CN110095346A - 高孔隙压力和应力波复合作用下岩石破坏的试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高孔隙压力和应力波复合作用下岩石破坏的试验装置及试验方法，所述试验装置由式样加载装置，高压气体发生装置和应力波发生装置组成。所述试样加载装置由底座、圆柱体高压仓、脆性封闭薄膜、气压动态传感器及应力波传感器等组成；所述高压气体发生装置由高压密封装置、控制阀及压力表组成，并通过进气管与圆柱体高压仓预留的进气口相连；所述应力波发生装置放置于岩石试样底部进行应力波的发射。试验装置结构简单，设计合理，装配容易；通过设置脆性封闭薄片，达到自动打开突出口的目的，从而消除了手动打开突出口的速度对岩石破裂的影响；同时考虑了由于地震、施工荷载、***等活动产生的应力波影响。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学实验领域，具体为一种高孔隙压力和应力波复合作用下岩石破坏的试验装置及试验方法。
背景技术
在我国深部地下能源和资源开发利用领域中，开采深度越来越大。而在深部地下环境中，岩石中往往含有高压气体，在受地震、施工荷载、***等活动产生的应力波影响时，可能会导致岩石的爆裂。如煤层（煤属于岩石的一种，下文统称为岩石，不在赘述）中含有高压瓦斯时，就有可能造成煤与瓦斯突出，灾害爆发的巨大能量能够摧毁设备，造成经济损失，也会导致人员的伤亡。
虽然国内外对于高压气体造成岩石破裂的机理进行了大量的探索与试验，但由于影响因素众多，发生机理复杂。目前的研究对于相关认识仍然停留在定性分析和半定量化描述的阶段，对发生机理的认识尚不清晰和明确，这导致了在深部地下工程中要投入大量的人力、物力及财力用来防治相关灾害，制约了经济效益。因此，探究高压气体造成岩石破裂发生机理对于灾害防治，提高产能和经济效益具有重要的意义。
目前，国内外所用的方法一般是向含有岩石的密闭容器内充入高压气体，待岩石吸附平衡后，突然打开容器的突出口，以此来模拟相关情况的发生。但是，现有的研究所用的模拟装置需要手动打开，而手动打开突出口的速度会影响到岩石破裂的时间及能量变化规律；此外，现有的研究尚未考虑到应力波的影响。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺点，提供一种高孔隙压力和应力波复合作用下对岩石破坏的试验装置与方法，以探究相关现象的发生与机理演化规律。
本发明是通过以下技术方案来实现上述目的：
一种高孔隙压力和应力波复合作用下岩石破坏的试验装置, 包括式样加载装置、高压气体发生装置和应力波发生装置；所述试样加载装置包括底座，所述底座上方安装高压仓，该高压仓上方设有可拆卸的带有突出口的盖子，所述盖子在突出口密封有脆性封闭薄膜，所述高压仓上安装有气压动态传感器和应力波传感器，所述气压动态传感器和应力波传感器与数据记录仪相连接，所述数据记录仪与计算机通过数据线相连接；
所述高压气体发生装置包括高压密封罐体，所述高压密封罐体上方设置有控制阀和压力表，所述高压气体装置通过进气管与高压仓预留的进气口相连接；
所述应力波发生装置包括应力波控制器和应力波发射器，应力波控制器上的发射器安装在高压仓上进行应力波的发射。
上述的一种高孔隙压力和应力波复合作用下岩石破坏的试验装置，所述高压仓与上方盖子通过螺纹连接。
上述的高孔隙压力和应力波复合作用下岩石破坏的试验装置的试验方法，包括如下步骤：
（1）将岩石试件放入高压仓内；
（2）安装好气压动态传感器；
（3）安装好脆性封闭薄片，并检查其密闭性；
（4）将应力波控制器、发射器与应力波传感器安装好；
（5）从进气管注入气体，使得高压仓达到恒定高压状态，并在高压状态中持续一定的时段后开启应力波控制器，发射的应力波触发脆性封闭薄膜打开，气体卸压，于是，试件在应力波和气体卸压的共同作用下破坏，记录试验过程中的气压动态传感器和应力波传感器数据。
由于所述岩石试样的低渗透率特性，岩石试样须在饱和高压气体中持续渗透10h以上。
上述的高孔隙压力和应力波复合作用下岩石破坏的试验装置的试验方法，高压仓配套有不同半径突出口的盖子，使得不同半径的开口达到控制气体卸压速率的目的。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
试验装置结构简单，设计合理，装配容易；通过设置脆性封闭薄片，达到自动打开突出口的目的，从而消除了手动打开突出口的速度对岩石破裂的影响；同时考虑了由于地震、施工荷载、***等活动产生的应力波影响。实用性强，便于推广使用。
附图说明
图1是本发明提供的高孔隙压力和应力波复合作用下岩石破坏的试验装置结构示意图。
图中：1-底座，2-高压仓，3-脆性封闭薄膜，4-盖子，5-气压动态传感器，6-应力波传感器，7-高压密封罐体，8-控制阀，9-压力表，10-进气管，11-数据记录仪，12-计算机，13-应力波控制器，14-岩石试件,15-发射器。
具体实施方式
以下为进一步说明本发明的内容、特点及功效，参照附图和实施例对本发明作详细说明。
如图1所示：本发明提供了一种高孔隙压力和应力波复合作用下岩石破坏的试验装置，包括：式样加载装置、高压气体发生装置和应力波发生器。
所述试样加载装置包括底座1，所述底座上方安装圆柱体高压仓2，该圆柱体高压仓上方设有可拆卸的带有突出口的盖子4，所述盖子4与圆柱体高压仓2通过螺纹连接，所述盖子4在突出口密封有脆性封闭薄膜3，脆性封闭薄膜3的材料可选用陶瓷，脆性封闭薄膜3为薄的陶瓷片，密封性是通过密封胶来实现。所述圆柱体高压仓2上分别安装有气压动态传感器5和应力波传感器6，所述气压动态传感器5和应力波传感器6与数据记录仪11相连接，所述数据记录仪与计算机12通过数据线相连接。
所述高压气体发生装置包括高压密封罐体7，所述高压密封罐体7上方设置有控制阀8和压力表9。所述高压气体装置通过进气管10与圆柱体高压仓2预留的进气口相连接。
应力波控制器13上的发射器15安装在高压仓2上进行应力波的发射。
试验方法通过以下步骤实现：
（1）将岩石试件14放入圆柱体高压仓2内；
（2）安装好气压动态传感器5；
（3）安装好脆性封闭薄膜3，并检查其密闭性；
（4）将应力波控制器13、发射器15与应力波传感器6安装好；
（5）从进气管10注入气体，使得圆柱体高压仓2达到恒定高压状态，并在高压状态中持续一定的时段后开启应力波发生器13。发射的应力波触发脆性封闭薄膜打开，气体卸压。高压仓2配套有不同半径突出口的盖子4，使得不同半径的开口达到控制气体卸压速率的目的。
于是，试件在应力波和气体卸压的共同作用下作用下破坏，记录试验过程中的气压动态传感器5和应力波传感器6数据。
由于所述岩石试样的低渗透率特性，岩石试样须在饱和高压气体中持续渗透10h以上。
本试验装置在试验前，先利用高精度CT扫描每个试件，确定试件原始孔隙和裂隙的分布特征，并在计算机中绘制成三维裂隙分布模型；利用电镜扫描试件表面和钻孔表面孔隙及裂隙分布，绘制每个试件的表面孔隙与裂隙分布图；在试验过程中，需记录气压的大小和应力波的特征（如波长、频率、振幅等）；利用声发射仪测定岩体试样在冲击波作用过程中裂隙的增生分布特征；试验后，利用CT和电镜将冲击波作用后的岩体试样的内部裂隙和表面裂隙分布特征绘制于三维图中，分析裂隙增长与破坏规律和气压、应力波特征及原始孔隙间的关系，建立气压、应力波耦合作用下岩体的力学分析模型，分析不同环境条件下裂隙生成、扩展和破坏的条件与机制，建立静载、孔隙压力、应力波耦合作用下岩体裂隙增生和破坏的基本判据。
本发明相对于现有技术，试验装置结构简单，设计合理，装配容易；通过设置脆性封闭薄膜，达到自动打开突出口的目的，从而消除了手动打开突出口的速度对岩石破裂的影响；同时考虑了由于地震、施工荷载、***等活动产生的应力波影响。实用性强，便于推广使用。
应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种高孔隙压力和应力波复合作用下岩石破坏的试验装置，其特征在于：包括式样加载装置、高压气体发生装置和应力波发生装置；
所述试样加载装置包括底座（1），所述底座上方安装高压仓（2），该高压仓上方设有可拆卸的带有突出口的盖子（4），所述盖子（4）在突出口密封有脆性封闭薄膜（3），所述高压仓（2）上安装有气压动态传感器（5）和应力波传感器（6），所述气压动态传感器（5）和应力波传感器（6）与数据记录仪（11）相连接，所述数据记录仪（11）与计算机（12）通过数据线相连接；
所述高压气体发生装置包括高压密封罐体（7），所述高压密封罐体（7）上方设置有控制阀（8）和压力表（9），所述高压气体装置通过进气管（10）与高压仓（2）预留的进气口相连接；
所述应力波发生装置包括应力波控制器（13）和应力波发射器，应力波控制器（13）上的发射器（15）安装在高压仓（2）上进行应力波的发射。
2.根据权利要求1所述的一种高孔隙压力和应力波复合作用下岩石破坏的试验装置，其特征在于：所述高压仓（2）与上方盖子（4）通过螺纹连接。
3.一种如权利要求1或2所述的高孔隙压力和应力波复合作用下岩石破坏的试验装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）将岩石试件（14）放入高压仓（2）内；
（2）安装好气压动态传感器（5）；
（3）安装好脆性封闭薄片（3），并检查其密闭性；
（4）将应力波控制器（13）、发射器（15）与应力波传感器（6）安装好；
（5）从进气管（10）注入气体，使得高压仓（2）达到恒定高压状态，并在高压状态中持续一定的时段后开启应力波发生器（13），发射的应力波触发脆性封闭薄膜（3）打开，气体卸压，于是，试件在应力波和气体卸压的共同作用下破坏。
4.根据权利要求3所述的高孔隙压力和应力波复合作用下岩石破坏的试验装置的试验方法，其特征在于：由于所述岩石试样的低渗透率特性，岩石试样须在饱和高压气体中持续渗透10h以上。
5.根据权利要求3所述的高孔隙压力和应力波复合作用下岩石破坏的试验装置的试验方法，其特征在于高压仓（2）配套有不同半径突出口的盖子（4），使得不同半径的开口达到控制气体卸压速率的目的。
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