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原文传递裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统与计算方法

专利名称：	裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统与计算方法
摘要：	本发明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。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	中国矿业大学
发明人：	万志军;王骏辉;程敬义;张源;熊路长;丁根荣
专利状态：	有效
申请日期：	2018-12-25T00:00:00+0800
发布日期：	2019-04-23T00:00:00+0800
申请号：	CN201811594504.5
公开号：	CN109668926A
代理机构：	徐州市淮海专利事务所
代理人：	李鹏
分类号：	G01N25/20(2006.01);G;G01;G01N;G01N25
申请人地址：	221000 江苏省徐州市大学路1号
主权项：	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)和水平保温板(9-3)皆包括两层硅酸铝保温层(91)和夹设在两层硅酸铝保温层(91)之间的二氧化碳气体层(92)，二氧化碳气体层(92)与保温板外表面安装的注气孔(93)连通，通过注气孔(93)向二氧化碳气体层(92)中注入二氧化碳气体。 9.一种裂隙岩体单元结构的等效导热系数计算方法，其特征在于，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(10-1-1)和一对弧形板Ⅱ(10-1-2)拼装成隔热环体(10-1)后，再将两块高导热盖板(10-2)从两侧分别覆盖住隔热环体(10-1)组成单裂隙渗流板(10)，两块高导热盖板(10-2)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(10)置于加热保温箱体(9)内部，并使两块弧形板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)的内端连通；步骤三：旋转可转动通水管(9-2-1)和单裂隙渗流板(10)，将单裂隙渗流板(10)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(9)内部，填满后将上方的水平保温板(9-3)盖合密封在箱壁上，通过注气孔(93)向水平保温板(9-3)、竖直保温板(9-2)的二氧化碳气体层(92)中注入二氧化碳气体；步骤四：打开稳压电源(14)，对加热电极(9-1-1)输入高电流，加热电极(9-1-1)对两块加热板(9-1)分别施加热流，两块加热板(9-1)上的热流密度分别为q1和q2，单位W/m2；步骤五：启动矿井水注入装置，将PH值为a的矿井水以流量Q1通过注入管(17)经未设置背压阀(13)一侧的竖直保温板(9-2)注入加热保温箱体(9)中的单裂隙渗流板(10)内，并从另一侧竖直保温板(9-2)中流出，设置背压阀(13)压力为P2，则出水管一侧的压力传感器(12)检测到的压力为P2，注入管(17)一侧的压力传感器(12)检测到的压力为P1；温度传感器(9-1-2)分别测量两块加热板(9-1)的温度，待温度恒定后，记录两块加热板(9-1)的温度分别为T1和T2；步骤六：通过计算得到在孔隙率Φ1的基质岩块、裂隙宽度b1、裂隙角度、矿井水PH值为a、裂隙水流量为Q1的工况条件下的裂隙单元的等效导热系数为：上式中，λ为等效导热系数，W/(m·K)；q1、q2分别为两块加热板(9-1)上的热流密度，传热时即为热流两端的热流密度；W/m2；T1、T2分别为两块加热板(9-1)的温度，传热时为热流两端的平均温度，K；L为两块加热板(9-1)彼此相对的表面之间的距离，m；步骤七：改变不同的工况条件，研究其他不同工况下的裂隙岩体单元结构的等效导热系数。 10.根据权利要求9所述的一种裂隙岩体单元结构的等效导热系数计算方法，其特征在于，所述步骤五中启动矿井水注入装置将矿井水注入加热保温箱体(9)中的具体步骤如下： ①冲液阶段：控制第六转换阀(V6)、第七转换阀(V7)、第二转换阀(V2)、第三转换阀(V3)打开，其余转换阀关闭，打开注液泵(4)将矿井水容器(3)中的矿井水泵入第一双向活塞缸(61)和第二双向活塞缸(62)中，此时矿井水会推动活塞移动并进入第一双向活塞缸(61)和第二双向活塞缸(62)中，活塞的移动位置信号可由位移传感器(7)采集到并传输至控制器，控制器根据位置信号判断冲液完成时，关闭第七转换阀(V7)、第三转换阀(V3)； ②启动恒压恒流双缸泵(1)，将冷水容器(2)中的水以恒定的流量通过输水管线注入双活塞容器驱动装置； ③控制打开第四转换阀(V4)、第八转换阀(V8)，此时恒压恒流双缸泵(1)注入冷水反向推动第二双向活塞缸(62)中的活塞、将其中的矿井水注入到加热保温箱体(9)中，此时第一双向活塞缸(61)处于等待状态； ④控制器根据第二双向活塞缸(62)的位移传感器(7)检测的位移信号判断第二双向活塞缸(62)向加热保温箱体(9)注水完成后，关闭第四转换阀(V4)、第八转换阀(V8)、第二转换阀(V2)、第六转换阀(V6)，打开第三转换阀(V3)、第七转换阀(V7)、第一转换阀(V1)、第五转换阀(V5)，此时矿井水会推动活塞移动并进入第二双向活塞缸(62)中，为第二双向活塞缸(62)补充矿井水，与此同时恒压恒流双缸泵(1)驱动冷水将第一双向活塞缸(61)中的矿井水继续注入加热保温箱体(9)中，控制补充矿井水的速度大于向后注水的速度，即第二双向活塞缸(62)的补充矿井水的过程先于第一双向活塞缸(61)向加热保温箱体(9)注水的过程完成； ⑤第二双向活塞缸(62)补充矿井水完成后立即处于待命状态，第一双向活塞缸(61)注水完成后利用第二双向活塞缸(62)注水，如此交替注入保证稳定的恒流注入。
所属类别：	发明专利