岩体导热率测试设备及测试系统的制作方法

1.本公开涉及裂隙岩体热物性测试技术领域，尤其涉及一种岩体导热率测试设备及测试系统。


背景技术：

2.导热率作为表征岩石传热能力最重要的参数之一，控制着岩体温度场的分布，在众多地质及地下工程研究中具有重要意义。诸如深层地热能的开采及储层评估、高放射性废弃物的地质处置、深部石油钻探和稠油油藏采收率评估、岩体冻结过程或人工冻结工程、高温巷道和高地隧道围岩温度场稳定性研究及深层热能资源化利用等。
3.工程岩体是由岩石和结构面组成的具有不连续性、非均质性和各向异性的地质体，其有效热导率不仅受岩石自身传热特性影响，更是受到裂隙界面传热特性影响。因此，实现含裂隙岩石导热率的精确测量对工程岩体有效热导率的评估具有重要意义。
4.相关技术中，测量岩体热导率的主要方法包括稳态法和非稳态法，具体地，稳态法包括保护热板法和分棒法，非稳态法包括平面热源法、热线法及光学扫描法等。其中，非稳态法因其测量速度快、精确度高而被广泛应用。但是，非稳态法对样品的探测深度和测量范围有限，其一般只能测量岩石表面有限范围内的热导率，难以用其研究裂隙面存在对岩石传热特性的影响。因此，寻找一种能充分考虑裂隙面含水状态、填充物、裂隙接触、轴压等因素对岩石有效热导率影响的岩体热导率测试设备势在必行。


技术实现要素：

5.本公开提供了一种岩体导热率测试设备及测试系统，以解决传统测试设备对裂隙岩体的热导率测量精准度低的技术问题。
6.为此，第一方面，本公开实施例提供了一种岩体导热率测试设备，包括：箱体，具有容置腔室，所述容置腔室包括叠设的第一容置区、第二容置区及第三容置区，所述箱体在所述第一容置区远离所述第三容置区的一侧设有第一开口，所述箱体在所述第三容置区远离所述第一容置区的一侧设有第二开口，所述第二容置区用于收纳裂隙岩体；第一温度加载件，穿设于所述第一开口，所述第一温度加载件用于提供第一温度；第一温度感测组件，收纳容置于所述第一容置区，所述第一温度感测组件用于感测靠近所述第一温度加载件一端的第二温度、以及用于感测靠近裂隙岩体一端的第三温度；第二温度加载件，穿设于所述第二开口，所述第二温度加载件用于提供第四温度；第二温度感测组件，收纳容置于所述第三容置区，所述第二温度感测组件用于感测靠近裂隙岩体一端的第五温度、以及用于感测靠近所述第二温度加载件一端的第六温度；液体加载组件，用于控制裂隙岩体的缝隙内的含水量；
压力加载组件，用于给第一温度加载件和/或第二温度加载件提供压力。
7.在一种实施方式中，所述箱体对应第二容置区的相对两侧壁上分别开设了贯通的液体流入孔和液体流出孔，所述液体加载组件包括进口水囊、进水件、出口水囊及出水件；所述进口水囊对应所述液体流入孔连接于所述箱体的内壁，所述进口水囊覆盖所述液体流入孔；所述进水件的一端穿过所述液体流入孔连通所述进口水囊，所述进水件的另一端连通水源；所述出口水囊对应所述液体流出孔连接于所述箱体的内壁，所述出口水囊覆盖所述液体流出孔；所述出水件的一端穿过所述液体流出孔连通所述出口水囊，所述出水件的另一端连通液体回收装置。
8.在一种实施方式中，所述箱体对应第二容置区的相对两内侧壁上分别开设了第一槽体和第二槽体，所述第一槽体朝远离所述第二槽体的方向延伸，所述第二槽体朝远离所述第一槽体的反向延伸；所述液体流入孔从所述第一槽体的底部贯通所述箱体的侧壁，所述液体流出孔从所述第二槽体的底部贯通所述箱体的另一侧壁；所述进口水囊容置于所述第一槽体，所述出口水囊容置于所述第二槽体。
9.在一种实施方式中，所述进水件、所述进口水囊、所述箱体、所述出口水囊及所述出水件一体成型设置。
10.在一种实施方式中，所述第一温度感测组件包括叠设的第一导热材料层、第一参考材料层、第二导热材料层、第一温度传感器及第二温度传感器，所述第一导热材料层靠近所述第一温度加载件设置，所述第二导热材料层靠近裂隙岩体设置；所述第一温度传感器设于所述第一导热材料层，用于检测所述第二温度；所述第二温度传感器设于所述第二导热材料层，用于检测所述第三温度。
11.在一种实施方式中，所述第一导热材料层和/或所述第二导热材料层的材质为黄铜材质；和/或，所述第一参考材料层的材质为亚克力板材质。
12.在一种实施方式中，所述第二温度感测组件包括叠设的第三导热材料层、第二参考材料层、第四导热材料层、第三温度传感器及第四温度传感器，所述第三导热材料层靠近裂隙岩体设置，所述第四导热材料层靠近所述第二温度加载件设置；所述第三温度传感器设于所述第三导热材料层，用于检测所述第五温度；所述第四温度传感器设于所述第四导热材料层，用于检测所述第六温度。
13.在一种实施方式中，所述第三导热材料层和/或所述第四导热材料层的材质为黄铜材质；和/或，所述第二参考材料层的材质为亚克力板材质。
14.在一种实施方式中，所述箱体的内壁设有阻隔件，所述阻隔件用于隔水隔热；和/或，所述第一温度高于所述第四温度。
15.第二方面，本公开实施例还提供了一种测试系统，其特征在于，包括：
如上所述的岩体导热率测试设备；数据采集设备，分别通讯连接于所述第一温度感测组件和所述第二温度感测组件，以分别采集得到所述第二温度、所述第三温度、所述第五温度及所述第六温度。
16.根据本公开实施例提供的一种岩体导热率测试设备，包括：箱体，具有容置腔室，所述容置腔室包括叠设的第一容置区、第二容置区及第三容置区，所述箱体在所述第一容置区远离所述第三容置区的一侧设有第一开口，所述箱体在所述第三容置区远离所述第一容置区的一侧设有第二开口，所述第二容置区用于收纳裂隙岩体；第一温度加载件，穿设于所述第一开口，所述第一温度加载件用于提供第一温度；第一温度感测组件，收纳容置于所述第一容置区，所述第一温度感测组件用于感测靠近所述第一温度加载件一端的第二温度、以及用于感测靠近裂隙岩体一端的第三温度；第二温度加载件，穿设于所述第二开口，所述第二温度加载件用于提供第四温度；第二温度感测组件，收纳容置于所述第三容置区，所述第二温度感测组件用于感测靠近裂隙岩体一端的第五温度、以及用于感测靠近所述第二温度加载件一端的第六温度；液体加载组件，用于控制裂隙岩体的缝隙内的含水量；压力加载组件，用于给第一温度加载件和/或第二温度加载件提供压力。本公开技术方案通过优化设置岩体导热率测试设备的具体结构，使得该测试设备在对裂隙岩体进行测量时，可以充分考虑到裂隙面含水状态、填充物、裂隙接触、法向应力等因素，使得测试的条件更接近原位岩石，有效提高了裂隙岩体热导率的测试准确性和精确性。具体地，设置了一具有容置腔室的箱体，该容置腔室至少具有三层容置区，以分别容纳第一温度感测组件、裂隙岩体及第二温度感测组件；然后在第一温度感测组件和第二温度感测组件对应的箱体处分别开设第一开口和第二开口，以分别在第一开口处容纳第一温度加载件和在第二开口处容纳第二温度加载件；同时，设置了调控裂隙岩体的缝隙内的含水量的液体加载组件，以及用于给裂隙岩体加压的压力加载装置。该第一温度加载件用于提供第一温度，该第二温度加载件用于提供第四温度，第一温度和第四温度之间存在温差，如此，使得置于第一加载件和第二加载件之间的第一温度感测组件、裂隙岩体及第二温度感测组件具有不同温度，此时，通过测试出第二温度、第三温度、第五温度及第六温度，即可通过公式计算出该裂隙岩体的有效热导率。整个操作简单、实用；综合考虑了裂隙岩体的裂隙面含水状态、裂隙接触、法向应力等因素对热导率的影响，极大提高了对裂隙岩体的有效热导率测试结果的精准性和可靠性。
附图说明
17.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。另外，在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，且附图并未按照实际的比例绘制。
18.图1为本公开实施例提供的岩体导热率测试设备的结构示意图；图2为本公开实施例提供的测试系统的结构示意图。
19.附图标记说明：100、箱体；110、阻隔件；200、第一温度加载件；300、第一温度感测组件；310、第一导热材料层；320、第一参考材料层；330、第二导
热材料层；340、第一温度传感器；350、第二温度传感器；400、第二温度加载件；500、第二温度感测组件；510、第三导热材料层；520、第二参考材料层；530、第四导热材料层；540、第三温度传感器；550、第四温度传感器；600、液体加载组件；610、进口水囊；620、进水件；630、出口水囊；640、出水件；700、压力加载组件；800、裂隙岩体；900、数据采集设备。
具体实施方式
20.为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
21.参见图1和图2，本公开提供了一种岩体导热率测试设备，包括：箱体100、第一温度加载件200、第一温度感测组件300、第二温度加载件400、第二温度感测组件500、液体加载组件600及压力加载组件700。
22.箱体100，具有容置腔室，容置腔室包括叠设的第一容置区、第二容置区及第三容置区，箱体100在第一容置区远离第三容置区的一侧设有第一开口，箱体100在第三容置区远离第一容置区的一侧设有第二开口，第二容置区用于收纳裂隙岩体800；第一温度加载件200，穿设于第一开口，第一温度加载件200用于提供第一温度；第一温度感测组件300，收纳容置于第一容置区，第一温度感测组件300用于感测靠近第一温度加载件200一端的第二温度、以及用于感测靠近裂隙岩体800一端的第三温度；第二温度加载件400，穿设于第二开口，第二温度加载件400用于提供第四温度；第二温度感测组件500，收纳容置于第三容置区，第二温度感测组件500用于感测靠近裂隙岩体800一端的第五温度、以及用于感测靠近第二温度加载件400一端的第六温度；液体加载组件600，用于控制裂隙岩体800的缝隙内的含水量；压力加载组件700，用于给第一温度加载件200和/或第二温度加载件400提供压力。
23.本实施例中，通过优化设置岩体导热率测试设备的具体结构，使得该测试设备在对裂隙岩体800进行测量时，可以充分考虑到裂隙面含水状态、填充物、裂隙接触、法向应力等因素，使得测试的条件更接近原位岩石，有效提高了裂隙岩体800热导率的测试准确性和精确性。
24.具体地，设置了一具有容置腔室的箱体100，该容置腔室至少具有三层容置区，以分别容纳第一温度感测组件300、裂隙岩体800及第二温度感测组件500；然后在第一温度感测组件300和第二温度感测组件500对应的箱体100处分别开设第一开口和第二开口，以分别在第一开口处容纳第一温度加载件200和在第二开口处容纳第二温度加载件400；同时，
设置了调控裂隙岩体800的缝隙内的含水量的液体加载组件600，以及用于给裂隙岩体800加压的压力加载装置。该第一温度加载件200用于提供第一温度，该第二温度加载件400用于提供第四温度，第一温度和第四温度之间存在温差，如此，使得置于第一加载件和第二加载件之间的第一温度感测组件300、裂隙岩体800及第二温度感测组件500具有不同温度，此时，通过测试出第二温度、第三温度、第五温度及第六温度，即可通过公式计算出该裂隙岩体800的有效热导率。整个操作简单、实用；综合考虑了裂隙岩体800的裂隙面含水状态、裂隙接触、法向应力等因素对热导率的影响，极大提高了对裂隙岩体800的有效热导率测试结果的精准性和可靠性。
25.例如但不限于，第一温度加载件200为加热器，第二温度加载件400为散热器。加热器用于提供恒定的高温，散热器用于提供恒定的低温，如此，以在箱体100的上下两端产生高低温温度边界。也即，该第一温度值高于第四温度值。例如但不限于，该第一温度加载件200为恒温油浴热源，该第二温度加载件400为恒温油浴冷源。
26.在一种实施方式中，箱体100对应第二容置区的相对两侧壁上分别开设了贯通的液体流入孔和液体流出孔，液体加载组件600包括进口水囊610、进水件620、出口水囊630及出水件640；进口水囊610对应液体流入孔连接于箱体100的内壁，进口水囊610覆盖液体流入孔；进水件620的一端穿过液体流入孔连通进口水囊610，进水件620的另一端连通水源；出口水囊630对应液体流出孔连接于箱体100的内壁，出口水囊630覆盖液体流出孔；出水件640的一端穿过液体流出孔连通出口水囊630，出水件640的另一端连通液体回收装置。
27.本实施例中，对液体加载组件600的具体结构进行优化设置。具体地，为实现液体进入箱体100内部，在箱体100上开设了贯通的液体流入孔和液体流出孔，该液体流入孔贯通箱体100的侧壁，该流体流出孔贯通箱体100的另一侧壁；同时，设置了与该液体流入孔配合作用的进水件620和进口水囊610。该进口水囊610位于所述第二容置区内，且进口水囊610的一端抵接在箱体100的内侧壁上，进口水囊610的另一端抵接在裂隙岩体800上，如此，以通过进水件620将水源处的水引流至进口水囊610中，并通过进口水囊610进入裂隙岩体800的缝隙内；该出口水囊630位于第二容置区内，且出口水囊630的一端抵接在箱体100的另一内侧壁上，出口水囊630的另一端抵接在裂隙岩体800上，如此，当裂隙岩体800的缝隙充满水时，多余的水则会汇流到出口水囊630中，并通过连接在出口水囊630上的出水件640流出箱体100、回收至液体回收装置内。例如但不限于，进水件620为进水管，出水件640为出水管。
28.应当理解，裂隙岩体800的缝隙的进水口对应进口水囊610处，裂隙岩体800的缝隙的出水口对应出口水囊630处。
29.在一种实施方式中，箱体100对应第二容置区的相对两内侧壁上分别开设了第一槽体和第二槽体，第一槽体朝远离第二槽体的方向延伸，第二槽体朝远离第一槽体的反向延伸；
液体流入孔从第一槽体的底部贯通箱体100的侧壁，液体流出孔从第二槽体的底部贯通箱体100的另一侧壁；进口水囊610容置于第一槽体，出口水囊630容置于第二槽体。
30.本实施例中，对进口水囊610和出口水囊630与箱体100的连接方式进行优化。具体地，为提高进口水囊610和出口水囊630与箱体100连接处的连接紧固性，在对应液体流入孔处设置第一槽体、同时在对应液体流出孔处设置了第二槽体，该第一槽体和第二槽体背向延伸、且均不贯穿箱体100的侧壁。如此，可将进口水囊610容置在第一槽体内，该第一槽体在竖直方向上对进口水囊610有一定支撑性能和限位性能，避免了进口水囊610从箱体100内壁滑落、移位、错位等情况的发生；可将出口水囊630容置在第二槽体内，该第二槽体在竖直方向上对出口水囊630有一定支撑性能和限位性能，避免看出口水囊630从箱体100内壁滑落、移位、错位等情况的发生。
31.在一种实施方式中，进水件620、进口水囊610、箱体100、出口水囊630及出水件640一体成型设置。
32.本实施例中，为提高装配效率，将进水件620、进口水囊610、箱体100、出口水囊630及出水件640一体成型设置，如此，既规避了进水件620与箱体100连接处、及出水件640与箱体100连接处的密封性问题，又可避免各零部件掉落的风险，提高岩体导热率测试设备原零部件的使用性能。
33.在一种实施方式中，第一温度感测组件300包括叠设的第一导热材料层310、第一参考材料层320、第二导热材料层330、第一温度传感器340及第二温度传感器350，第一导热材料层310靠近第一温度加载件200设置，第二导热材料层330靠近裂隙岩体800设置；第一温度传感器340设于第一导热材料层310，用于检测第二温度；第二温度传感器350设于第二导热材料层330，用于检测所述第三温度。
34.本实施例中，对第一温度感测组件300的具体结构进行优化。具体地，设置了至少包括三层材料层叠设的复合材料层结构，并且在靠近第一温度加载件200和裂隙岩体800的材料层内设置了温度传感器，以检测其温度值。由于第一导热材料层310和第二导热材料层330的热阻无限小，因此将第一温度传感器340和第二温度传感器350分别设置在其内部时，可将该对应温度传感器测量到的对应的温度值认为就是参考材料层和裂隙岩体800的温度。
35.在一实施例中，第一导热材料层310为已知热导率和热阻的高导热材料层；优选地，该第一导热材料层310的材质为黄铜材质。第二导热材料层330为已知热导率和热阻的高导热材料层；优选地，该第二导热材料层330的材质为黄铜材质。第一参考材料层320为已知导率和热阻的亚克力板材质。
36.在一种实施方式中，第二温度感测组件500包括叠设的第三导热材料层510、第二参考材料层520、第四导热材料层530、第三温度传感器540及第四温度传感器550，第三导热材料层510靠近裂隙岩体800设置，第四导热材料层530靠近第二温度加载件400设置；第三温度传感器540设于第三导热材料层510，用于检测第五温度；第四温度传感器550设于第四导热材料层530，用于检测第六温度。
37.本实施例中，对第二温度感测组件500的具体结构进行优化。具体地，设置了至少包括三层材料层叠设的复合材料层结构，并且在靠近裂隙岩体800和第二温度加载件400的
材料层内设置了温度传感器，以检测其温度值。由于第三导热材料层510和第四导热材料层530的热阻无限小，因此将第三温度传感器540和第四温度传感器550分别设置在其内部时，可将该对应温度传感器测量到的对应的温度值认为就是裂隙岩体800和参考材料层的温度。
38.在一实施例中，第三导热材料层510为已知热导率和热阻的高导热材料层；优选地，该第三导热材料层510的材质为黄铜材质。第四导热材料层530为已知热导率和热阻的高导热材料层；优选地，该第四导热材料层530的材质为黄铜材质。第二参考材料层520为已知导率和热阻的亚克力板材质。
39.在一种实施方式中，箱体100的内壁设有阻隔件110，阻隔件110用于隔水隔热。
40.本实施例中，该阻隔件110为隔水隔热的材料制备而成，以避免横向热流损失和漏水。
41.本公开提供的岩体导热率测试设备的一实际应用场景：实验开始前，先对样品裂隙岩体800进行加工，以使其形成100
×
100
×
50-100mm（长
×
宽
×
高）的样品，样品的裂隙面可以通过劈裂或剪切实验获得。为了最大程度降低测量误差，需要对岩样的表面进行打磨，使其能够与第二导热材料层330、第三导热材料层510及阻隔件110的表面紧密接触。然后，将制备好的含有缝隙的裂隙岩体800置于箱体100内，并将该装置安装在压力加载组件700的压力室内，使其位于压力杆正下方，以保证样品裂隙岩体800的受力均匀。再后，通过液体加载组件600的进水件620将水源中的水引流至进口水囊610中、并从该进口水囊610渗透入裂隙岩体800的缝隙中、再从该裂隙岩体800的缝隙的出口端处将多余的水引流至出口水囊630中、最后通过连通出口水囊630的出水件640将多余的水引流出裂隙岩体800的缝隙，如此，以实现对裂隙岩体800的缝隙面的含水量的调控；一般认为当看到出水件640处有水流出，则认为裂隙岩体800的缝隙处达到水饱和状态。又后，通过压力加载组件700对样品裂隙岩体800施加压力至目标值。最后，设置第一温度加载件200、第二温度加载件400的温度值；由于整个箱体100的上下边界处存在温差，高温热源产生的热流会自上而下经过各个部件流向低温冷源，而位于导热材料层内的温度传感器则会记录实时温度的变化。经过一定时间后，各个温度（t1、t2、t3、t4）达到恒定值，此时，认定整个系统达到温度场稳定状态。相关作业人员根据上述具体温度值、各个部件的已知热阻值、以及其他相关测得的数值，即可算出裂隙岩体800对应的有效热导率的数值。
42.其中，当第一导热材料层、第二导热材料层、第三导热材料层及第四导热材料层为同一种材质，其具有相同的热阻r
contact
；当第一参考材料层和第二参考材料层为同一种材质，其具有相同的热阻r
ref
。由上，本公开中裂隙岩体的有效导热率计算公式为：。
43.其中，l
rock
为裂隙岩体的厚度，单位：cm；，，
，，r
ref
为第一参考材料层/第二参考材料层的热阻，单位：℃/w；r
rock
为裂隙岩体的热阻，单位：℃/w；r
contact
为第一导热材料层/第二导热材料层/第三导热材料层/第四导热材料层的热阻，单位：℃/w；t1为第二温度值，单位：℃；t2为第三温度值，单位：℃；t3为第五温度值，单位：℃；t4为第六温度值，单位：℃。
44.第二方面，本公开实施例还提供了一种测试系统，其特征在于，包括：如上所述的岩体导热率测试设备；数据采集设备900，分别通讯连接于第一温度感测组件300和第二温度感测组件500，以分别采集得到第二温度、第三温度、第五温度及第六温度。
45.本实施例中，提供了一种温度-湿度-压力耦合作用下裂隙岩体800导热率自动化测试的系统。该岩体导热率测试设备的具体结构参照上述实施例，由于本测试系统采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
46.在其他实施例中，测试系统还包括计算机。该计算机通讯连接于数据采集设备900，如此，以方便接收并处理从数据采集设备900处传递来的第二温度、第三温度、第五温度及第六温度等温度信息，然后根据预存的裂隙岩体800的实际厚度，结合上述公式直接获得该裂隙岩体800的有效导热率。
47.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
48.以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。