多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备及方法

本技术属于岩石力学和地下工程，更具体地说，是涉及一种多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备及方法。

背景技术：

1、随着资源需求的日益增加和浅部资源的逐渐枯竭，矿产开采向深部推进。作为深部地下赋存广泛的一种可再生清洁能源，地热能为深部开采模式创新提供新的契机。矿产开采过程中开挖竖井和钻爆崩落等技术产生的大规模的裂隙网络为地热开采提供了良好的结构基础，地热开采则为深部采矿高温热害问题提供经济高效的缓解方案。矿产和地热协同综合开发利用有助于实现增强经济效益和可持续发展的双赢局面，符合能源转型与资源战略开发需求。

2、然而深部地下环境复杂，高地应力、高地温、高渗透压等非常规条件会使得岩体物理和力学性质发生显著变化，热-水-力耦合作用下岩体的力学行为的更加复杂，特别是在断层带等薄弱结构附近。另外，工程扰动如爆破、开挖、注液采热、水力压裂等作业会导致温度场-应力场-流体场的重新分布，诱发新的应力集中区域和裂隙网络，岩体储能大，增加断层滑移的风险，引发岩体动力失稳灾害。因此，为促进深部矿热共采模式的积极探索与推广应用，保障矿热共采安全，对于多场对耦合环境下的岩体失稳特别是断层失稳机制的研究尤为重要。

3、由于非常规的条件要求，现有的涉及多场耦合的岩石实验设备基本都是控制在小试样尺度(50*100mm的圆柱体)以确保长时间稳定运行，且多采用加热围压流体传热至岩石的升温方式。这种方式对流体热稳定性要求高，成本大，设备通常多采用高度密闭空间以确保安全，实验过程无法直观展现。且由于试样尺寸较小且环境高密封，用于监测的仪器如位移传感器、声发射传感器无法直接接触岩石表面，难以准确捕捉实验过程中的关键信号，从而影响岩石裂隙扩展或断层滑移行为演化的分析。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的不足，本技术实施例的目的在于提供一种多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备，具有透明可直观化、样品大尺寸化、监测仪器可直接接触化的优点。

2、为实现上述目的，本技术采用的技术方案是：提供一种多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备，包括：固定框架、三轴动力加载系统、环境模拟腔室、渗流系统和信息采集系统；

3、所述三轴动力加载系统设置在固定框架上，所述环境模拟腔室放置在固定框架的支撑平台上，环境模拟腔室内放置岩样；所述渗流系统与岩样连接，所述信息采集系统与渗流系统及岩样连接；

4、所述环境模拟腔室包括：上保温箱体、下保温箱体、透明观察窗口、活动压头和加热组件，所述上保温箱体和下保温箱体密封对接并通过锁扣固定连接，所述透明观察窗口设置在所述上保温箱体和下保温箱体的一侧；所述活动压头至少三个且活动式设置在所述上保温箱体和下保温箱体的顶侧壁和左右两侧壁上并与内部放置的岩样接触，所述三轴动力加载系统抵压用于对所述活动压头施加压力；所述下保温箱体上设有若干走线孔，所述渗流系统和所述信息采集系统的管道和导线线经所述走线孔布设，所述加热组件设置在上保温箱体内。

5、在一个实施方式中，所述上保温箱体和下保温箱体均采用三层结构，包括硬质外壳、中间保温层和硬质内壳，所述中间保温层为硅酸铝填充材料。

6、在一个实施方式中，所述上保温箱体和所述下保温箱体的对接面设置成凹凸拼接结构，且在对接面设置耐高温氟橡胶材料层。

7、在一个实施方式中，所述岩样为正方形岩石样品，左右两侧的所述活动压头与所述正方形岩石样品之间设有连接板，所述连接板与所述活动压头可拆卸连接并与所述岩样的侧面接触，所述连接板的面积等于所述正方形岩石样品的侧面积或为所述正方形岩石样品的侧面积的一半。

8、在一个实施方式中，所述透明观察窗口为三层结构，包括安装框，以及设置在所述安装框架内的内钢化玻璃、真空层和外钢化玻璃。

9、在一个实施方式中，所述加热组件包括电热管、热流循环风扇和温度传感器，所述加热组件的加热温度范围为0-300℃；所述温度传感器至少设置两个。

10、在一个实施方式中，所述渗流系统包括渗流泵、水压传感器、水温传感器、注水管道、出水管道、流体容器、集液容器和电子天平，所述岩样具有断层面，所述岩样上设有均与所述断层面连通的一个渗透孔和两个监测孔，所述渗透孔与所述注水管道连接，所述注水管道与所述渗流泵和流体容器连接；两根所述出水管道分别与所述监测孔连接，所述出水管道与所述集液容器连接，所述集液容器放置在所述电子天平上，所述注水管道和所述出水管道上均设有所述水压传感器和水温传感器。

11、在一个实施方式中，所述固定框架至少包括：底座、支撑平台、导轨和升降台车，所述底座设置在地面之下，所述支撑平台设置在所述底座上并与地面齐平，所述导轨设置在所述支撑平台上，所述升降台车移动式设置在所述导轨上；所述三轴动力加载系统设置在所述支撑平台上，所述升降台车上放置有用于放置所述环境模拟腔室的承载板，所述支撑平台上设有用于放置所述承载板的实验台；所述环境模拟腔室上设有若干吊环。

12、在一个实施方式中，所述三轴动力加载系统包括左加载油缸、右加载油缸和顶加载油缸，所述左加载油缸和所述右加载油缸之间通过横梁固定连接，所述左加载油缸和右加载油缸的活塞杆通过传感器组件和固定压头与两侧的所述活动压头抵接，所述顶加载油缸的活塞杆通过传感器组件和固定压头与顶部的活动压头抵接，顶部的活动压头通过辊子排与岩样顶部抵接；所述左加载油缸和所述右加载油缸通过升降立柱驱动升降，所述顶加载油缸设置在顶部支架上。

13、本技术的另一目的在于提供一种多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验方法，基于上述的多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备，所述方法包括以下步骤：

14、步骤1：启动升降立柱将横梁连同左右加载油缸升至最高限位处，控制升降台车抬升并沿着导轨伸出支撑平台；

15、步骤2：利用吊装设备的吊带、挂钩与吊环连接以将下保温箱体放置于升降台车的承载板上，将岩样放置在下保温箱体内的支撑座上，根据实验需求选择平切断层面或斜切断层面的岩样，根据岩样类型相应选择半板或全板的连接板，并将连接板固定在左右两侧的活动压头上；然后将左右两侧的活动压头吊装至下保温箱体内放置；

16、步骤3：根据实验方案，将声发射传感器、位移传感器固定安装在岩样表面，将渗流系统的注水管道与岩样上的渗透孔连接好，出水管道与监测孔连接，再将所有管道和各传感器的引线全部经走线孔引出，所有走线孔再用耐高温软活塞堵住；

17、步骤4：将辊子排和顶部的活动压头依次放置于岩样的顶部，再利用吊装设备将上保温箱体通过凹凸拼接结构与下保温箱体合并在一起成一个整箱，扣上锁扣锁死，将透明观察窗口抬至整箱中间，利用螺丝将其固定；

18、步骤5：控制升降台车将整个环境模拟腔室连同内部岩样沿着导轨移动至支撑平台的实验台位置，启动升降立柱将横梁连同左加载油缸及右加载油缸降至最低限位处与左右两侧的活动压头对齐；

19、步骤6：开始实验，开启加热组件先对岩样进行加热，计算机输入预设的加热和保温温度，开始按照设定程序进行加热，并同步开启厌氧表面贴合的声发射传感器及信息采集系统，对实验全过程的岩石声发射信号进行监测；

20、步骤7：当岩石达到目标温度后，进行应力加载和流体注入，根据实验方案依次启动三轴动力加载系统和渗流系统，使轴向应力、横向应力和流体压力达到目标值，完成实验；

21、步骤8：实验结束后，卸下加载应力，启动升降立柱将横梁连同左加载油缸和右加载油缸升至最高限位处，控制升降台车将整个环境模拟腔室连同内部岩样沿着导轨移动伸出支撑平台，依次将透明观察窗口、上保温箱体、顶部的活动压头、辊子排，右侧的活动压头和左侧的活动压头取下，然后将连接在岩样表面的各传感器和管道拆卸，接着将岩样状态拍照记录后取下存放，最后将环境模拟腔室复位。

22、本技术提供的多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备及方法的有益效果在于：

23、1、通过设计固定框架、三轴动力加载系统、环境模拟腔室和渗流系统，实现了对岩样应力、温度和流体的精确控制，能够模拟深部地下复杂的热-水-力耦合环境条件。通过信息采集系统的引入，使得对应力、温度、流体压力、位移和声发射等参数的同步采集成为可能，实现实验中的压力-温度-流体多环境条件的同步控制与全过程监测，提高了实验数据的准确性和可靠性。

24、2、其中环境模拟腔室通过可拆卸的上保温箱体和下保温箱体可以放置大尺寸的岩样，通过将箱体尺寸的合理设计，使得岩样的具体尺寸可以为400mm*400mm*400mm的正方体岩样。克服了现有小试样尺度设备的局限性，能够更真实地反映实际工程条件下的岩体力学行为。同时，采用开放型设计，便于监测仪器的安装和信号采集，极大地提高了实验的灵活性和操作便捷性。

25、3、通过设置透明透视窗口，这样能够实时监测和记录实验过程中岩样状态，为研究岩石裂隙扩展和断层滑移行为提供了直观的实验数据支持。

26、因此，本技术为研究多场耦合环境下岩体失稳致灾机制方面具有重要的理论和实践价值，推动了深部矿-热共采模式的理论构建与安全实践探索。

技术特征：

1.一种多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备，其特征在于，包括：固定框架(1)、三轴动力加载系统(2)、环境模拟腔室(3)、渗流系统(4)和信息采集系统；

2.如权利要求1所述的多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备，其特征在于：所述上保温箱体(31)和下保温箱体(32)均采用三层结构，包括硬质外壳、中间保温层和硬质内壳，所述中间保温层为硅酸铝填充材料。

3.如权利要求2所述的多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备，其特征在于：所述上保温箱体(31)和所述下保温箱体(32)的对接面设置成凹凸拼接结构，且在对接面设置耐高温氟橡胶材料层(38)。

4.如权利要求3所述的多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备，其特征在于：所述岩样(5)为正方形岩石样品，左右两侧的所述活动压头(34)与所述正方形岩石样品之间设有连接板(39)，所述连接板(39)与所述活动压头(34)可拆卸连接并与所述岩样(5)的侧面接触，所述连接板(39)的面积等于所述正方形岩石样品的侧面积或为所述正方形岩石样品的侧面积的一半。

5.如权利要求4所述的多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备，其特征在于：所述透明观察窗口(33)为三层结构，包括安装框，以及设置在所述安装框架内的内钢化玻璃、真空层和外钢化玻璃。

6.如权利要求5所述的多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备，其特征在于：所述加热组件(35)包括电热管(351)、热流循环风扇(352)和温度传感器(353)，所述加热组件(35)的加热温度范围为0-300℃；所述温度传感器(353)至少设置两个。

7.如权利要求6所述的多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备，其特征在于：所述渗流系统(4)包括渗流泵(41)、水压传感器(42)、水温传感器(43)、注水管道(44)、出水管道(45)、流体容器(46)、集液容器(47)和电子天平(48)，所述岩样(5)具有断层面，所述岩样(5)上设有均与所述断层面连通的一个渗透孔(51)和两个监测孔(52)，所述渗透孔(51)与所述注水管道(44)连接，所述注水管道(44)与所述渗流泵(41)和流体容器(46)连接；两根所述出水管道(45)分别与所述监测孔(52)连接，所述出水管道(45)与所述集液容器(47)连接，所述集液容器(47)放置在所述电子天平(48)上，所述注水管道(44)和所述出水管道(45)上均设有所述水压传感器(42)和水温传感器(43)。

8.如权利要求7所述的多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备，其特征在于：所述固定框架(1)至少包括：底座(11)、支撑平台(12)、导轨(13)和升降台车(14)，所述底座(11)设置在地面之下，所述支撑平台(12)设置在所述底座(11)上并与地面齐平，所述导轨(13)设置在所述支撑平台(12)上，所述升降台车(14)移动式设置在所述导轨(13)上；所述三轴动力加载系统(2)设置在所述支撑平台(12)上，所述升降台车(14)上放置有用于放置所述环境模拟腔室(3)的承载板(15)，所述支撑平台(12)上设有用于放置所述承载板(15)的实验台(16)；所述环境模拟腔室(3)上设有若干吊环(301)。

9.如权利要求8所述的多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备，其特征在于：所述三轴动力加载系统(2)包括左加载油缸(21)、右加载油缸(22)和顶加载油缸(23)，所述左加载油缸(21)和所述右加载油缸(22)之间通过横梁(24)固定连接，所述左加载油缸(21)和右加载油缸(22)的活塞杆通过传感器组件(26)和固定压头(27)与两侧的所述活动压头(34)抵接，所述顶加载油缸(23)的活塞杆通过传感器组件(26)和固定压头(27)与顶部的活动压头(34)抵接，顶部的所述活动压头(34)通过辊子排(28)与岩样顶部抵接；所述左加载油缸(21)和所述右加载油缸(22)通过升降立柱(201)驱动升降，所述顶加载油缸(23)设置在顶部支架上。

10.一种多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验方法，基于权利要求9所述的多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

技术总结
本申请涉及岩石力学和地下工程技术领域，提供一种多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备及方法，该多场耦合环境透明化模拟的大尺度多功能实验设备，包括：固定框架、三轴动力加载系统、环境模拟腔室、渗流系统和信息采集系统；所述三轴动力加载系统设置在固定框架上，所述环境模拟腔室放置在固定框架的支撑平台上，环境模拟腔室内放置岩样；所述渗流系统与岩样连接，所述信息采集系统与渗透系统及岩样连接。通过设计固定框架、三轴动力加载系统、环境模拟腔室和渗流系统，实现了对岩样应力、温度和流体的精确控制，能够模拟深部地下复杂的热‑水‑力耦合环境条件，环境模拟腔室通过可拆卸的上保温箱体和下保温箱体可以放置大尺寸的岩样。

技术研发人员：董陇军,黄子欣,罗乔木
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5