一种裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量装置与测量方法与流程

本发明涉及一种测量装置，具体是一种裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量装置与测量方法，属于矿山地热与热害防治领域。

背景技术：

随着我国东部及部分中部地区进入深地开采，高地温矿井越来越普遍，针对深循环上升地下水引起的高热异常矿井，其地热资源进行主动利用或被动防治成为绿色矿山新方向。该课题需要解决的关键科学问题包括岩体裂隙网络中水-热迁移特性研究，其中进行单裂隙岩样渗流过程中的传热试验研究是基础工作。研究时可将岩样装入夹持部件中，对相关参数进行测量，继而通过计算和规律总结得到岩体裂隙网络中水-热迁移特性。

在实际工作中发现，水流进入夹持部件后会明显受到传热的影响，导致夹持部件入口水温与进入岩样的裂隙入口水温会有很大的不同，在这种情况下如果简单的以夹持部件入口水温来代表裂隙入口水温会有很大的误差。另外，在当前对于单裂隙岩石试样渗流过程中的传热问题的研究中，基本都视岩样内部温度为黑箱，即对裂隙沿程水温和裂隙沿程内表面岩温是不做研究的，且裂隙的隙宽b的测量也存在较大的误差。综上，由于试验变量的不统一、对岩石内部温度情况不了解等都将导致单裂隙渗流过程中的传热问题研究不充分，无法为生产实际提供足够的参考价值。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种能够准确测量裂隙入口水温，且能够对岩样内部温度和裂隙变化情况准确了解的裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量装置与测量方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量装置，包括夹持器，所述夹持器包括套筒，所述套筒中与其同轴设有胶套，套筒内壁与胶套外壁之间设有围压腔，且套筒外设有围压加载装置；一入口假岩芯和一入口堵头依次从夹持器的入口侧塞入胶套中，且夹持器的入口侧设有入口端盖，一出口假岩芯和一出口堵头依次从夹持器的出口侧塞入胶套中，所述入口假岩芯和出口假岩芯沿各自中轴线分别设有水流通道，且入口假岩芯和出口假岩芯彼此相对的侧面上各自从中心沿径向发散设有多个渗流槽；

所述入口堵头中与其中轴线平行设有两条水流通孔，一条水流通孔通过管线ⅰ连通至外部注水装置，管线ⅰ上设有阀门ⅰ和温度传感器，另一条水流通孔通过管线ⅱ连通至外部，管线ⅱ上设有阀门ⅱ；

所述入口假岩芯、出口假岩芯、胶套围成的空腔中设有单裂隙试样，单裂隙试样中沿其长度方向间隔分布设有多个测试孔组，所述测试孔组包括一从单裂隙试样外壁沿其径向通至裂隙面的通孔和一从单裂隙试样外壁向内开设的沉孔，所述沉孔的底部靠近裂隙面；所述入口假岩芯和出口假岩芯中各自以水流通道为起点沿径向延伸设有检测通道，所述各检测通道、通孔和沉孔中皆设有测温线，所述测温线皆通过出口堵头中设置的布线槽共同引出夹持器，所述出口堵头中心沿其轴向设有水流引出孔，水流引出孔露出出口堵头的一端通过出水管连接至一出水流量计，所述出水管上设有三通阀和背压阀；所述套筒外部设有隙宽测量装置，所述隙宽测量装置的探头垂直于裂隙面穿过套筒和胶套并顶住单裂隙试样的外壁；

所述温度传感器、测温线引出夹持器的端部、隙宽测量装置、出水流量计共同连接至一数据采集器上。

优选的，所述围压加载装置包括环压泵和加热套，所述加热套套在套筒上，套筒上设有进油孔和出油孔，进油孔和出油孔皆从围压腔通至套筒外部；所述环压泵的出口连接一加压管路，所述加压管路穿过加热套并连接至进油孔上，出油孔上连接一卸压管路，卸压管路穿过加热套并通至大气中，所述加压管路上设有开关，卸压管路上设有排气阀。加热套可以具备测温功能，可以实时测量加热到的温度；加热套还可采用电加热，具有较高的加热效率，先加热套筒，热量会由套筒向内传输至压力油、胶套并传至单裂隙试样表面。

上述围压加载装置还包括一循环泵，循环泵的一端通过循环阀ⅰ连接至加压管路上，所述卸压管路在出油孔和排气阀之间设有循环阀ⅱ，循环泵的另一端连接至排气阀与循环阀ⅱ之间的卸压管路段。循环泵可对围压腔中的压力油进行持续循环，避免传热导致不同位置的油温出现差异，保证围压腔中的压力油各处油温均匀；循环泵具有加热功能时还可以对压力油因传热至水流损失的热量及时补偿，保证单裂隙试样外表面温度始终稳定。

进一步的，出口假岩芯朝向出口堵头的侧面环绕水流通道设有一o型圈，o型圈设在出口假岩芯与出口堵头之间，可以有效防止从水流通道流出的水直接进入布线槽中损坏测温线。

优选的，布线槽露出夹持器的槽口上设有耐压软垫，所述耐压软垫由三层软垫材料组成，分别为聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚酰亚胺材料，测温线穿过耐压软垫并引出夹持器，耐压软垫具有耐压的特点，可以紧紧固定住测温线。

优选的，隙宽测量装置包括lvdt位移传感器，隙宽测量平台的探头与lvdt位移传感器连接，能够根据隙宽选择量程，可以测量试样裂隙的垂直变形量△b，且lvdt位移传感器连接至数据采集器上。

为了减少水流从夹持器入口流入裂隙的热量损失，所述入口端盖设计为中空结构，入口堵头采用非金属聚酰亚胺材料，入口假岩芯采用聚四氟乙烯材料，采用这样的材料导热效率低，进一步缩小了夹持器入口水温与夹持器中的裂隙入口水温之间的差值，也尽可能减少了夹持器入口端压力油的温度对水流的传热影响。

本发明还公开了一种裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量方法，包括如下步骤：

步骤一：用砂线切割机将岩石切割为具有某一粗糙特征的单裂隙试样，并用0.8mm钻头从单裂隙试样表面向内间隔钻设多个通孔和沉孔，沉孔的底部靠近裂隙面，孔径1mm，将测温线分别置入通孔、沉孔和检测通道中，再将单裂隙试样装入夹持器中，并使隙宽测量装置的探头垂直于裂隙面，测温线皆通过出口堵头中设置的布线槽引出夹持器本体并连接至数据采集器；

步骤二：打开开关、排气阀、循环阀ⅱ，关闭循环阀ⅰ，再驱动环压泵排出围压腔中的空气，关闭排气阀，向围压腔内加入压力油施加围压σ3并测出该围压下裂隙的变形为δb，可以知道在围压σ3条件下的裂隙隙宽为b0-δb；关闭开关稳压后用加热套加热夹持器至目标温度t0，同时打开循环阀ⅰ，循环泵进行工作，将围压腔中的压力油抽出进行循环加热保持均温；温度稳定后，在热量传递作用下单裂隙试样外表面温度、围压腔中的压力油温度均与夹持器表面温度一致，均为t0；

步骤三：开启外部注水装置，向管线ⅰ中注入流量q、温度为tin1的水流，此时夹持器入口水温即为tin1；关闭夹持器出水管上的三通阀，打开阀门ⅱ，此时水流经管线ⅰ进入入口堵头并经入口假岩芯的水流通道进入裂隙面，由于三通阀被关闭，水流会从入口堵头的另一条水流通孔流出、经管线ⅱ排出夹持器，入口假岩芯的检测通道中的测温线测得的温度即为裂隙入口水温tin2，温度传感器监测到的温度为夹持器入口水温tin1；对夹持器入口水温tin1和裂隙入口水温tin2在不同的流量q、单裂隙试样外表面温度t0条件下的关系进行标定，得出tin2与tin1之间的关系，据此保证tin2与设计值一致；

步骤四：需要研究在某一裂隙入口水温tin2、裂隙隙宽为b0-δb、单裂隙试样外表面温度t0、流量q下的传热情况时，先依据上述步骤三的tin2与tin1的关系得到该工况下的tin1值；再控制外部注水装置将温度为tin1的水流以流量q注入，水流从管线ⅱ流出，当温度传感器检测温度达到tin1时，打开三通阀、关闭阀门ⅱ，此时水流从夹持器中的单裂隙试样中经过，待流量稳定后，利用出口假岩芯的检测通道中的测温线测得裂隙出口水温tout，利用各通孔中的测温线测得裂隙内沿程水温tf、利用各沉孔中的测温线测得裂隙沿程内表面岩温ti。

相对于现有技术，本发明具有如下优势：

①本发明充分考虑到了水流进入夹持器后会受到传热的影响，夹持器入口水温tin1与裂隙入口水温tin2会有很大的不同，对夹持器入口端进行了特别设计，在入口端预先进行温度标定，先研究tin1和tin2在不同环境状态下的关系，从而可以准确控制裂隙入口水温tin2达到标准设计值；且通过将夹持器左端的入口端盖进行中空处理、入口堵头和入口假岩芯用非金属隔热材料，尽可能减少了径向传热对水温的影响，降低了夹持器入口与裂隙入口水温的差值；

②本发明通过独特的测温线设置，在进行单裂隙试件渗流-传热试验过程中通过入口假岩芯的检测通道中的测温线可测得裂隙入口水温tin2，出口假岩芯的检测通道中的测温线可实时测得裂隙出口水温tout、通孔中的测温线可实测裂隙内沿程水温tf、沉孔中的测温线可实测裂隙沿程内表面岩温ti；通过设计的裂隙隙宽测量装置可以准确测量到裂隙隙宽b的变化量，垂直裂隙面的探头紧贴试样的外表面，消除了胶套变形产生的影响，相比其他设计，大大消除了测量误差；

③本发明装置在测量水岩界面对流换热系数时，与之有关的变量如流量q、岩石外表面温度t0、裂隙入口水温tin2、裂隙初始隙宽b0、裂隙隙宽变形δb都能按实验者要求设定，试验的变量如裂隙出口水温tout、裂隙内沿程水温tf、裂隙沿程内表面岩温ti都能精确测量。相比其他相似设计，本发明控制变量更加精确，测量的变量更多，为研究h与不同变量之间的定量关系提供了可能性。

附图说明

图1为本发明的测量装置的示意图；

图2为本发明的夹持器中各钻孔位置的主视图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明的单裂隙试样的立体图；

图5为本发明的夹持器内测量的变量示意图；

图6为本发明的夹持器中入口假岩芯和出口假岩芯彼此相对的侧面的示意图；

图7为本发明的出口假岩芯朝向出口堵头一侧的侧面示意图；

图8为本发明的出口堵头的侧面结构示意图；

图9为本发明的围压加载装置的示意图；

图10为本发明加热套加热夹持器时的传热过程示意图；

图中，9.套筒；9-1.进油孔；9-2.出油孔；10.胶套；11.入口堵头；12.入口假岩芯；13.单裂隙试样；13-1.通孔；13-2.沉孔；13-3.裂隙面；14.隙宽测量装置；14-1.探头；15.入口端盖；16.入口保护盖；17.布线槽；17-1.耐压软垫；18.温度传感器；19.背压阀；20.定位柱；21.测温线；22.压力传感器ⅱ；23.环压泵；24.循环泵；25.加热套；26.开关；27.循环阀ⅰ；28.排气阀；29.循环阀ⅱ；30.压力传感器ⅰ；31.三通阀；33.管线ⅰ；33-1.阀门ⅰ；32.管线ⅱ；32-1.阀门ⅱ；34.出口假岩芯；35.出口堵头；35-1.水流引出孔；36.出口保护盖；37.渗流槽；38.o型圈；40.水流通道；50.检测通道；60.出水流量计；70.数据采集器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1至图9所示，一种裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量装置，包括夹持器，所述夹持器包括套筒9，所述套筒9中与其同轴设有胶套10，套筒9内壁与胶套10外壁之间设有围压腔，且套筒9外设有围压加载装置；一入口假岩芯12和一入口堵头11依次从夹持器的入口侧塞入胶套10中，且夹持器的入口侧设有入口端盖15，一出口假岩芯34和一出口堵头35依次从夹持器的出口侧塞入胶套10中，所述入口假岩芯12和出口假岩芯34沿各自中轴线分别设有水流通道40，且入口假岩芯12和出口假岩芯34彼此相对的侧面上各自从中心沿径向发散设有多个渗流槽37；

所述入口堵头11中与其中轴线平行设有两条水流通孔，一条水流通孔通过管线ⅰ33连通至外部注水装置，管线ⅰ33上设有阀门ⅰ33-1和温度传感器18，另一条水流通孔通过管线ⅱ32连通至外部，管线ⅱ32上设有阀门ⅱ32-1；

所述入口假岩芯12、出口假岩芯34、胶套10围成的空腔中设有单裂隙试样13，单裂隙试样13中沿其长度方向间隔分布设有多个测试孔组，所述测试孔组包括一从单裂隙试样13外壁沿其径向通至裂隙面13-3的通孔13-1和一从单裂隙试样13外壁向内开设的沉孔13-2，所述沉孔13-2的底部靠近裂隙面13-3；所述入口假岩芯12和出口假岩芯34中各自以水流通道40为起点沿径向延伸设有检测通道50，所述各检测通道50、通孔13-1和沉孔13-2中皆设有测温线21，所述测温线21皆通过出口堵头35中设置的布线槽17共同引出夹持器，所述出口堵头35中心沿其轴向设有水流引出孔35-1，水流引出孔35-1露出出口堵头35的一端通过出水管连接至一出水流量计60，所述出水管上设有三通阀31和背压阀19；所述套筒9外部设有隙宽测量装置14，所述隙宽测量装置14的探头14-1垂直于裂隙面13-3穿过套筒9和胶套10并顶住单裂隙试样13的外壁。

所述温度传感器18、测温线21引出夹持器的端部、隙宽测量装置14、出水流量计60共同连接至一数据采集器70上。采用的数据采集器70可以选用研华科技的pci720型采集器，可以实时接收到各检测部件的检测数据并实时显示出来。

优选的，所述围压加载装置包括环压泵23和加热套25，所述加热套25套在套筒9上，套筒9上设有进油孔9-1和出油孔9-2，进油孔9-1和出油孔9-2皆从围压腔通至套筒9外部；所述环压泵23的出口连接一加压管路，所述加压管路穿过加热套25并连接至进油孔9-1上，出油孔9-2上连接一卸压管路，卸压管路穿过加热套25并通至大气中，所述加压管路上设有开关26，卸压管路上设有排气阀28。加热套25可以具备测温功能，可以实时测量加热到的温度；加热套25还可采用电加热，具有较高的加热效率，先加热套筒9，热量会由套筒9向内传输至压力油、胶套10并传至单裂隙试样13表面。

上述围压加载装置还包括一循环泵24，循环泵24的一端通过循环阀ⅰ27连接至加压管路上，所述卸压管路在出油孔9-2和排气阀28之间设有循环阀ⅱ29，循环泵24的另一端连接至排气阀28与循环阀ⅱ29之间的卸压管路段。循环泵24可对围压腔中的压力油进行持续循环，避免传热导致不同位置的油温出现差异，保证围压腔中的压力油各处油温均匀；循环泵24具有加热功能时还可以对压力油因传热至水流损失的热量及时补偿，保证单裂隙试样13外表面温度始终稳定。

进一步的，出口假岩芯34朝向出口堵头35的侧面环绕水流通道40设有一o型圈38，o型圈38设在出口假岩芯34与出口堵头35之间，可以有效防止从水流通道40流出的水直接进入布线槽17中损坏测温线21。

优选的，布线槽17露出夹持器的槽口上设有耐压软垫17-1，所述耐压软垫17-1由三层软垫材料组成，分别为聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚酰亚胺材料，测温线21穿过耐压软垫17-1并引出夹持器，耐压软垫17-1具有耐压的特点，可以紧紧固定住测温线21。

优选的，隙宽测量装置14包括lvdt位移传感器，隙宽测量平台的探头14-1与lvdt位移传感器连接，能够根据隙宽选择量程，可以测量试样裂隙的垂直变形量△b，且lvdt位移传感器连接至数据采集器70上。

为了减少水流从夹持器入口流入裂隙的热量损失，所述入口端盖15设计为中空结构，入口堵头11采用非金属聚酰亚胺材料，入口假岩芯12采用聚四氟乙烯材料，采用这样的材料导热效率低，进一步缩小了夹持器入口水温与夹持器中的裂隙入口水温之间的差值，也尽可能减少了夹持器入口端压力油的温度对水流的传热影响。

优选的，所述胶套10外壁设有定位柱20，定位柱20可配合嵌入套筒9内壁的孔中，当定位柱20嵌入套筒9内壁的孔中时，单裂隙试样13的裂隙面13-3与隙宽测量装置14的探头14-1刚好垂直。装入时先将单裂隙试样13推入胶套10中，再将胶套10通过定位柱20定位在套筒9内，定位柱20方便了裂隙面13-3的定位，能够保证装样后单裂隙试样13的裂隙面13-3与隙宽测量装置14的探头14-1始终垂直。

所述单裂隙试样13的裂隙面13-3是提前设计的，通过砂线切割机切割而成。

所述三通阀31上连接有压力传感器ⅰ30，管线ⅰ33上设有压力传感器ⅱ22，各压力传感器共同连接至数据采集器70上。通过夹持器两端的压力传感器可以测得渗流过程中两端压力梯度；所述出水流量计60为电子天平，电子天平每隔一段时间测量注入烧杯的水流重量，即可得出流量，该流量数值等于输入夹持器入口的流量q，从夹持器中出来的水流更加稳定，测得的流量更加准确可靠。

优选的，为了保证连接稳固，入口端盖15通过入口保护盖16固定在套筒9的入口侧，出口堵头35通过出口保护盖36固定在套筒9的出口侧。

优选的，为了保证稳定性，延长使用寿命，测温线21通过耐高温密封胶固定在各孔及通道中。测温线测温范围为-200-260℃。

研究涉及到的变量如图5所示，包括流量q(ml/min)、水流进入裂隙入口温度tin2(℃)、岩石外表面温度t0(℃)、岩石裂隙隙宽b(um)、裂隙出口水温tout(℃)、裂隙内沿程水温tf(℃)、裂隙沿程内表面岩温ti(℃)。

本发明裂隙试样渗流-传热过程中的数据测量方法，具体包括如下步骤：

步骤一：用砂线切割机将岩石切割为具有某一粗糙特征的单裂隙试样13，并用0.8mm钻头从单裂隙试样13表面向内间隔钻设多个通孔13-1和沉孔13-2，沉孔13-2的底部靠近裂隙面13-3，孔径1mm，将测温线21分别置入通孔13-1、沉孔13-2和检测通道50中，测温线21通过耐高温密封胶固定在各孔及通道中，单裂隙试样13两侧用ab胶密封，再将单裂隙试样13装入夹持器中，并使隙宽测量装置14的探头14-1垂直于裂隙面13-3，测温线21皆通过出口堵头35中设置的布线槽17引出夹持器本体并连接至数据采集器70；

步骤二：打开开关26、排气阀28、循环阀ⅱ29，关闭循环阀ⅰ27，再驱动环压泵23排出围压腔中的空气，关闭排气阀28，向围压腔内加入压力油如二甲基硅油施加围压σ3并测出该围压下裂隙的变形为δb，可以知道在围压σ3条件下的裂隙隙宽为b0-δb；关闭开关26稳压后用加热套25加热夹持器至目标温度t0，同时打开循环阀ⅰ27，循环泵24进行工作，将围压腔中的压力油抽出进行循环保持均温；温度稳定后，在热量传递作用下单裂隙试样13外表面温度、围压腔中的压力油温度均与夹持器套筒9表面温度一致，均为t0；

步骤三：开启外部注水装置，向管线ⅰ33中注入流量q、温度为tin1的水流，此时夹持器入口水温即为tin1；关闭夹持器出水管上的三通阀31，打开阀门ⅱ32-1，此时水流经管线ⅰ33进入入口堵头11并经入口假岩芯12的水流通道40进入裂隙面13-3，由于三通阀31被关闭，水流会从入口堵头11的另一条水流通孔流出、经管线ⅱ32排出夹持器，入口假岩芯12的检测通道50中的测温线21测得的温度即为裂隙入口水温tin2，温度传感器18监测到的温度为夹持器入口水温tin1；对夹持器入口水温tin1和裂隙入口水温tin2在不同的流量q、单裂隙试样13外表面温度t0条件下的关系进行标定，得出tin2与tin1之间的关系，据此保证tin2与设计值一致；

步骤四：需要研究在某一裂隙入口水温tin2、裂隙隙宽为b0-δb、单裂隙试样外表面温度t0、流量q下的传热情况时，先依据上述步骤三的tin2与tin1的关系得到该工况下的tin1值；再控制外部注水装置将温度为tin1的水流以流量q注入，水流从管线ⅱ32流出，当温度传感器18检测温度达到tin1时，设置背压阀19压力为0.1mpa，打开三通阀31、关闭阀门ⅱ32-1，此时水流从夹持器中的单裂隙试样13中经过，待流量稳定后，利用出口假岩芯34的检测通道50中的测温线21测得裂隙出口水温tout，利用各通孔13-1中的测温线21测得裂隙内沿程水温tf、利用各沉孔13-2中的测温线21测得裂隙沿程内表面岩温ti。

根据得到的数据可以推导计算得到对流换热系数h，计算过程如下：

水岩达到稳态后，岩石内部热传导、水岩交换的热量、水带走的热量三者相等，

其中，水带走的热量为：

q1＝cpqvρw(tout-tin2)

其中，q1——水带走的热量，j/s；cp——水的定压比热，j/(kg·k)；qv——水的流量，m³/s；ρw——水的密度，kg/m³；qv为流体的体积流量，qv＝v*b*2r，v为水的速度，b为隙宽，r为圆柱形的单裂隙试样13的半径；

水岩交换的热量为：

其中，——岩石整个内表面的平均温度；为水流沿整个面的平均温度；h——对流换热系数，w/m²·k；a——水岩接触面积，在试验中为2wl，w为裂隙宽，在试验中为2r，l为单裂隙试样13的长度；

上述两个热量相等，则：

①当流体流量在5ml/min以下时，单裂隙试样13的圆柱径向温度呈线性分布，此时岩石内表面的平均温度为：

上式中，为装置测出的多个裂隙内表面温度ti的平均值，t0为岩石外表面温度，此时水流的平均温度为：

t1为装置根据测出的多个裂隙内沿程水温tf为基础得到拟合曲线，拟合公式形式如下：

t1＝t0+(tin2-t0)exp(-b)

式中，b为拟合曲线的系数；

则水流的平均温度为：

上式中，为裂隙内沿程水温的平均值；

则，此种工况下对流换热系数h的计算公式为：

②当流体流量在5ml/min以上时，单裂隙试样(13)的圆柱径向温度呈二次函数分布，此时，此时岩石内表面的平均温度为：

上式中，为装置测出的多个裂隙内表面温度ti的平均值，t0为岩石外表面温度，

在这种较高流速下，水流的平均温度为：

则，此种工况下对流换热系数h的计算公式为：