[发明专利]裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统与计算方法

说明书

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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明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，本发明采用的技术方案是：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；