CN112834726A - 一种可多因素控制的水岩溶滤模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于水‑岩作用模拟技术领域，涉及一种可多因素控制的水岩溶滤作用模拟实验装置，主体结构包括反应装置、进液装置、多因素控制装置和取液装置四个功能部分，反应装置、进液装置和取液装置通过主管路沿顺时针方向依次连接形成闭合四边形回路结构，能够解决不同因素影响下的水岩溶滤作用，通过控制反应温度、压力、流速和时间等，更好的模拟地下水运移对水岩溶滤作用的影响，而且可以实现不同浓度不同岩性不同裂隙发育作用下的水岩溶滤作用模拟，其结构简单，使用方便，且组装快速、实验过程稳定、准确，实用性强，采用的控制器满足长时间稳定控制要求，特别适合研究煤矿开采对地下水化学特征的影响。

Description

一种可多因素控制的水岩溶滤模拟实验装置

技术领域：

本发明属于水-岩作用模拟技术领域，涉及一种可多因素控制的水岩溶滤作用模拟实验装置，通过该实验装置对矿井采动影响下岩石裂隙发育程度对水化学特征形成的溶滤作用进行研究。

背景技术：

溶滤作用由于地壳上部水的活动而广泛进行，由于大气因素的影响，降水入渗的地球化学作用与岩石的风化作用、有机物作用密切联系。表生带地下水的化学成分往往与地壳上岩石和土壤有关。室内水岩溶滤作用模拟已成为了解其作用过程和机理的一种常用手段，因此，水岩溶滤模拟装置的设计对水岩作用模拟非常重要。

水岩溶滤作用受多因素控制，例如溶液浓度和类型、温度、压力、反应时间等。目前，水岩作用模拟包括静态模拟和动态模拟，但不管是静态模拟还是动态模拟，都没有考虑水的流速对水岩作用的影响，尤其在地下水系统中流速也决定着地下水水化学类型；其次，由于水岩作用通常反应时间较长，现有实验装置实验时间较长时对压力、温度的控制不稳定；同时，现有实验装置无法通过模拟研究煤矿开采所造成的顶底板岩石裂隙不同发育情况对水岩溶滤作用的影响,例如CN108445190A提供了一种可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置，包括反应装置、加液装置、压力控制装置、取液装置和温度及搅拌控制装置，反应装置的侧壁设有四个与其相通的接管，每个接管上均设有控制其开关的阀门，加液装置、压力控制装置和取液装置分别通过接管与反应装置相连，反应装置置于温度及搅拌控制装置上，利用恒温磁力搅拌器控制水岩反应的温度、转速和时间，利用压力控制装置控制系统压力，取不同重量岩(土)加入反应装置中，配制不同浓度、不同类型的溶液实现不同溶液、不同岩土用量下的水-岩作用，但是该装置是通过转子转速控制系统流速的，不能显示流速的具体数值，转子跟样品都在锥形瓶中发生磕碰的影响未考虑，长时间情况下流速控制不稳定,而且装置较小不能模拟较大岩样中的裂隙不同带来的影响；CN106198932B公开了一种模拟岩石裂隙中的水岩相互作用实验装置及方法，包括供水箱；所述的供水箱通过供水管与岩石裂隙水岩相互作用模拟器的入水口相连，所述的岩石裂隙水岩相互作用模拟器的出水口通过回水管又与供水箱相连，形成一个水循环装置；所述的岩石裂隙水岩相互作用模拟器包括由岩石试样拼接而成的岩石裂隙面，在所述的岩石试样的前后设有与岩石裂隙面连通的分水区和聚水区；且在所述的分水区与目标岩石试样之间、在所述的聚水区与目标岩石试样之间均设有水压传感器、温度传感器，所述的水压传感器和温度传感器与数据处理装置相连，该装置虽然有温度传感器但是它不能控制温度，其数据处理装置可以直接显示数据但是不能通过该装置直接控制水压、流速等，水压、流速等需要手动设置，这其中会产生误差从而影响实验结果，而且样品的裂隙是需要自己拼接的。因此，迫切需要开发一种能够模拟煤矿开采作用影响下水岩作用的实验装置，在相似环境下探究岩石裂缝发育程度对溶滤作用的影响。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种可多因素控制的水岩溶滤模拟实验装置，用于模拟岩样不同裂隙发育下的水岩作用过程，进而研究煤矿开采对地下水化学特征的影响。

为了实现上述目的，本发明所述可多因素控制的水岩溶滤模拟实验装置的主体结构包括反应装置、进液装置、多因素控制装置和取液装置四个功能部分，反应装置、进液装置和取液装置通过主管路沿顺时针方向依次连接形成闭合四边形回路结构，反应装置的壳体上设有装样开盖，装样开盖上设有旋钮和胶条用于保证反应装置的密闭性，反应装置的两侧分别与主管路连通；反应装置内部设有样品固定装置，进液装置采用封闭结构的储液水槽，储液水槽通过进液球阀安装在主管路上，取液装置采用上盖开口的取液水槽，取液水槽通过取液球阀安装在主管路上，取液水槽的下端连接龙头；进液装置和取液装置之间的管路上安装有流量计和泄压阀；反应装置两侧的管路外侧包套有加热套，反应装置和进液装置之间的管路上沿顺时针方向依次设有压力控制阀、泵和止回阀；多因素控制装置上的控制器分别与温度计、流量计和压力控制阀相连，通过电信号控制调节温度、流量和压力。

本发明所述主管路采用内径为4cm的不锈钢管构成并利用支架进行固定安装,不锈钢材料的耐高压、传热效率高且不易于参与水岩溶滤反应，使得水-岩反应模拟实验能够适用于更广范围压力和温度下的水岩溶滤作用。

本发明所述样品固定装置包括外层、内层、有机玻璃板、圆柱型突起、固定凹槽和网格；外层和内层均为圆柱空腔结构，外层通过两块正方形结构的有机玻璃板调节并固定在反应装置内，外层的内部有两个对称圆柱型突起，内层的表面设有两个对称的固定凹槽，内层通过圆柱型突起和固定凹槽镶嵌在外层上固定为一体结构置于反应装置中固定，内层中设有一层网格，防止细小颗粒进入主管路，固定装置具有样品调节和固定作用，用瞬间胶粘剂将岩样固定在内层中，确保在研究裂隙发育对水岩溶滤作用时，水与岩样裂隙以外的接触面积固定不变。

本发明所述多因素控制装置上的控制器为具有PID控制功能的控制器，控制器上设有数显屏幕，数显屏幕的一侧设有多因素调节按键和自动控制按键，控制器的下部设有控制器开关。

本发明所述的泵与主管路之间采用法兰连接。

本发明所述加热套采用岩棉管，使得管路减少散热利于保温，并且起到对管路的保护作用，延长其使用寿命。

本发明所述储液水槽和取液水槽上均设有体积刻度，使进液和取液溶液体积准确。

本发明所述多因素控制系统一方面可以控制体系压力，另一方面，主管路内水流速的大小也可以通过泵扬程的改变进行控制，包括温度、时间在内这些参数可视具体情况需要进行调整，还可以配制不同浓度、不同水化学类型的溶液加入进液装置，也可以取不同重量大小、不同裂隙发育的岩样置于反应装置中进行反应，实现不同浓度、不同岩样的多因素控制下的水岩溶滤作用模拟。

本发明与现有技术相比，能够解决不同因素影响下的水岩溶滤作用，通过控制反应温度、压力、流速和时间等，更好的模拟地下水运移对水岩溶滤作用的影响，而且可以取不同岩性的样品，配置不同浓度不同类型的溶液和裂隙发育程度不同的岩土样品，实现不同浓度不同岩性不同裂隙发育作用下的水岩溶滤作用模拟，其结构简单，使用方便，且组装快速、实验过程稳定、准确，实用性强，采用的控制器鲁棒性强，其控制品质对被控对象的变化不太敏感，满足长时间稳定控制要求，特别适合研究煤矿开采对地下水化学特征的影响。

附图说明：

图1为本发明所述可多因素控制的水岩溶滤模拟实验装置的主体原理结构示意图。

图2为本发明所述控制器的结构原理示意图。

图3为本发明所述样品固定装置外层结构原理示意图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图。

图4为本发明所述样品固定装置内层结构原理示意图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1:

本实施例所述可多因素控制的水岩溶滤模拟实验装置的主体结构如图1所示，包括反应装置1、进液装置2、多因素控制装置3和取液装置4四个功能部分，反应装置1、多因素控制装置3、进液装置2和取液装置4通过主管路沿顺时针方向依次连接形成闭合四边形回路结构，反应装置1的壳体上设有装样开盖101，装样开盖101上设有旋钮和胶条用于保证反应装置1的密闭性，反应装置1的两侧分别与主管路5连通；反应装置1内部设有样品固定装置，进液装置2采用封闭结构的储液水槽201，储液水槽201通过进液球阀202安装在主管路5上，取液装置4采用上盖开口的取液水槽401，取液水槽401通过取液球阀402安装在主管路5上，取液水槽401的下端连接龙头403；进液装置2和取液装置4之间的管路上安装有流量计302和泄压阀310；反应装置1两侧的管路外侧包套有加热套309，反应装置1和进液装置2之间的管路上沿顺时针方向依次设有压力控制阀301、泵303和止回阀304；多因素控制装置上的控制器分别与温度计308、流量计302和压力控制阀301相连，通过电信号控制调节温度、流量和压力。

本实施例所述主管路采用内径为4cm、长4m的不锈钢管构成并利用支架进行固定安装，不锈钢材料的耐高压、传热效率高且不易于参与水岩溶滤反应，使得水-岩反应模拟实验能够适用于更广范围压力和温度下的水岩溶滤作用。

本实施例所述样品固定装置包括外层102、内层103、有机玻璃板104、圆柱型突起105、固定凹槽106和网格107，外层102和内层103均为圆柱空腔结构，外层102的长为8cm，内径为4cm，内层103的长为6cm，内径为3.9cm，外层102通过两块边长为8cm、厚为1cm的正方形结构有机玻璃板104调节并固定在反应装置1内，外层102的内部有两个对称圆柱型突起105，内层103的表面设有两个对称的固定凹槽106，内层103通过圆柱型突起105和固定凹槽106镶嵌在外层102上固定为一体结构置于反应装置1中固定，内层103中设有一层网格107，防止细小颗粒进入主管路5，固定装置具有样品调节和固定作用，用瞬间胶粘剂将岩样固定在内层102中，确保在研究裂隙发育对水岩溶滤作用时，水与岩样裂隙以外的接触面积固定不变。

本实施例所述多因素控制装置3上的控制器为具有PID控制功能的控制器，控制器上设有数显屏幕，数显屏幕的一侧设有多因素调节按键306和自动控制按键307，控制器的下部设有控制器开关305，控制器通过PID调节可长时间稳定控制流量、压力和温度数值稳定，也可根据时间不同调节流量、压力和温度的数值，实现多因素控制下的水岩溶滤模拟实验。

本实施例所述的泵303与主管路5之间采用法兰连接。

本实施例所述加热套309采用岩棉管，使得主管路减少散热利于保温，并且起到对管路的保护作用，延长其实用寿命。

本实施例所述储液水槽201为边长20cm的正方体结构，取液水槽401为长10cm、宽10cm、高30cm的长方体结构，储液水槽201和取液水槽401的上均设有体积刻度，使进液和取液溶液体积准确。

实施例2：

本实施例采用实施例1所述装置对某一区域的水岩溶滤作用模拟实验，具体过程为：

(1)先挑选同区域不同裂隙发育程度的岩样，使用瞬间胶粘剂将岩样固定在内层103中，岩样与网格107间距为1-2cm，将内层103置于外层104内，通过调节有机玻璃板104使样品固定装置的两端与反应装置1侧壁两接口相连后将装样开盖101关闭；

(2)将根据区域实测数据配比的水样或去离子水加入储液水槽201中，待储液水槽201中液位稳定后，打开进液球阀202，当储液水槽201的液位不在发生变化时，打开控制器开关305、开启泵303，当观察到储液水槽201液位稳定后关闭进液球阀202；

(3)通过多因素调节按键306设定实验中的压力、流速、温度及反应时间，设定完毕后开启自动控制开关307和加热套309，到达设定的反应时间后，关闭泵303和加热套309并打开泄压阀310，当压力值稳定后缓慢打开取液球阀402让反应溶液进入取液水槽401，打开龙头403进行取样；

(4)重复步骤(1)-(3)分批次放入不同裂隙发育程度的岩样进行实验，将分批次取出的水样进行常规水化学分析，研究岩石不同裂隙发育程度对水岩溶滤作用的影响。

实施例3：

本实施例在水岩作用溶滤过程模拟实验中，按照24h、42h、72h的不同反应时间进行溶液取样，对水岩溶滤过程和矿物溶解饱和度进行分析对水岩溶滤过程进行解释，其余步骤与实施例2相同。

Claims (7)

1.一种可多因素控制的水岩溶滤模拟实验装置，其特征在于，其主体结构包括反应装置、进液装置、多因素控制装置和取液装置四个功能部分，反应装置、进液装置和取液装置通过主管路沿顺时针方向依次连接形成闭合四边形回路结构，反应装置的壳体上设有装样开盖，装样开盖上设有旋钮和胶条用于保证反应装置的密闭性，反应装置的两侧分别与主管路连通；反应装置内部设有样品固定装置，进液装置采用封闭结构的储液水槽，储液水槽通过进液球阀安装在主管路上，取液装置采用上盖开口的取液水槽，取液水槽通过取液球阀安装在主管路上，取液水槽的下端连接龙头；进液装置和取液装置之间的管路上安装有流量计和泄压阀；反应装置两侧的管路外侧包套有加热套，反应装置和进液装置之间的管路上沿顺时针方向依次设有压力控制阀、泵和止回阀；多因素控制装置上的控制器分别与温度计、流量计和压力控制阀相连，通过电信号控制调节温度、流量和压力。

2.根据权利要求1所述可多因素控制的水岩溶滤模拟实验装置，其特征在于，所述主管路采用内径为4cm的不锈钢管构成并利用支架进行固定安装。

3.根据权利要求1所述可多因素控制的水岩溶滤模拟实验装置，其特征在于，所述样品固定装置包括外层、内层、有机玻璃板、圆柱型突起、固定凹槽和网格；外层和内层均为圆柱空腔结构，外层通过两块正方形结构的有机玻璃板调节并固定在反应装置内，外层的内部有两个对称圆柱型突起，内层的表面设有两个对称的固定凹槽，内层通过圆柱型突起和固定凹槽镶嵌在外层上固定为一体结构置于反应装置中固定，内层中设有一层网格，防止细小颗粒进入主管路，样品固定装置具有样品调节和固定作用，用瞬间胶粘剂将岩样固定在内层中，确保在研究裂隙发育对水岩溶滤作用时，水与岩样裂隙以外的接触面积固定不变。

4.根据权利要求1所述可多因素控制的水岩溶滤模拟实验装置，其特征在于，所述多因素控制装置上的控制器为具有PID控制功能的控制器，控制器上设有数显屏幕，数显屏幕的一侧设有多因素调节按键和自动控制按键，控制器的下部设有控制器开关。

5.根据权利要求1所述可多因素控制的水岩溶滤模拟实验装置，其特征在于，所述泵与主管路之间采用法兰连接。

6.根据权利要求1所述可多因素控制的水岩溶滤模拟实验装置，其特征在于，所述加热套采用岩棉管。

7.根据权利要求1所述可多因素控制的水岩溶滤模拟实验装置，其特征在于，所述储液水槽和取液水槽上均设有体积刻度。

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