CN113310825A - 碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳酸盐岩单裂隙的溶蚀试验装置及测试方法，步骤为：通过氮气加压装置、碳酸水溶液制备系统、加热装置制备，获得具有设定pH值，且恒定流速的碳酸水溶液；获得的碳酸水溶液流入剪切盒内部的试件裂隙上进行溶蚀反应；经过溶蚀反应后的碳酸盐岩试件依次经滑动槽移动至落锤冲击试验机进行冲剪试验；反应后的碳酸水溶液流入接液盘，对接液盘中水溶液成分进行分析，测得水溶液中钙离子浓度，求得表征溶蚀效应的灰岩裂隙溶解速率。本发明将溶蚀装置与冲剪装置进行组合，考虑地下工程建设中裂隙岩石受到动力扰动时对裂隙岩石溶蚀特性的影响。其目的在于解决现有的岩石溶蚀特性研究的试验装置存在不能准确的反应岩石溶蚀特性，导致试验误差较大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及深部岩石与地下工程领域，具体涉及一种碳酸盐岩单裂隙的溶蚀试验装置及测试方法。
背景技术
在我国北方地区及西南地区，碳酸盐岩分布广泛。尤其在北方地区，碳酸盐岩分布面积近46.94万km2，这些地区多为岩溶含水层，在其地下工程建设中，如煤炭开采，地下二氧化碳储存、油井致裂等，爆破、钻井等工程活动产生的动力扰动对裂隙岩体的力学性质及渗流特性都会产生影响；同时由于该区岩溶发育，碳酸盐岩中的裂隙与地下水导通，地下水就会在裂隙中流动，对碳酸盐岩裂隙产生溶解作用，从而进一步使裂隙开度增大，诱发应力调整，产生新的破坏。此外，由于地下环境的复杂，在其地下工程的建设中，常常会受到地应力的影响，工程岩体处于复杂的应力状态下，其应变分布的不均匀性更难控制。剪破裂和拉伸断裂构成了目前岩体静态破坏准则的主要判据。鉴于裂隙岩石赋存的复杂性，对碳酸盐岩在溶蚀—冲剪交互作用下的溶蚀特性研究具有重要的基础意义。
目前，对于岩石溶蚀特性研究的试验装置主要考虑不同温度、不同流速、不同ph值对溶蚀的影响，对于实际环境中，岩石所处的环境通常还受到水压的影响以及一些人为因素造成的开挖扰动对岩体力学特性及渗流特性的影响，此外，岩石实际所处的应力状态不仅仅只有正应力的影响，岩石也会因为剪切变形而导致破坏。即现有的岩石溶蚀特性研究的试验装置存在不能准确的反应岩石溶蚀特性，导致试验误差较大的问题。
发明内容
发明目的：
本发明提供了一种碳酸盐岩溶蚀—冲剪交互作用系统及测试方法，将溶蚀装置与冲剪装置进行组合，考虑地下工程建设中裂隙岩石受到动力扰动时对裂隙岩石溶蚀特性的影响。其目的在于解决现有的岩石溶蚀特性研究的试验装置存在不能准确的反应岩石溶蚀特性，导致试验误差较大的问题。
技术方案：
一种碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统的测试方法，步骤为：
步骤1：通过氮气加压装置、碳酸水溶液制备系统、加热装置制备，获得具有设定pH值，且恒定流速的碳酸水溶液；
步骤2：步骤1中获得的碳酸水溶液流入剪切盒内部的试件裂隙上进行溶蚀反应；
步骤3：步骤2中经过溶蚀反应后的碳酸盐岩试件依次经滑动槽移动至落锤冲击试验机进行冲剪试验；
步骤4：反应后的碳酸水溶液流入接液盘，对接液盘中水溶液成分进行分析，测得水溶液中钙离子浓度，求得表征溶蚀效应的灰岩裂隙溶解速率。
步骤4中钙离子浓度的表达式为：
式中，mc为无量纲浓度限值；Ceq为钙离子的平衡浓度，mol/L；n为无量纲反应级数；Kc反应速率常数；L为裂隙的长度，m；d为裂隙高度，m；Q为裂隙中溶液的流量，m3/s。
步骤4中灰岩裂隙溶解速率公式为：
式中，Kc反应速率常数；mc为无量纲浓度限值；Ceq为钙离子的平衡浓度，mol/L；n为无量纲反应级数；Kc反应速率常数；L为裂隙的长度，m；d为裂隙高度，m；Q为裂隙中溶液的流量，m3/s。
一种碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统，该系统包括氮气加压装置、碳酸水溶液制备系统、加热装置、溶蚀-冲剪系统，氮气加压装置与碳酸水溶液制备系统相连，碳酸水溶液制备系统与加热装置相连，加热装置与溶蚀-冲剪系统相连；
溶蚀-冲剪系统包括溶蚀反应装置和落锤冲击系统，溶蚀反应装置通过滑动装置与落锤冲击系统连接；
所述溶蚀反应装置包括上压板、下压板、夹具、剪切盒、上液压杆和下液压杆，上压板下方固定设置有上液压杆，上液压杆下方固定设置有夹具的一侧，下压板上固定设置有下液压杆，下液压杆的上方固定设置有夹具的另一侧，夹具中间夹持有剪切盒，碳酸盐岩试件放置在剪切盒中，下压板固定在滑动装置上；上液压杆和下液压杆相互平行，且上液压杆和下液压杆倾斜设置。
进一步的，剪切盒左右两侧与碳酸盐岩试件左右两端之间均设有与试件裂隙同等尺寸的线流槽。
进一步的，溶蚀反应装置还包括液体减压器、针阀、接液盘，针阀通过液体减压器与剪切盒接通，接液盘置于针阀下方。
进一步的，滑动装置包括滑移块和滑动槽，滑移块与滑动槽滑动连接，滑移块上固定连接有溶蚀反应装置的下压板，滑动槽的一端为环形滑槽，另一端汇聚为条形滑槽，条形滑槽穿入落锤冲击系统内。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明在溶蚀装置的基础上加入落锤冲击试验机，针对裂隙岩石实际所存在的受动力扰动，地下水环境的影响，可真实模拟在不同浓度化学溶液、不同温度、不同压力、不同加载路径条件作用下裂隙岩石力学特性、渗透特性、溶蚀特性演变试验研究。
(2)加压方式：舍弃传统压力水罐加压方式，提供一种不用压力溶液的氮气加压压力水罐，密封效果好，最高压力2MPa，用于输出不同压力值的溶液，以保证溶蚀试验对于水压的要求。
(3)6个楔形剪切盒底部设有滑移块，可以同时对6个试件进行溶蚀—冲剪，大大提高了试验效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为环形滑槽的俯视图；
图3为落锤冲击试验机的主视图；
图4为溶蚀反应装置的主视图；
图5为混合反应水罐主视图；
图6为剪切盒内部结构示意图；
图7为丝杠与锤体及锤头连接示意图：
其中，1、CO2高压气瓶；2、CO2气瓶角阀；3、二氧化碳双表减压器；4、气管；5、油水分离器过滤器；6、水管；7、空气流量计；8、压力开关；9、混合反应水罐；10、上压力表；11、三通连接截止阀；12、气囊；13、压装法兰；14、三通；15、防爆阀；16、负压阀；17、进气截止阀；18、下压力表；19、排污阀；20、进水截止阀；21、截止阀；22、电磁阀；23、压力表；24、减压器；25、氮气瓶角阀；26、输气钢管；27、N2高压气瓶；28、进水表；29、直通阀；30、储水桶；31、出液截止阀；32、三通；33、四分对丝；34、水龙头；35、四分内外丝；36、过滤器；37、四分内丝；38、出水表；39、水管；40、中压恒流泵；41、长白钢管；42、电热恒温水浴箱；43、碳酸盐岩试件；43-1、未进行冲剪试验的碳酸盐岩试件；43-2、已完成冲剪试验的碳酸盐岩试件；44、分流器；45、下压板；46、上压板；47、夹具；48、滑动槽；48-1、环形滑槽，48-2、条形滑槽，49、液体减压器；50、针阀；51、接液盘；52、落锤冲击试验机；53、提升横梁；54、导向立柱；55、机架；56、锤体及锤头；57、计算机系统；58、线流槽；59、剪切盒角度；60、水管连接口；61、滑移块；62、剪切盒；63、丝杠、64、304不锈钢接头；65、双头外牙直通接头；66、ph取液处；67、挂钩68、不锈钢外丝宝塔接头；69、下液压杆；70、上液压杆；71、反应槽。
具体实施方式
以下结合本发明实施例中的附图对本发明专利的结构及测试方法进行完整清晰的描述。
本发明提供了一种碳酸盐岩溶蚀—冲剪交互作用系统及测试方法，测试裂隙岩石在不同浓度化学溶液、不同温度、不同压力、水溶液不同流速下、不同加载路径单独或共同作用下应力、应变、溶蚀率、动力特性和时间的演化规律，可用于研究碳酸盐岩单裂隙受地下水、动力扰动、化学腐蚀以及应力单独或共同作用时裂隙岩石溶蚀特性演化机理。
如图1所示，一种碳酸盐岩溶蚀—冲剪交互作用系统包括氮气加压装置、碳酸水溶液制备系统、加热装置、溶蚀—冲剪系统。
氮气加压装置与碳酸水溶液制备系统相连，碳酸水溶液制备系统与加热装置相连，加热装置与溶蚀-冲剪系统相连；
氮气加压装置用于提供压力，以满足溶蚀试验对于水压的要求；
碳酸水溶液制备系统用于制备碳酸水溶液，用于模拟自然状态下裂隙岩石在CO2与水的作用下的溶蚀情况；
加热装置用于实现对碳酸水溶液不同温度的调控，用于模拟自然环境下裂隙岩石受到高地温的影响；
溶蚀-冲剪装置用于模拟裂隙岩石在自然状态下受到溶蚀的影响以及工程开挖中受到动力扰动的影响。
所述氮气加压装置包括N2高压气瓶27、氮气瓶角阀25、减压器24、压力表23、电磁阀22、截止阀21、三通截止阀11、气囊12，其中氮气瓶角阀25连接N2高压气瓶27，氮气瓶角阀25、减压器24、压力表23、电磁阀22、截止阀21、三通连接截止阀11通过输气钢管26依次连接。且所述减压器24是通过304不锈钢接头64与输气钢管26接通，压力表23、电磁阀22、截止阀21与输气钢管26通过304不锈钢卡套接头接通，三通14与三通连接截止阀11通过双头外牙直通接头65接通。高压氮气通过N2瓶角阀25、减压器24、压力表23、电磁阀22、截止阀21、进气管26、三通14、压装法兰13进入气囊12。三通连接截止阀11用于气囊12内氮气释放泄压。
碳酸水溶液制备系统包括混合反应水罐9、CO2进气装置还有储水桶30，CO2进气装置通过进气截止阀17进入混合反应水罐9，储水桶30通过进水管6、进液截止阀20进入混合反应水罐9。混合反应水罐9的结构为专利202020027181.8中公开的可输出不用压力溶液的氮气加压压力水罐。
混合反应水罐9内含有气囊12。气囊12上端开口固定在混合反应水罐9的进气口处，气囊12上端的开口与进气口之间设置有密封结构。气囊12上端与进气装置相连。气囊12为通过进气装置可控制涨大或缩小的装置。气囊最高耐压4MPa。
混合反应水罐9底部设有支撑，顶部设有4个螺纹接口，底部设有4个螺纹接口，侧面设有一个螺纹接口。混合反应水罐9最高耐压2MPa。混合反应水罐9上端的4个螺纹接口分别与压力开关8、上压力表10、防爆阀15、负压阀16相连，下端的4个螺纹接口分别与进气截止阀17、下压力表18、排污阀19、进水截止阀20相连。侧面螺纹接口与出液截止阀31相连。上压力表10和下压力表18的压差能计算水位的高度。排污阀19用于排空混合反应水罐9内部残留的液体。气囊12先装入混合反应水罐9内，再通过螺栓和弹性垫圈将压装法兰13、气囊12、混合反应水罐9固定在一起。
混合反应水罐9的材质为不锈钢304，耐酸碱溶液，实现气体和液体的混合反应；混合反应水罐的容积为0.5m3，可同时实现大体量的气液反应；混合反应水罐9有耐压性，可实现0.1-2MPa不同压力的溶液输出；混合反应水罐9内设有耐酸耐碱的气囊，最高可承受4MPa的压力。
储水桶30卧式存放，最大容量150L。储水桶30出水口处设有直通阀29，直通阀29、自来水表28、进液截止阀20依次通过进水管6相连。自来水通过直通阀29、自来水表28、进液截止阀20进入混合反应水罐9底端。
CO2进气装置包括CO2高压气瓶1、CO2气瓶角阀2、二氧化碳双表减压器3、油水分离器过滤器5、空气流量计7。CO2气瓶角阀2安装在CO2高压气瓶1顶端。其中，CO2气瓶角阀2、二氧化碳双表减压器3、油水分离器过滤器5、空气流量计7从左至右顺序连接。油水分离器过滤器5可以保证CO2的纯度，避免影响后续产生的碳酸水溶液的ph值以及其他溶液特性。CO2通过CO2高压气瓶1、CO2气瓶角阀2、二氧化碳双表减压器3、油水分离器过滤器5、空气流量计7、气管4、进气截止阀17进入混合反应水罐9底部，实现气体与液体的混合反应。
加热装置为电热恒温水浴箱42和碳酸水溶液输送组件，混合反应水罐9的出液截止阀31连接碳酸水溶液输送组件，碳酸水溶液输送组件连接电热恒温水浴箱42，电热恒温水浴箱42连接溶蚀-冲剪系统，从混合反应水罐9出来的液体通过碳酸水溶液输送组件和长白钢管41进入电热恒温水浴箱42进行加热，长白钢管41耐腐蚀性好，有利于热量交换。
碳酸水溶液输送组件包括水龙头34、ph值取液处66、三通32、过滤器36、出水表38、中压恒流泵40。其中，水龙头34安装在三通32顶部，三通32与过滤器36通过四分内外丝35接通，且所述三通32与过滤器36间设有ph值取液处66，方便实时监测溶液ph值。过滤器36与出水表38通过四分内丝活接37接通，三通32、过滤器36、出水表38从左至右依次顺序连接。中压恒流泵40入水接口与出水表38通过水管39接通，中压恒流泵40出水接口与电热恒温水浴箱42通过水管39接通。中压恒流泵40为可控制流速的装置，可实现溶蚀试验对于水流速度的要求。碳酸水溶液输送装置与混合反应水罐9侧面的出液截止阀31通过四分对丝33接通。从混合反应水罐9中出来的碳酸水溶液经过出液截止阀31、三通32、过滤器36、出水表38、中压恒流泵40流入到电热恒温水浴箱42内。
溶蚀-冲剪系统包括溶蚀反应装置、落锤冲击系统，溶蚀反应装置通过滑动装置与落锤冲击系统连接；加热结构通过长白钢管41和分流器44与溶蚀反应装置的剪切盒62左端侧面水管连接口60接通。
如图1、图2、图4所示，所述溶蚀反应装置包括上压板46、下压板45、夹具47、剪切盒62、上液压杆70和下液压杆69，上压板46下方固定设置有上液压杆70，上液压杆70下方固定设置有夹具47的一侧，下压板45上固定设置有下液压杆69，下液压杆69的上方固定设置有夹具47的另一侧，夹具47中间夹持有剪切盒62，剪切盒62左右两侧均设有水管连接口60，剪切盒两侧均接通可伸缩的长白钢管41。便于随着滑移块61的移动以调整长白钢管41的长度，可伸缩的长白钢管41为现有产品，比如专利CN201420792526.3中描述的结构。碳酸盐岩试件43(100×100×100)放置在剪切盒62中，下压板45固定在滑动装置上。
上液压杆70和下液压杆69均为可伸缩的现有液压杆，上液压杆70和下液压杆69相互平行，且上液压杆70和下液压杆69倾斜设置，以便于提供剪切盒20倾斜的角度。下压板45固定在滑移块61上，剪切盒62嵌在夹具47中，即剪切盒62存在剪切盒角度59，剪切盒角度59为倾角α，α的范围为30-60°。可通过倾角α的变化实现不同的应力加载路径。且所述倾角α的变化是通过调节上液压杆70和下液压杆69实现的。通过对左侧的下液压杆伸长及右侧的下液压杆缩短使倾角α减小，通过对左侧的下液压杆缩短及右侧的下液压杆伸长倾角α增大。通过调节上液压杆70使上压板46保持水平状态。
如图6所示，剪切盒62左右两侧与碳酸盐岩试件43左右两端之间均设有与试件裂隙同等尺寸的线流槽58，碳酸盐岩试件43设置有与线流槽58一致的反应槽71。线流槽58为不锈钢材质，耐腐蚀。碳酸水溶液通过长白钢管41流入剪切盒62中的线流槽58，再与碳酸盐岩试件43进行反应。
如图1所示，溶蚀反应装置还包括液体减压器49、针阀50、接液盘51，针阀50通过长白钢管41上设置的液体减压器49与剪切盒62右侧水管连接口60接通，且针阀50和液体减压器49均是通过转换接头68连接到长白钢管41上的。接液盘51置于针阀50下方。且液体减压器49与不锈钢外丝宝塔接头69接通。经剪切盒62流出的水溶液流经液体减压器49时泄去溶蚀过程中产生的压力后，通过针阀50经不锈钢外丝宝塔接头69流入到接液盘51中，接液盘51随着滑移块61的移动而移动。从而对反应后的溶液进行分析处理。
如图2、图4所示，滑动装置包括滑移块61和滑动槽48，滑移块61与滑动槽48滑动连接，滑移块61上固定连接有溶蚀反应装置的下压板45，滑动槽48的一端为环形滑槽48-1，另一端汇聚为条形滑槽48-2，条形滑槽48-2穿入落锤冲击系统内。本实施例中设置了6个剪切盒62。
设置滑动槽48的目的是可通过滑动装置将溶蚀状态下的碳酸盐岩试件43移动到落锤冲击试验机52旁，实现溶蚀-冲剪交互作用。所述滑移块61与滑动槽48间设有滚珠，且所述滚珠嵌在滑动槽48中。且所述滑移块61在移动过程中，与溶蚀反应装置连接的长白钢管41中仍有碳酸水溶液流动从而实现碳酸盐岩试件43的溶蚀-冲剪交互作用。滑移块61在移动过程中，碳酸盐岩试件与碳酸水溶液反应后的溶液通过针阀50经不锈钢外丝宝塔接头69流入到接液盘51中。所述滑移块61移动时仍与长白钢管41和针阀50处于连接状态，所述长白钢管41和针阀50随着滑移块61的移动而移动，分流器44与滑移块61之间的长白钢管41为可伸缩结构，通过伸缩来实现长白钢管41长度的变化，以适应滑移块61位置的变化。滑移块61可通过手动移动至滑动槽48的任一侧。滑动槽48其目的是可以通过移动滑移块61将已完成冲剪试验的碳酸盐岩试件43-2与未进行冲剪试验的碳酸盐岩试件43-1分开，保证每个试件都能进行溶蚀-冲剪交互作用，提高试验效率。
如图1、图3和图7所示，所述落锤冲击系统为现有系统，包括计算机控制系统57、落锤冲击试验机52。落锤冲击试验机52包括机架55、导向立柱54、提升横梁53、锤体及锤头56。导向立柱54的两端连接在机架55的上端和下端，提升横梁53下方固定设置有丝杆63，丝杠63与锤体及锤头56上的挂钩67相连接，提升横梁53通过控制丝杆63实现锤体及锤头56的上升或下降，锤体及锤头56下降后对上压板46产生压力，从而实现试件进行溶蚀-冲剪交互作用的反应。提升横梁53与导向立杆54滑动连接，提升横梁53沿着导向立杆54上升或下降。计算机控制系统57与落锤冲击试验机52的提升横梁53相连，用来控制落锤冲击试验机52实现锤体及锤头56的下落，落锤冲击试验机52将所测得的数据反馈给计算机控制系统57。
本发明还包括一种碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用测试方法，包括以下步骤：
步骤1：通过氮气加压装置、碳酸水溶液制备系统、加热装置制备，获得具有设定pH值，且恒定流速的碳酸水溶液；
1.1：打开直通阀29、进液截止阀20、负压阀16，使储水桶30中的自来水经进水表28、输水管6、进液截止阀20流入到混合反应水罐9中，查看进水表28水流量，计算入水量，达到使用量后，关闭进液截止阀20、负压阀16。
1.2：打开CO2气瓶角阀2、进气截止阀17，使CO2通过CO2高压气瓶1、CO2气瓶角阀2、二氧化碳双表减压器3、油水分离器过滤器5、空气流量计7、气管4、进气截止阀17进入混合反应水罐9，查看空气流量计7读数，计算进气量，达到使用量后，关闭进气截止阀17。使CO2与水充分反应，形成碳酸水溶液。
1.3：打开出液截止阀31，测试碳酸水溶液ph值，设定试验所需ph值，通过改变二氧化碳进气量来改变ph值，直至设定标准，获得一定ph值溶液。
1.4：打开氮气瓶角阀25，使N2通过N2高压气瓶27，氮气瓶角阀25、减压器24、压力表23、电磁阀22、截止阀21、三通14进入到气囊12。查看压力表23，待压力表23指针读数到达试验设定压力，关闭氮气瓶角阀25。
1.5：打开中压恒流泵40，设定试验所需流速，使碳酸水溶液通过出液截止阀31、三通32、过滤器36、出水表38进入到中压恒流泵40，获得恒定流速的碳酸水溶液。
1.6：打开恒温水浴箱42，设定试验温度，使具有恒定流速的碳酸水溶液通过置于恒温水浴箱42内一段较长的钢管41时，管内的温度将与恒温水浴箱42内温相同，获得ph、流速和温度均恒定的碳酸水溶液。
1.7：经恒温水浴箱42流出的碳酸水溶液经过分流器44、通过6根不锈钢水管，此后依次通过不锈钢溶蚀剪切盒62左侧水管连接口60和线流槽58，流入6个溶蚀剪切盒62内部的试件裂隙上，从左至右经剪切盒62右侧水管连接口60流出。
步骤2：步骤1中获得的碳酸水溶液流入剪切盒62内部的试件裂隙上进行溶蚀反应；
经过一段时间的溶蚀后，打开落锤冲击试验机52，调整剪切盒角度59，将置于滑动槽48左侧的未进行冲剪试验的碳酸盐岩试件43-1依次经滑动槽48移动至落锤冲击试验机52进行冲剪试验，已完成冲剪试验的碳酸盐岩试件43-2经环形滑动槽48移动至未进行冲剪试验的碳酸盐岩试件43-1的后边，这样可以保证后边的试件也可以进行冲剪试验，等待所有试件完成冲剪试验。依照上述操作，可隔一段时间再次实施对正在进行溶蚀试验的裂隙岩石进行冲剪试验。
步骤3：步骤2中经过溶蚀反应后的碳酸盐岩试件依次经滑动槽48移动至落锤冲击试验机进行冲剪试验；
步骤4：反应后的碳酸水溶液经液体减压器49泄下压力流入接液盘51，对接液盘51中水溶液成分进行分析，测得水溶液中Ca2+浓度，求得表征反应溶蚀效应的灰岩裂隙溶解速率公式，从而求得灰岩裂隙溶蚀量。
所述灰岩裂隙溶解速率公式具体求解如下：
4.1：灰岩溶蚀速率过程可近似表示为：
R＝Kc(mcCeq-C)n (1)
其中，R为溶解速率，mol/m2/s；Kc为反应速率常数；mc为无量纲浓度限值；Ceq为钙离子的平衡浓度，mol/L；C为任意时刻钙离子的浓度mol/L；n为无量纲反应级数。
4.2：当碳酸水溶液沿着面积为A的单裂隙灰岩裂隙面溶解时，它溶解方解石，随着时间的变化，化学腐蚀加剧，钙离子浓度变大，溶解过程中溶液中物质质量变化为
其中，V为反应溶液的体积，m3；dc/dt为浓度随时间的变化率，mol/L/s；A为灰岩裂隙表面与反应溶液的接触面积的，m2。
4.3：反应溶液的体积与裂隙张开宽度的关系为：
其中，裂隙b为裂隙张开宽度，m。
4.4：将上述步骤4.1中的灰岩溶蚀速率的表达式代入上述步骤4.2中的溶解过程中溶液物质质量变化的表达式中，变形得到
∫Vdc＝∫AKc(mcceq-c)ndt (4)
4.5：在单裂隙灰岩溶解体系中，其水流符合“立方定律”，则溶蚀过程中通过裂隙面的流量Q为
其中，Q为裂隙中溶液的流量，m3/s；ρ为流体密度，kg/m3；μ为流体粘滞系数，Pa·s；g为重力加速度，m2/s；L为裂隙面长度，m；ΔH为水头差，m。d为裂隙高度，m。
反应溶液通过长度为L的裂隙时间为
4.6：将步骤4.4中的溶解过程中溶液物质质量变化的表达式用积分形式表示出，如下所示：
求得任意时刻溶液中钙离子浓度的表达式为：
4.7：将步骤4.5中通过裂隙面流量的表达式和反应溶液通过长度为L的裂隙时间的表达式代入步骤4.6中任意时刻溶液中钙离子浓度表达式中转化成如下所示公式：
其中，mc为无量纲浓度限值；Ceq为钙离子的平衡浓度，mol/L；n为无量纲反应级数；Kc反应速率常数；L为裂隙的长度，m；d为裂隙高度，m；Q为裂隙中溶液的流量，m3/s。
4.8：上式中Q可由步骤4.5中通过裂隙面流量表达式求得，在相同温度条件下Ceq可由溶解度试验测得，同时L，d都为常量，所以如果已知(Q1，C1)、(Q2，C2)、(Q3，C3)即(t1，C1)、(t2，C2)、(t3，C3)即可求得对应温度下的无量纲浓度限值mc，反应速率常数Kc、无量纲反应级数n。
4.9：将步骤4.7中任意时刻溶液中钙离子浓度表达式代入步骤4.1中表示灰岩溶蚀速率过程的表达式中，得出单裂隙灰岩溶蚀速率为：
其中，Kc反应速率常数；mc为无量纲浓度限值；Ceg为钙离子的平衡浓度，mol/L；n为无量纲反应级数；Kc反应速率常数；L为裂隙的长度，m；d为裂隙高度，m；Q为裂隙中溶液的流量，m3/s。
冲剪后的试验数据反馈给计算机系统57，对计算机系统获得的实时数据进行分析，从而分析裂隙灰岩在溶蚀-冲剪交互作用时的力学特性。
综上，本系统及方法能够针对裂隙岩石实际所存在的受动力扰动，地下水环境的影响，可真实模拟在不同浓度化学溶液、不同温度、不同压力、不同加载路径条件作用下裂隙岩石力学特性、渗透特性、溶蚀特性等特性。相比于现有方法误差小。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统的测试方法，其特征在于：步骤为：
步骤1：通过氮气加压装置、碳酸水溶液制备系统、加热装置制备，获得具有设定pH值，且恒定流速的碳酸水溶液；
步骤2：步骤1中获得的碳酸水溶液流入剪切盒(6)内部的试件裂隙上进行溶蚀反应；
步骤3：步骤2中经过溶蚀反应后的碳酸盐岩试件依次经滑动槽(48)移动至落锤冲击试验机进行冲剪试验；
步骤4：反应后的碳酸水溶液流入接液盘(51)，对接液盘(51)中水溶液成分进行分析，测得水溶液中钙离子浓度，求得表征溶蚀效应的灰岩裂隙溶解速率。
2.根据权利要求1所述的碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统的测试方法，其特征在于：钙离子浓度的表达式为：
式中，mc为无量纲浓度限值；Ceq为钙离子的平衡浓度，mol/L；n为无量纲反应级数；Kc反应速率常数；L为裂隙的长度，m；d为裂隙高度，m；Q为裂隙中溶液的流量，m3/s。
3.根据权利要求1所述的碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统的测试方法，其特征在于：灰岩裂隙溶解速率公式为：
式中，Kc反应速率常数；mc为无量纲浓度限值；Ceq为钙离子的平衡浓度，mol/L；n为无量纲反应级数；Kc反应速率常数；L为裂隙的长度，m；d为裂隙高度，m；Q为裂隙中溶液的流量，m3/s。
4.一种如权利要求1所述碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统，其特征在于：该系统包括氮气加压装置、碳酸水溶液制备系统、加热装置、溶蚀—冲剪系统，氮气加压装置与碳酸水溶液制备系统相连，碳酸水溶液制备系统与加热装置相连，加热装置与溶蚀-冲剪系统相连；
溶蚀-冲剪系统包括溶蚀反应装置和落锤冲击系统，溶蚀反应装置通过滑动装置与落锤冲击系统连接；
所述溶蚀反应装置包括上压板(46)、下压板(45)、夹具(47)、剪切盒(62)、上液压杆(70)和下液压杆(69)，上压板(46)下方固定设置有上液压杆(70)，上液压杆(70)下方固定设置有夹具(47)的一侧，下压板(45)上固定设置有下液压杆(69)，下液压杆(69)的上方固定设置有夹具(47)的另一侧，夹具(47)中间夹持有剪切盒(62)，碳酸盐岩试件(43)放置在剪切盒(62)中，下压板(45)固定在滑动装置上；上液压杆(70)和下液压杆(69)相互平行，且上液压杆(70)和下液压杆(69)倾斜设置。
5.根据权利要求4所述的碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统，其特征在于：剪切盒(62)左右两侧与碳酸盐岩试件(43)左右两端之间均设有与试件裂隙同等尺寸的线流槽(58)。
6.根据权利要求4所述的碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统，其特征在于：溶蚀反应装置还包括液体减压器(49)、针阀(50)、接液盘(51)，针阀(50)通过液体减压器(49)与剪切盒(62)接通，接液盘(51)置于针阀(50)下方。
7.根据权利要求4所述的碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统，其特征在于：滑动装置包括滑移块(61)和滑动槽(48)，滑移块(61)与滑动槽(48)滑动连接，滑移块(61)上固定连接有溶蚀反应装置的下压板(45)，滑动槽(48)的一端为环形滑槽(48-1)，另一端汇聚为条形滑槽(48-2)，条形滑槽(48-2)穿入落锤冲击系统内。
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
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