CN111220523B - 一种模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法，可以精确地获得静载荷、冲击载荷、长时稳定载荷、周期性脉冲及振动载荷、实测扰动载荷等复杂扰动条件下崩落破碎岩体的渗流场、温度场、应力场、应变场等多场耦合试验数据，便于研究不同岩样的完整岩体岩性、完整岩体热源温度、破碎岩体岩性、粒径、级配、组合分布形式等在不同的施加载荷、扰动条件、渗流液初始温度、渗流液初始压力等条件下岩‑岩、水‑岩的热交换规律、破碎岩体渗流场分布规律、破碎岩体内部应力场演化规律，以及应力场、变形场、渗流场、温度场等多场耦合作用机理，为复杂载荷条件下的深部地热开采技术的研究提供更准确的试验数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种试验方法，具体是一种用于研究复杂载荷条件下的地热开采的试验方法，属于岩土工程试验技术及装备领域。
背景技术
地热作为一种清洁能源正受到全世界的日益关注。地热能储存于地下，不受气候条件的影响，既可作为基本负荷能，也可作为峰值负荷能使用。从其开发利用成本来看，地热能源具有成本低、占地少、稳定性好等特点，相对于其他可再生能源更有发展潜力。在我国藏南、滇西和川西地区广泛分布着适于发电的深部高温地热资源。目前，对于这一类型的地热资源，美国等西方国家主要采用石油钻井技术。石油钻井技术出现距今已经四十多年了，但还没有一口真正的干热岩商业用井。主要由于通过钻井(孔)法开采地热资源，热交换面积小，对地热资源的利用率很低。针对这一问题，我国率先提出了基于采矿崩落法的增强型地热系统，即从地表向深部开挖竖井，然后人为构造一定的深部地下空间，再通过爆破手段，崩落上部岩层，构造出数倍的换热面。这一方法具有效率高，成本低，占地少的多重优势，是国家深地科技领域的重要创新，对保障能源安全具有重要意义。这一技术的实现是从采矿到采热的战略转型，并将催生新学科的发展。
作为一种新型地热开采方法，国内外很多专家学者都专注于崩落破碎岩体的热交换过程方面的研究工作。但是由于破碎岩体的流动性、非均质性以及岩层崩落后多种岩性破碎岩体层状分布、混合分布等多种因素，造成破碎岩体渗流场、温度场、应力场、应变场的多场耦合问题极为复杂，采用理论和数值模拟的研究手段具有显著局限性，必须借助实验室试验的可靠数据为基础开展研究工作。
而现有的破碎岩体试验装置及方法，无法实现这一创新战略研究领域的科学实验工作，主要由于以下几个方面：①无法对破碎岩体同时进行压实、渗流、热交换、动力的耦合试验；②增强型地热开采方法的实质是爆破后上部仍然完整的干热岩提供稳定热源，崩落下来的破碎岩体增加热交换面积，而现有的试验装置对破碎岩体的压实装置整体进行直接加热，无法模拟完整岩体与破碎岩体之间的热交换过程；③由于在封闭桶内压实后，虽然破碎岩体筒壁可以做可视化处理，但是其内部某一点的土压力、水压力和温度无法精确测量，且在研究各物理量的耦合关系时，必须同时测到某一点的破碎岩体压力、渗透水压力和温度，如果不在同一时刻测到各个物理量，或者测到不在同一位置的各物理量，或者无法获取所测点的位置坐标和应力方向，都会导致试验数据不准确；④动载荷的控制和施加不精确且载荷形式简单，无法将现场测试得到的复杂、真实的振动、冲击等动载的波信号在实验室精确地施加到破碎岩体，现有的试验技术将简化后的冲击动载施加到岩体无法反映实际情况，导致实验结果与实际偏差较大；⑤安装、拆卸困难，试验效率低，由于破碎岩体压力室要求刚度较大，压力室各部分厚度和重量较大，人力安装和拆卸困难，而且压实试验后的破碎岩体在局部形成真空，加剧了拆卸难度。
因此，亟需发明一种模拟条件精确、破碎岩体内部监测数据可靠、动载荷精度和复杂程度高、安装拆卸方便、自动化程度高的用于模拟复杂载荷条件下地热开采的试验方法，为复杂载荷条件下的深部地热开采技术的研究提供关键的试验数据。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法，能够在自动反演复杂原位扰动载荷、模拟复杂的动载荷的前提下实现监测温度场环境下破碎岩体内部渗透压力沿加载方向的分布情况、获取渗流路径演化试验参数，可以为复杂载荷条件下的深部地热开采技术的研究提供更准确的试验数据。
为实现上述目的，本模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法所使用的破碎岩体多场耦合试验系统包括整体式框架、压力室部分、压力加载控制部分、渗透液体供给控制部分、原位扰动激励控制部分、试样内部检测部分和集中电控部分；
所述的压力室部分包括设置在整体式框架内部的压力室，压力室包括压力室底座、夹层筒壁和压力室顶压头；压力室底座通过压力室底座定位安装部件同轴可拆卸定位安装在加载液压缸的伸缩端顶端，压力室底座内部设有贯穿压力室底座设置的渗液出口通道，渗液出口通道的入口端与压力室底座的顶平面贯通，渗液出口通道的出口端通过出口渗液流量传感器连接渗液处理装置，夹层筒壁的底部同轴密闭固定设置在压力室底座上，夹层筒壁与压力室底座共同围成桶型结构，夹层筒壁内部沿其径向方向自内向外依次设有刚性导热内筒壁、环形岩筒夹层、环形供热夹层和刚性绝热外筒壁，刚性导热内筒壁上设有筒壁侧压力动态传感器和内筒壁温度传感器，环形岩筒试样通过环形岩筒夹层盖配合安装在环形岩筒夹层内、且环形岩筒试样的上下两端均设有隔热垫圈，环形供热夹层内部设有供热夹层温度传感器和自下而上均布设置的电加热丝；刚性导热内筒壁的内腔底部设有外径尺寸与刚性导热内筒壁的内径尺寸配合的下透水板，且下透水板上均布设有多个与渗液出口通道连通设置的透水通孔；压力室顶压头同轴设置在夹层筒壁的顶部、且压力室顶压头底部的外径尺寸与刚性导热内筒壁的内径尺寸配合，压力室顶压头上设有贯穿压力室顶压头的液体入孔、且液体入孔的孔口位置设有孔口注液温度压力流量传感器，压力室顶压头的底端设有外径尺寸与刚性导热内筒壁的内径尺寸配合的上透水板、且上透水板上均布设有多个与液体入孔连通设置的透水通孔，压力室顶压头的顶端的对称中心位置设有凹形球面结构、且压力室顶压头的顶部设有直流励磁线圈；渗液处理装置包括固液分离机构，固液分离机构上设有用于称量排出的试样岩粒的电子称；
所述的渗透液体供给控制部分包括渗流液泵送装置和与渗流液泵送装置电连接的渗流泵送电控装置，渗流液泵送装置的输入端通过管路与渗流液供给箱连接，渗流液泵送装置的输出端通过管路与入口液体加热装置的输入端连接，入口液体加热装置的输出端通过入口液体温度调控装置和管路与液体入孔连通连接；
所述的原位扰动激励控制部分包括扰动信号执行装置和扰动信号激励电控装置；扰动信号执行装置包括定位压头，定位压头对应压力室顶压头的位置竖直安装在整体式框架上、且定位压头上设有定位压头升降结构，定位压头的底端是配合压力室顶压头顶端的凹形球面结构设置的凸形球面结构，定位压头上设有交流励磁线圈，定位压头或压力室顶压头上还设有原位扰动动态压力传感器；扰动信号激励电控装置包括可控交流激励模块和直流供电模块，可控交流激励模块与交流励磁线圈电连接，直流供电模块与直流励磁线圈电连接；
所述的试样内部检测部分包括设置在压力室部分桶型结构内的多个非接触式动态固液分离传感装置和设置在刚性导热内筒壁上的磁场定位部件；非接触式动态固液分离传感装置包括围成方形立体框架结构的支撑固定骨架和包裹设置于支撑固定骨架上的固液分离刚性隔离网，以方形立体框架结构空间对置的两个顶点为基准点，方形立体框架结构被划分为分别以顶点为中心、具有空间相邻三个面的第一部分和第二部分两个部分，第一部分的支撑固定骨架是刚性支撑固定骨架，刚性支撑固定骨架的内表面上固定设有电子陀螺仪、试样水压传感器、试样温度传感器、空间电磁定位传感器、数据同步集成处理电控机构，且空间电磁定位传感器定位设置在方形立体框架结构的空间几何中心位置，数据同步集成处理电控机构包括传感控制器、电源回路，传感控制器分别与电子陀螺仪、试样水压传感器、试样温度传感器、空间电磁定位传感器电连接，第二部分的支撑固定骨架是弹性支撑固定骨架，弹性支撑固定骨架位于空间相邻三个面的外表面上分别设有空间三向应力传感器、且弹性支撑固定骨架的内表面上固定设有分别与三向应力传感器电连接的应力测试解调器，应力测试解调器与数据同步集成处理电控机构的传感控制器电连接，相邻的刚性支撑固定骨架与弹性支撑固定骨架固定安装连接形成整体方形立体框架结构；磁场定位部件包括固定设置于刚性导热内筒壁顶端平面内的上磁场定位部件和固定设置于刚性导热内筒壁底端平面内的下磁场定位部件，上磁场定位部件和下磁场定位部件分别设置为沿刚性导热内筒壁径向方向布置的两件，两件上磁场定位部件的连线与两件下磁场定位部件的连线空间垂直设置；
所述的集中电控部分包括计算机、数据采集模块、压力加载控制回路、温度控制回路、注液控制回路、原位扰动激励控制回路、试样内部检测控制回路、数据分析计算回路，计算机分别与液压泵站、渗流泵送电控装置、入口液体温度调控装置、扰动信号激励电控装置、数据采集模块、磁场定位部件和环形供热夹层的电加热丝电连接，数据采集模块分别与孔口注液温度压力流量传感器、出口渗液流量传感器、筒壁侧压力动态传感器、内筒壁温度传感器、供热夹层温度传感器、原位扰动动态压力传感器、数据同步集成处理电控机构、渗液处理装置的电子称电连接；
具体试验方法包括以下步骤：
a.试验准备：将夹层筒壁与压力室底座固定安装形成桶型结构的压力室，将环形岩筒试样通过隔热垫圈安装在环形岩筒夹层内后加装环形岩筒夹层盖，然后将破碎岩体试样和多个非接触式动态固液分离传感装置置入压力室内、并使多个非接触式动态固液分离传感装置均布设置在破碎岩体试样内，然后加装压力室顶压头，调整定位压头上的升降结构使定位压头上移让位后，将压力室整体吊装或通过平移输送机送入整体式框架内，并通过加载液压缸伸缩端顶面上的定位结构和压力室底座定位安装部件将压力室底座同轴定位安装在加载液压缸的伸缩端顶端，再次调整定位压头上的升降结构使定位压头下降并与贴近压力室顶压头后连接水路管路和电气管路；
b.试验过程：计算机通过压力加载控制回路控制液压泵站工作使加载液压缸顶升对压力室内的破碎岩体试样输入压力载荷，同时计算机通过注液控制回路控制渗流泵送电控装置工作使渗流液经入口液体加热装置、入口液体温度调控装置加热后进入液体入孔，计算机通过试样内部检测控制回路控制各个非接触式动态固液分离传感装置同时工作；各个数据同步集成处理电控机构按照相同的设定时间周期通过空间电磁定位传感器和电子陀螺仪同步向数据采集模块反馈各个非接触式动态固液分离传感装置位于压力室内的具体三维坐标位置数据及空间角度姿态数据，计算机根据数据采集模块采集的各个非接触式动态固液分离传感装置的具体三维坐标位置数据及空间角度姿态数据和内置程序计算并建立试样内部测试点动态分布模型；各个数据同步集成处理电控机构按照相同的设定时间周期向数据采集模块反馈非接触式动态固液分离传感装置承受的来自破碎岩体试样的三向土压数据、来自压力室内的渗流液的水温数据及水压数据，计算机根据数据采集模块采集的三向土压数据和电子陀螺仪反馈的空间角度姿态数据、应力测试解调器反馈的应力数据分析获得三向土压数据的具体空间方向和对应的应力数据、并通过差值法计算得到任意方向的应力场数据，然后在试样内部测试点动态分布模型的基础上构建破碎岩体试样内部应力模型，计算机根据数据采集模块采集的渗流液的水温数据及水压数据和内置程序计算获得温度场数据、水压力梯度分布数据，并在试样内部测试点动态分布模型的基础上构建破碎岩体试样内部温度模型、破碎岩体试样内部渗透水水压梯度分布模型；原位扰动动态压力传感器实时向数据采集模块反馈压力室顶压头承受的压力数据，孔口注液温度压力流量传感器实时向数据采集模块反馈注入的渗流液初始压力数据，出口渗液流量传感器实时向数据采集模块反馈排出的渗流液压力数据，筒壁侧压力动态传感器实时向数据采集模块反馈刚性导热内筒壁对破碎岩体试样的围压数据，内筒壁温度传感器实时向数据采集模块反馈刚性导热内筒壁的温度数据，渗液处理装置的电子称向数据采集模块反馈渗漏排出的岩粒的质量数据，计算机分别对数据采集模块采集的压力室顶压头承受的压力数据、注入的渗流液初始压力数据、排出的渗流液压力数据、刚性导热内筒壁的围压数据、刚性导热内筒壁的温度数据、排出的岩粒质量数据进行误差分析计算和均值输出；
进行静载试验时，计算机控制加载液压缸输出稳定的额定静载荷，模拟破碎岩体承受长时稳定载荷的情况；
进行静载+预设动载荷试验时，在计算机中设定静载荷大小、加载速度、动载荷的形式、周期、振幅、峰值大小、循环次数、叠加方式特征数据，然后计算机控制加载液压缸输出稳定的额定静载荷的同时，计算机通过原位扰动激励控制回路控制扰动信号激励电控装置工作使直流励磁线圈和交流励磁线圈产生磁通，定位压头和压力室顶压头之间产生电磁力使定位压头和压力室顶压头发生相对激振实现静载扰动，模拟破碎岩体在承受长时稳定载荷的同时承受预设形式的周期性扰动载荷、冲击载荷叠加作用的情况；
进行静载+原位扰动载荷或修改后的原位扰动载荷试验时，在计算机中设定静载荷大小、加载速度，然后将现场测到的原位扰动信号导入计算机中，然后在计算机中设定原位扰动的介入条件，或者先对原位扰动信号进行人为修改、再设定修改后的原位扰动介入条件；然后计算机控制加载液压缸输出稳定的额定静载荷的同时，计算机监控静载加载状态，当静载加载条件达到设定的原位扰动介入条件时，计算机通过原位扰动激励控制回路控制扰动信号激励电控装置工作使直流励磁线圈和交流励磁线圈产生磁通，定位压头和压力室顶压头之间产生电磁力使定位压头和压力室顶压头发生相对激振实现原位扰动或修改后的原位扰动，模拟破碎岩体在承受静载荷的同时承受原位扰动载荷或修改后的原位扰动载荷的情况。
作为本发明的进一步改进方案，可视化压力室筒壁的底部可拆卸固定安装在压力室底座上；破碎岩体多场耦合试验系统还包括压力室顶压头拆卸部分，压力室顶压头拆卸部分包括设置在整体式框架上的压力室顶压头升降控制机构和安装在压力室顶压头升降控制机构上的定位压座夹持机构，定位压座夹持机构用于在试验完成后拆卸压力室顶压头时对定位压座进行夹持定位，压力室顶压头升降控制机构用于在试验完成后拆卸压力室顶压头时对定位压座进行升降动作，压力室顶压头升降控制机构和定位压座夹持机构分别与计算机电连接；完成步骤b后，拆卸压力室顶压头时，通过控制压力室顶盖升降控制机构和定位压座夹持机构的动作对压力室顶压头进行提升动作使压力室顶压头与密实的一体结构破碎岩体试样分离，完成拆卸压力室顶压头并将压力室移出整体式框架后，通过向压力室内注水和拆卸夹层筒壁使夹层筒壁与密实的一体结构破碎岩体试样分离。
作为本发明压力室顶压头拆卸部分的一种实施方式，压力室顶压头升降控制机构是相对于压力室顶压头中心对称设置的齿轮齿条结构，包括齿条导轨和驱动齿轮，齿条导轨竖直固定安装在整体式框架上，具有驱动电机的驱动齿轮啮合配合设置在齿条导轨上、且驱动齿轮通过驱动齿轮支撑架竖直方向滑移配合安装在整体式框架上，驱动齿轮支撑架与整体式框架之间设有可以限制驱动齿轮支撑架脱离整体式框架的水平限位结构；定位压座夹持机构是水平伸缩夹持结构，包括水平安装在驱动齿轮支撑架上的伸缩式装卸臂，定位压座上对应伸缩式装卸臂的位置上还设有顶盖装卸孔；拆卸压力室顶压头时，先控制驱动齿轮动作使伸缩式装卸臂对正顶盖装卸孔，然后控制伸缩式装卸臂伸出并穿入顶盖装卸孔内，然后控制驱动齿轮动作使驱动齿轮支撑架整体举升，实现压力室顶压头的拆卸。
作为本发明压力室顶压头拆卸部分的另一种实施方式，压力室顶压头升降控制机构是相对于压力室顶压头中心对称设置的液压缸结构，包括定位压座升降液压缸，定位压座升降液压缸是缸底端低、伸缩端高倾斜设置，定位压座升降液压缸的缸底端铰接安装在整体式框架上，定位压座升降液压缸通过液压管路和控制阀组与液压泵站连接；定位压座夹持机构是卡口夹持结构，包括铰接安装在定位压座升降液压缸的伸缩端端部的夹持卡块，定位压座上对应夹持卡块的位置上还设有限位卡环结构；拆卸压力室顶压头时，控制定位压座升降液压缸伸出使夹持卡块卡接在压力室顶压头的限位卡环结构上后，继续控制定位压座升降液压缸伸出，定位压座升降液压缸继续伸出时夹持卡块受力分解为两部分，一部分是沿压力室顶压头径向方向的夹持力，另一部分是沿压力室顶压头轴向方向的举升力，实现压力室顶压头的拆卸。
作为本发明的进一步改进方案，渗液处理装置的固液分离机构上还设有烘干机构；步骤b中，待破碎岩体试样被压实为一体结构、出口渗液流量传感器不再反馈排出的渗流液压力数据后，启动烘干机构至设定时间、使渗漏排出的岩粒去除水分，再启动电子称进行称量以精确获得渗漏排出的岩粒的质量数据。
作为本发明的进一步改进方案，下透水板上方还设有可更换的流失颗粒粒径控制网，且流失颗粒粒径控制网的孔径小于下透水板的透水通孔的孔径；步骤a中在将破碎岩体试样置入压力室内之前，通过更换不同孔径的流失颗粒粒径控制网实现控制颗粒流失的最大粒径。
作为本发明的进一步改进方案，破碎岩体多场耦合试验系统的加载液压缸上设有与数据采集模块电连接的加载液压缸状态监测传感器；步骤b中，加载液压缸状态监测传感器实时向数据采集模块反馈加载液压缸的输出压力数据，计算机对数据采集模块采集的加载液压缸的输出压力数据进行误差分析计算和均值输出。
作为本发明的进一步改进方案，数据同步集成处理电控机构还包括与传感控制器电连接的传感数据存储器；步骤b中，各个数据同步集成处理电控机构按照相同的设定时间周期向数据采集模块反馈数据的同时，分别通过传感数据存储器进行存储，试验完成后取出非接触式动态固液分离传感装置导出数据。
作为本发明的进一步改进方案，数据同步集成处理电控机构和数据采集模块均设有无线收发模块，数据同步集成处理电控机构和数据采集模块无线电连接。
作为本发明的进一步改进方案，步骤b中计算机通过控制入口液体温度调控装置设定入口温度和温差限制值，温度调控装置控制入口液体加热装置对渗流液体进行加热，渗流液体经加热达到设定的入口温度后，渗流液体流入液体入口，同时孔口注液温度压力流量传感器测量液体入口处渗流液体的即时温度，并反馈给温度调控装置，温度调控装置计算入口即时温度与设定温度的温差，若温差小于设定的温差限制、则继续供液，若温差大于设定的温差限制，温度调控装置控制入口液体加热装置对温度进行微调补偿，精确控制恒温条件。
与现有技术相比，本模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法可以实现对地热井现场测试得到的原位扰动载荷进行还原，可以精确地获得崩落破碎岩体在渗流场、温度场、应力场、应变场的多场耦合条件下和复杂原位扰动条件下的静载荷、冲击载荷、长时稳定载荷、周期性脉冲及振动载荷、实测扰动载荷、渗流压力等数据，可以实时监测动静载荷、压力室筒壁侧压力、压力室进口压力、压力室出口流量、出口流失颗粒质量、压力室内渗透压分布、渗流路径岩样及渗流液温度等关键试验参数，扰动载荷控制精度高、模拟动载荷的复杂程度高、监测数据全面、监测数据精确、安装拆卸方便、自动化程度高；通过设置不同种类岩样及不同种类岩样的分布厚度、不同种类的环形岩筒试样、不同的岩样加热温度、不同的渗流液加热温度，可以便于研究岩石与岩石之间的热交换规律，可以便于研究不同温度的渗流液对破碎岩体渗流场的影响，可以便于研究不同温度场环境下、复杂动载荷环境下以及多种岩样混合分层布置形式下破碎岩体内部的渗透压力梯度的响应规律及机理，可以为复杂载荷条件下的深部地热开采技术的研究提供更准确的试验数据。
附图说明
图1是破碎岩体多场耦合试验系统的结构示意图；
图2是破碎岩体多场耦合试验系统采用液压控制结构的压力室顶压头拆卸部分时的结构示意图；
图3是破碎岩体多场耦合试验系统压力室部分的结构示意图；
图4是破碎岩体多场耦合试验系统非接触式动态固液分离传感装置的结构示意图；
图5是破碎岩体多场耦合试验系统非接触式动态固液分离传感装置的方形立体框架结构分为两个部分的结构示意图；
图6是破碎岩体多场耦合试验系统非接触式动态固液分离传感装置的方形立体框架结构第一部分的结构示意图；
图7是破碎岩体多场耦合试验系统非接触式动态固液分离传感装置的方形立体框架结构第二部分的结构示意图；
图8是破碎岩体多场耦合试验系统磁场定位部件的布置示意图；
图9是破碎岩体多场耦合试验系统下透水板的剖视结构示意图；
图10是破碎岩体多场耦合试验系统流失颗粒粒径控制网的设置示意图。
图中：1、整体式框架，2、液压泵站，3、加载液压缸，4、压力室底座，5、渗液出口通道，6、渗液处理装置，9、夹层筒壁，9-1、刚性导热内筒壁，9-2、环形岩筒夹层，9-3、中部隔离层，9-4、环形供热夹层，9-5、环形岩筒试样，9-6、环形岩筒夹层盖，9-7、隔热垫圈，10、上透水板，11、下透水板，12、供热夹层温度传感器，13、紧固螺栓，14、压力室顶压头，15、液体入孔，16、顶盖装卸孔，17、直流励磁线圈，19、原位扰动动态压力传感器，20、交流励磁线圈，21、定位压头，22、驱动齿轮，23、伸缩式装卸臂，24、齿条导轨，25、孔口注液温度压力流量传感器，26、加载液压缸状态监测传感器，27、非接触式动态固液分离传感装置，27-1、刚性支撑固定骨架，27-2、固液分离刚性隔离网，27-3、电子陀螺仪，27-4、试样水压传感器，27-5、试样温度传感器，27-6、空间定位传感器，27-7、数据同步集成处理电控机构，27-8、空间三向应力传感器，27-9、应力测试解调器，28、试验机信息集成控制模块，29、渗流液供给箱，30、渗流液泵送装置，31、渗流稳压装置，32、渗流泵送电控装置，33、直流供电模块，34、可控交流激励模块，35、扰动信号激励电控装置，36、计算机，38、压力室，39、流失颗粒粒径控制网，40、入口液体加热装置，41、入口液体温度调控装置，42、磁场定位部件。
a、a’、b、b’、c、c’、d、d’是非接触式动态固液分离传感装置的方形立体框架结构的顶点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本破碎岩体多场耦合试验系统包括整体式框架1、压力室部分、压力加载控制部分、渗透液体供给控制部分、原位扰动激励控制部分、试样内部检测部分和集中电控部分。
所述的压力加载控制部分固定设置在整体式框架1的内底部，包括液压泵站2和加载液压缸3，加载液压缸3竖直固定设置在整体式框架1上、且加载液压缸3的伸缩端竖直向上顶出设置，加载液压缸3通过液压管路和控制阀组与液压泵站2连接。
所述的压力室部分包括设置在整体式框架1内部的压力室38，如图3所示，压力室38包括压力室底座4、夹层筒壁9和压力室顶压头14；压力室底座4通过压力室底座定位安装部件同轴可拆卸定位安装在加载液压缸3的伸缩端顶端，压力室底座4内部设有贯穿压力室底座4设置的渗液出口通道5，渗液出口通道5的入口端与压力室底座4的顶平面贯通，渗液出口通道5的出口端通过出口渗液流量传感器连接渗液处理装置6，夹层筒壁9的底部同轴密闭固定设置在压力室底座4上，夹层筒壁9与压力室底座4共同围成桶型结构，夹层筒壁9内部沿其径向方向自内向外依次设有刚性导热内筒壁9-1、环形岩筒夹层9-2、环形供热夹层9-4和刚性绝热外筒壁，刚性导热内筒壁9-1上设有筒壁侧压力动态传感器和内筒壁温度传感器，筒壁侧压力动态传感器，环形岩筒试样9-5通过环形岩筒夹层盖9-6配合安装在环形岩筒夹层9-2内、且环形岩筒试样9-5的上下两端均设有隔热垫圈9-7，环形供热夹层9-4内部设有供热夹层温度传感器12和自下而上均布设置的电加热丝；刚性导热内筒壁9-1的内腔底部设有外径尺寸与刚性导热内筒壁9-1的内径尺寸配合的下透水板11，且如图9所示，下透水板11上均布设有多个与渗液出口通道5连通设置的透水通孔；压力室顶压头14同轴设置在夹层筒壁9的顶部、且压力室顶压头14底部的外径尺寸与刚性导热内筒壁9-1的内径尺寸配合，压力室顶压头14上设有贯穿压力室顶压头14的液体入孔15、且液体入孔15的孔口位置设有孔口注液温度压力流量传感器25，压力室顶压头14的底端设有外径尺寸与刚性导热内筒壁9-1的内径尺寸配合的上透水板10、且上透水板10上均布设有多个与液体入孔15连通设置的透水通孔，压力室顶压头14的顶端的对称中心位置设有凹形球面结构、且压力室顶压头14的顶部设有直流励磁线圈17，为了便于注液过程中的放气，液体入孔15可以额外设置一放气通道，可以在放气通道上设置放气控制阀，注液过程中可以通过开启放气控制阀实现放气，试验完毕后拆卸过程中也可以通过开启放气控制阀使破碎岩体试样进气去真空；渗液处理装置6包括固液分离机构，固液分离机构可以简单地采用滤网或滤袋结构、也可以采用旋流器等其他固液分离结构，固液分离机构上设有用于称量排出的试样岩粒的电子称。
所述的渗透液体供给控制部分包括渗流液泵送装置30和与渗流液泵送装置30电连接的渗流泵送电控装置32，渗流液泵送装置30的输入端通过管路与渗流液供给箱29连接，渗流液泵送装置30的输出端通过管路与入口液体加热装置40的输入端连接，入口液体加热装置40的输出端通过入口液体温度调控装置41和管路与液体入孔15连通连接。
所述的原位扰动激励控制部分包括扰动信号执行装置和扰动信号激励电控装置35；扰动信号执行装置包括定位压头21，定位压头21对应压力室顶压头14的位置竖直安装在整体式框架1上、且定位压头21上设有定位压头升降结构，定位压头21的底端是配合压力室顶压头14顶端的凹形球面结构设置的凸形球面结构，定位压头21上设有交流励磁线圈20，定位压头21或压力室顶压头14上还设有原位扰动动态压力传感器19；扰动信号激励电控装置35包括可控交流激励模块34和直流供电模块33，可控交流激励模块34与交流励磁线圈20电连接，直流供电模块33与直流励磁线圈17电连接。
所述的试样内部检测部分包括设置在压力室部分桶型结构内的多个非接触式动态固液分离传感装置27和设置在刚性导热内筒壁9-1上的磁场定位部件42；如图4所示，非接触式动态固液分离传感装置27包括围成方形立体框架结构的支撑固定骨架27-1和包裹设置于支撑固定骨架27-1上的固液分离刚性隔离网27-2，以方形立体框架结构空间对置的两个顶点(如图6、图7所示的顶点c’和顶点b)为基准点，方形立体框架结构被如图5所示划分为分别以顶点为中心、具有空间相邻三个面的第一部分和第二部分两个部分，如图6所示，第一部分的支撑固定骨架27-1采用能够减小变形误差、实现准确定位的刚性支撑固定骨架，且刚性支撑固定骨架的内表面上固定设有电子陀螺仪27-3、试样水压传感器27-4、试样温度传感器27-5、空间电磁定位传感器27-6、数据同步集成处理电控机构27-7，且空间电磁定位传感器27-6定位设置在方形立体框架结构的空间几何中心位置，数据同步集成处理电控机构27-7包括传感控制器、电源回路，传感控制器分别与电子陀螺仪27-3、试样水压传感器27-4、试样温度传感器27-5、空间电磁定位传感器27-6电连接，如图7所示，第二部分的支撑固定骨架27-1采用能够实现弹性变形、并通过骨架变形测试三向应力的刚度较大的弹性支撑固定骨架，弹性支撑固定骨架位于空间相邻三个面的外表面上分别设有空间三向应力传感器27-8、且弹性支撑固定骨架的内表面上固定设有分别与三向应力传感器27-8电连接的应力测试解调器27-9，应力测试解调器27-9与数据同步集成处理电控机构27-7的传感控制器电连接，相邻的刚性支撑固定骨架与弹性支撑固定骨架固定安装连接；如图8所示，磁场定位部件42包括固定设置于刚性导热内筒壁9-1顶端平面内的上磁场定位部件和固定设置于刚性导热内筒壁9-1底端平面内的下磁场定位部件，上磁场定位部件和下磁场定位部件分别设置为沿刚性导热内筒壁9-1径向方向布置的两件，两件上磁场定位部件的连线与两件下磁场定位部件的连线空间垂直设置。
所述的集中电控部分包括计算机36、数据采集模块28、压力加载控制回路、温度控制回路、注液控制回路、原位扰动激励控制回路、试样内部检测控制回路、数据分析计算回路，计算机36分别与液压泵站2、渗流泵送电控装置32、入口液体温度调控装置41、扰动信号激励电控装置35、数据采集模块28、磁场定位部件42和环形供热夹层9-4的电加热丝电连接，数据采集模块28分别与孔口注液温度压力流量传感器25、出口渗液流量传感器、筒壁侧压力动态传感器、内筒壁温度传感器、供热夹层温度传感器12、原位扰动动态压力传感器19、数据同步集成处理电控机构27-7、渗液处理装置6的电子称电连接。
使用本破碎岩体多场耦合试验系统在进行试验前，先将夹层筒壁9与压力室底座4固定安装形成桶型结构的压力室38，将环形岩筒试样9-5通过隔热垫圈9-7安装在环形岩筒夹层9-2内后加装环形岩筒夹层盖9-6，然后将单一种类破碎岩体试样或不同岩性及粒径的层状组合破碎岩体试样、和多个非接触式动态固液分离传感装置27置入压力室38内、并使多个非接触式动态固液分离传感装置27均布设置在破碎岩体试样内，然后加装压力室顶压头14，调整定位压头21上的升降结构使定位压头21上移让位后，将压力室38整体吊装或通过平移输送机送入整体式框架1内，并通过加载液压缸3伸缩端顶面上的定位结构和压力室底座定位安装部件将压力室底座4同轴定位安装在加载液压缸3的伸缩端顶端，再次调整定位压头21上的升降结构使定位压头21下降并与贴近压力室顶压头14后连接水路管路和电气管路，即可启动集中电控部分。
计算机36首先给磁场定位部件42通电产生磁场，通过空间电磁定位传感器27-6和电子陀螺仪27-3的实时反馈，计算机36一方面获得各个非接触式动态固液分离传感装置27位于压力室38内的具体三维坐标位置数据和空间角度姿态数据，另一方面实现各个非接触式动态固液分离传感装置27初始状态时间同步；计算机36通过控制环形供热夹层9-4的电加热丝可以实现对环形岩筒试样9-5的加热、进而实现环形岩筒试样9-5与破碎岩体试样之间的热交换，通过内筒壁温度传感器和非接触式动态固液分离传感装置27的温度反馈便于研究岩石与岩石之间的热交换规律；计算机36通过控制入口液体温度调控装置41设定入口温度和温差限制值，温度调控装置41控制入口液体加热装置40对渗流液体进行加热，渗流液体经加热达到设定的入口温度后，渗流液体流入液体入口15，同时孔口注液温度压力流量传感器25测量液体入口处渗流液体的即时温度，并反馈给温度调控装置41，温度调控装置41计算入口即时温度与设定温度的温差，如果温差小于设定的温差限制，继续供液；如果温差大于设定的温差限制，温度调控装置41控制入口液体加热装置40对温度进行微调补偿，精确控制恒温条件，便于研究水-岩热交换规律，破碎岩体渗流场分布规律，破碎岩体内部应力场演化规律，以及应力场、变形场、渗流场、温度场等多场耦合作用机理。
试验过程中，计算机36通过压力加载控制回路控制液压泵站2工作使加载液压缸3顶升对压力室38内的破碎岩体试样输入压力载荷，同时计算机36通过注液控制回路控制渗流泵送电控装置32工作使渗流液经入口液体加热装置40、入口液体温度调控装置41加热后进入液体入孔15，计算机36通过试样内部检测控制回路控制各个非接触式动态固液分离传感装置27同时工作；各个数据同步集成处理电控机构27-7按照相同的设定时间周期通过空间电磁定位传感器27-6和电子陀螺仪27-3同步向数据采集模块28反馈各个非接触式动态固液分离传感装置27位于压力室38内的具体三维坐标位置数据及空间角度姿态数据，计算机36根据数据采集模块28采集的各个非接触式动态固液分离传感装置27的具体三维坐标位置数据及空间角度姿态数据和内置程序计算并建立试样内部测试点动态分布模型；各个数据同步集成处理电控机构27-7按照相同的设定时间周期向数据采集模块28反馈非接触式动态固液分离传感装置27承受的来自破碎岩体试样的三向土压数据、来自压力室38内的渗流液的水温数据及水压数据，计算机36根据数据采集模块28采集的三向土压数据和电子陀螺仪27-3反馈的空间角度姿态数据、应力测试解调器27-9反馈的应力数据分析获得三向土压数据的具体空间方向和对应的应力数据、并通过差值法计算得到任意方向的应力场数据，然后在试样内部测试点动态分布模型的基础上构建破碎岩体试样内部应力模型，计算机36根据数据采集模块28采集的渗流液的水温数据及水压数据和内置程序计算获得温度场数据、水压力梯度分布数据，并在试样内部测试点动态分布模型的基础上构建破碎岩体试样内部温度模型、破碎岩体试样内部渗透水水压梯度分布模型；原位扰动动态压力传感器19实时向数据采集模块28反馈压力室顶压头14承受的压力数据，孔口注液温度压力流量传感器25实时向数据采集模块28反馈注入的渗流液初始压力数据，出口渗液流量传感器实时向数据采集模块28反馈排出的渗流液压力数据，筒壁侧压力动态传感器实时向数据采集模块28反馈刚性导热内筒壁9-1对破碎岩体试样的围压数据，内筒壁温度传感器实时向数据采集模块28反馈刚性导热内筒壁9-1的温度数据，渗液处理装置6的电子称向数据采集模块28反馈渗漏排出的岩粒的质量数据，计算机36分别对数据采集模块28采集的压力室顶压头14承受的压力数据、注入的渗流液初始压力数据、排出的渗流液压力数据、刚性导热内筒壁9-1的围压数据、刚性导热内筒壁9-1的温度数据、排出的岩粒质量数据进行误差分析计算和均值输出；
进行静载试验时，计算机36控制加载液压缸3输出稳定的额定静载荷，可模拟破碎岩体承受长时稳定载荷的情况；
进行静载+预设动载荷试验时，在计算机36中设定静载荷大小、加载速度、动载荷的形式、周期、振幅、峰值大小、循环次数、叠加方式等特征数据，然后计算机36控制加载液压缸3输出稳定的额定静载荷的同时，计算机36通过原位扰动激励控制回路控制扰动信号激励电控装置35工作使直流励磁线圈17和交流励磁线圈20产生磁通，定位压头21和压力室顶压头14之间产生电磁力，定位压头21和压力室顶压头14发生相对激振实现静载扰动，可模拟破碎岩体在承受长时稳定载荷的同时承受预设形式的周期性扰动载荷、冲击载荷等载荷叠加作用的情况；
进行静载+原位扰动载荷或修改后的原位扰动载荷试验时，在计算机36中设定静载荷大小、加载速度，然后将现场测到的原位扰动信号导入计算机36中，然后在计算机36中设定原位扰动的介入条件，或者先对原位扰动信号进行人为修改(如调整原位扰动信号峰值大小模拟极端条件、叠加周期载荷或冲击载荷模拟多种扰动因素的叠加影响等)再设定修改后的原位扰动介入条件；然后计算机36控制加载液压缸3输出稳定的额定静载荷的同时，计算机36监控静载加载状态，当静载加载条件达到设定的原位扰动介入条件时，计算机36通过原位扰动激励控制回路控制扰动信号激励电控装置35工作使直流励磁线圈17和交流励磁线圈20产生磁通，定位压头21和压力室顶压头14之间产生电磁力，定位压头21和压力室顶压头14发生相对激振实现原位扰动或修改后的原位扰动，可模拟破碎岩体在承受静载荷的同时承受原位扰动载荷或修改后的原位扰动载荷的情况。
由于试验加载过程中破碎岩体试样被压实成为密实的一体结构，且注液过程使破碎岩体试样内部的裂隙充斥渗透液体，因此密实的一体结构破碎岩体试样内部呈几乎真空的状态，这样就造成试验完成后压力室顶压头14与密实的一体结构破碎岩体试样压实黏连、难以分离，进而造成试样很难被取出。为了便于取出试样，作为本发明的进一步改进方案，夹层筒壁9的底部通过紧固螺栓13同轴密闭固定安装在压力室底座4上；破碎岩体多场耦合试验系统还包括压力室顶压头拆卸部分，压力室顶压头拆卸部分包括设置在整体式框架1上的压力室顶压头升降控制机构和安装在压力室顶压头升降控制机构上的定位压座夹持机构，定位压座夹持机构用于在试验完成后拆卸压力室顶压头14时对压力室顶压头14进行夹持定位，压力室顶压头升降控制机构用于在试验完成后拆卸压力室顶压头14时对压力室顶压头14进行升降动作，压力室顶压头升降控制机构和定位压座夹持机构分别与计算机36电连接。在试验完成后拆卸压力室顶压头14时，通过控制压力室顶压头升降控制机构和定位压座夹持机构的动作可以实现对压力室顶压头14进行提升动作，进而实现压力室顶压头14与密实的一体结构破碎岩体试样的分离拆卸，完成拆卸压力室顶压头14并将压力室38移出整体式框架1后，通过向压力室38内注水和拆卸紧固螺栓13，可以实现夹层筒壁9与试样的分离拆卸。
作为本发明压力室顶压头拆卸部分的一种实施方式，压力室顶压头升降控制机构是如图1所示的相对于压力室顶压头14中心对称设置的齿轮齿条结构，包括齿条导轨24和驱动齿轮22，齿条导轨24竖直固定安装在整体式框架1上，具有驱动电机的驱动齿轮22啮合配合设置在齿条导轨24上、且驱动齿轮22通过驱动齿轮支撑架竖直方向滑移配合安装在整体式框架1上，驱动齿轮支撑架与整体式框架1之间设有如T型槽结构、燕尾槽结构等水平限位结构，水平限位结构可以限制驱动齿轮支撑架脱离整体式框架1；定位压座夹持机构是如图1所示的水平伸缩夹持结构，包括水平安装在驱动齿轮支撑架上的伸缩式装卸臂23，压力室顶压头14上对应伸缩式装卸臂23的位置上还设有顶盖装卸孔16。拆卸压力室顶压头14时，先控制驱动齿轮22动作使伸缩式装卸臂23对正顶盖装卸孔16，然后控制伸缩式装卸臂23伸出并穿入顶盖装卸孔16内，然后控制驱动齿轮22动作使驱动齿轮支撑架整体举升，即可实现压力室顶压头14的拆卸。
作为本发明压力室顶压头拆卸部分的另一种实施方式，压力室顶压头升降控制机构是如图2所示的相对于压力室顶压头14中心对称设置的液压缸结构，包括定位压座升降液压缸，定位压座升降液压缸是缸底端低、伸缩端高倾斜设置，定位压座升降液压缸的缸底端铰接安装在整体式框架1上，定位压座升降液压缸通过液压管路和控制阀组与液压泵站2连接；定位压座夹持机构是如图2所示的卡口夹持结构，包括铰接安装在定位压座升降液压缸的伸缩端端部的夹持卡块，压力室顶压头14上对应夹持卡块的位置上还设有限位卡环结构。拆卸压力室顶压头14时，控制定位压座升降液压缸伸出使夹持卡块卡接在压力室顶压头14的限位卡环结构上后，继续控制定位压座升降液压缸伸出，由于定位压座升降液压缸倾斜设置，因此定位压座升降液压缸继续伸出时夹持卡块受力分解为两部分，一部分是沿压力室顶压头14径向方向的夹持力，另一部分是沿压力室顶压头14轴向方向的举升力，即可实现压力室顶压头14的拆卸。
为了避免原位扰动激励控制部分加载时影响动载控制精度，同时为了提高非接触式动态固液分离传感装置27的电磁定位精度，作为本发明的进一步改进方案，整体式框架1表面设有磁屏蔽包裹层，磁屏蔽包裹层的设置可以在原位扰动激励控制部分加载时避免因电磁场对整体式框架1的磁化作用而造成的动载控制精度降低的现象，可以在通过磁场定位部件42定位非接触式动态固液分离传感装置27时避免因电磁场对整体式框架1的磁化作用而造成的非接触式动态固液分离传感装置27定位精度降低的现象。
为了能够精确获得渗漏排出的岩粒的质量数据，作为本发明的进一步改进方案，渗液处理装置6的固液分离机构上还设有烘干机构，即，渗漏排出的岩粒经烘干机构烘干后再通过电子称进行称量，可以实现精确获得渗漏排出的岩粒的质量数据。
为了实现监测控制最大粒径条件下的颗粒流失质量、且实现防堵效果，作为本发明的进一步改进方案，如图10所示，下透水板11上方还设有可更换的流失颗粒粒径控制网39，且流失颗粒粒径控制网39的孔径小于下透水板11的透水通孔的孔径。通过更换不同孔径的流失颗粒粒径控制网39，可以实现控制颗粒流失的最大粒径，同时可以实现下透水板11的防堵效果，进而提高下透水板11的使用寿命。
由于破碎岩体具有显著的非均质性，而地下多种岩样混合分层布置的形式更加剧了破碎岩体的非均质性，因此为了便于研究多种岩样混合分层布置形式下不同种类岩样及不同种类岩样的分布厚度、不同的加载压力与渗流形式之间的关系，作为本发明的进一步改进方案，加载液压缸3上设有与数据采集模块28电连接的加载液压缸状态监测传感器26。试验过程中，加载液压缸状态监测传感器26实时向数据采集模块28反馈加载液压缸3的输出压力数据，计算机36对数据采集模块28采集的加载液压缸3的输出压力数据进行误差分析计算和均值输出。
为了保证注入的渗流液初始压力的稳定性、进而得到更准确的试验数据，作为本发明的进一步改进方案，渗透液体供给控制部分还包括渗流稳压装置31，渗流液泵送装置30的输出端通过渗流稳压装置31和管路与液体入孔15连通连接。
为了防止因设置上透水板10和下透水板11而造成渗液流通不畅，作为本发明的进一步改进方案，如图10所示，上透水板10的上表面和下表面以及下透水板11的上表面和下表面上均设有与透水通孔连通设置的多个环形凹槽和径向凹槽，多个环形凹槽同心设置，各环形凹槽之间通过沿径向方向设置的径向凹槽连通；液体入孔15的底端设置成上小下大的锥形孔结构；渗液出口通道5的入口端设有大径端口结构。
为了使环形岩筒试样9-5的温度分布可以控制得更加均匀，作为本发明的进一步改进方案，环形岩筒夹层9-2与环形供热夹层9-4之间还设有中部隔离层9-3，中部隔离层9-3的设置可以避免电加热丝与环形岩筒试样9-5直接接触，进而可以使环形岩筒试样9-5的温度分布可以控制得更加均匀。
为了提高非接触式动态固液分离传感装置27反馈数据的安全性、防止数据丢失，作为本发明的进一步改进方案，数据同步集成处理电控机构27-7还包括与传感控制器电连接的传感数据存储器。试验过程中，各个数据同步集成处理电控机构27-7按照相同的设定时间周期向数据采集模块28反馈数据的同时，分别通过传感数据存储器进行存储，试验完成后可取出非接触式动态固液分离传感装置27导出数据，实现提高数据的安全性。
为了避免非接触式动态固液分离传感装置27采用有线布置方式时因导线的设置在加载试验过程中对数据测量准确度造成影响，作为本发明的进一步改进方案，数据同步集成处理电控机构27-7和数据采集模块28均设有无线收发模块，数据同步集成处理电控机构27-7和数据采集模块28无线电连接。
本模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法可以实现对地热井现场测试得到的原位扰动载荷进行还原，可以精确地获得静载荷、冲击载荷、长时稳定载荷、周期性脉冲及振动载荷、实测扰动载荷等复杂扰动条件下崩落破碎岩体的渗流场、温度场、应力场、应变场等多场耦合试验数据，便于研究不同岩样的完整岩体岩性、完整岩体热源温度、破碎岩体岩性、粒径、级配、组合分布形式等在不同的施加载荷、扰动条件、渗流液初始温度、渗流液初始压力等条件下岩-岩、水-岩的热交换规律、破碎岩体渗流场分布规律、破碎岩体内部应力场演化规律，以及应力场、变形场、渗流场、温度场等多场耦合作用机理，为复杂载荷条件下的深部地热开采技术的研究提供更准确的试验数据。
Claims (10)
1.一种模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法，所使用的破碎岩体多场耦合试验系统包括整体式框架(1)、压力室部分、压力加载控制部分、渗透液体供给控制部分、原位扰动激励控制部分、试样内部检测部分和集中电控部分；
所述的压力加载控制部分固定设置在整体式框架(1)的内底部，包括液压泵站(2)和加载液压缸(3)，加载液压缸(3)竖直固定设置在整体式框架(1)上、且加载液压缸(3)的伸缩端竖直向上顶出设置，加载液压缸(3)通过液压管路和控制阀组与液压泵站(2)连接；
所述的压力室部分包括设置在整体式框架(1)内部的压力室(38)，压力室(38)包括压力室底座(4)、夹层筒壁(9)和压力室顶压头(14)；压力室底座(4)通过压力室底座定位安装部件同轴可拆卸定位安装在加载液压缸(3)的伸缩端顶端，压力室底座(4)内部设有贯穿压力室底座(4)设置的渗液出口通道(5)，渗液出口通道(5)的入口端与压力室底座(4)的顶平面贯通，渗液出口通道(5)的出口端通过出口渗液流量传感器连接渗液处理装置(6)，夹层筒壁(9)的底部同轴密闭固定设置在压力室底座(4)上，夹层筒壁(9)与压力室底座(4)共同围成桶型结构，夹层筒壁(9)内部沿其径向方向自内向外依次设有刚性导热内筒壁(9-1)、环形岩筒夹层(9-2)、环形供热夹层(9-4)和刚性绝热外筒壁，刚性导热内筒壁(9-1)上设有筒壁侧压力动态传感器和内筒壁温度传感器，环形岩筒试样(9-5)通过环形岩筒夹层盖(9-6)配合安装在环形岩筒夹层(9-2)内、且环形岩筒试样(9-5)的上下两端均设有隔热垫圈(9-7)，环形供热夹层(9-4)内部设有供热夹层温度传感器(12)和自下而上均布设置的电加热丝；刚性导热内筒壁(9-1)的内腔底部设有外径尺寸与刚性导热内筒壁(9-1)的内径尺寸配合的下透水板(11)，且下透水板(11)上均布设有多个与渗液出口通道(5)连通设置的透水通孔；压力室顶压头(14)同轴设置在夹层筒壁(9)的顶部、且压力室顶压头(14)底部的外径尺寸与刚性导热内筒壁(9-1)的内径尺寸配合，压力室顶压头(14)上设有贯穿压力室顶压头(14)的液体入孔(15)、且液体入孔(15)的孔口位置设有孔口注液温度压力流量传感器(25)，压力室顶压头(14)的底端设有外径尺寸与刚性导热内筒壁(9-1)的内径尺寸配合的上透水板(10)、且上透水板(10)上均布设有多个与液体入孔(15)连通设置的透水通孔，压力室顶压头(14)的顶端的对称中心位置设有凹形球面结构、且压力室顶压头(14)的顶部设有直流励磁线圈(17)；渗液处理装置(6)包括固液分离机构，固液分离机构上设有用于称量排出的试样岩粒的电子称；
所述的渗透液体供给控制部分包括渗流液泵送装置(30)和与渗流液泵送装置(30)电连接的渗流泵送电控装置(32)，渗流液泵送装置(30)的输入端通过管路与渗流液供给箱(29)连接，渗流液泵送装置(30)的输出端通过管路与入口液体加热装置(40)的输入端连接，入口液体加热装置(40)的输出端通过入口液体温度调控装置(41)和管路与液体入孔(15)连通连接；
所述的原位扰动激励控制部分包括扰动信号执行装置和扰动信号激励电控装置(35)；扰动信号执行装置包括定位压头(21)，定位压头(21)对应压力室顶压头(14)的位置竖直安装在整体式框架(1)上、且定位压头(21)上设有定位压头升降结构，定位压头(21)的底端是配合压力室顶压头(14)顶端的凹形球面结构设置的凸形球面结构，定位压头(21)上设有交流励磁线圈(20)，定位压头(21)或压力室顶压头(14)上还设有原位扰动动态压力传感器(19)；扰动信号激励电控装置(35)包括可控交流激励模块(34)和直流供电模块(33)，可控交流激励模块(34)与交流励磁线圈(20)电连接，直流供电模块(33)与直流励磁线圈(17)电连接；
所述的试样内部检测部分包括设置在压力室部分桶型结构内的多个非接触式动态固液分离传感装置(27)和设置在刚性导热内筒壁(9-1)上的磁场定位部件(42)；非接触式动态固液分离传感装置(27)包括围成方形立体框架结构的支撑固定骨架(27-1)和包裹设置于支撑固定骨架(27-1)上的固液分离刚性隔离网(27-2)，以方形立体框架结构空间对置的两个顶点为基准点，方形立体框架结构被划分为分别以顶点为中心、具有空间相邻三个面的第一部分和第二部分两个部分，第一部分的支撑固定骨架(27-1)是刚性支撑固定骨架，刚性支撑固定骨架的内表面上固定设有电子陀螺仪(27-3)、试样水压传感器(27-4)、试样温度传感器(27-5)、空间电磁定位传感器(27-6)、数据同步集成处理电控机构(27-7)，且空间电磁定位传感器(27-6)定位设置在方形立体框架结构的空间几何中心位置，数据同步集成处理电控机构(27-7)包括传感控制器、电源回路，传感控制器分别与电子陀螺仪(27-3)、试样水压传感器(27-4)、试样温度传感器(27-5)、空间电磁定位传感器(27-6)电连接，第二部分的支撑固定骨架(27-1)是弹性支撑固定骨架，弹性支撑固定骨架位于空间相邻三个面的外表面上分别设有空间三向应力传感器(27-8)、且弹性支撑固定骨架的内表面上固定设有分别与三向应力传感器(27-8)电连接的应力测试解调器(27-9)，应力测试解调器(27-9)与数据同步集成处理电控机构(27-7)的传感控制器电连接，相邻的刚性支撑固定骨架与弹性支撑固定骨架固定安装连接形成整体方形立体框架结构；磁场定位部件(42)包括固定设置于刚性导热内筒壁(9-1)顶端平面内的上磁场定位部件和固定设置于刚性导热内筒壁(9-1)底端平面内的下磁场定位部件，上磁场定位部件和下磁场定位部件分别设置为沿刚性导热内筒壁(9-1)径向方向布置的两件，两件上磁场定位部件的连线与两件下磁场定位部件的连线空间垂直设置；
所述的集中电控部分包括计算机(36)、数据采集模块(28)、压力加载控制回路、温度控制回路、注液控制回路、原位扰动激励控制回路、试样内部检测控制回路、数据分析计算回路，计算机(36)分别与液压泵站(2)、渗流泵送电控装置(32)、入口液体温度调控装置(41)、扰动信号激励电控装置(35)、数据采集模块(28)、磁场定位部件(42)和环形供热夹层(9-4)的电加热丝电连接，数据采集模块(28)分别与孔口注液温度压力流量传感器(25)、出口渗液流量传感器、筒壁侧压力动态传感器、内筒壁温度传感器、供热夹层温度传感器(12)、原位扰动动态压力传感器(19)、数据同步集成处理电控机构(27-7)、渗液处理装置(6)的电子称电连接；
其特征在于，具体试验方法包括以下步骤：
a.试验准备：将夹层筒壁(9)与压力室底座(4)固定安装形成桶型结构的压力室(38)，将环形岩筒试样(9-5)通过隔热垫圈(9-7)安装在环形岩筒夹层(9-2)内后加装环形岩筒夹层盖(9-6)，然后将破碎岩体试样和多个非接触式动态固液分离传感装置(27)置入压力室(38)内、并使多个非接触式动态固液分离传感装置(27)均布设置在破碎岩体试样内，然后加装压力室顶压头(14)，调整定位压头(21)上的升降结构使定位压头(21)上移让位后，将压力室(38)整体吊装或通过平移输送机送入整体式框架(1)内，并通过加载液压缸(3)伸缩端顶面上的定位结构和压力室底座定位安装部件将压力室底座(4)同轴定位安装在加载液压缸(3)的伸缩端顶端，再次调整定位压头(21)上的升降结构使定位压头(21)下降并与贴近压力室顶压头(14)后连接水路管路和电气管路；
b.试验过程：计算机(36)通过压力加载控制回路控制液压泵站(2)工作使加载液压缸(3)顶升对压力室(38)内的破碎岩体试样输入压力载荷，同时计算机(36)通过注液控制回路控制渗流泵送电控装置(32)工作使渗流液经入口液体加热装置(40)、入口液体温度调控装置(41)加热后进入液体入孔(15)，计算机(36)通过试样内部检测控制回路控制各个非接触式动态固液分离传感装置(27)同时工作；各个数据同步集成处理电控机构(27-7)按照相同的设定时间周期通过空间电磁定位传感器(27-6)和电子陀螺仪(27-3)同步向数据采集模块(28)反馈各个非接触式动态固液分离传感装置(27)位于压力室(38)内的具体三维坐标位置数据及空间角度姿态数据，计算机(36)根据数据采集模块(28)采集的各个非接触式动态固液分离传感装置(27)的具体三维坐标位置数据及空间角度姿态数据和内置程序计算并建立试样内部测试点动态分布模型；各个数据同步集成处理电控机构(27-7)按照相同的设定时间周期向数据采集模块(28)反馈非接触式动态固液分离传感装置(27)承受的来自破碎岩体试样的三向土压数据、来自压力室(38)内的渗流液的水温数据及水压数据，计算机(36)根据数据采集模块(28)采集的三向土压数据和电子陀螺仪(27-3)反馈的空间角度姿态数据、应力测试解调器(27-9)反馈的应力数据分析获得三向土压数据的具体空间方向和对应的应力数据、并通过差值法计算得到任意方向的应力场数据，然后在试样内部测试点动态分布模型的基础上构建破碎岩体试样内部应力模型，计算机(36)根据数据采集模块(28)采集的渗流液的水温数据及水压数据和内置程序计算获得温度场数据、水压力梯度分布数据，并在试样内部测试点动态分布模型的基础上构建破碎岩体试样内部温度模型、破碎岩体试样内部渗透水水压梯度分布模型；原位扰动动态压力传感器(19)实时向数据采集模块(28)反馈压力室顶压头(14)承受的压力数据，孔口注液温度压力流量传感器(25)实时向数据采集模块(28)反馈注入的渗流液初始压力数据，出口渗液流量传感器实时向数据采集模块(28)反馈排出的渗流液压力数据，筒壁侧压力动态传感器实时向数据采集模块(28)反馈刚性导热内筒壁(9-1)对破碎岩体试样的围压数据，内筒壁温度传感器实时向数据采集模块(28)反馈刚性导热内筒壁(9-1)的温度数据，渗液处理装置(6)的电子称向数据采集模块(28)反馈渗漏排出的岩粒的质量数据，计算机(36)分别对数据采集模块(28)采集的压力室顶压头(14)承受的压力数据、注入的渗流液初始压力数据、排出的渗流液压力数据、刚性导热内筒壁(9-1)的围压数据、刚性导热内筒壁(9-1)的温度数据、排出的岩粒质量数据进行误差分析计算和均值输出；
进行静载试验时，计算机(36)控制加载液压缸(3)输出稳定的额定静载荷，模拟破碎岩体承受长时稳定载荷的情况；
进行静载+预设动载荷试验时，在计算机(36)中设定静载荷大小、加载速度、动载荷的形式、周期、振幅、峰值大小、循环次数、叠加方式特征数据，然后计算机(36)控制加载液压缸(3)输出稳定的额定静载荷的同时，计算机(36)通过原位扰动激励控制回路控制扰动信号激励电控装置(35)工作使直流励磁线圈(17)和交流励磁线圈(20)产生磁通，定位压头(21)和压力室顶压头(14)之间产生电磁力使定位压头(21)和压力室顶压头(14)发生相对激振实现静载扰动，模拟破碎岩体在承受长时稳定载荷的同时承受预设形式的周期性扰动载荷、冲击载荷叠加作用的情况；
进行静载+原位扰动载荷或修改后的原位扰动载荷试验时，在计算机(36)中设定静载荷大小、加载速度，然后将现场测到的原位扰动信号导入计算机(36)中，然后在计算机(36)中设定原位扰动的介入条件，或者先对原位扰动信号进行人为修改、再设定修改后的原位扰动介入条件；然后计算机(36)控制加载液压缸(3)输出稳定的额定静载荷的同时，计算机(36)监控静载加载状态，当静载加载条件达到设定的原位扰动介入条件时，计算机(36)通过原位扰动激励控制回路控制扰动信号激励电控装置(35)工作使直流励磁线圈(17)和交流励磁线圈(20)产生磁通，定位压头(21)和压力室顶压头(14)之间产生电磁力使定位压头(21)和压力室顶压头(14)发生相对激振实现原位扰动或修改后的原位扰动，模拟破碎岩体在承受静载荷的同时承受原位扰动载荷或修改后的原位扰动载荷的情况。
2.根据权利要求1所述的模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法，其特征在于，破碎岩体多场耦合试验系统的夹层筒壁(9)的底部可拆卸固定安装在压力室底座(4)上；破碎岩体多场耦合试验系统还包括压力室顶压头拆卸部分，压力室顶压头拆卸部分包括设置在整体式框架(1)上的压力室顶压头升降控制机构和安装在压力室顶压头升降控制机构上的定位压座夹持机构，定位压座夹持机构用于在试验完成后拆卸压力室顶压头(14)时对压力室顶压头(14)进行夹持定位，压力室顶压头升降控制机构用于在试验完成后拆卸压力室顶压头(14)时对压力室顶压头(14)进行升降动作，压力室顶压头升降控制机构和定位压座夹持机构分别与计算机(36)电连接；
完成步骤b后，拆卸压力室顶压头(14)时，通过控制压力室顶盖升降控制机构和定位压座夹持机构的动作对压力室顶压头(14)进行提升动作使压力室顶压头(14)与密实的一体结构破碎岩体试样分离，完成拆卸压力室顶压头(14)并将压力室(38)移出整体式框架(1)后，通过向压力室(38)内注水和拆卸夹层筒壁(9)使夹层筒壁(9)与密实的一体结构破碎岩体试样分离。
3.根据权利要求2所述的模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法，其特征在于，破碎岩体多场耦合试验系统的压力室顶压头升降控制机构是相对于压力室顶压头(14)中心对称设置的齿轮齿条结构，包括齿条导轨(24)和驱动齿轮(22)，齿条导轨(24)竖直固定安装在整体式框架(1)上，具有驱动电机的驱动齿轮(22)啮合配合设置在齿条导轨(24)上、且驱动齿轮(22)通过驱动齿轮支撑架竖直方向滑移配合安装在整体式框架(1)上，驱动齿轮支撑架与整体式框架(1)之间设有可以限制驱动齿轮支撑架脱离整体式框架(1)的水平限位结构；定位压座夹持机构是水平伸缩夹持结构，包括水平安装在驱动齿轮支撑架上的伸缩式装卸臂(23)，压力室顶压头(14)上对应伸缩式装卸臂(23)的位置上还设有顶盖装卸孔(16)；
拆卸压力室顶压头(14)时，先控制驱动齿轮(22)动作使伸缩式装卸臂(23)对正顶盖装卸孔(16)，然后控制伸缩式装卸臂(23)伸出并穿入顶盖装卸孔(16)内，然后控制驱动齿轮(22)动作使驱动齿轮支撑架整体举升，实现压力室顶压头(14)的拆卸。
4.根据权利要求2所述的模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法，其特征在于，破碎岩体多场耦合试验系统的压力室顶压头升降控制机构是相对于压力室顶压头(14)中心对称设置的液压缸结构，包括定位压座升降液压缸，定位压座升降液压缸是缸底端低、伸缩端高倾斜设置，定位压座升降液压缸的缸底端铰接安装在整体式框架(1)上，定位压座升降液压缸通过液压管路和控制阀组与液压泵站(2)连接；定位压座夹持机构是卡口夹持结构，包括铰接安装在定位压座升降液压缸的伸缩端端部的夹持卡块，压力室顶压头(14)上对应夹持卡块的位置上还设有限位卡环结构；
拆卸压力室顶压头(14)时，控制定位压座升降液压缸伸出使夹持卡块卡接在压力室顶压头(14)的限位卡环结构上后，继续控制定位压座升降液压缸伸出，定位压座升降液压缸继续伸出时夹持卡块受力分解为两部分，一部分是沿压力室顶压头(14)径向方向的夹持力，另一部分是沿压力室顶压头(14)轴向方向的举升力，实现压力室顶压头(14)的拆卸。
5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法，其特征在于，破碎岩体多场耦合试验系统的渗液处理装置(6)的固液分离机构上还设有烘干机构；
步骤b中，待破碎岩体试样被压实为一体结构、出口渗液流量传感器不再反馈排出的渗流液压力数据后，启动烘干机构至设定时间、使渗漏排出的岩粒去除水分，再启动电子称进行称量以精确获得渗漏排出的岩粒的质量数据。
6.根据权利要求1至4任一权利要求所述的模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法，其特征在于，破碎岩体多场耦合试验系统的下透水板(11)上方还设有可更换的流失颗粒粒径控制网(39)，且流失颗粒粒径控制网(39)的孔径小于下透水板(11)的透水通孔的孔径；
步骤a中在将破碎岩体试样置入压力室(38)内之前，通过更换不同孔径的流失颗粒粒径控制网(39)实现控制颗粒流失的最大粒径。
7.根据权利要求1至4任一权利要求所述的模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法，其特征在于，破碎岩体多场耦合试验系统的加载液压缸(3)上设有与数据采集模块(28)电连接的加载液压缸状态监测传感器(26)；
步骤b中，加载液压缸状态监测传感器(26)实时向数据采集模块(28)反馈加载液压缸(3)的输出压力数据，计算机(36)对数据采集模块(28)采集的加载液压缸(3)的输出压力数据进行误差分析计算和均值输出。
8.根据权利要求1至4任一权利要求所述的模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法，其特征在于，破碎岩体多场耦合试验系统的数据同步集成处理电控机构(27-7)还包括与传感控制器电连接的传感数据存储器；
步骤b中，各个数据同步集成处理电控机构(27-7)按照相同的设定时间周期向数据采集模块(28)反馈数据的同时，分别通过传感数据存储器进行存储，试验完成后取出非接触式动态固液分离传感装置(27)导出数据。
9.根据权利要求1至4任一权利要求所述的模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法，其特征在于，破碎岩体多场耦合试验系统的数据同步集成处理电控机构(27-7)和数据采集模块(28)均设有无线收发模块，数据同步集成处理电控机构(27-7)和数据采集模块(28)无线电连接。
10.根据权利要求1至4任一权利要求所述的模拟复杂载荷条件下的地热开采试验方法，其特征在于，步骤b中计算机(36)通过控制入口液体温度调控装置(41)设定入口温度和温差限制值，温度调控装置(41)控制入口液体加热装置(40)对渗流液体进行加热，渗流液体经加热达到设定的入口温度后，渗流液体流入液体入口(15)，同时孔口注液温度压力流量传感器(25)测量液体入口处渗流液体的即时温度，并反馈给温度调控装置(41)，温度调控装置(41)计算入口即时温度与设定温度的温差，若温差小于设定的温差限制值、则继续供液，若温差大于设定的温差限制值，温度调控装置(41)控制入口液体加热装置(40)对温度进行微调补偿，精确控制恒温条件。
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