本实用新型专利技术公开了一种破碎岩体多场耦合试验及监测系统，包括整体式框架、压力室部分、压力加载控制部分、渗透液体供给控制部分、原位扰动激励控制部分、试样内部检测部分和集中电控部分。本破碎岩体多场耦合试验及监测系统通过励磁线圈产生磁通来使定位压头和压力室顶压头之间产生电磁力，进而实现模拟扰动载荷，可以实现对地热井现场测试得到的原位扰动载荷进行还原，可以精确地获得静载荷、冲击载荷、长时稳定载荷、周期性脉冲及振动载荷、实测扰动载荷等复杂扰动条件下崩落破碎岩体的渗流场、温度场、应力场、应变场等多场耦合试验数据，可以为复杂载荷条件下的深部地热开采技术的研究提供更准确的试验数据。
【技术实现步骤摘要】
破碎岩体多场耦合试验及监测系统
本技术涉及一种破碎岩体试验系统，具体是一种用于模拟复杂原位扰动和冲击载荷作用下破碎岩体的压实及渗透性多场耦合试验及监测系统，属于岩土工程试验技术及装备领域。
技术介绍
地热作为一种清洁能源正受到全世界的日益关注。地热能储存于地下，不受气候条件的影响，既可作为基本负荷能，也可作为峰值负荷能使用。从其开发利用成本来看，地热能源具有成本低、占地少、稳定性好等特点，相对于其他可再生能源更有发展潜力。在我国藏南、滇西和川西地区广泛分布着适于发电的深部高温地热资源。目前，对于这一类型的地热资源，美国等西方国家主要采用石油钻井技术。石油钻井技术出现距今已经四十多年了，但还没有一口真正的干热岩商业用井。主要由于通过钻井(孔)法开采地热资源，热交换面积小，对地热资源的利用率很低。针对这一问题，我国率先提出了基于采矿崩落法的增强型地热系统，即从地表向深部开挖竖井，然后人为构造一定的深部地下空间，再通过爆破手段，崩落上部岩层，构造出数倍的换热面。这一方法具有效率高，成本低，占地少的多重优势，是国家深地科技领域的重要创新，对保障能源安全具有重要意义。这一技术的实现是从采矿到采热的战略转型，并将催生新学科的发展。作为一种新型地热开采方法，国内外很多专家学者都专注于崩落破碎岩体的热交换过程方面的研究工作。但是由于破碎岩体的流动性、非均质性以及岩层崩落后多种岩性破碎岩体层状分布、混合分布等多种因素，造成破碎岩体渗流场、温度场、应力场、应变场的多场耦合问题极为复杂，采用理论和数值模拟的研究手段具有显著局限性，必须借助实验室试验的可靠数据为基础开展研究工作。而现有的破碎岩体试验装置及方法，无法实现这一创新战略研究领域的科学实验工作，主要由于以下几个方面：①无法对破碎岩体同时进行压实、渗流、热交换、动力的耦合试验；②增强型地热开采方法的实质是爆破后上部仍然完整的干热岩提供稳定热源，崩落下来的破碎岩体增加热交换面积，而现有的试验装置对破碎岩体的压实装置整体进行直接加热，无法模拟完整岩体与破碎岩体之间的热交换过程；③由于在封闭桶内压实后，虽然破碎岩体筒壁可以做可视化处理，但是其内部某一点的土压力、水压力和温度无法精确测量，且在研究各物理量的耦合关系时，必须同时测到某一点的破碎岩体压力、渗透水压力和温度，如果不在同一时刻测到各个物理量，或者测到不在同一位置的各物理量，或者无法获取所测点的位置坐标和应力方向，都会导致试验数据不准确；④动载荷的控制和施加不精确且载荷形式简单，无法将现场测试得到的复杂、真实的振动、冲击等动载的波信号在实验室精确地施加到破碎岩体，现有的试验技术将简化后的冲击动载施加到岩体无法反映实际情况，导致实验结果与实际偏差较大；⑤安装、拆卸困难，试验效率低，由于破碎岩体压力室要求刚度较大，压力室各部分厚度和重量较大，人力安装和拆卸困难，而且压实试验后的破碎岩体在局部形成真空，加剧了拆卸难度。因此，亟需技术一种模拟条件精确、破碎岩体内部监测数据可靠、动载荷精度和复杂程度高、安装拆卸方便、自动化程度高的适用于破碎岩体多场耦合研究的试验及监测装置，为复杂载荷条件下的深部地热开采技术的研究提供关键的试验平台。
技术实现思路
针对上述问题，本技术提供一种破碎岩体多场耦合试验及监测系统，能够在自动反演复杂原位扰动载荷、模拟复杂的动载荷的前提下实现监测温度场环境下破碎岩体内部渗透压力沿加载方向的分布情况、获取渗流路径演化试验参数，可以为复杂载荷条件下的深部地热开采技术的研究提供更准确的试验数据。为实现上述目的，本破碎岩体多场耦合试验及监测系统包括整体式框架、压力室部分、压力加载控制部分、渗透液体供给控制部分、原位扰动激励控制部分、试样内部检测部分和集中电控部分；所述的压力室部分包括设置在整体式框架内部的压力室，压力室包括压力室底座、夹层筒壁和压力室顶压头；压力室底座通过压力室底座定位安装部件同轴可拆卸定位安装在加载液压缸的伸缩端顶端，压力室底座内部设有贯穿压力室底座设置的渗液出口通道，渗液出口通道的入口端与压力室底座的顶平面贯通，渗液出口通道的出口端通过出口渗液流量传感器连接渗液处理装置，夹层筒壁的底部同轴密闭固定设置在压力室底座上，夹层筒壁与压力室底座共同围成桶型结构，夹层筒壁内部沿其径向方向自内向外依次设有刚性导热内筒壁、环形岩筒夹层、环形供热夹层和刚性绝热外筒壁，刚性导热内筒壁上设有筒壁侧压力动态传感器，环形岩筒试样通过环形岩筒夹层盖配合安装在环形岩筒夹层内、且环形岩筒试样的上下两端均设有隔热垫圈，环形供热夹层内部设有供热夹层温度传感器和自下而上均布设置的电加热丝；刚性导热内筒壁的内腔底部设有外径尺寸与刚性导热内筒壁的内径尺寸配合的下透水板，且下透水板上均布设有多个与渗液出口通道连通设置的透水通孔；压力室顶压头同轴设置在夹层筒壁的顶部、且压力室顶压头底部的外径尺寸与刚性导热内筒壁的内径尺寸配合，压力室顶压头上设有贯穿压力室顶压头的液体入孔、且液体入孔的孔口位置设有孔口注液温度压力流量传感器，压力室顶压头的底端设有外径尺寸与刚性导热内筒壁的内径尺寸配合的上透水板、且上透水板上均布设有多个与液体入孔连通设置的透水通孔，压力室顶压头的顶端的对称中心位置设有凹形球面结构、且压力室顶压头的顶部设有直流励磁线圈；渗液处理装置包括固液分离机构，固液分离机构上设有用于称量排出的试样岩粒的电子称；所述的渗透液体供给控制部分包括渗流液泵送装置和与渗流液泵送装置电连接的渗流泵送电控装置，渗流液泵送装置的输入端通过管路与渗流液供给箱连接，渗流液泵送装置的输出端通过管路与入口液体加热装置的输入端连接，入口液体加热装置的输出端通过入口液体温度调控装置和管路与液体入孔连通连接；所述的原位扰动激励控制部分包括扰动信号执行装置和扰动信号激励电控装置；扰动信号执行装置包括定位压头，定位压头对应压力室顶压头的位置竖直安装在整体式框架上、且定位压头上设有定位压头升降结构，定位压头的底端是配合压力室顶压头顶端的凹形球面结构设置的凸形球面结构，定位压头上设有交流励磁线圈，定位压头或压力室顶压头上还设有原位扰动动态压力传感器；扰动信号激励电控装置包括可控交流激励模块和直流供电模块，可控交流激励模块与交流励磁线圈电连接，直流供电模块与直流励磁线圈电连接；所述的试样内部检测部分包括设置在压力室部分桶型结构内的多个非接触式动态固液分离传感装置和设置在刚性导热内筒壁上的磁场定位部件；非接触式动态固液分离传感装置包括围成方形立体框架结构的支撑固定骨架和包裹设置于支撑固定骨架上的固液分离刚性隔离网，以方形立体框架结构空间对置的两个顶点为基准点，方形立体框架结构被划分为分别以顶点为中心、具有空间相邻三个面的第一部分和第二部分两个部分，第一部分的支撑固定骨架是刚性支撑固定骨架，刚性支撑固定骨架的内表面上固定设有电子陀螺仪、试样水压传感器、试样温度传感器、空间电磁定位传感器、数据同步集成处理电控机构，且空间电磁定位传感器定位设置在方形立体框架结构的空间几何中心位置，数据同步集成处理电控机构包括传感控制器、电源回路，传感控本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种破碎岩体多场耦合试验及监测系统，包括整体式框架(1)、压力室部分、压力加载控制部分、渗透液体供给控制部分和集中电控部分；其特征在于，还包括原位扰动激励控制部分和试样内部检测部分；/n所述的压力加载控制部分固定设置在整体式框架(1)的内底部，包括液压泵站(2)和加载液压缸(3)，加载液压缸(3)竖直固定设置在整体式框架(1)上、且加载液压缸(3)的伸缩端竖直向上顶出设置，加载液压缸(3)通过液压管路和控制阀组与液压泵站(2)连接；/n所述的压力室部分包括设置在整体式框架(1)内部的压力室(38)，压力室(38)包括压力室底座(4)、夹层筒壁(9)和压力室顶压头(14)；压力室底座(4)通过压力室底座定位安装部件同轴可拆卸定位安装在加载液压缸(3)的伸缩端顶端，压力室底座(4)内部设有贯穿压力室底座(4)设置的渗液出口通道(5)，渗液出口通道(5)的入口端与压力室底座(4)的顶平面贯通，渗液出口通道(5)的出口端通过出口渗液流量传感器连接渗液处理装置(6)，夹层筒壁(9)的底部同轴密闭固定设置在压力室底座(4)上，夹层筒壁(9)与压力室底座(4)共同围成桶型结构，夹层筒壁(9)内部沿其径向方向自内向外依次设有刚性导热内筒壁(9-1)、环形岩筒夹层(9-2)、环形供热夹层(9-4)和刚性绝热外筒壁，刚性导热内筒壁(9-1)上设有筒壁侧压力动态传感器，环形岩筒试样(9-5)通过环形岩筒夹层盖(9-6)配合安装在环形岩筒夹层(9-2)内、且环形岩筒试样(9-5)的上下两端均设有隔热垫圈(9-7)，环形供热夹层(9-4)内部设有供热夹层温度传感器(12)和自下而上均布设置的电加热丝；刚性导热内筒壁(9-1)的内腔底部设有外径尺寸与刚性导热内筒壁(9-1)的内径尺寸配合的下透水板(11)，且下透水板(11)上均布设有多个与渗液出口通道(5)连通设置的透水通孔；压力室顶压头(14)同轴设置在夹层筒壁(9)的顶部、且压力室顶压头(14)底部的外径尺寸与刚性导热内筒壁(9-1)的内径尺寸配合，压力室顶压头(14)上设有贯穿压力室顶压头(14)的液体入孔(15)、且液体入孔(15)的孔口位置设有孔口注液温度压力流量传感器(25)，压力室顶压头(14)的底端设有外径尺寸与刚性导热内筒壁(9-1)的内径尺寸配合的上透水板(10)、且上透水板(10)上均布设有多个与液体入孔(15)连通设置的透水通孔，压力室顶压头(14)的顶端的对称中心位置设有凹形球面结构、且压力室顶压头(14)的顶部设有直流励磁线圈(17)；渗液处理装置(6)包括固液分离机构，固液分离机构上设有用于称量排出的试样岩粒的电子称；/n所述的渗透液体供给控制部分包括渗流液泵送装置(30)和与渗流液泵送装置(30)电连接的渗流泵送电控装置(32)，渗流液泵送装置(30)的输入端通过管路与渗流液供给箱(29)连接，渗流液泵送装置(30)的输出端通过管路与入口液体加热装置(40)的输入端连接，入口液体加热装置(40)的输出端通过入口液体温度调控装置(41)和管路与液体入孔(15)连通连接；/n所述的原位扰动激励控制部分包括扰动信号执行装置和扰动信号激励电控装置(35)；扰动信号执行装置包括定位压头(21)，定位压头(21)对应压力室顶压头(14)的位置竖直安装在整体式框架(1)上、且定位压头(21)上设有定位压头升降结构，定位压头(21)的底端是配合压力室顶压头(14)顶端的凹形球面结构设置的凸形球面结构，定位压头(21)上设有交流励磁线圈(20)，定位压头(21)或压力室顶压头(14)上还设有原位扰动动态压力传感器(19)；扰动信号激励电控装置(35)包括可控交流激励模块(34)和直流供电模块(33)，可控交流激励模块(34)与交流励磁线圈(20)电连接，直流供电模块(33)与直流励磁线圈(17)电连接；/n所述的试样内部检测部分包括设置在压力室部分桶型结构内的多个非接触式动态固液分离传感装置(27)和设置在刚性导热内筒壁(9-1)上的磁场定位部件(42)；非接触式动态固液分离传感装置(27)包括围成方形立体框架结构的支撑固定骨架(27-1)和包裹设置于支撑固定骨架(27-1)上的固液分离刚性隔离网(27-2)，以方形立体框架结构空间对置的两个顶点为基准点，方形立体框架结构被划分为分别以顶点为中心、具有空间相邻三个面的第一部分和第二部分两个部分，第一部分的支撑固定骨架(27-1)是刚性支撑固定骨架，刚性支撑固定骨架的内表面上固定设有电子陀螺仪(27-3)、试样水压传感器(27-4)、试样温度传感器(27-5)、空间电磁定位传感器(27-6)、数据同步集成处理电控机构(27-7)，且空间电磁定位传感器(27-6)定位设置在方形立体框架结构的空间几何中心位置，数据同步集成处理电控机构(27-...
【技术特征摘要】
1.一种破碎岩体多场耦合试验及监测系统，包括整体式框架(1)、压力室部分、压力加载控制部分、渗透液体供给控制部分和集中电控部分；其特征在于，还包括原位扰动激励控制部分和试样内部检测部分；
所述的压力加载控制部分固定设置在整体式框架(1)的内底部，包括液压泵站(2)和加载液压缸(3)，加载液压缸(3)竖直固定设置在整体式框架(1)上、且加载液压缸(3)的伸缩端竖直向上顶出设置，加载液压缸(3)通过液压管路和控制阀组与液压泵站(2)连接；
所述的压力室部分包括设置在整体式框架(1)内部的压力室(38)，压力室(38)包括压力室底座(4)、夹层筒壁(9)和压力室顶压头(14)；压力室底座(4)通过压力室底座定位安装部件同轴可拆卸定位安装在加载液压缸(3)的伸缩端顶端，压力室底座(4)内部设有贯穿压力室底座(4)设置的渗液出口通道(5)，渗液出口通道(5)的入口端与压力室底座(4)的顶平面贯通，渗液出口通道(5)的出口端通过出口渗液流量传感器连接渗液处理装置(6)，夹层筒壁(9)的底部同轴密闭固定设置在压力室底座(4)上，夹层筒壁(9)与压力室底座(4)共同围成桶型结构，夹层筒壁(9)内部沿其径向方向自内向外依次设有刚性导热内筒壁(9-1)、环形岩筒夹层(9-2)、环形供热夹层(9-4)和刚性绝热外筒壁，刚性导热内筒壁(9-1)上设有筒壁侧压力动态传感器，环形岩筒试样(9-5)通过环形岩筒夹层盖(9-6)配合安装在环形岩筒夹层(9-2)内、且环形岩筒试样(9-5)的上下两端均设有隔热垫圈(9-7)，环形供热夹层(9-4)内部设有供热夹层温度传感器(12)和自下而上均布设置的电加热丝；刚性导热内筒壁(9-1)的内腔底部设有外径尺寸与刚性导热内筒壁(9-1)的内径尺寸配合的下透水板(11)，且下透水板(11)上均布设有多个与渗液出口通道(5)连通设置的透水通孔；压力室顶压头(14)同轴设置在夹层筒壁(9)的顶部、且压力室顶压头(14)底部的外径尺寸与刚性导热内筒壁(9-1)的内径尺寸配合，压力室顶压头(14)上设有贯穿压力室顶压头(14)的液体入孔(15)、且液体入孔(15)的孔口位置设有孔口注液温度压力流量传感器(25)，压力室顶压头(14)的底端设有外径尺寸与刚性导热内筒壁(9-1)的内径尺寸配合的上透水板(10)、且上透水板(10)上均布设有多个与液体入孔(15)连通设置的透水通孔，压力室顶压头(14)的顶端的对称中心位置设有凹形球面结构、且压力室顶压头(14)的顶部设有直流励磁线圈(17)；渗液处理装置(6)包括固液分离机构，固液分离机构上设有用于称量排出的试样岩粒的电子称；
所述的渗透液体供给控制部分包括渗流液泵送装置(30)和与渗流液泵送装置(30)电连接的渗流泵送电控装置(32)，渗流液泵送装置(30)的输入端通过管路与渗流液供给箱(29)连接，渗流液泵送装置(30)的输出端通过管路与入口液体加热装置(40)的输入端连接，入口液体加热装置(40)的输出端通过入口液体温度调控装置(41)和管路与液体入孔(15)连通连接；
所述的原位扰动激励控制部分包括扰动信号执行装置和扰动信号激励电控装置(35)；扰动信号执行装置包括定位压头(21)，定位压头(21)对应压力室顶压头(14)的位置竖直安装在整体式框架(1)上、且定位压头(21)上设有定位压头升降结构，定位压头(21)的底端是配合压力室顶压头(14)顶端的凹形球面结构设置的凸形球面结构，定位压头(21)上设有交流励磁线圈(20)，定位压头(21)或压力室顶压头(14)上还设有原位扰动动态压力传感器(19)；扰动信号激励电控装置(35)包括可控交流激励模块(34)和直流供电模块(33)，可控交流激励模块(34)与交流励磁线圈(20)电连接，直流供电模块(33)与直流励磁线圈(17)电连接；
所述的试样内部检测部分包括设置在压力室部分桶型结构内的多个非接触式动态固液分离传感装置(27)和设置在刚性导热内筒壁(9-1)上的磁场定位部件(42)；非接触式动态固液分离传感装置(27)包括围成方形立体框架结构的支撑固定骨架(27-1)和包裹设置于支撑固定骨架(27-1)上的固液分离刚性隔离网(27-2)，以方形立体框架结构空间对置的两个顶点为基准点，方形立体框架结构被划分为分别以顶点为中心、具有空间相邻三个面的第一部分和第二部分两个部分，第一部分的支撑固定骨架(27-1)是刚性支撑固定骨架，刚性支撑固定骨架的内表面上固定设有电子陀螺仪(27-3)、试样水压传感器(27-4)、试样温度传感器(27-5)、空间电磁定位传感器(27-6)、数据同步集成处理电控机构(27-7)，且空间电磁定位传感器(27-6)定位设置在方形立体框架结构的空间几何中心位置，数据同步集成处理电控机构(27-7)包括传感控制器、电源回路，传感控制器分别与电子陀螺仪(27-3)、试样水压传感器(27-4)、试样温度传感器(27-5)、空间电磁定位传感器(27-6)电连接，第二部分的支撑固定骨架(27-1)是弹性支撑固...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈永珩，龚鹏，马占国，成世兴，戚福周，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32
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