CN109668926B - 裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统与计算方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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；
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。
本发明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。
本发明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气体；
步骤四：打开稳压电源，对加热电极输入高电流，加热电极对两块加热板分别施加热流，两块加热板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通过注入管经未设置背压阀一侧的竖直保温板注入加热保温箱体中的单裂隙渗流板内，并从另一侧竖直保温板中流出，设置背压阀压力为P2，则出水管一侧的压力传感器检测到的压力为P2，注入管一侧的压力传感器检测到的压力为P1；温度传感器分别测量两块加热板的温度，待温度恒定后，记录两块加热板的温度分别为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分别为两块加热板的温度，传热时为热流两端的平均温度，K；L为两块加热板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。
作为方法的一个优选，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中的具体步骤如下：
①冲液阶段：控制第六转换阀、第七转换阀、第二转换阀、第三转换阀打开，其余转换阀关闭，打开注液泵将矿井水容器中的矿井水泵入第一双向活塞缸和第二双向活塞缸中，此时矿井水会推动活塞移动并进入第一双向活塞缸和第二双向活塞缸中，活塞的移动位置信号可由位移传感器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、第三转换阀；
②启动恒压恒流双缸泵，将冷水容器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、第八转换阀，此时恒压恒流双缸泵注入冷水反向推动第二双向活塞缸中的活塞、将其中的矿井水注入到加热保温箱体中，此时第一双向活塞缸处于等待状态；
④控制器根据第二双向活塞缸的位移传感器检测的位移信号判断第二双向活塞缸向加热保温箱体注水完成后，关闭第四转换阀、第八转换阀、第二转换阀、第六转换阀，打开第三转换阀、第七转换阀、第一转换阀、第五转换阀，此时矿井水会推动活塞移动并进入第二双向活塞缸中，为第二双向活塞缸补充矿井水，与此同时恒压恒流双缸泵驱动冷水将第一双向活塞缸中的矿井水继续注入加热保温箱体中，控制补充矿井水的速度大于向后注水的速度，即第二双向活塞缸的补充矿井水的过程先于第一双向活塞缸向加热保温箱体注水的过程完成；
⑤第二双向活塞缸补充矿井水完成后立即处于待命状态，第一双向活塞缸注水完成后利用第二双向活塞缸注水，如此交替注入保证稳定的恒流注入。
相对于现有技术，本发明具有如下优势：
①本发明为使问题简化，将从裂隙岩体中提取的裂隙岩体单元结构模拟为由带孔隙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单裂隙渗流板的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，可以模拟所需角度的单裂隙；
②本发明可以研究实际矿井水渗流条件下的等效导热系数，并分析矿井水的水质参数；可以模拟不同工况下裂隙岩体单元的等效导热系数，改变试验条件后可以分析不同孔隙率基质岩块、不同角度的单裂隙分布条件、不同裂隙宽度、不同裂隙内流体种类、不同裂隙内流体流量或压力梯度下的等效导热系数；利用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，从而为整个裂隙岩体水-热迁移的研究奠定了基础。
③单裂隙渗流板的隔热环体由四块弧形板组成，盖上盖板后形成了模拟裂隙的渗流，实际操作时通过制作不同厚度的弧形板模具，可以方便模拟不同裂隙隙宽的单裂隙平板渗流；隔热环体内部预留渗流孔，方便流体的流入流出。通过对单裂隙渗流板的特别设计，使得热流可以正常传播，传播路径为盖板-流体-盖板，避免了热流出现“短路”现象。
④本发明的矿井水注入装置通过控制两个双向活塞缸进行补充矿井水、注水交替工作，将冷水作为动力驱动矿井水进入加热保温箱体，采用的双活塞容器驱动装置可以将纯质冷水与含杂质的矿井水分隔开，能有效的保护高精度恒压恒流双缸泵不受矿井水中杂质的磨损或腐蚀；且双向活塞缸交替平稳工作也为用水装置提供了稳定的水流，消除了脉冲，能连续平稳地以固定的流量和压力向加热保温箱体中注入液体，控制精确、提高了实验的稳定可靠性。
附图说明
图1矿井水沿裂隙网络运移过程中的传热示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为图2中的双活塞容器驱动装置的示意图；
图4为图2中的加热保温箱体的结构示意图；
图5为加热保温箱体的侧视图；
图6为加热保温箱体的立体图；
图7为竖直保温板及水平保温板的断面结构图；
图8为弧形板Ⅰ的立体结构图；
图9为图8的A向视图；
图10为相邻的弧形板Ⅰ与弧形板Ⅱ通过插接结构连接的示意图；
图中，1.恒压恒流双缸泵；2.冷水容器；3.矿井水容器；4.注液泵；5.安全阀；61.第一双向活塞缸；62.第二双向活塞缸；7.位移传感器；8.保护箱体；
V1.第一转换阀；V2.第二转换阀；V3.第三转换阀；V4.第四转换阀；V5.第五转换阀；V6.第六转换阀；V7.第七转换阀；V8.第八转换阀；
9.加热保温箱体；9-1.加热板，9-1-1.加热电极，9-1-2.温度传感器，9-2.竖直保温板，9-2-1.可转动通水管，9-2-2.定位旋钮，9-3.水平保温板，91.硅酸铝保温层，92.二氧化碳气体层，93.注气孔，
10.单裂隙渗流板；10-1.隔热环体，10-1-1.弧形板Ⅰ，10-1-1a.渗流通孔，10-1-2.弧形板Ⅱ，10-2.高导热盖板，10-2-1.螺钉，10-2-2.密封结构，10-2-2a.安装槽，11-1.插接板，11-2.密封条，
12.压力传感器；13.背压阀；14.稳压电源；15.温度控制仪；16.液相色谱仪；17.注入管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图2至图10所示，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连接至交流变频稳压电源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Ⅰ10-1-1和一对弧形板Ⅱ10-1-2围成，每块弧形板Ⅰ10-1-1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Ⅰ10-1-1中的渗流通孔10-1-1a露出弧形板Ⅰ10-1-1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。上述采用的数据采集器可以选用研华科技的PCI720型采集器，能够实时接收到各检测部件的检测数据并实时显示出来。
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如图2和图3中示出的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。
进一步的，还包括一控制器，所述第一双向活塞缸61、第二双向活塞缸62外部分别设有一位移传感器7，第一双向活塞缸61、第二双向活塞缸62的活塞分别连接至对应的位移传感器7，所述位移传感器7与控制器的输入端连接，控制器的输出端分别与各转换阀连接，此时各转换阀为电磁阀门。位移传感器7能够实时得知第一双向活塞缸61、第二双向活塞缸62中的活塞的位置，并将位置信号传输至控制器，控制器控制各转换阀的开闭从而控制第一双向活塞缸61、第二双向活塞缸62的交替补液和注水。
上述采用的矿井水注入装置的具体操作包括如下步骤：
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。
通过上述操作，采用双活塞容器驱动装置可以将纯质冷水与含杂质的矿井水分开，能有效的保护高精度恒压恒流双缸泵不受矿井水中杂质的磨损或腐蚀；且双向活塞缸交替平稳工作也为用水装置提供了稳定的水流，消除了脉冲，能连续平稳地以固定的流量和压力向加热保温箱体9中注入液体，控制精确、提高了实验的稳定可靠性。
进一步的，上述注液泵4与安全阀5之间设有液相色谱仪16，利用液相色谱仪16可以实时分析矿井水的酸碱度PH值、杂质含量等参数。
本发明加热保温箱体9的出水管连通至矿井水容器3，从加热保温箱体9中的单裂隙渗流板10流出的水可进入矿井水容器3中被循环利用。
当需要保持注入单裂隙渗流板10的水流温度恒定时，保护箱体8还可以采用电加热，保证内部环境恒温，确保从保护箱体8中输出的矿井水温度恒定，满足固定水温的独特实验需求。
本发明可转动通水管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。定位旋钮9-2-2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10的转动角度，方便试验者设置单裂隙渗流板10与热流方向的夹角，通过操作定位旋钮9-2-2可以使得单裂隙渗流板10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Ⅰ10-1-1和弧形板Ⅱ10-1-2为聚四氟乙烯板，且相邻的弧形板Ⅰ10-1-1和弧形板Ⅱ10-1-2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Ⅰ10-1-1和弧形板Ⅱ10-1-2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。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10-2、裂隙水、另一块高导热盖板10-2，杜绝出现热流“短路”的现象，保证热流传递正常。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10-2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10-2朝向隔热环体10-1一侧的表面最好与其贴合的隔热环体10-1侧面平齐。此时隔热环体10-1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。高导热盖板10-2覆盖在隔热环体10-1的内环孔上后，多个螺钉10-2-1穿过高导热盖板10-2外圈上的螺纹孔并旋入隔热环体10-1靠近内环的侧面中将高导热盖板10-2固定在隔热环体10-1侧面，固定更加稳固。
进一步的，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可以为密封环，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，通过螺钉10-2-1给予预紧力后，可以保证两块高导热盖板10-2与隔热环体10-1之间的矿井水不会渗出。
优选的，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。硅酸铝保温层91的导热系数0.035W/(m·k)，二氧化碳气体层92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9内部的热量散失到外部影响实验的精确度。更进一步的，竖直保温板9-2的最外层还可以设置一层支撑结构层，用于提升竖直保温板9-2的支撑度和稳定性，保证试验的正常进行；并且支撑结构层中间环绕可转动通水管9-2-1可以开孔用于卡入定位旋钮9-2-2，试验者原地旋动定位旋钮9-2-2调节单裂隙渗流板10与热流方向的夹角后，可直接将定位旋钮9-2-2沿可转动通水管9-2-1的轴心线方向移动并嵌入支撑结构层中间的开孔中，此时定位旋钮9-2-2被固定住，保证调节角度后的单裂隙渗流板10在试验过程中定位角度稳定。
本发明采用的可转动通水管9-2-1为硬质管，保证旋转过程中不会发生形变，确保角度调整的精确。
作为一个优选的方案，高导热盖板10-2可以采用导热系数较高的不锈钢材料，可以对热量快速传导。
下面以某矿为例说明本发明的具体实施过程。某矿是国内典型的高地温矿井，最大采深-1010m，地温梯度为3.24℃/100m，-980m水平岩温46.8℃，根据地质勘查，其高温原因是奥灰水沿断层上涌将深层热量代入矿井，为了研究该矿的温度场分布情况，必须研究裂隙水对热量的迁移特征，为了数值模拟建模方便，将整个裂隙围岩的导热系数等效为一个值，通过本发明的装置研究裂隙单元的等效导热系数。
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，岩样加工为10mm*10mm*1mm薄片，在实验室用激光闪射法测量该岩石的导热系数，结果表明，该矿围岩为砂岩，导热系数为2.5W/(m·K)，由于测量的岩样较小，近似认为该矿砂岩基质的导热系数为2.5W/(m·K)；测量得出基质岩块的孔隙率Φ1。
将两两相对设置的一对弧形板Ⅰ10-1-1和一对弧形板Ⅱ10-1-2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并紧固在隔热环体10-1上组成单裂隙渗流板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，用于模拟裂隙宽度为b1的单裂隙结构；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Ⅰ10-1-1中的渗流通孔10-1-1a露出弧形板Ⅰ10-1-1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；
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135°，用于模拟裂隙角度为135°的单裂隙结构；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中注入纯度99％的二氧化碳气体；
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；
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，液相色谱仪16检测矿井水的酸碱度PH值a、杂质成分及含量；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；
通过计算得到在基质岩块的孔隙率Φ1、裂隙宽度b1、裂隙角度135°、矿井水PH值为a、裂隙水流量为Q1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；
改变不同条件，如对应不同孔隙率Φ1基质岩块的岩石相似材料，不同的裂隙宽度、裂隙角度、矿井水PH值、裂隙水流量或压力梯度，研究各种不同工况下的裂隙岩体单元结构的等效导热系数。
本发明整个加热保温箱体9内部除单裂隙渗流板10之外的空间填充岩石相似材料，用于模拟待研究的具有一定孔隙率和导热系数的基质岩块。采用的岩石相似材料可以利用现有的材料配制而成，配制得到的材料其与基质岩块具有相同的导热系数和孔隙率，填充后相当于待研究的基质岩块。还可以采用PFC孔隙率计算模块，将特定的孔隙率、加热保温箱体9的容积输入PFC孔隙率计算模块中，PFC孔隙率计算模块即可模拟得到所需的相似材料的颗粒粒径和颗粒数量，再混合加入导热粉使混合物岩石相似材料的导热系数与基质岩块一样，其中导热粉的添加量可以用comsol软件直接模拟得到。在上述过程中为了模拟得到不同孔隙率的基质岩块，将基质岩块由导热系数相似的材料配比一定量的导热粉替代，结合控制材料的颗粒粒径，得到自然堆叠条件下不同孔隙率的岩石相似材料，将其填充到单裂隙渗流板10周围，即可模拟出裂隙岩体单元结构。
Claims (7)
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)；所述一对弧形板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；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；
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；
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)。
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。
3.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。
4.根据权利要求3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。
5.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。
6.一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，所述方法利用权利要求1-5中任一所述的一种裂隙岩体单元结构的等效导热系数测试系统操作实现，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。
7.根据权利要求6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。
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