CN109540769A - 一种基于声发射探测技术的弯曲渗流试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声发射探测技术的弯曲渗流试验装置及试验方法，包括轴向加载***、水压控制***、声发射装置以及弯曲渗流***，弯曲渗流***的缸筒内依次设有底板椎体、环形下压板、岩样、环形上压板和活塞；岩样夹持固定在环形上压板和环形下压板之间，底板椎体穿过环形下压板顶在岩样的中心，活塞内设有与环形上压板的内孔相连通的流道，水压控制***用于向流道内通入高压水并通过水压‑流量数据采集仪实现数据采集，声发射装置的探头布置在岩样的侧壁上。本申请将声发射无损探测技术应用于试验装置中，分析岩样在弯曲破坏过程中裂纹的演化规律，结合弯曲变形中渗流演化规律，从细观的角度研究岩层在弯曲变形破坏中发生突水灾害的机理。
Description
技术领域
本发明属于矿体开采技术领域，尤其涉及一种基于声发射探测技术的弯曲渗流试验装置及试验方法。
背景技术
随着资源开发利用的深度不断增大，会引起高地应力和高渗透压等问题，高地应力往往会引起地下结构的失稳或破坏，再加以高渗透压作为威胁，深部地下工程的突水事故资源开发中是一个重大的挑战。对于采场顶底板发生渗透性失稳的研究，工程技术人员和以前的学者都做出了很多贡献，并且硕果累累，他们从流固耦合、应力-渗流耦合、应力-渗流-温度耦合、颗粒迁移变质量渗流等各个角度，并且采用数值分析，室内相似模拟试验、现场试验等手段探索发生突水灾害的内在机理和防治措施，但是绝大多数学者以研究含有节理构造的地质为背景，通过离散元等数值软件研究裂隙发育规律，而实际上，完整岩体在高承压水和大变形的条件下也会发生突水灾害，这种突水灾害也对深部资源开发有巨大的威胁。
随着科学技术的快速发展，声发射探测技术也逐渐运用到岩石力学的领域。许多学者在单轴压缩、三轴压缩的试验过程中开展声发射试验，分析裂纹发展规律，研究裂纹规律与宏观破坏性质、强度变化规律的关系，取得了很大的进展，证明声发射无损探测技术已经成功运用到岩石力学的研究中，但是鲜有人将声发射探测技术与渗流试验结合起来，研究深部矿产资源开采过程中突水灾害的内在机制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于声发射探测技术的弯曲渗流试验装置及试验方法，将声发射探测技术应用于研究岩体弯曲渗流过程中裂隙的扩展演化规律，将渗透率的变化规律与裂隙演化规律结合，探索裂隙场的演化如何影响渗流状态的改变。从细观的角度，揭示岩体在高承压水的条件下产生弯曲变形直至渗透性失稳破坏的内在机制。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于声发射探测技术的弯曲渗流试验装置，包括轴向加载***、水压控制***、弯曲渗流***以及声发射装置；
所述弯曲渗流***包括设置于轴向加载***承载台上的缸筒，所述缸筒内从下到上依次设有底板椎体、环形下压板、岩样、环形上压板和活塞，所述底板椎体固定安装在缸筒的底板上，所述活塞位于轴向加载***加载头的下方；
所述环形上压板和环形下压板分别压在所述岩样的上端边缘和下端边缘上，所述环形上压板与所述岩样之间设有密封圈，所述底板椎体穿过所述环形下压板顶在所述岩样的中部，所述活塞内设有与所述环形上压板的内孔相连通以用于通入高压水的流道；
所述水压控制***用于向流道内通入高压水并通过水压-流量数据采集仪实现水流量以及水压的数据采集，所述声发射装置的探头布置在所述岩样的侧壁上。
进一步的，所述环形上压板和环形下压板通过紧固螺栓紧固连接以将所述岩样夹持固定在两者之间。
进一步的，所述探头的信号线从环形上压板和环形下压板之间引出后穿过缸筒侧壁依次连接至声发射装置的信号放大器和声发射信号采集仪。
进一步的，所述水压控制***包括双作用液压缸、供油泵和供水泵，所述供油泵通过供油管道与所述双作用液压缸的其中一腔室连通，所述供水泵通过供水管道与所述双作用液压缸的另一腔室连通，所述双作用液压缸的出水端通过进水管与所述流道连通。
进一步的，所述活塞延伸至所述缸筒外，所述活塞伸出至所述缸筒外的侧壁上设有连通所述流道和进水管的进水口。
进一步的，所述进水管上设有止水阀。
进一步的，所述底板上设有出水口。
进一步的，所述缸筒、底板椎体、活塞、岩样、环形上压板以及环形下压板同轴设置。
进一步的，所述环形上压板与所述缸筒间隙配合，所述环形上压板与所述活塞之间设有密封圈。
一种基于声发射探测技术的弯曲渗流试验方法，使用上述试验装置，包括如下步骤：
步骤一：将声发射探头粘贴在岩样侧壁上，探头表面与岩样接触位置涂抹耦合剂，保证探头与岩样良好接触；
步骤二：将岩样安放在环形上压板和环形下压板之间，并在环形上压板与岩样之间垫设密封圈，并用螺栓连接，施加一定预应力，将岩样夹持固定在环形上压板和环形下压板之间；
步骤三：将环形上压板和环形下压板整体按顺序放入缸筒中，然后在环形上压板顶部的凹槽内安放橡胶圈，最后放置活塞；
步骤四：通过轴向加载***对活塞进行加载，活塞在缸筒内下移，使得底板椎体对岩样的底部施加作用力；同时，通过水压控制***对岩样的上部施加稳定水压，开展不同水压条件下、不同岩样厚度弯曲变形破坏条件下的声发射和渗流试验，并实时记录水压-流量数据采集仪、轴向加载***以及声发射设备输出的数据。
相对有现有的装置和技术，具有如下有益的效果：
1.本发明将声发射无损探测技术应用于研究岩体弯曲渗流过程中裂隙的扩展演化规律，同时收集裂隙演化数据和渗透率变化的数据，从时间维度，研究岩样内部损伤与渗透性参量之间的内在联系。
2.本发明采用上下压板将岩样和密封圈夹持在其中，并用螺栓固定后拧紧，提供一定的预应力，具有良好的密封性和稳定性。
3.本发明的弯曲渗流***中，底板椎体垂直加工，活塞和环形上压板与缸筒内壁严丝合缝加工，既能保证活塞和环形上压板能在缸筒内壁顺利滑动，也能保证岩样中心受到轴向的荷载。
本发明将声发射探测技术应用于研究岩体弯曲渗流过程中裂隙的扩展演化规律，将渗透率的变化规律与裂隙演化规律结合，探索裂隙场的演化如何影响渗流状态的改变。从细观的角度，揭示岩体在高承压水的条件下产生弯曲变形直至渗透性失稳破坏的内在机制。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明弯曲渗流***的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1和图2，一种基于声发射探测技术的弯曲渗流试验装置，包括轴向加载***I、水压控制***II、声发射装置III、以及弯曲渗流***IV。其中弯曲渗流***IV装载于轴向加载***I之上，水压控制II提供不同压力的水流并采集相关数据，声发射设备III用于收集岩样变形破坏过程中的数据。其中，四个***同时工作，实时采集试验过程中的数据。
具体的，弯曲渗流***IV包括设置于轴向加载***承载台上的缸筒1，缸筒1内从下到上依次设有底板椎体2、环形下压板3、岩样4、环形上压板5和活塞6。底板椎体2固定安装在缸筒1的底板7上，底板7通过螺栓与缸筒1紧固连接，活塞6位于轴向加载***加载头的正下方，环形上压板3和环形下压板5分别压在岩样4的上端边缘和下端边缘上，环形上压板3与岩样4接触面之间通过第一密封圈21密封，底板椎体2穿过环形下压板5顶在岩样4的中心，活塞6内设有与环形上压板5的内孔相连通以通入高压水的流道8，水压控制***用于向流道8内通过高压水并通过自带的水压-流量数据采集仪10实现水流量以及水压的数据采集，声发射装置的探头9布置在岩样4的侧壁上，并通过信号线连接至声发射装置的信号放大器11和声发射信号采集仪12。水压-流量数据采集仪10和声发射装置均为现有设备，其具体结构在此不再赘述。
本实施例加载时，加载头压在活塞6上，从而带动活塞6在缸筒1内滑动，活塞6将加载力传递给环形下压板3和环形上压板5，从而带动环形下压板3和环形上压板5下移，直至底板椎体2的顶端顶在岩样4上发生弯曲变形破坏为止。
本实施例将声发射探测技术应用于研究岩体弯曲渗流过程中裂隙的扩展演化规律，将渗透率的变化规律与裂隙演化规律结合，探索裂隙场的演化如何影响渗流状态的改变。从细观的角度，揭示岩体在高承压水的条件下产生弯曲变形直至渗透性失稳破坏的内在机制。
参见图1，在一实施例中，水压控制***II包括双作用液压缸13、供油泵14和供水泵15，供油泵14通过供油管道与双作用液压缸13的其中一内腔连通，供水泵15通过供水管道与双作用液压缸13内另一内腔连通，活塞6的顶端延伸至缸筒1外，在活塞6伸出至缸筒1外的侧壁上设有与流道8连通的进水口，与供水管道连接的内腔的出水端通过进水管与进水口连通，在进水管上设有流量计17和水压计18，流量计17和水压计18通过信号线连接至水压-流量数据采集仪10。本实施例借助双作用液压缸油压和水压的转换，提供稳定持续的渗透压力，克服了常规渗流试验中渗透压力稳定性差、难于记录、水压小的缺点。
参见图2，为提供稳定的高压水，在供水管道上设有第一止水阀，在进水管上设有第二止水阀26，供油管道上设有溢流阀、减压阀、油压传感器和单向节流阀，供油泵上还可以设置对油液进行冷却的冷却器。
为将从岩样中渗出的渗透水及时从缸筒1内排出，避免缸筒1内岩样4与底板椎体2间水压的升高，在缸筒1的底板7上设有出水口19，出水口19通过出水管道与储水槽20连通，渗透水经出水口收集至储水槽20。
参见图2，在一实施例中，岩样4设置在环形上压板5和环形下压板3之间，环形上压板5和环形下压板3采用紧固螺栓24紧固连接，并施加一定的预紧力，将岩样4夹紧，环形上压板5与岩样4接触面通过第一密封圈21实现密封。上述设计使得岩样与环形上压板之间具有良好的密封性和稳定性，而且通过对紧固螺栓24进行调节可以夹持不同厚度的岩样，组装也非常方便。
在一实施例中，参见图2，探头9表面与岩样4接触位置涂抹耦合剂，保证探头9与岩样4良好接触，探头的信号线22从环形上压板5和环形下压板3之间引出后经过缸筒侧壁上的引线穿孔23连接至信号放大器11，本实施例中，探头9布设在环形下压板3和环形上压板5之间，从而可以实现水的隔离，有效避免水对应力波的影响。
为防止高压水从环形上压板5和活塞6接触面流出，环形上压板5与活塞6之间还设有第二密封圈25，密封圈可以采用橡胶密封圈或密封胶等。
为避免应力集中，底板椎体2的圆锥部分设有一定的钝度。
优选的，为提高加载的稳定性，缸筒1、活塞6、底板椎体2、岩样4、环形上压板5以及环形下压板3同轴设置。
参见图1和图2，一种基于声发射探测技术的弯曲渗流试验方法，使用上述试验装置，包括如下步骤：
步骤一：将声发射探头9粘贴在岩样4侧壁上，探头9表面与岩样4接触位置涂抹耦合剂，保证探头9与岩样4良好接触，探头的信号线22从两块压板之间引出后经过缸筒侧壁上的引线穿孔23连接至信号放大器11；
步骤二：将岩样4安放在环形上压板5和环形下压板3之间，并在环形上压板5与岩样4之间垫设第一密封圈21，并用螺栓连接，施加一定预应力，将岩样4夹持固定在环形上压板5和环形下压板3之间；
步骤三：将环形上压板5和环形下压板4整体按顺序放入缸筒1中，然后在环形上压板5顶部的凹槽内安放橡胶圈，最后放置活塞6；
步骤四：通过轴向加载***对活塞6进行加载，活塞6在缸筒1内下移，使得底板椎体2对岩样的底部施加作用力；同时，通过水压控制***对岩样的上部施加稳定水压，开展不同水压条件下、不同岩样厚度弯曲变形破坏条件下的声发射和渗流试验，并将水压-流量数据采集仪、轴向加载***以及声发射设备输出的数据传送至计算机处理***。
本实施例将声发射探测技术应用于研究岩体弯曲渗流过程中裂隙的扩展演化规律，将渗透率的变化规律与裂隙演化规律结合，探索裂隙场的演化如何影响渗流状态的改变。从细观的角度，揭示岩体在高承压水的条件下产生弯曲变形直至渗透性失稳破坏的内在机制。
相对于现有的装置和技术，克服了原有仅仅通过数值软件模拟计算岩石损伤过程对渗透率影响的缺点，可以通过实验的方式分析裂隙场的演化过程，进而研究其对渗流场演化的影响，为工程实践提供更加完善的数据。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于声发射探测技术的弯曲渗流试验装置，包括轴向加载***、水压控制***、弯曲渗流***以及声发射装置，其特征在于：
所述弯曲渗流***包括设置于轴向加载***承载台上的缸筒，所述缸筒内从下到上依次设有底板椎体、环形下压板、岩样、环形上压板和活塞，所述底板椎体固定安装在缸筒的底板上，所述活塞位于轴向加载***加载头的下方；
所述环形上压板和环形下压板分别压在所述岩样的上端边缘和下端边缘上，所述环形上压板与所述岩样之间设有密封圈，所述底板椎体穿过所述环形下压板顶在所述岩样的中心，所述活塞内设有与所述环形上压板的内孔相连通以用于通入高压水的流道；
所述水压控制***用于向流道内通入高压水并通过水压-流量数据采集仪实现水流量以及水压的数据采集，所述声发射装置的探头布置在所述岩样的侧壁上。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述环形上压板和环形下压板通过紧固螺栓紧固连接以将所述岩样夹持固定在两者之间。
3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于：所述探头的信号线从环形上压板和环形下压板之间的间隙引出后穿过缸筒侧壁依次连接至声发射装置的信号放大器和声发射信号采集仪。
4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述水压控制***包括双作用液压缸、供油泵和供水泵，所述供油泵通过供油管道与所述双作用液压缸的其中一腔室连通，所述供水泵通过供水管道与所述双作用液压缸的另一腔室连通，所述双作用液压缸的出水端通过进水管与所述流道连通。
5.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于：所述活塞延伸至所述缸筒外，所述活塞伸出至所述缸筒外的侧壁上设有连通所述流道和进水管的进水口。
6.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于：所述进水管上设有止水阀。
7.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述底板上设有出水口。
8.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述缸筒、底板椎体、活塞、岩样、环形上压板以及环形下压板同轴设置。
9.根据权利要求1所述的岩层底板渗流突水试验装置，其特征在于：所述环形上压板与所述缸筒最小间隙配合，所述环形上压板与所述活塞之间设有密封圈。
10.一种基于声发射探测技术的弯曲渗流试验方法，使用权利要求1-9任一项所述的试验装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将声发射探头粘贴在岩样侧壁上，探头表面与岩样接触位置涂抹耦合剂，保证探头与岩样良好接触；
步骤二：将岩样安放在环形上压板和环形下压板之间，并在环形上压板与岩样之间垫设密封圈，并用螺栓连接，施加一定预应力，将岩样夹持固定在环形上压板和环形下压板之间；
步骤三：将环形上压板和环形下压板整体按顺序放入缸筒中，然后在环形上压板顶部的凹槽内安放橡胶圈，最后放置活塞；
步骤四：通过轴向加载***对活塞进行加载，活塞在缸筒内下移，使得底板椎体对岩样的底部施加作用力；同时，通过水压控制***对岩样的上部施加稳定水压，开展不同水压条件下、不同岩样厚度弯曲变形破坏条件下的声发射和渗流试验，并实时记录水压-流量数据采集仪、轴向加载***以及声发射设备输出的数据。
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