[發(fā)明專利]一種高溫巖體裂隙剪切滲流換熱試驗系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110405806.9
• 申請日: 2021-04-15
• 公開（公告）號: CN113155640B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發(fā)明（設計）人: 陳躍都;趙志宏
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N3/24
• 分類號: G01N3/24;G01N15/08;G01N25/20;G01N29/14
• 代理公司: 北京聿宏知識產(chǎn)權代理有限公司 11372
• 代理人: 吳大建;施磊

1.一種高溫巖體裂隙剪切滲流換熱試驗系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：巖石直剪試驗機；其特征在于，所述系統(tǒng)還包括：

直剪盒，置于所述巖石直剪試驗機的機架內，所述直剪盒內部形成一容納試驗巖樣的密閉腔體；其中，所述試驗巖樣內部具有天然裂隙面；所述天然裂隙面為單裂隙面，呈水平分布，位于所述試驗巖樣高度的中部；所述試驗巖樣底部設置有與所述天然裂隙面垂直連通的注水孔；

法向力加載裝置包括：軸向加載桿和軸向力傳感器；所述軸向加載桿的一端垂直穿過上剪切盒，延伸至所述密閉腔體中；所述軸向加載桿的另一端高于所述上剪切盒的頂面；所述軸向加載桿與所述上剪切盒之間滑動連接，以在所述巖石直剪試驗機的作用下以恒定位移速率或力加載速率向所述試驗巖樣施加法向力，并在目標壓力下保持預設時間段，以使所述試驗巖樣在高溫環(huán)境下充分受熱；所述軸向加載桿的兩側還分別設置有第一位移傳感器，用于實時檢測所述軸向加載桿的位移變化；所述軸向力傳感器設置于所述軸向加載桿的另一端，用于實時檢測所述軸向加載桿對所述試驗巖樣所施加的法向力的大小變化；所述軸向力傳感器和所述第一位移傳感器均連接至控制器，以使所述控制器實時獲取采集的法向力大小和位移變化數(shù)據(jù)；

剪切力加載裝置包括：切向加載桿和剪切力傳感器；所述切向加載桿的一端橫向穿過下剪切盒，延伸至所述密閉腔體中；所述切向加載桿的另一端伸出于所述下剪切盒的外側面；所述切向加載桿與所述下剪切盒之間滑動連接，以在所述巖石直剪試驗機的作用下以恒定位移速率或力加載速率向所述試驗巖樣施加剪切力，并實時觀測剪應力-剪切位移曲線變化關系,當所述曲線到達塑性區(qū)時，維持恒定剪應力不變；所述切向加載桿的兩側還分別設置有第二位移傳感器，用于實時檢測所述切向加載桿的位移變化；所述剪切力傳感器設置于所述切向加載桿的另一端，用于實時檢測所述切向加載桿對所述試驗巖樣所施加的剪切力的大小變化；所述剪切力傳感器和所述第二位移傳感器均連接至所述控制器，以使所述控制器實時獲取采集的剪切力大小和位移變化數(shù)據(jù)；

加壓裝置，用于向所述密閉腔體內部注入預設氣體，以使所述密閉腔體內部具有預設氣壓；其中，所述預設氣壓為所述直剪盒的密閉腔體提供一個高壓壓力環(huán)境，以保證高溫作用下的密閉腔體內的注入水流不發(fā)生氣化，進而穩(wěn)定測量所述試驗巖樣的裂隙滲透率；

溫度控制裝置，用于對所述密閉腔體內部的所述預設氣體進行加熱，以使所述密閉腔體內部具有第一預設溫度；

注水裝置，用于通過所述注水孔向所述天然裂隙面注入具有第二預設溫度的水，以使注入的水向所述天然裂隙面的四邊輻射滲流；所述直剪盒的壁面設置有與所述注水孔連通的注水口；所述注水裝置還用于以恒定的加載速率由所述注水口向所述試驗巖樣底部增加水壓，同步觀測所述天然裂隙面在水壓增大時的剪切位移變化，當剪切位移產(chǎn)生明顯變化時維持水壓不變；當所述天然裂隙面達到新的力學平衡時，繼續(xù)以所述恒定加載速率增加水壓，以誘發(fā)新的剪切滑移，以此反復進行試驗；

出水采集裝置，用于對從所述天然裂隙面的四邊滲流出的水的流量進行采集測量，獲得所述天然裂隙面每條邊的實時出水量；所述注水裝置包括：注液泵和預熱器；所述注液泵經(jīng)由所述預熱器連接至所述注水口；所述預熱器與所述注水口之間還設置有第二壓力傳感器；所述注液泵、所述預熱器和所述第二壓力傳感器均連接至所述控制器；所述直剪盒的壁面還設置有與所述密閉腔體連通的出水口；所述出水采集裝置設置有多套，每套所述出水采集裝置包括：背壓閥、冷卻器和電子天平；所述出水口依次經(jīng)由所述背壓閥、所述冷卻器連接至所述電子天平；所述出水口與所述背壓閥之間還設置有第三壓力傳感器；所述冷卻器、所述電子天平和所述第三壓力傳感器均連接至所述控制器；

其中，在試驗過程中，由所述注水孔注入所述試驗巖樣的水向裂隙四邊輻射流動，流入各條邊的水經(jīng)所述出水口流出密閉腔體，由于所述背壓閥的壓力限制，流出的水仍保持液態(tài)，而后經(jīng)所述冷卻器冷卻，之后可通過所述電子天平對瞬態(tài)出水量進行測量；

控制器，與所述法向力加載裝置、所述剪切力加載裝置、所述加壓裝置、所述溫度控制裝置、所述注水裝置和所述出水采集裝置連接，用于監(jiān)控各裝置的動作，并對各裝置采集到的數(shù)據(jù)進行處理；

所述控制器還用于：采集試驗過程中的法向應力和剪切應力的變化、法向位移及剪切位移變化，繪制裂隙剪切應力-剪切位移曲線、法向位移-剪切位移曲線，并基于所述天然裂隙面每條邊的實時出水量，計算所述天然裂隙面的實時水力開度和實時各向異性滲透率，以獲得表征所述天然裂隙面在注水剪切過程中的演化特征的關鍵參數(shù)。