CN114563326A - 一种破碎岩体渗流特性模拟装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种破碎岩体渗流特性模拟装置、系统及方法，属于破碎岩石渗流测试技术领域。本发明通过利用控制器控制激振器带动干扰棒对破碎岩体试样进行不同频率的应力扰动模拟，同时，通过控温管路、导流风扇、热电制冷片和散热风扇的设置，实现对破碎岩样温度场模拟，解决了现有技术中不能同时实现扰动场和温度场耦合作用下对深度开采渗流性能的模拟，导致的无法得到现场模拟的准确依据的问题，以及不能够实现试验完成后对装置的降温处理，导致的高温条件下的设备损耗的问题。提高了实验操作的效率以及模拟的准确性，为研究破碎岩体在不同温度、不同扰动频率下的渗流特性测试提供准确依据。

Description

一种破碎岩体渗流特性模拟装置、系统及方法

技术领域

本发明属于破碎岩石渗流测试技术领域，涉及一种破碎岩体渗流特性模拟装置、系统及方法，尤其是一种温度和扰动应力耦合作用下破碎岩体渗流特性模拟装置、系统及方法。

背景技术

近年来，矿产资源开采逐渐向深部转移，深部矿井煤岩面临着复杂的力学环境，由于地热、地下水和开采扰动等的相互作用，围岩处于极其复杂的渗流场、温度场和扰动场内。目前，关于研究深部开采工程中高温条件下破碎岩石渗透率的演化过程以及多场耦合问题尚不充分，多场耦合问题研究中，多利用软件进行数值模拟，而在模拟过程中所使用的参数以及数值模拟结果的可靠性，需要一定的实验数据予以支撑。

目前关于破碎岩石渗流测试功能的相关专利较少，现有的装置大部分仅仅能够满足扰动或高温中的一项功能，针对深部开采时高温以及扰动条件下破碎岩石渗透率测试研究基本无法实施，由于无法对破碎岩体同时进行渗流、温度、应力扰动的耦合试验。因此，应力扰动的控制和施加不精准，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的施加到破碎岩体。其次，由于传统温度加载范围有限，实验时无法复刻现场真实温度，且仅有加温装置而无降温装置，导致试验完成后实验仪器无法快速降温，仪器长期处于高温条件下损耗度增加，无法人工降温导致实验效率降低。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种破碎岩体渗流特性模拟装置、系统及方法，可成功对渗流、温度、应力扰进行耦合模拟，提高破碎岩体渗流特性测试的准确性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明提供一种破碎岩体渗流特性模拟装置，包括机架和控制器，所述机架上设置有若干激振器，所述激振器连接有干扰棒；机架内部设置有样品室，所述样品室内部设置有试样套筒；所述试样套筒内部设置有活塞；所述活塞的下方设置有上透水板；所述上透水板连接有进水口，且上透水板的下方设置有下透水板；所述下透水板上铺设有控温管路，且通过出水口与外部排水管相连接；破碎岩样置于试样套筒中的上透水板和下透水板之间；所述干扰棒的自由端依次穿过样品室和试样套筒，插置破碎岩样中；样品室的侧壁由内而外依次连接有导流风扇、热电制冷片和散热风扇，导流风扇、热电制冷片和散热风扇与温控管路相连接，且与控制器电连接或通讯连接；所述热电制冷片还连接有加热制冷循环机，所述加热制冷循环机与控制器相通讯连接或电连接。

优选地，所述出水口连接的排水管上设置有流量计。

优选地，所述样品室的内部还设置有温控器，所述温控器与热电制冷片及控制器相通讯连接或电连接。

优选地，该装置还包括底座，所述底座与样品室固定连接，用于支撑和固定样品室。

优选地，所述样品室内部还设置有温度传感器，所述温度传感器与控制器相通讯连接或电连接。

优选地，所述样品室的外部套设有保温箱或保温层，用于对样品室内的温度进行保温。

优选地，所述样品室包括导热内筒壁、岩筒夹层和绝热外筒壁，所述导热内筒、岩筒夹层和绝热外筒自内而外依次设置。

本发明提供一种破碎岩体渗流特性测试系统，包括上述的破碎岩体渗流特性模拟装置和清水箱；所述清水箱通过管道与破碎岩体渗流特性模拟装置的进水口相连接，且与进水口之间依次设置有水泵、第一高压阀和第二高压阀；所述第一高压阀与第二高压阀之间通过支路管道依次连接有第三高压阀和双作用液压缸，所述双作用液压缸上设置有液体温度加热装置，且连接有伺服模块；所述液压缸、液体温度加热装置及伺服模块与控制器电连接或通讯连接。

优选地，所述双作用液压缸上还设置有液体温度控制装置，所述液体温度控制装置与控制器及液体温度加热装置相通讯连接或电连接。

本发明还提供一种利用上述测试系统的破碎岩体渗流特性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

将破碎岩样放入试样套筒内的上透水板和下透水板之间，并使活塞下压，对试样套筒进行密封；

打开第一高压阀和第三高压阀，关闭第二高压阀，利用水泵将清水箱内的渗液泵至双作用液压缸；

调节双作用液压缸的压力，模拟破碎岩石试样所需的周围压力；

双作用液压缸的压力稳定后，对双作用液压缸内渗液进行加热，使其温度稳定在破碎岩石试样所需渗液温度；

关闭第一高压阀门，打开第二高压阀门，将双作用液压缸内的渗液经由进水口引入试样套筒内部，对破碎岩石试样进行渗流场模拟；

利用控制器控制导流风扇、散热风扇和热电制冷片，对样品室内的温度进行调节，对破碎岩石试样进行温度场模拟；

启动激振器，控制干扰棒的震动频率，对试样套筒内部的破碎岩样进行应力扰动模拟；

通过对破碎岩石试样进行渗流场模拟、温度场模拟和应力扰动模拟，得到破碎岩石的渗流特性的变化规律。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种破碎岩体渗流特性模拟装置，利用控制器控制激振器带动干扰棒对破碎岩体试样进行不同频率的应力扰动模拟，同时，通过控温管路、导流风扇、热电制冷片和散热风扇的设置，既可以实现对破碎岩体试样进行实时、精确地温度场模拟，温度加载范围大，又能够实现试验完成后对装置的降温处理，减少高温条件下的设备损耗。此外，该破碎岩体渗流特性模拟装置还利用控制器对整个模拟装置进行控制，实现该破碎岩体渗流特性模拟装置的在线控制，减少人为参与的因素，提高动力扰动和温度场施加的准确性。装置简单，易操作，可实现深部开采时，高温和应力扰动叠加作用下破碎岩石的渗流特性模拟测试，测试效率高。

本发明还提供一种破碎岩体渗流特性模拟系统，该系统通过利用上述破碎岩体渗流特性模拟装置，实现破碎岩体试样进行实时、精确地温度场和扰动应力场的叠加模拟，同时在双作用液压泵及少量阀门的作用下，实现破碎岩体试样进行实时、精确地温度场、扰动应力场和渗流场三者的叠加耦合模拟，能真实模拟温度场与扰动场交叉作用下的复杂动力学环境，为研究破碎岩体在不同温度、不同扰动频率下的渗流特性测试提供准确依据。

利用上述系统的破碎岩体渗流特性模拟方法，该方法通过利用多个激振器实现不同应力的扰动模拟，使扰动应力模拟更加接近地层复杂的动力学环境，提高对破碎岩体渗透所处应力扰动场模拟的准确性。通过控制装置实现对整个模拟系统的引力扰动场模拟、温度场模拟以及渗流场模拟的控制，提高整个模拟过程的效率，减少人为因素的参与，提高这个模拟过程的准确性，方法简单原理清晰、易实现，能够很好地为破碎岩体渗流特性的测试提供可靠的依据，可操作性强。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的破碎岩体渗流特性模拟装置结构图。

图2为本发明的破碎岩体渗流特性模拟系统结构图。

图3为本发明的破碎岩体渗流特性模拟方法流程图。

其中：1-机架，2-活塞，3-进水口，4-上透水板，5-样品室，6-破碎岩样，7-控温管路，8-下透水板，9-出水口，10-底座，11-干扰棒，12-试样套筒，13-散热风扇，14-热电制冷片，15-导流风扇，16-激振器，17-破碎岩体渗流特性模拟装置，18-热制冷循环机，19-排水管，20-污水箱，21-数据采集卡，22-流量计，23-清水箱，24-水泵，25-第一高压阀，26-第三高压阀，27-第二高压阀，28-双作用液压缸，29-伺服阀，30-伺服泵，31-压力传感器，32-伺服控制器，33-伺服放大器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明提供一种破碎岩体渗流特性模拟装置，包括机架1、样品室5、底座10、试样套12、激振器16，热制冷循环机18、排水管19、污水箱20和控制器34；所述若干激振器16为电磁激振器，设置于机架1上，且每一个激振器都连接有干扰棒11；所述样品室5可以通过环形套安装于底座10上，且位于机架1的内部，样品室5的侧壁由内而外依次连接有导流风扇15、热电制冷片14和散热风扇13，导流风扇15、热电制冷片14和散热风扇13；所述试样套筒12设置于样品室5的内部，且其内部设置有活塞2，所述活塞2的下方设置有上透水板4，上透水板4连接有进水口3，上透水板4的下方设置有下透水板8，透水板8上铺设有控温管路7，且通过出水口9与外部排水管19相连接，所述排水管19上设置有流量计22，所述控温管路7与导流风扇15、热电制冷片14和散热风扇13相连接；所述加热制冷循环机18与热电制冷片14相电连接或通讯连接；破碎岩样6置于试样套筒12中上透水板4和下透水板8之间；所述干扰棒11的自由端依次穿过样品室5和试样套筒12，插置破碎岩样6中，用于将激振器16的扰动频率传递给破碎岩样6；所述导流风扇15、热电制冷片14、散热风扇13、激振器16、加热制冷循环机18和流量计22均与控制器34电连接或通讯连接。

优选地，所述样品室5内部还设置有温度传感器和温控器，所述温控器与热电制冷片14电连接或通讯连接，所述温度传感器和温控器与控制器34相通讯连接或电连接。所述样品室5的外部套设有保温箱或保温层，用于对样品室5内的温度进行保温，且所述样品室5包括导热内筒壁、岩筒夹层和绝热外筒壁，所述导热内筒、岩筒夹层和绝热外筒自内而外依次设置。所述激振器16设置为2个，分别位于机架两侧与机架侧壁的支撑板铰接。排水管19为不锈钢材质，且输出端连接有污水箱20，用于收集渗出后的渗液，达到循环利用的目的。

经测试，该装置可以通过激振器16震动带动干扰棒11，从而将震动传递给破碎岩样6，激振器16频率范围为0-2000HZ，最大可提供200N的激振力，激振器16与控制器34连接，通过控制器可精准提供扰动应力。同时，该装置可以通过热电制冷片14给样品室5进行加热或制冷，热电制冷片14从正温90℃到负温度130℃都可以实现。在扰动装置和控温装置同时作用下，模拟破碎岩体6在温度与应力扰动耦合作用的复杂环境中的渗流测试。其原理如下：

热电制冷片工作原理

热电制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，在同一热电制冷片上实现制冷或加热的操作为改变直流电流的极性，这个效果的产生就是通过热电的原理。即一个单片的制冷片由两片陶瓷片组成，其中间有N型和P型的半导体材料，这个半导体元件在电路上是用串联形式连接组成半导体制冷片。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料连结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端。由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。制冷片内部是由上百对电偶联成的热电堆，以达到增强制冷的效果。导流风扇、热电制冷片、散热风扇由内到外依次安装于样品室5外壁，当热电制冷片14开启加热或制冷功能时，导流风扇将热空气或冷空气引入样品室5内，制热效率有所提高；热电制冷片工作时，其自身产生的热量会影响热传递，当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，此时冷热端的温度就不会继续发生变化。为解决此问题，本发明在热电制冷片外侧安置散热风扇，降低热电制冷片的温度，从而扩大控温范围。

电磁式激振器工作原理

将周期变化的电流输入电磁铁线圈，在被激件与电磁铁之间便产生周期变化的激励力。振动机械中应用的电磁式激振器通常由带有线圈的电磁铁铁芯和衔铁组成，在铁芯与衔铁之间装有弹簧。当向线圈输入交流电，或交流电加直流电，或半波整流后的脉动电流时，便可产生周期变化的激励力，电磁式激振器通常是直接固定于需要振动的工作部件上，由此实现对试样的应力扰动。

其中，温控装置可施加的温度范围从-130℃至90℃，应力干扰装置可加载的扰动频率范围为0-2000HZ，其推力从20N至1000N可选。开采深度达到1000m时，井下温度范围达到30℃～60℃，室内试验时温控装置可满足工程要求，加载扰动应力时，若需提供更大的扰动力，可选取功能性更强的激振器。

参见图2，本发明还提供一种破碎岩体渗流特性测试系统，该系统包括上述破碎岩体渗流特性模拟装置17；所述破碎岩体渗流特性模拟装置17上的进水口3通过管道连接有清水箱23，清水箱23与进水口3之间依次设置有水泵24、第一高压阀25和第二高压阀27；所述第一高压阀25与第二高压阀27之间通过支路管道依次连接有第三高压阀26和双作用液压缸28，所述双作用液压缸28上设置有液体温度加热装置和液体温度控制装置，且连接有伺服模块和压力传感器31；所述液压缸28、液体温度加热装置、压力传感器31及伺服模块与控制器34电连接或通讯连接，实现控制器34对整个装置的实时把控。

优选地，破碎岩体渗流特性模拟装置17中的流量计22和压力传感器31均通过数据采集卡21与控制器34相通讯连接或电连接；所述伺服模块包括伺服控制阀29，所述伺服控制阀29与双作用液压缸28相连接，伺服控制阀29连接有伺服泵30和伺服控制器32，所述伺服控制器32连接有伺服放大器33，所述伺服放大器33与控制器相通信连接或电连接，通过与压力传感器31共同作用实现对双作用液压缸28的压力精确控制。

由此可见，本发明提供的破碎岩体渗流特性测试系统，主要包括伺服模块、供水模块、监测模块和控制模块：

供水模块，包括清水箱23和水泵24，用于给双作用液压缸28供水；

伺服模块，主要包括伺服阀29、伺服泵30、伺服控制器32和伺服放大/33用于控制双作用液压缸28给破碎岩体渗流特性模拟装置17提供渗液，通过将渗液压入试样套筒12给破碎岩样6施加围压；

检测模块，主要包括压力传感器31和破碎岩体渗流特性模拟装置17，用于对破碎岩样6进行温度场、渗流场和扰动场的耦合模拟。

控制模块，主要包括控制器34和数据采集卡21，主要用于对整套系统进行控制，实现在线、准确和实时监控。

参见图3，本发明提供一种利用上述测试系统的破碎岩体渗流特性测试方法，包括以下步骤：

将破碎岩样6放入试样套筒17内的上透水板4和下透水板8之间，并使活塞2下压，对试样套筒17进行密封；

打开第一高压阀25和第三高压阀26，关闭第二高压阀27，利用水泵24将清水箱23内的渗液泵至双作用液压缸28；

利用控制器34调节双作用液压缸28的压力，模拟破碎岩石试样所需的周围压力；

双作用液压缸28的压力稳定后，利用控制器34控制液体温度加热装置和液体温度控制装置对双作用液压缸28内渗液进行加热，并使其温度稳定在破碎岩石试样所需渗液温度；

关闭第一高压阀门25，打开第二高压阀门27，将双作用液压缸28内的渗液经由进水口3引入试样套筒12内部，对破碎岩石试样进行渗流场模拟；

利用控制器34控制温控器、热电制冷片14、导流风扇15和散热风扇13，对样品室5内的温度进行调节，对破碎岩样6进行温度场模拟；

利用控制器34控制启动激振器16，控制干扰棒12的震动频率，对试样套筒12内部的破碎岩样6进行应力扰动模拟；

通过对破碎岩样6进行渗流场模拟、温度场模拟和应力扰动模拟，得到破碎岩石的渗流特性的变化规律。

综上所述，本发明可以真实模拟温度场与扰动场交叉作用下的复杂动力学环境，能够准确研究破碎岩体在不同温度、不同扰动频率下的渗流特性。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种破碎岩体渗流特性模拟装置，其特征在于，包括机架(1)和控制器(34)，所述机架(1)上设置有若干激振器(16)，所述激振器(16)连接有干扰棒(11)；机架(1)内部设置有样品室(5)，所述样品室(5)内部设置有试样套筒(12)；所述试样套筒(12)内部设置有活塞(2)；所述活塞(2)的下方设置有上透水板(4)；所述上透水板(4)连接有进水口(3)，且上透水板(4)的下方设置有下透水板(8)；所述下透水板(8)上铺设有控温管路(7)，且通过出水口(9)与外部排水管(19)相连接；破碎岩样(6)置于试样套筒(12)中的上透水板(4)和下透水板(8)之间；所述干扰棒(11)的自由端依次穿过样品室(5)和试样套筒(12)，插置破碎岩样(6)中；样品室(5)的侧壁由内而外依次连接有导流风扇(15)、热电制冷片(14)和散热风扇(13)，导流风扇(15)、热电制冷片(14)和散热风扇(13)与温控管路(7)相连接，且与控制器(34)电连接或通讯连接；所述热电制冷片(14)还连接有加热制冷循环机(18)，所述加热制冷循环机(18)与控制器(34)相通讯连接或电连接。

2.根据权利要求1所述的破碎岩体渗流特性模拟装置，其特征在于，所述出水口(9)连接的排水管(19)上设置有流量计(22)。

3.根据权利要求1所述的破碎岩体渗流特性模拟装置，其特征在于，所述样品室(5)的内部还设置有温控器，所述温控器与热电制冷片(14)及控制器(34)相通讯连接或电连接。

4.根据权利要求1所述的破碎岩体渗流特性模拟装置，其特征在于，还包括底座(10)，所述底座(10)与样品室(5)固定连接，用于支撑和固定样品室(5)。

5.根据权利要求1所述的破碎岩体渗流特性模拟装置，其特征在于，所述样品室(5)内部还设置有温度传感器，所述温度传感器与控制器(34)相通讯连接或电连接。

6.根据权利要求1所述的破碎岩体渗流特性模拟装置，其特征在于，所述样品室(5)的外部套设有保温箱或保温层，用于对样品室(5)内的温度进行保温。

7.根据权利要求1-6任一项所述的破碎岩体渗流特性模拟装置，其特征在于，所述样品室(5)包括导热内筒壁、岩筒夹层和绝热外筒壁，所述导热内筒、岩筒夹层和绝热外筒自内而外依次设置。

8.一种破碎岩体渗流特性测试系统，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的破碎岩体渗流特性模拟装置(17)和清水箱(23)；所述清水箱(23)通过管道与破碎岩体渗流特性模拟装置(17)的进水口(3)相连接，且与进水口(3)之间依次设置有水泵(24)、第一高压阀(25)和第二高压阀(27)；所述第一高压阀(25)与第二高压阀(27)之间通过支路管道依次连接有第三高压阀(26)和双作用液压缸(28)，所述双作用液压缸(28)上设置有液体温度加热装置，且连接有伺服模块；所述液压缸(28)、液体温度加热装置及伺服模块与控制器(34)电连接或通讯连接。

9.根据权利要求8所述的破碎岩体渗流特性测试系统，其特征在于，所述双作用液压缸(28)上还设置有液体温度控制装置，所述液体温度控制装置与控制器(34)及液体温度加热装置相通讯连接或电连接。

10.一种利用上述权利要求8或9所述测试系统的破碎岩体渗流特性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

将破碎岩样(6)放入试样套筒(17)内的上透水板(4)和下透水板(8)之间，并使活塞(2)下压，对试样套筒(17)进行密封；

打开第一高压阀(25)和第三高压阀(26)，关闭第二高压阀(27)，利用水泵(24)将清水箱(23)内的渗液泵至双作用液压缸(28)；

调节双作用液压缸(28)的压力，模拟破碎岩石试样所需的周围压力；

双作用液压缸(28)的压力稳定后，对双作用液压缸(28)内渗液进行加热，使其温度稳定在破碎岩石试样所需渗液温度；

关闭第一高压阀门(25)，打开第二高压阀门(27)，将双作用液压缸(28)内的渗液经由进水口(3)引入试样套筒(12)内部，对破碎岩石试样进行渗流场模拟；

利用控制器(34)控制导流风扇(15)、散热风扇(13)和热电制冷片(14)，对样品室(5)内的温度进行调节，对破碎岩石试样进行温度场模拟；

启动激振器(16)，控制干扰棒(12)的震动频率，对试样套筒(12)内部的破碎岩样(6)进行应力扰动模拟；

通过对破碎岩石试样进行渗流场模拟、温度场模拟和应力扰动模拟，得到破碎岩石的渗流特性的变化规律。

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