CN102998332A - 破碎岩体宏观热物性参数的测试系统与方法 - Google Patents

Abstract

一种岩体热物性参数的现场测试系统，钻孔将加热棒埋入在岩体内，加热棒与恒功率电源连接，在加热棒周围岩体的不同位置布置有多个测量孔，测量孔内设有温度传感器，所述的加热棒和温度传感器还与温度—时间记录仪连接。一种采用上述的系统获取岩体热物性参数的方法，包括以下步骤：一、在岩体中钻孔埋设加热棒，以恒定功率加热岩体；二、在岩体不同位置埋设温度传感器，记录不同时刻下岩体的温度响应（温度-时间曲线）；三、用实测岩体的温度-时间曲线拟合测试系统的传热模型求得岩体的热物性参数；通过上述步骤获得岩体热物性参数。本发明和原有的取样法相比，测试对象的尺度大，测得的热物性参数反映了现场岩体的宏观热物理特性。

Description

破碎岩体宏观热物性参数的测试系统与方法

技术领域

本发明涉及一种岩体热物性参数的现场测试系统与方法，本发明尤其适用于含有固体、裂隙、气体、液体等多相混合的大体积不连续介质，如岩体的热物性参数现场测定。 

背景技术

目前岩体的热物性参数的方法有取样法和反演法。其中取样法是对现场采集样本,通过室内试验测定样本的热物性参数，实际上测定的是岩石的热物性参数而非岩体的热物性参数。因为岩体通常包含填充有空气、水等介质裂隙，所以测得的热物性参数忽略了岩体裂隙的影响，不能表征岩体实际的热物理特性。反演法是在现场监测岩体的温度场后，采用数值软件计算现场温度边界条件下不同导热系数材料的温度场，选择其中与现场测得温度场最接近时的导热系数作为岩体的导热系数。其缺点是测试周期长且测试结果有较大的不确定性：1.测试周期从十几天至一个月，测试期间现场不确定因素对测试结果的扰动大，因此反演得到的岩体导热系数具有较大的不确定性；2.仅能测定岩体的导热系数，无法得到岩体的热扩散系数和比热。 

中国专利201010605803.1公开了一种钻入式原位分层测试岩土热物性参数的方法及所用装置，通过设置在探针管内的加热丝和热电偶获得分层岩土层的热物性参数，用以克服因分层样品变形后而造成岩土体导热系数变小，从而测试数据不真实的技术的问题。存在的问题是，由于加热丝和热电偶设于同一个针管内，即便采用填充低热容材料的技术手段，但是仍然很难避免加热丝与热电偶在针管内的互相干扰，因此测试数据很难确保精确。而且采用本发明的装置也仅能测量沿探针管的岩土体导热系数，由于多加热源的原因，对于多个点的岩土体导热系数难以确保数据的准确。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种岩体热物性参数的现场测试系统与方法，可以方便准确获取岩体热物性参数，且适用于岩体包含有裂隙，裂隙中填充有空气、水等介质的情况。 

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种岩体热物性参数的现场 测试系统，钻孔将加热棒埋入在岩体内，加热棒与恒功率电源连接，在加热棒周围岩体的不同位置布置有多个测量孔，测量孔内设有温度传感器，所述的加热棒和温度传感器还与温度—时间记录仪连接。 

所述的测量孔内设有多个温度传感器。 

所述的多个温度传感器在测量孔内均布。 

一种采用上述的系统获取岩体热物性参数的方法，包括以下步骤： 

一、在岩体中钻孔埋设加热棒，以恒定功率加热岩体； 

二、在岩体不同位置埋设温度传感器，记录不同时刻下岩体的温度响应（温度-时间曲线）； 

三、用实测岩体的温度-时间曲线拟合测试系统的传热模型求得岩体的热物性参数； 

通过上述步骤获得岩体热物性参数。 

在测试开始前读取环境气温及不同深度处的围岩温度，并设定加热棒的功率。 

测试开始后定时读取测温孔内温度传感器的读数。 

优化的方案中，采用以下的传热模型： 

假定介质的热物性参数为(λ_ini,α_ini)，根据下式计算岩体中相应位置在t_i时刻的温度响应T_cal(t_i)； 

$T_{\mathrm{cal}}=T_0+\frac{q}{4\mathrm{\π\λ}}{\∫}_0^H(\frac{\mathrm{erfc}\left[\frac{\sqrt{r^2+{(z-h)}^2}}{2\sqrt{\mathrm{at}}}\right]}{\sqrt{r^2+{(z-h)}^2}}-\frac{\mathrm{erfc}\left[\frac{\sqrt{r^2+{(z+h)}^2}}{2\sqrt{\mathrm{at}}}\right]}{\sqrt{r^2+{(z+h)}^2}})\mathrm{dh};$

其中erfc（x）是余误差函数，为： 

$\mathrm{erfc}\left(x\right)=1-\frac{2}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^x\exp \left({-u}^2\right)\mathrm{du};$

式中：r为M点与电热棒的水平距离； 

z为M点与地表的距离； 

T₀为M点的初始温度； 

T_cal为t时刻的温度值； 

λ为介质的导热系数(W/m*K)； 

a为介质的热扩散系数（m²/s）。 

定义函数f(λ,α)，为t₁到t_n时刻实测值T_test(t_i)与计算值T_cal(t_i)残差的平方和， 即： 

$f(\mathrm{\λ},\mathrm{\α})=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_{\mathrm{test}}\left(t_i\right)-T_{\mathrm{cal}}\left(t_i\right))}^2;$

调整λ和a的值使f(λ,α)最小，此时计算模型的曲线和测试数据最接近，相应的λ和a就是介质的导热系数λ和热扩散系数a。 

根据勘察报告提供的岩体密度ρ根据下式计算岩体的比热： 

$C=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ρa}};$

式中：ρ为介质的密度(kg/m^-3)； 

C为介质的比热(kJ/(kg*K)； 

λ为介质的导热系数(W/m*K)； 

a为介质的热扩散系数（m²/s）。 

本发明提供的一种岩体热物性参数的现场测试系统与方法，通过在现场对岩体进行加热，测试岩体的温度响应（温度-时间曲线），并根据实测温度-时间曲线拟合测试系统的传热模型求得岩体的热物性参数。本发明测试对象为岩体，和原有的取样法相比，测试对象的尺度大，测得的热物性参数反映了岩体的宏观热物理特性。本发明测试周期在一天以内，相比原有的反演法，排除了现场不确定因素的干扰，具有更高的准确性，且测试能够得到岩体的导热系数、热扩散系数、比热，为围岩温度场分析提供了切实可靠的依据。该测试方法成本低、操作简便、耗时少，具有很高的实用性。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明： 

图1为本发明的加热棒的埋设示意图。 

图2为本发明中的加热棒和测量孔的布置示意图。 

图3为本发明中加热棒和温度传感器的整体埋设示意图。 

图中：加热棒1，测量区域2，测量孔3，加热孔4，温度传感器5，温度-时间记录仪6。 

具体实施方式

一种岩体热物性参数的现场测试系统，钻孔将加热棒1埋入在岩体内，加热棒1与恒功率电源连接，在加热棒1周围岩体的不同位置布置有多个测量孔3，测量孔3内设有温度传感器5，所述的加热棒1和温度传感器5还与温度-时间记录仪6连接。 

优化的方案中，所述的测量孔3内设有多个温度传感器5。 

所述的多个温度传感器5在测量孔3内均布。 

一种采用上述的系统获取岩体热物性参数的方法，包括以下步骤： 

一、在岩体中钻孔埋设加热棒1,以恒定功率加热岩体； 

二、在岩体不同位置埋设温度传感器5，优化的方案中，在隧道中选取较平整区域，钻孔埋设电加热棒以及温度传感器。记录不同时刻下岩体的温度响应（温度-时间曲线）；在测试开始前读取环境气温及不同深度处的围岩温度，并设定加热棒1的功率。测试开始后定时读取测温孔内温度传感器的读数。 

三、用实测岩体的温度-时间曲线拟合测试系统的传热模型求得岩体的热物性参数； 

通过上述步骤获得岩体热物性参数。 

优化的方案中，采用以下的传热模型： 

如图1中所示，本例以隧道开挖为例进行说明，将隧道开挖后的岩体视为半无限大均匀介质。在岩体中埋设细长的电加热棒，当电热棒以恒定功率q(W/m)放热时，岩体的温度随时间的变化规律由导热系数λ与热扩散系数a决定，岩体中任意一点M(r，z)的温度响应可由下式[1]计算： 

假定介质的热物性参数为(λ_ini,α_ini)，根据下式计算岩体中相应位置在t_i时刻的温度响应T_cal(t_i)； 

$T_{\mathrm{cal}}=T_0+\frac{q}{4\mathrm{\π\λ}}{\∫}_0^H(\frac{\mathrm{erfc}\left[\frac{\sqrt{r^2+{(z-h)}^2}}{2\sqrt{\mathrm{\αt}}}\right]}{\sqrt{r^2+{(z-h)}^2}}-\frac{\mathrm{erfc}\left[\frac{\sqrt{r^2+{(z+h)}^2}}{2\sqrt{\mathrm{\αt}}}\right]}{\sqrt{r^2+{(z+h)}^2}})\mathrm{dh}---\left[1\right];$

其中erfc（x）是余误差函数，为： 

$\mathrm{erfc}\left(x\right)=1-\frac{2}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^x\exp \left({-u}^2\right)\mathrm{du}---\left[2\right];$

式中：r为M点与电热棒的水平距离； 

z为M点与地表的距离； 

T₀为M点的初始温度； 

T_cal为t时刻的温度值； 

λ为介质的导热系数(W/m*K)； 

a为介质的热扩散系数（m²/s）。 

定义函数f(λ,α)，为t₁到t_n时刻实测值T_test(t_i)与计算值T_cal(t_i)残差的平方和，即： 

$f(\mathrm{\λ},\mathrm{\α})=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_{\mathrm{test}}\left(t_i\right)-T_{\mathrm{cal}}\left(t_i\right))}^2---\left[3\right];$

调整λ和a的值使f(λ,α)最小，此时计算模型的曲线和测试数据最接近，相应的λ和a就是介质的导热系数λ和热扩散系数a。 

根据勘察报告提供的岩体密度ρ根据下式计算岩体的比热： 

$C=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ρa}}---\left[4\right];$

式中：ρ为介质的密度(kg/m^-3)； 

C为介质的比热(kJ/(kg*K)； 

λ为介质的导热系数(W/m*K)； 

a为介质的热扩散系数（m²/s）。 

Claims (9)

1.一种岩体热物性参数的现场测试系统，其特征是：钻孔将加热棒（1）埋入在岩体内，加热棒（1）与恒功率电源连接，在加热棒（1）周围岩体的不同位置布置有多个测量钻孔（3），测量孔（3）内设有温度传感器（5），所述的加热棒（1）和温度传感器（5）还与温度—时间记录仪（6）连接。

2.根据权利要求1所述的一种岩体热物性参数的现场测试系统，其特征是：所述的测量孔（3）内设有多个温度传感器（5）。

3.根据权利要求2所述的一种岩体热物性参数的现场测试系统，其特征是：所述的多个温度传感器（5）在测量孔（3）内均布。

4.一种采用权利要求1-3所述的系统获取岩体热物性参数的方法，其特征是包括以下步骤：

一、在岩体中钻孔埋设加热棒（1），以恒定功率加热岩体；

二、在岩体不同位置埋设温度传感器（5），记录不同时刻下岩体的温度响应（温度-时间曲线）；

三、用实测岩体的温度-时间曲线拟合测试系统的传热模型求得岩体的热物性参数；

通过上述步骤获得岩体热物性参数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是：在测试开始前读取环境气温及不同深度处的围岩温度，并设定加热棒（1）的功率。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征是：测试开始后定时读取测温孔内温度传感器的读数。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征是采用以下的传热模型：

假定介质的热物性参数为(λ_ini,α_ini)，根据下式计算岩体中相应位置在t_i时刻的温度响应T_cal(t_i)；

$T_{\mathrm{cal}}=T_0+\frac{q}{4\mathrm{\π\λ}}{\∫}_0^H(\frac{\mathrm{erfc}\left[\frac{\sqrt{r^2+{(z-h)}^2}}{2\sqrt{\mathrm{\αt}}}\right]}{\sqrt{r^2+{(z-h)}^2}}-\frac{\mathrm{erfc}\left[\frac{\sqrt{r^2+{(z+h)}^2}}{2\sqrt{\mathrm{\αt}}}\right]}{\sqrt{r^2+{(z+h)}^2}})\mathrm{dh};$

其中erfc（x）是余误差函数，为：

$\mathrm{erfc}\left(x\right)=1-\frac{2}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^x\exp \left({-u}^2\right)\mathrm{du};$

式中：r为M点与电热棒的水平距离；

z为M点与地表的距离；

T₀为M点的初始温度；

T_cal为t时刻的温度值；

λ为介质的导热系数(W/m*K)；

a为介质的热扩散系数（m²/s）。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征是：

定义函数f(λ,α)，为t₁到t_n时刻实测值T_test(t_i)与计算值T_cal(t_i)残差的平方和，即：

$f(\mathrm{\λ},\mathrm{\α})=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_{\mathrm{test}}\left(t_i\right)-T_{\mathrm{cal}}\left(t_i\right))}^2;$

调整λ和a的值使f(λ,α)最小，此时计算模型的曲线和测试数据最接近，相应的λ和a就是介质的导热系数λ和热扩散系数a。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征是：

根据勘察报告提供的岩体密度ρ根据下式计算岩体的比热：

$C=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ρa}};$

式中：ρ为介质的密度(kg/m^-3)；

C为介质的比热(kJ/(kg*K)；

λ为介质的导热系数(W/m*K)；

a为介质的热扩散系数（m²/s）。

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