通设有渗流通孔；所述两块弧形板Ⅰ中的渗流通孔露出弧形板Ⅰ外圈端面的一端分别与两块竖直保温板上可转动通水管伸入加热保温箱体中的内端固定连通，且其中一个竖直保温板上的可转动通水管露出加热保温箱体的外端通过注入管与一矿井水注入装置连通，另一个竖直保温板上的可转动通水管露出加热保温箱体的外端通过一出水管连通至外部，出水管上设有背压阀；所述两块竖直保温板上的可转动通水管的外端分别设有一压力传感器；所述温度传感器、压力传感器分别连接至一数据采集器。矿井水注入装置可以采用一般的输水装置如水泵，由于矿井水是成分复杂的混合物，酸碱度不一且伴有杂质，直接用普通注水装置注入可能会造成注水装置内部精密器件的腐蚀或磨损、降低使用寿命，且用普通注水装置注水难以保证供水流量和供水压力的平稳。因此上述矿井水注入装置优选的可以包括液体恒压恒流高精度注入系统和双活塞容器驱动装置，其中所述液体恒压恒流高精度注入系统包括恒压恒流双缸泵和连接在恒压恒流双缸泵入口上的冷水容器；所述双活塞容器驱动装置包括并排设在一保护箱体中的第一双向活塞缸和第二双向活塞缸，所述第一双向活塞缸的一端开口通过输水管线分别连接至一第一转换阀、一第二转换阀的一端，第二转换阀的另一端连通至大气，所述第二双向活塞缸的一端开口通过输水管线分别连接至一第三转换阀、一第四转换阀的一端，第三转换阀的另一端连通至大气，第一转换阀的另一端、第四转换阀的另一端通过输水管线共同连接至恒压恒流双缸泵的出口；所述第一双向活塞缸的另一端开口通过输水管线分别连接至一第五转换阀、一第六转换阀的一端，第二双向活塞缸的另一端开口通过输水管线分别连接至一第七转换阀、一第八转换阀的一端，第六转换阀、第七转换阀的另一端通过输水管线共同连接至一注液泵的泵出口，注液泵的泵入口与一矿井水容器连接；第五转换阀、第八转换阀的另一端共同通过注入管与加热保温箱体连接。本专利技术可转动通水管露出加热保温箱体的外端周向上套设有一定位旋钮，定位旋钮外周上设有旋转角度刻度线。定位旋钮方便握持，旋转的同时观察旋转角度刻度线可精确调整单裂隙渗流板的转动角度，方便试验者设置单裂隙渗流板与热流方向的夹角，通过操作定位旋钮可以使得单裂隙渗流板与热流方向之间的夹角在0-360°范围内可调。优选的，所述弧形板Ⅰ和弧形板Ⅱ为聚四氟乙烯板，且相邻的弧形板Ⅰ和弧形板Ⅱ连接的部位设有插接结构，所述插接结构包括分别设在弧形板Ⅰ和弧形板Ⅱ上且可配合插接的两块插接板，两块插接板相对的接触面上设有密封条。采用插接结构连接牢固，且密封性更好，让热流传递路径为其中一块高导热盖板、裂隙水、另一块高导热盖板，杜绝出现热流“短路”的现象，保证热流传递正常。同时聚四氟乙烯板具有较强的稳定隔热性能。测量两个高导热盖板之间的距离增加了工作量，且会有一定误差，因此上述高导热盖板朝向隔热环体一侧的表面最好与其贴合的隔热环体侧面平齐，此时隔热环体的厚度即为裂隙的宽度，试验的裂隙宽度参数更精确。上述系统中，所述高导热盖板为圆形，高导热盖板的外圈通过周向均布的多个螺钉固定在隔热环体靠近内环的侧面上。高导热盖板覆盖在隔热环体的内环孔上后，多个螺钉穿过高导热盖板外圈上的螺纹孔并旋入隔热环体靠近内环的侧面中将高导热盖板固定在隔热环体侧面，固定更加稳固。进一步的，所述高导热盖板与隔热环体相接触的表面上设有密封结构；所述密封结构可以为密封环，密封环安装在隔热环体靠近内环的侧面上的安装槽中，通过螺钉给予预紧力后，可以保证两块高导热盖板与隔热环体之间的矿井水不会渗出。优选的，所述竖直保温板和水平保温板皆包括两层硅酸铝保温层和夹设在两层硅酸铝保温层之间的二氧化碳气体层，二氧化碳气体层与保温板外表面安装的注气孔连通，通过注气孔向二氧化碳气体层中注入二氧化碳气体。硅酸铝保温层的导热系数0.035W/(m·k)，二氧化碳气体层的导热系数为0.0137W/(m·k)，硅酸铝具有较强的隔热能力，且二氧化碳气体属于温室气体，具有保温功能、避免加热保温箱体内部的热量散失到外部影响实验的精确度。本专利技术还提供了一种裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统与计算方法，包括如下步骤：步骤一：对待研究矿井中的裂隙渗流出的矿井水进行收集、加入到矿井水容器中，对围岩岩石取样得到基质岩块，测量得出基质岩块的孔隙率Φ1、导热系数等特征参数；步骤二：将两两相对设置的一对弧形板Ⅰ和一对弧形板Ⅱ拼装成隔热环体后，再将两块高导热盖板从两侧分别覆盖住隔热环体组成单裂隙渗流板，两块高导热盖板彼此相对的表面之间的距离为裂隙宽度b1；将单裂隙渗流板置于加热保温箱体内部，并使两块弧形板Ⅰ中的渗流通孔露出弧形板Ⅰ外圈端面的一端分别与两块竖直保温板上可转动通水管伸入加热保温箱体的内端连通；步骤三：旋转可转动通水管和单裂隙渗流板，将单裂隙渗流板与热流方向之间的角度调至所需的数值，将与基质岩块具有相同孔隙率和导热系数的岩石相似材料加入加热保温箱体内部，填满后将上方的水平保温板盖合密封在箱壁上，通过注气孔向水平保温板、竖直保温板的二氧化碳气体层中注入二氧化碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统，其特征在于，包括加热保温箱体(9)，所述加热保温箱体(9)包括四块侧板围成的箱壁和从上方和下方封住箱壁的水平保温板(9‑3)，所述四块侧板包括相对设置的一组加热板(9‑1)和相对设置的一组竖直保温板(9‑2)，每块竖直保温板(9‑2)上从一侧表面向另一侧表面设有贯通孔，贯通孔中装有可转动通水管(9‑2‑1)；每块加热板(9‑1)上皆设有一加热电极(9‑1‑1)，所述加热电极(9‑1‑1)通过一温度控制仪(15)连接至稳压电源(14)，所述加热板(9‑1)朝向加热保温箱体(9)的内侧表面设有温度传感器(9‑1‑2)；加热保温箱体(9)中设有单裂隙渗流板(10)，所述单裂隙渗流板(10)包括隔热环体(10‑1)和从两侧覆盖住隔热环体(10‑1)的高导热盖板(10‑2)，所述隔热环体(10‑1)由两两相对设置的一对弧形板Ⅰ(10‑1‑1)和一对弧形板Ⅱ(10‑1‑2)围成，每块弧形板Ⅰ(10‑1‑1)从外圈端面向内圈端面贯通设有渗流通孔(10‑1‑1a)；所述两块弧形板Ⅰ(10‑1‑1)中的渗流通孔(10‑1‑1a)露出弧形板Ⅰ(10‑1‑1)外圈端面的一端分别与两块竖直保温板(9‑2)上可转动通水管(9‑2‑1)伸入加热保温箱体(9)中的内端固定连通，且其中一个竖直保温板(9‑2)上的可转动通水管(9‑2‑1)露出加热保温箱体(9)的外端通过注入管(17)与一矿井水注入装置连通，另一个竖直保温板(9‑2)上的可转动通水管(9‑2‑1)露出加热保温箱体(9)的外端通过一出水管连通至外部，出水管上设有背压阀(13)；所述两块竖直保温板(9‑2)上的可转动通水管(9‑2‑1)的外端分别设有一压力传感器(12)；所述温度传感器(9‑1‑2)、压力传感器(12)分别连接至一数据采集器。...

【技术特征摘要】
1.一种裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统，其特征在于，包括加热保温箱体(9)，所述加热保温箱体(9)包括四块侧板围成的箱壁和从上方和下方封住箱壁的水平保温板(9-3)，所述四块侧板包括相对设置的一组加热板(9-1)和相对设置的一组竖直保温板(9-2)，每块竖直保温板(9-2)上从一侧表面向另一侧表面设有贯通孔，贯通孔中装有可转动通水管(9-2-1)；每块加热板(9-1)上皆设有一加热电极(9-1-1)，所述加热电极(9-1-1)通过一温度控制仪(15)连接至稳压电源(14)，所述加热板(9-1)朝向加热保温箱体(9)的内侧表面设有温度传感器(9-1-2)；加热保温箱体(9)中设有单裂隙渗流板(10)，所述单裂隙渗流板(10)包括隔热环体(10-1)和从两侧覆盖住隔热环体(10-1)的高导热盖板(10-2)，所述隔热环体(10-1)由两两相对设置的一对弧形板Ⅰ(10-1-1)和一对弧形板Ⅱ(10-1-2)围成，每块弧形板Ⅰ(10-1-1)从外圈端面向内圈端面贯通设有渗流通孔(10-1-1a)；所述两块弧形板Ⅰ(10-1-1)中的渗流通孔(10-1-1a)露出弧形板Ⅰ(10-1-1)外圈端面的一端分别与两块竖直保温板(9-2)上可转动通水管(9-2-1)伸入加热保温箱体(9)中的内端固定连通，且其中一个竖直保温板(9-2)上的可转动通水管(9-2-1)露出加热保温箱体(9)的外端通过注入管(17)与一矿井水注入装置连通，另一个竖直保温板(9-2)上的可转动通水管(9-2-1)露出加热保温箱体(9)的外端通过一出水管连通至外部，出水管上设有背压阀(13)；所述两块竖直保温板(9-2)上的可转动通水管(9-2-1)的外端分别设有一压力传感器(12)；所述温度传感器(9-1-2)、压力传感器(12)分别连接至一数据采集器。2.根据权利要求1所述的裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统，其特征在于，所述矿井水注入装置包括液体恒压恒流高精度注入系统和双活塞容器驱动装置，所述液体恒压恒流高精度注入系统包括恒压恒流双缸泵(1)和连接在恒压恒流双缸泵(1)入口上的冷水容器(2)；所述双活塞容器驱动装置包括并排设在一保护箱体(8)中的第一双向活塞缸(61)和第二双向活塞缸(62)，所述第一双向活塞缸(61)的一端开口通过输水管线分别连接至一第一转换阀(V1)、一第二转换阀(V2)的一端，第二转换阀(V2)的另一端连通至大气，所述第二双向活塞缸(62)的一端开口通过输水管线分别连接至一第三转换阀(V3)、一第四转换阀(V4)的一端，第三转换阀(V3)的另一端连通至大气，第一转换阀(V1)的另一端、第四转换阀(V4)的另一端通过输水管线共同连接至恒压恒流双缸泵(1)的出口；所述第一双向活塞缸(61)的另一端开口通过输水管线分别连接至一第五转换阀(V5)、一第六转换阀(V6)的一端，第二双向活塞缸(62)的另一端开口通过输水管线分别连接至一第七转换阀(V7)、一第八转换阀(V8)的一端，第六转换阀(V6)、第七转换阀(V7)的另一端通过输水管线共同连接至一注液泵(4)的泵出口，注液泵(4)的泵入口与一矿井水容器(3)连接；第五转换阀(V5)、第八转换阀(V8)的另一端共同通过注入管(17)与加热保温箱体(9)连接。3.根据权利要求1或2所述的裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统，其特征在于，可转动通水管(9-2-1)露出加热保温箱体(9)的外端周向上套设有一定位旋钮(9-2-2)，定位旋钮(9-2-2)外周上设有旋转角度刻度线。4.根据权利要求1或2所述的裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统，其特征在于，所述弧形板Ⅰ(10-1-1)和弧形板Ⅱ(10-1-2)为聚四氟乙烯板，且相邻的弧形板Ⅰ(10-1-1)和弧形板Ⅱ(10-1-2)连接的部位设有插接结构，所述插接结构包括分别设在弧形板Ⅰ(10-1-1)和弧形板Ⅱ(10-1-2)上且可配合插接的两块插接板(11-1)，两块插接板(11-1)相对的接触面上设有密封条(11-2)。5.根据权利要求1或2所述的裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统，其特征在于，所述高导热盖板(10-2)朝向隔热环体(10-1)一侧的表面与其贴合的隔热环体(10-1)侧面平齐。6.根据权利要求1或2所述的裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统，其特征在于，所述高导热盖板(10-2)为圆形，高导热盖板(10-2)的外圈通过周向均布的多个螺钉(10-2-1)固定在隔热环体(10-1)靠近内环的侧面上。7.根据权利要求6所述的裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统，其特征在于，所述高导热盖板(10-2)与隔热环体(10-1)相接触的表面上设有密封结构(10-2-2)；所述密封结构(10-2-2)为密封环，密封环安装在隔热环体(10-1)靠近内环的侧面上的安装槽(10-2-2a)中。8.根据权利要求1或2所述的裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统，其特征在于，所述竖直保温板(9-2...

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