一种封闭系统下水流对可溶岩溶蚀的分析设备及分析方法与流程

本发明涉及一种分析设备及其分析方法，特别涉及一种封闭系统下水流对可溶岩溶蚀的分析设备及分析方法，属于岩溶动力学领域。

背景技术

岩溶又称喀斯特，是水对可溶性岩石进行以化学溶蚀作用为特征的综合地质作用，以及由此所产生的现象的总称。岩溶作用是塑造地球地表形态的主要动力之一，其形成了绚丽多姿的地质地貌景观及独特的水文地质现象。我国境内岩溶广泛发育，岩溶分布总面积约346万km2，出露面积约91万km2，约占国土面积的9.4%。由于出露条件、气候、水文等因素的影响，在南北方两个主要岩溶分布区，岩溶发育存在着明显的差异，其不仅形成了不同的地貌形态，同时也形成了不同的岩溶地下水含水系统。在南方，岩溶地下水系统多以地下河、管道、洞穴为主，而北方则以裂隙和溶蚀裂隙为主要特征。岩溶系统是地质历史的产物，其现今的规模和状态与其岩溶化过程密切相关。在岩溶系统中地下河、管道、洞穴、溶蚀裂隙等不仅是地下水、油气等资源赋存的空间，同时也是地质灾害和环境问题发生的能量来源。由于岩溶发育的不规则性和非均质性，给岩溶水资源的评价、开发和利用，煤炭资源的开发利用以及工程施工建设带来了诸多的困难。而这些问题的研究和解决，均有赖于岩溶系统演化过程的重现。

岩溶系统的发育演化始于具有侵蚀性的水对可溶性岩体中裂隙的溶蚀扩展，即在初始含水介质和边界条件的控制下所形成的初始流场上，由水-岩相互作用，不断反馈所导致的介质场-水动力场不断分异演化的过程。因此岩溶演化的定量研究，不仅能有效的刻画岩溶含水介质时空变化特征和规律，而且能呈现岩溶系统的发育程度。

由此可见，开展静态和动态下，封闭系统中不同介质、边界条件下地下水对可溶性岩溶蚀扩展的研究，有利于揭示不同条件、不同成分、结构可溶岩溶蚀扩展特征和规律，对岩溶现象的理解，岩溶水资源开发利用、岩溶地区安全施工等都具有重要的指导意义。

技术实现要素：

针对不同溶液对不同成分、结构的可溶岩岩溶蚀扩展问题，本发明提供一种封闭系统下水流运动对可溶性岩溶蚀扩展及规律研究设备及分析方法，其目的是为了了解不同溶液对不同成分、结构可溶岩岩溶蚀扩展特征，采集相关的数据，为岩溶动力学的研究提供可靠数据。

一种封闭系统下水流对可溶岩溶蚀的分析设备，包括安全阀、止水阀，所述水流对可溶岩溶蚀的分析设备包括水气的混合供给装置，其后依次连接并连通有溶液混合供给装置、水头调节装置、主体装置、密闭容水装置和集水收集装置，所述主体装置包括透明容器，透明容器内密封设置有岩样、底部密封设置高度调节杆，透明容器内岩样上方设置有传感器，传感器与计算机连接，溶液混合供给装置通过蠕动泵向主体装置供给其有溶蚀性的液体，进行不同条件下水流对可溶岩溶蚀的影响研究分析；

进一步，所述溶液混合供给装置包括蒸馏水容器，蒸馏水容器上连接有离子溶液容器、混合气体容器，蒸馏水容器底部设置有磁力搅拌器，蒸馏水容器下部侧面设置有检测口，蒸馏水容器出口通过管道连接有蠕动泵；

进一步，所述水头调节装置入口通过连接管与蠕动泵出口连接，水头调节装置上设置有多个分级水头调节出口和连接出口，连接出口与主体装置连通；

进一步，所述密闭容水装置的入口与主体装置连通，密闭容水装置上同时设置有溢流口，溢流口下方设置有溶液收集装置；

进一步，所述岩样为可溶性岩，是经过切割打磨加工后的试件；

进一步，所述离子溶液容器的出口设置有止水阀，离子溶液容器的出口设置有安全阀。

一种水封闭系统下水流对可溶岩溶蚀的分析方法，利用上述水封闭系统下水流对可溶岩溶蚀的分析设备，所述水封闭系统下水流对可溶岩溶蚀的分析方法分别按照如下步骤对各个设备进行操作：

1）实验前的准备工作

（1）将可溶岩切割成多个长方块、并进行打磨，形成岩样，并进行可溶岩的矿物组成、结构分析；

2）溶液混合供给装置

（1）在容器内配制离子溶液与混合气体的浓度；

（2）将离子溶液和混合气体按照预设比例加入蒸馏水中；

（3）用磁力搅拌器将混合后的溶液搅拌均匀；

（4）通过检样口取样，测定浓度，检验混合溶液直到满足预定浓度要求；

（5）调节蠕动泵变速来控制进入水头调节装置的溶液流速；

3）水头调节装置

（1）在水头调节装置中，根据实验要求从多个分级水头调节出口中选定出口；

4）主体分析装置

（1）将预先被带有传感器的透明容器的岩样安装在高度调节杆上，并调节高度至预定要求；

（2）在透明容器表面连接计算机，用于记录传感器所传岩样溶蚀情况数据，进行记录分析保存；

（3）打开止水阀，使溶液从岩样四壁裂隙通过；

5）溶液收集装置

（1）设置密闭容水装置出口高度，保证此出口与分级定水口的水头差δh满足预设要求；

（2）打开止水阀，使通过岩样的溶液进入密闭容水装置，避免溶液与空气接触；

（3）将通过密闭容水装置的溶液排入到溶液收集装置，测定水溶液的体积，并定时测定溶液的ph值与浓度，进行记录分析；

6）实验前后的比较与分析

（1）对实验后的岩样的表面特征、结构、成分与实验前进行比较、分析，得出结论。

本发明具有的积极效果是：通过在分析设备中设置溶液混合供给装置，并在溶液混合供给装置中设置蒸馏水容器，蒸馏水容器上连接离子溶液容器、混合气体容器，蒸馏水容器底部设置磁力搅拌器，蒸馏水容器下部侧面设置检测口，蒸馏水容器出口通过管道连接蠕动泵，能够利用离子溶液和混合气体以及蒸馏水利用磁力搅拌机的搅拌，从检测口取样检测后，形成含成分不同的水，有利于模拟自然界含有各种成分的天然水以及水流的流速、流量；通过在水头调节装置入口通过连接管与蠕动泵出口连接，水头调节装置上设置有多个分级水头调节出口和连接出口，能够选择不同分级水头调节高度，确定与可溶性岩之间的差压，能够结合后续高度调节杆，改变水流对溶岩和水的压力；通过在主体装置中设置透明容器，并在透明容器内密封设置岩样、底部密封设置高度调节杆，岩样上设置有传感器，传感器与计算机连接，不仅能够事先对可溶性岩的结构、成分进行分析，更重要的是可以通过透明容器进行实验的观察，通过在顶部设置传感器，能够对同一岩样在不同条件下水流、对岩石的溶蚀速率与溶蚀量影响进行数据采集，可以对同一岩样在不同位置的溶蚀速率与溶蚀量数据进行采集，还可以对不同岩样在不同条件下水流对岩石的溶蚀速率与溶蚀量影响的进行数据采集，能够实现出水的不同压力，能够利用计算机进行实时记录以及数据分析；通过设置密闭融水装置，能够通过密闭容水装置确定排出水的高度，从而确定进出水位高度差δh，通过利用本水封闭系统下水流对可溶岩溶蚀的分析设备以及使用方法能够对比测定前后岩样的岩石成分（结构情况、矿物组成、化学成分等）变化，计算和检测不同位置的溶蚀厚度变化，分析水对可溶性岩溶蚀影响，为地质考察、海洋乃至其他星球溶岩的考察提供数据支持。

附图说明

图1水封闭系统下水流对可溶岩溶蚀分析设备的整体结构示意图。

标号说明：1-止水阀、2-离子溶液容器、3-安全阀、4-混合气体容器、5-蒸馏水容器、6-检测口、7-磁力搅拌器、8-蠕动泵、9-分级水头调节出口、10-水头调节装置、11-计算机、12-透明容器、13-高度调节杆、14-密闭容水装置、15-集水收集装置。

具体实施方式

以下参照附图就本发明的具体技术方案进行详细说明。

一种水封闭系统下水流对可溶岩溶蚀的分析设备，图1是水封闭系统下水流对可溶岩溶蚀分析设备的整体结构示意图。水封闭系统下水流对可溶岩溶蚀的分析设备包括安全阀3、止水阀1，所述水流对溶岩溶蚀的分析设备包括水气（co2、n2等）溶液混合供给装置，其后依次连接并连通有溶液混合供给装置、水头调节装置10、主体装置、密闭容水装置14和集水收集装置15，所述主体装置包括透明容器12，透明容器12内密封设置有岩样、底部密封设置有设置有高度调节杆13，透明容器12内岩样上方设置有传感器，传感器与计算机11连接，溶液混合供给装置通过蠕动泵8向主体装置供给溶液，进行不同条件下水流对岩石的影响的研究分析。

在本实施例中，所述透明容器采用有机玻璃罩。

在本实施例中，所述溶液混合供给装置包括蒸馏水容器，蒸馏水容器上连接的离子溶液容器2充加有ca²⁺、混合气体容器4中充有惰性气体与co2，蒸馏水容器底部设置有磁力搅拌器7，蒸馏水容器下部侧面设置有检测口6，蒸馏水容器出口通过管道连接有蠕动泵8。利用磁力搅拌器7将离子溶液、惰性气体与co2、，蒸馏水减半后，从检测口取样进行检测，当样品符合要模拟的自然界水后，利用蠕动泵8送入下一个容器。

所述水头调节装置10入口通过连接管与蠕动泵8出口连接，水头调节装置10上设置有多个分级水头调节出口9和连接出口，连接出口与主体装置连通，通过调节蠕动泵8将流量、流速等调节成所要求的自然流水参数，选择水头调节装置10的分级水头调节出口9，使分级水头调节出口9高度与后叙的密闭容水装置14之间的高度差在δh范围内。

所述密闭容水装置14的入口与主体装置连通，密闭容水装置14上同时设置有溢流口，溢流口下方设置有集水收集装置15。在流动有混合液体的主体装置中，在规定的时间内进行相应的岩样溶蚀处理，在本实施例中，进行了2个月的岩样溶蚀处理，对处理后的水进行收集，并进行处理前后水量的比较与分析，分析溶液与岩样之间的反应等状况，从而推理出长时间对岩样的溶蚀状况。

所述岩样为可溶性岩，该实例中岩样的尺寸为40cm×15.5cm×6cm，是经过切割打磨加工后的试件。在岩石放入主体装置前，需要对岩样的结构、成分等物理特性和化学特性进行分析，以利于与实验后的数据进行相应的比较和分析研究。

所述离子溶液容器2的出口设置有止水阀1，离子溶液容器2的出口设置有安全阀3。

上述溶液混合供给装置、水头调节装置10、主体分析装置、密闭容水装置14之间的连接管道上分别设置有阀门。

一种水封闭系统下水流对可溶岩溶蚀的分析方法，利用上述水封闭系统下水流对可溶岩溶蚀的分析设备，所述水封闭系统下水流对可溶岩溶蚀的分析方法分别按照如下步骤对各个设备进行操作：

1）实验前的准备工作

（1）将切割锯将溶岩切割成多个方块、并进行打磨，形成岩样，并分析溶岩的组成成分、结构进行分析；

2）溶液混合供给装置

（1）离子溶液瓶中是在蒸馏水中加入0.3mol/m³的ca²⁺，混合气体瓶中充入有53%的co2和57%惰性气体；

（2）将离子溶液和混合气体分次加入蒸馏水中；

（3）用磁力搅拌器7将混合后的溶液搅拌均匀；

（4）通过检样口取样，测定浓度，检验混合溶液直到满足预定浓度要求；

（5）调节蠕动泵8变速为3.0rpm来控制进入水头调节装置10的溶液流速；

3）水头调节装置

（1）在水头调节装置10中，选定分级水头调节出口9中a、b、c、d的a出口；

4）主体分析装置

（1）将预先被带有传感器的透明容器12密封的岩样安装在高度调节杆13上，并调节高度为10cm；

（2）在透明容器12表面连接计算机11，用于记录传感器所传岩样溶蚀情况数据，进行记录分析保存；

（3）打开止水阀1，使溶液从岩样四壁缝隙通过；

5）溶液收集装置

（1）设置密闭容水装置14出口高度，保证此出口与分级定水口的水头差δh为0.6cm，满足预设要求；

（2）打开止水阀1，使通过岩样的溶液进入密闭容水装置14，避免溶液与空气接触；

（3）将通过密闭容水装置14的溶液排入到溶液收集装置，测定水溶液的体积，并经常测定溶液的ph值、电导率与浓度，进行记录分析；

6）实验前后的比较与分析

（1）对实验后的岩样的吸水性、结构变化、成分与实验前进行比较、分析，得出结论，形成分析报告。

在本实施例中，上述2）-5）的实施时间为期一个月。

在实施过程中，可根据具体的分析内容，确定实施时间。

本发明通过在分析设备中设置溶液混合供给装置，并在溶液混合供给装置中设置蒸馏水容器，蒸馏水容器上连接离子溶液容器2、混合气体容器4，蒸馏水容器底部设置磁力搅拌器7，蒸馏水容器下部侧面设置检测口6，蒸馏水容器出口通过管道连接蠕动泵8，能够利用离子溶液和混合气体以及蒸馏水形成含成分不同的水，有利于模拟自然界含有各种成分的天然水以及水流的流速、流量；通过在水头调节装置10入口通过连接管与蠕动泵8出口连接，水头调节装置10上设置有多个分级水头调节出口9和连接出口，能够选择不同分级水头调节高度，确定与可溶性岩之间的差压，能够结合后续高度调节杆13，改变水流对溶岩和水的压力；通过在主体装置中设置透明容器12，并在透明容器12内密封设置岩样、底部密封设置高度调节杆13，岩样上设置有传感器，传感器与计算机11连接，不仅能够事先对可溶性岩的结构、成分进行分析，更重要的是可以通过透明容器12进行实验的观察，通过在顶部设置传感器，能够对同一岩样在不同条件下水流、对岩石的溶蚀速率与溶蚀量影响进行数据采集，可以对同一岩样在不同位置的溶蚀速率与溶蚀量数据进行采集，还可以对不同岩样在不同条件下水流对岩石的溶蚀速率与溶蚀量影响的进行数据采集，能够实现出水的不同压力，能够利用计算机11进行实时记录以及数据分析；通过设置密闭融水装置，能够通过密闭容水装置14确定排出水的高度，从而确定进出水位高度差δh，通过利用本水封闭系统下水流对可溶岩溶蚀的分析设备以及使用方法能够对比测定前后岩样的岩石成分（结构情况、矿物组成、化学成分等）变化，计算和检测不同位置的溶蚀厚度变化，分析水对可溶性岩溶蚀影响，为地质考察、海洋乃至其他星球溶岩的考察提供数据支持。