CN103115843A - 一种岩体气体渗透率现场原位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种岩体气体渗透率现场原位测量方法，原位测量装置由氮气瓶、气体质量流量控制器、空压机、气体阀门、气体压力表、高压软管、数据线、显示仪、胶囊封孔器、钻孔、气体压力变送器构成，并直面岩体；置于钻孔中的胶囊封孔器有两个相互隔绝的进气口，上进气口用于对胶囊充气，进气口接有气体压力表和气体阀门，当胶囊达到膨胀要求后，钻孔形成密闭空间；下进气口用于向密闭钻孔内充氮气，连接氮气瓶的气体质量流量控制器控制进气量，当密闭钻孔内气体压力稳定后结束；其中岩体钻孔的布点，钻孔轴线尽量与岩体壁面垂直，选择钻孔位置及数量，相邻钻孔轴间距应大于密闭钻孔长度。

Description

一种岩体气体渗透率现场原位测量方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，该方法用于岩体气体渗透率的现场原位测量，效果极佳。

背景技术

气体渗透率是岩土工程中的一个重要参数，它描述的是岩体对气体的渗透能力。在岩体气体渗透率测量研究领域，目前应用比较普遍的是实验室测量方法，即在实验室内用岩心夹持器对圆柱形岩体试样的圆周面进行密封，在试样的一个底面以固定质量流量气体进行充气加压，当充气面压力稳定时，根据公式计算出岩体试样的气体渗透率。但这种方法存在一定的缺陷：①岩体试样的取样破坏了岩体所处的客观环境；②实验室测量改变原有岩体裂隙结构；③实验室测量不能获得大范围岩体裂隙***的渗透性；因此，准确的岩体气体渗透率应采取现场原位测量的方法来确定。

本发明提供的岩体气体渗透率现场原位测量装置及方法，是利用胶囊封孔器对岩体中钻孔封闭出密闭空间，以固定质量流量氮气向密闭钻孔内充气，直至密闭钻孔内气体压力稳定，通过岩体气体渗透率、气体质量流量、气体压力之间的关系，得到岩体的气体渗透率。

发明内容

本发明的目的在于：提供岩体气体渗透率测量装置以及测量方法，用于岩土工程中岩体气体渗透率的现场原位测量，反映出测量范围内岩体的气体渗透特性，进而掌握整个岩体的裂隙概况，对其实施有效处置。

本发明的目的是这样实现的：一种岩体气体渗透率现场原位测量方法,分步骤实施；

步骤1原位测量：

原位测量装置：由氮气瓶1、气体质量流量控制器2、空压机3、气体阀门4、气体压力表5、高压软管6、数据线7、显示仪8、胶囊封孔器9、钻孔10、气体压力变送器11构成，并直面岩体12；

原位测量方法：在布于岩体12的钻孔10中，安装胶囊封孔器9；胶囊封孔器9中设两个隔离的进气口，即为上进气口和下进气口；其中空压机3通过管路连接气体阀门4与压力表5的胶囊封孔器9的上进气口连接，向胶囊封孔器9充气，使其膨胀，当钻孔10被封闭，即关闭气体阀门4，形成密闭空间；氮气瓶1通过管路与质量流量控制器2连通高压软管6与胶囊封孔器9的下进气口连接，向密闭钻孔10内充氮气；气体压力变送器11连接数据线7与显示仪8置于胶囊封孔器9出气口前端，显示测量的气体流量质量及钻孔内气体压力的数据；

步骤2岩体钻孔的布点：

钻孔轴线与岩体壁面垂直，选择钻孔位置及数量，相邻钻孔轴间距应大于密闭钻孔长度；

步骤3测得渗透率：

计算公式：

$\mathrm{\κ}=\frac{p_{\mathrm{sc}}{Q}_{\mathrm{sc}}\mathrm{\μ}\ln \frac{L}{r}}{\mathrm{\πL}(p_1^2-p_0^2)}$

式中：κ—岩体气体渗透率，m²；p_sc—标准状态气体压力，1.013×10⁵Pa；Q_sc—标准状态下氮气体积流量，m³/s；μ—氮气动力粘性系数，Pa□S；r—钻孔半径，m；L—钻孔封闭长度，m；p₁—充气后钻孔内稳定压力，Pa；p₀—充气前钻孔内压力，Pa。得到岩体的气体渗透率。

本发明的作用机理：气体渗透率是岩土工程中的一个重要参数，它描述的是岩体对气体的渗透能力，目前应用比较普遍的是实验室测量方法，而本发明利用装置对岩体气体渗透率实施现场原位测量，数据更加精准可靠，更加科学，用于岩土工程中岩体气体渗透率的现场原位测量，反映岩体气体渗透特性，彰显技术进步。

附图说明

以下结合附图对发明作进一步说明。

附图为测试装置图；

如图所示：1-氮气瓶、2-气体质量流量控制器、3-空压机、4-气体阀门、5-气体压力表、6-高压软管、7-数据线、8-数据显示仪、9-胶囊封孔器、10-密闭钻孔、11-气体压力变送器、12-岩体;置于钻孔中的胶囊封孔器有两个相互隔绝的进气口，上进气口用于对胶囊充气，进气口接有气体压力表和气体阀门，当胶囊达到膨胀要求后，钻孔形成密闭空间；下进气口用于向密闭钻孔内充氮气，连接氮气瓶的气体质量流量控制器控制进气量，当密闭钻孔内气体压力稳定后结束。

具体实施方式

以下结合实施例对发明作进一步说明。

实施例

现场原位测量装置，包括胶囊封孔器、气体质量流量控制器、气体压力变送器、氮气瓶、数据显示仪和空压机六部分。

胶囊封孔器用于封闭钻孔形成密闭空间。它有两个相互隔绝的进气口，上进气口用于对胶囊充气，进气口接有气体压力表和气体阀门，当胶囊达到膨胀要求后，关闭气体阀门，通过气体压力表观察胶囊气密情况；下进气口用于向密闭钻孔内以固定质量流量氮气进行充气，观察密闭钻孔内气体压力，当压力稳定时结束。

其中气体质量流量控制器用于控制所充氮气的质量流量；

其中气体压力变送器用于测量密闭钻孔内气体压力；

其中氮气瓶用于向密闭钻孔内充氮气；

其中数据显示仪用于显示气体质量流量及气体压力；

其中空压机用于对胶囊充气，使其膨胀封闭钻孔；

氮气瓶通过管路与气体质量流量控制器连接，气体质量流量控制器通过管路与胶囊封孔器的下进气口连接，气体压力变送器置于胶囊封孔器出气口前端；空压机通过管路与胶囊封孔器上进气口的气体阀门连接。

岩体气体渗透率现场原位测量法，包括以下步骤：

步骤1在测量区域布置注气钻孔，用潜孔钻机沿垂直壁面方向钻孔。

步骤2用胶囊封孔器对钻孔进行封闭，形成密闭空间。

步骤3以固定质量流量氮气向密闭钻孔内充气，观察密闭钻孔内气体压力，当压力稳定时，结束。

步骤4，利用公式：

$\mathrm{\κ}=\frac{p_{\mathrm{sc}}{Q}_{\mathrm{sc}}\mathrm{\μ}\ln \frac{L}{r}}{\mathrm{\πL}(p_1^2-p_0^2)}$

式中：κ—岩体气体渗透率，m²；p_sc—标准状态气体压力，1.013×10⁵Pa；Q_sc—标准状态下氮气体积流量，m³/s；μ—氮气动力粘性系数，Pa□S；r—钻孔半径，m；L—钻孔封闭长度，m；p₁—充气后钻孔内稳定压力，Pa；p₀—充气前钻孔内压力，Pa。得到岩体的气体渗透率。

本发明方法选用的JN-2型胶囊封孔器由上海锦川仪表设备有限公司提供；选用七星华创公司的CS200A型高精度数字型气体质量流量控制器；选用北京港北中天科技有限公司的GB-3000G型气体压力变送器；选用台州市奥突斯工贸有限公司的ZBM-0.1/8型空压机。

本发明提供的岩体气体渗透率现场原位测量装置及方法，在岩体中布置钻孔，利用胶囊封孔器对钻孔封闭出密闭空间，以固定质量流量氮气向密闭钻孔内充气，直至密闭钻孔内气体压力稳定，通过岩体气体渗透率、气体质量流量、气体压力之间的关系，得到岩体的气体渗透率。

本发明能够用于岩土工程中岩体气体渗透率的现场原位测量，反映岩体气体渗透特性。

Claims (2)

1.一种岩体气体渗透率现场原位测量方法,其特征在于：分步骤实施；

步骤1原位测量：

原位测量装置：由氮气瓶（1）、气体质量流量控制器（2）、空压机（3）、气体阀门（4）、气体压力表（5）、高压软管（6）、数据线（7）、显示仪（8）、胶囊封孔器（9）、钻孔（10）、气体压力变送器（11）构成，并直面岩体（12）；

原位测量方法：在布于岩体（12）的钻孔（10）中，安装胶囊封孔器（9）；胶囊封孔器（9）中设两个隔离的进气口，即为上进气口和下进气口；其中空压机（3）通过管路连接气体阀门（4）与压力表（5）的胶囊封孔器（9）的上进气口连接，向胶囊封孔器（9）充气，使其膨胀，当钻孔（10）被封闭，即关闭气体阀门（4），形成密闭空间；氮气瓶(1)通过管路与质量流量控制器(2)连通高压软管(6)与胶囊封孔器(9)的下进气口连接，向密闭钻孔(10)内充氮气；气体压力变送器(11)连接数据线(7)与显示仪(8)置于胶囊封孔器(9)出气口前端，显示测量的气体流量质量及钻孔内气体压力的数据；

步骤2岩体钻孔的布点：

钻孔轴线与岩体壁面垂直点上选择钻孔位置及数量，相邻钻孔轴间距应大于密闭钻孔长度；

步骤3测得渗透率：

计算公式：

$\mathrm{\κ}=\frac{p_{\mathrm{sc}}{Q}_{\mathrm{sc}}\mathrm{\μ}\ln \frac{L}{r}}{\mathrm{\πL}(p_1^2-p_0^2)}$

式中：κ-岩体气体渗透率，m²；p_sc-标准状态气体压力，1.013×10⁵Pa；Q_sc—标准状态下氮气体积流量，m³/s；μ—氮气动力粘性系数，Pa□S；r—钻孔半径，m；L-钻孔封闭长度，m；p₁-充气后钻孔内稳定压力，Pa；p₀-充气前钻孔内压力，Pa。得到岩体的气体渗透率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：选用的JN-2型胶囊封孔器由上海锦川仪表设备有限公司提供；选用七星华创公司的CS200A型高精度数字型气体质量流量控制器；选用北京港北中天科技有限公司的GB-3000G型气体压力变送器；选用台州市奥突斯工贸有限公司的ZBM-0.1/8型空压机。