CN115791870A - 基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于温差‑热流的受载岩石导热系数测试方法，包括以下步骤：S1，将立方体试样置于弹性压力盒内；弹性压力盒包括6个压头，6个压头分别与立方体试样的6个面接触，至少其中一个压头的前端设有电加热元件，每个压头前端装有热流传感器和温度传感器；S2，利用压头对立方体试样进行加载，给其中一个电加热元件通电，使立方体试样的相对侧产生温度差；通过热流传感器、温度传感器测量热流量、温度值；S3，基于立方体试样的厚度、热流量、温度值，计算出导热系数。本申请的压头可对试样进行加载和局部加热，可使试样产生对向温差，利用相应侧的热流传感器、温度传感器可测量出该侧的热流量、温度，继而可实现受载情况下试样导热系数的测试。

Description

基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法

技术领域

本发明涉及岩石导热系数测试技术领域，尤其涉及基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法。

背景技术

材料直接传导热量的能力称为热传导率，或称热导率（Thermal Conductivity）。热导率定义为单位截面、长度的材料在单位温差下和单位时间内直接传导的热量。热导率的单位为瓦/米/开尔文（W/（m·K)）。

导热性质是岩石重要的物理性质之一。其在地热开发及岩土热工程应用中有着重要意义。岩石热导率表示岩石导热能力的大小，即沿热流传递的方向单位长度上温度降低一度时单位时间内通过单位面积的热量。

现有的岩石导热系数测试通常采用热线法，即在试样中置入一根热线。测试时，在热线上施加一个恒定的加热功率，使其温度上升。测量热线本身或平行于热线一定距离上的温度变化与试件的关系即可计算出导热系数。这种测试方法需要对岩石进行预处理，改变了岩石的性状。此外，由于测控的存在，无法进行受载条件下岩石三维导热系数的实时测试。因此，当前缺乏可进行深部受载岩石三维导热系数实时测试的技术。

发明内容

本申请为解决上述问题提供一种基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法，可实现在加载过程测试岩石的导热系数。

本申请通过下述技术方案实现：

本申请提供的基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法，

S1，将立方体试样置于弹性压力盒内；弹性压力盒包括6个压头，6个压头两两位于X轴、Y轴、Z轴方向上；

6个压头分别与立方体试样的6个面接触，至少其中一个压头的前端设有电加热元件，每个压头前端设孔装有热流传感器和温度传感器；

S2，利用压头对立方体试样进行加载，加载过程中或加载停止时给其中一个压头上的电加热元件通电，使立方体试样的其中一个方向的相对侧产生温度差；

通过所述热流传感器测量热流量，通过温度传感器测量立方体试样表面温度值；

S3，基于立方体试样在所述其中一个方向的厚度、所述热流量、所述温度值，计算得到导热系数。

特别的，X轴方向的两个压头中的至少一个压头的前端设有电加热元件；Y轴方向的两个压头中的至少一个压头的前端设有电加热元件；Z轴方向的两个压头中的至少一个压头的前端设有电加热元件。测试单一方向的导热系数时，其余方向的电加热元件不工作；通过测试X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的导热系数，获得试样的三维导热系数。

可选的，前端设电加热元件的压头的前端设有加热垫块，所述加热垫块与压头之间设槽安装所述电加热元件；

加热垫块对应所述热流传感器、温度传感器的位置有通孔；所述加热垫块的通孔中装有导热垫，前端不设加热垫块的压头的前端孔中装有导热垫，热流传感器、温度传感器位于导热垫后端。

可选的，所述热流传感器和温度传感器集成在一个探头上。

特别的，所述S1中，用至少8个高弹性弹性金属片将所述6个压头连接在一起。

特别的，同一轴向方向的两个压头之间设有位移检测机构，通过位移检测机构检测出立方体试样在所述其中一个方向的变形量；所述S3中的立方体试样的厚度为受载前立方体试样的厚度与所述变形量之差。

特别的，所述弹性压力盒内可操作地置于加热舱内，所述S2中，先通过加热舱的加热元件给整个腔体加温，然后再通过压头上的电加热元件加温实现对侧温差。

可选的，所述加热舱包括6个加热壁板和6个对接压头，加热壁板内装有电加热元件，6个对接压头分别装于其中一个加热壁板的通孔中并可相对于加热舱轴向活动；6个对接压头两两位于X轴、Y轴、Z轴方向上，分别与其中一个压头的后端对接，6个对接压头的厚度外露于加热壁板；所述S2中，外力作用于对接压头后端，通过对接压头、压头将力传递给立方体试样。

可选的，所述S2中，利用三轴六向应力加载系统对立方体试样进行应力加载，三轴六向应力加载系统包括6个液压作动器，6个液压作动器的输出端分别与其中一个对接压头的外端对接。

可选的，加热舱还包括外立方体框架，6个加热壁板分别装于外立方体框架的6个方向；每个加热壁板外侧均有一个弹性板，弹性板的两端与外立方体框架活动连接，弹性板和加热壁板上有同轴的通孔，对接压头装于弹性板和加热壁板的通孔中，对接压头与弹性板固接在一起。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

1，本申请在至少一个压头前端设电加热元件，通过压头可对试样进行加载，通过电加热元件可对试样的单侧进行局部加热，可使试样产生对向温差，利用相应侧的热流传感器、温度传感器可测量出该侧的热流量、温度，继而可实现受载情况下试样导热系数的测试；

2，本申请在X、Y、Z轴方向的压头的前端装有电加热元件，可用于测试岩石在X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的导热系数；

3，本申请可通过加热舱给整个腔体加温，为试样提供深部温度环境，再通过压头上的电加热元件对试样局部加温从而产生对侧温差，利于测试真实温度环境下岩样的导热系数。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请实施方式的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施方式的限定。

图1是实施例中基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法的三维图；

图2是实施例中只在一个压头前端设加热垫块的基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法的剖视图；

图3是实施例中在三个压头前端设加热垫块的基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法的剖视图；

图4是实施例中压头连接加热垫块的剖视图；

图5是实施例中加热垫块的三维图；

图6是实施例中加热舱的三维图；

图7是实施例中加热舱的剖视图；

图8是实施例中第一种加热壁板的三维图；

图9是实施例中第一种加热壁板的板体的三维图；

图10是实施例中第二种加热壁板的三维图；

图11是实施例中弹性板的三维图；

图12是实施例中同一轴向的两个压头之间设有位移检测机构时的三维图；

图13是实施例中加热舱置于三轴六向应力加载系统上时的示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式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方式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方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图3所示，本实施例公开的基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法，包括以下步骤：

S1，将立方体试样10置于弹性压力盒内；弹性压力盒包括6个压头41，6个压头41两两位于X轴、Y轴、Z轴方向上；

6个压头41分别与立方体试样10的6个面接触，至少其中一个压头41的前端设有电加热元件31，每个压头41前端设孔装有热流传感器和温度传感器；

S2，利用压头41对立方体试样10进行加载，加载过程中或加载停止时给其中一个压头41上的电加热元件31通电，对立方体试样10的单侧进行局部加热，使立方体试样10的其中一个方向的相对侧产生温度差；

通过所述热流传感器测量热流量，通过温度传感器测量立方体试样10表面温度；

S3，基于立方体试样10在所述其中一个方向的厚度、热流量、温度值，计算得到导热系数。

其中，可采用以下公式计算导热系数：

上式中，

为导热系数，

为导热系数，

为温度高一侧流至温度低一侧的热流量，为试样厚度，

为温差。

可通过两侧的热流量之差计算得到。

在一种可能的设计中，前端设电加热元件31的压头41的前端设有加热垫块6，所述加热垫块6与压头41之间设槽61安装所述电加热元件31。值得说明是，可在垫块6与压头41中的其中一者上设槽，也可在二者上均设槽。

在一种可能的设计中，如图2所示，只在Z轴上方的压头41前端装有垫块6，可根据试验需求对立方体试样10上部进行均匀加热，温度可实现室温+10℃~600℃，温度均匀度 5℃。值得说明的是，前端装垫块6的压头41厚度小于其余压头41的厚度薄，使得其装上垫块6后的总厚度与其余压头41的厚度相当。

在一种可能的设计中，如图3所示，X轴方向的其中一个压头41的前端装有电加热元件31；Y轴方向的其中一个压头41的前端装有电加热元件31；Z轴方向的其中一个压头41的前端装有电加热元件31。测试单一方向的导热系数时，其余方向的电加热元件31不工作。通过测试X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的导热系数，获得试样的三维导热系数。

在一种可能的设计中，每个压头41的前端均装有电加热元件31。

在一种可能的设计中，垫块6对应热流传感器、温度传感器的位置有通孔。

在一种可能的设计中，垫块6的通孔中装有导热垫410，前端不设垫块6的压头41的前端孔中装有导热垫410，热流传感器、温度传感器位于导热垫后端，通过导热垫410将试样温度传递给热流传感器、温度传感器、

在一种可能的设计中，热流传感器、温度传感器集成在同一个探头上。特别的，每个压头41的中心孔内嵌装有温度、热流一体探头，通过导热垫410将温度传递给中心孔内部的温度、热流一体探头。

在一种可能的设计中，步骤S1中，用至少8个弹性金属片42将6个压头41连接在一起构成用于放置试样的试样空间，立方体试样10置于试样空间内。其中，弹性金属片42的数量根据需要合理设置。可选的，用12个弹性金属片42将6个压头41连接在一起为例，每个压头41的四周分别通过一个弹性金属片42与四周的4个压头41连接。通过12个弹性金属片42可将6个压头41组装在一起从而实现压头与立方体试样的紧密固定、贴合。

可选的，压头41外端四周设有与弹性金属片42适配的弹片槽，弹片槽中设有螺钉孔，弹性金属片42的一端置于弹片槽中并通过螺钉与压头41连接。

在一种可能的设计中，立方体试样10的边长为100mm，压头41和垫块6均为矩形，压头41、垫块6与立方体试样10面接触，可将压力均匀传递给试样。

在一种可能的设计中，电加热元件31为电阻丝。特别的，如图4、图5所示，在垫块6背面有用于安装电阻丝的槽61，电阻丝通过多个间隔布置的陶瓷环62固定在槽61中，压头41扣在垫块6背面。电阻丝依次穿过陶瓷环62，陶瓷环62卡在槽61中，可避免电阻丝与垫块6直接接触，防止局部过热。

在一种可能的设计中，垫块6与压头41接触，表面可设卡槽对准。

在一种可能的设计中，压头41整体采用高刚度合金材料制成，具备足够的刚度满足12 GN/m。垫块6采用高刚度合金材料制成。

在一种可能的设计中，弹性压力盒可操作地置于加热舱内；所述S2中，先通过加热舱的加热元件给整个腔体加温，然后再通过压头41上的电加热元件31加温实现对侧温差。

在一种可能的设计中，如图6、图7所示，加热舱包括六面体结构的舱体1，舱体1包括一个高刚度的外立方体框架11和6个加热壁板12，6个加热壁板12分别位于外立方体框架11的6个方向，二者之间通过螺钉连接。6个方向的加热壁板12内均嵌装有电加热元件31，加热壁板12外部有与电加热元件31适配的电极罩32。

在一种可能的设计中，6个加热壁板12的中央的通孔中装有一个对接压头2，对接压头2可相对于舱体1轴向活动。6个对接压头两两位于X轴、Y轴、Z轴方向上，分别与6个压头41的后端对接。

可选的，对接压头2内端为圆柱压杆21，外端为与作动器压头对接的球头22，球头22与液压作动器的球窝适配。

在一种可能的设计中，加热壁板12的结构有以下两种：

第一种、如图6、图8、图9所示，加热壁板12的板体一体制造，加热壁板12外侧有弹性板13，弹性板13的两端与外立方体框架11活动连接，弹性板13和加热壁板12上有同轴的通孔，对接压头2装于通孔中，对接压头2通过螺钉与弹性板13固接在一起。加热壁板12外表面对应弹性板13的位置有适配的板槽120，使得在正常情况下，弹性板13与加热壁板12外表面之间有间隔。

第二种、如图6、图10所示，加热壁板12的板体分为独立制造的第一板121、第二板122和第三板123，第一板121、第二板122和第三板123依次组拼构成加热壁板12，第二板122位于第一板121与第三板123中间，第一板121和第三板123通过螺钉与外立方体框架11固接，电加热元件31装于第一板121和第三板123上，第二板122与第一板121、第三板123滑动配合，对接压头2装于第二板122上。

第二板122外侧有弹性板13，弹性板13的两端与外立方体框架11活动连接，弹性板13和第二板122上有同轴的通孔，对接压头2装于弹性板13和第二板122的通孔中并通过螺钉与弹性板13、第二板122固接在一起。特别的，第二板122外表面低于第一板121和第二板122形成与弹性板13适配的板槽，弹性板13装于该板槽中。在外力作用下，第二板122可相对于第一板121、第三板123向内移动从而传递压力；外力消失后，弹性板13带动第二板122复位。

在一种可能的设计中，第一板121和第三板123上有防止第二板122向外滑动的限位台阶，第二板122两侧有与限位台阶适配的台阶。当然，第一板121和第三板123外部分别装有与电加热元件31适配的电极罩32。

可选的，如图11所示，弹性板13两端有条形缺口131，外立方体框架11对应条形缺口131的位置装有适配的螺钉，弹性板13两端分别通过多个条形缺口131卡在外立方体框架11的螺钉上。

值得说明的是，舱体1的6个加热壁板12可均采用上述第一种结构的加热壁板12，也可均采用第二种结构的加热壁板12；也可部分采用第一种结构的加热壁板12，部分采用第二种结构的加热壁板12。

使用时，可根据实验需求进行腔体环境温度设置。在一种可能的设计中，加热舱的温度可实现室温+10℃~600℃，温度均匀度 5℃。

S3中的立方体试样10的厚度为受载后立方体试样10的厚度。在一种可能的设计中，如图12所示，X轴方向的两个压头41之间设有位移检测机构5，Y轴方向的两个压头41之间设有位移检测机构5，Z轴方向的两个压头41之间位移检测机构5，可进行X、Y、Z三个方向试样变形监测。通过位移检测机构5可测量立方体试样10在受载情况下变形量。立方体试样10受载前的厚度减去变形量，继而获得受载情况下立方体试样10的厚度。

在一种可能的设计中，位移检测机构5包括第一安装座51、第二安装座52、第一引出杆53、第二引出杆54、传感器安装块55和位移传感器56，第一引出杆53与第二引出杆54平行，第一引出杆53的一端与第一安装座51固接，第二引出杆54的一端与第二安装座52固接，第一引出杆53的另一端与传感器安装块55连接，位移传感器56装于传感器安装块55上，第二引出杆54的另一端与位移传感器56的检测端适配，二者之间连接或者不连接，第一安装座51、第二安装座52通过螺钉分别装在同一轴上的两个压头41上。当立方体试样10发生变形时，同一轴上的两个压头41发生相对位移，带动第一引出杆53与第二引出杆54发生相对位移，继而使得传感器安装块55与第二引出杆54发生相对位移，与之适配的位移传感器56可检测出位移量，而且实现变形监测。

在一种可能的设计中，所述S2中，利用三轴六向应力加载系统对立方体试样10进行应力加载。如图13所示，三轴六向应力加载系统包括6个液压作动器7，6个液压作动器7的输出端分别与其中一个对接压头2的外端对接，液压作动器7动作，使对接压头2、压头41轴向移动，继而对立方体试样10进行应力加载。

以上的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、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.基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1，将立方体试样（10）置于弹性压力盒内；弹性压力盒包括6个压头（41），6个压头（41）两两位于X轴、Y轴、Z轴方向上；

6个压头（41）分别与立方体试样（10）的6个面接触，至少其中一个压头（41）的前端设有电加热元件（31），每个压头（41）前端设孔装有热流传感器和温度传感器；

S2，利用压头（41）对立方体试样（10）进行加载，加载过程中或加载停止时给其中一个压头（41）上的电加热元件（31）通电，使立方体试样（10）的其中一个方向的相对侧产生温度差；

通过所述热流传感器测量热流量，通过温度传感器测量立方体试样（10）表面温度值；

S3，基于立方体试样（10）在所述其中一个方向的厚度、所述热流量、所述温度值，计算得到导热系数。

2.根据权利要求1所述的基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法，其特征在于：X轴方向的两个压头（41）中的至少一个压头（41）的前端设有电加热元件（31）；

Y轴方向的两个压头（41）中的至少一个压头（41）的前端设有电加热元件（31）；

Z轴方向的两个压头（41）中的至少一个压头（41）的前端设有电加热元件（31）；

测试单一方向的导热系数时，其余方向的电加热元件（31）不工作；通过测试X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的导热系数，获得试样的三维导热系数。

3.根据权利要求1或2所述的基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法，其特征在于：前端设电加热元件（31）的压头（41）的前端设有加热垫块（6），所述加热垫块（6）与压头（41）之间设槽（61）安装所述电加热元件（31）；

加热垫块（6）对应所述热流传感器、温度传感器的位置有通孔；所述加热垫块（6）的通孔中装有导热垫（410），前端不设加热垫块（6）的压头（41）的前端孔中装有导热垫（410），热流传感器、温度传感器位于导热垫后端。

4.根据权利要求3所述的基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法，其特征在于：所述热流传感器和温度传感器集成在一个探头上。

5.根据权利要求1所述的基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法，其特征在于：所述S1中，用至少8个弹性金属片（42）将所述6个压头（41）连接在一起。

6.根据权利要求1所述的基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法，其特征在于：同一轴向方向的两个压头（41）之间设有位移检测机构（5），通过位移检测机构（5）检测出立方体试样（10）在所述其中一个方向的变形量；

所述S3中的立方体试样（10）的厚度为受载前立方体试样（10）的厚度与所述变形量之差。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法，其特征在于：所述弹性压力盒内可操作地置于加热舱内；

所述S2中，先通过加热舱的加热元件给整个腔体加温，然后再通过压头（41）上的电加热元件（31）加温实现对侧温差。

8.根据权利要求7所述的基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法，其特征在于：所述加热舱包括6个加热壁板（12）和6个对接压头（2），加热壁板（12）内装有电加热元件（31），6个对接压头（2）分别装于其中一个加热壁板（12）的通孔中并可相对于加热舱轴向活动；

6个对接压头（2）两两位于X轴、Y轴、Z轴方向上，分别与其中一个压头（41）的后端对接，6个对接压头（2）的厚度外露于加热壁板（12）；

所述S2中，外力作用于对接压头（2）后端，通过对接压头（2）、压头（41）将力传递给立方体试样（10）。

9.根据权利要求8所述的基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法，其特征在于：所述S2中，利用三轴六向应力加载系统对立方体试样（10）进行应力加载，三轴六向应力加载系统包括6个液压作动器（7），6个液压作动器（7）的输出端分别与其中一个对接压头（2）的外端对接。

10.根据权利要求8或9所述的基于温差-热流的受载岩石导热系数测试方法，其特征在于：加热舱还包括外立方体框架（11），6个加热壁板（12）分别装于外立方体框架（11）的6个方向；

每个加热壁板（12）外侧均有一个弹性板（13），弹性板（13）的两端与外立方体框架（11）活动连接，弹性板（13）和加热壁板（12）上有同轴的通孔，对接压头（2）装于弹性板（13）和加热壁板（12）的通孔中，对接压头（2）与弹性板（13）固接在一起。

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