CN112461725A - 一种用于采动破裂岩石的渗流特性测试***及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于采动破裂岩石的渗流特性测试***及试验方法，它涉及力学、实验与采矿领域，包括加载装置、控制装置、夹持装置和监测装置。为实现采动破裂岩石的再加载及渗流特性测试，夹持装置的卡槽采用拱体结构，卡槽端部开口内均布内卡齿，夹持装置的卡环为端部均布外卡齿的拱体结构，卡环外卡齿与卡槽内卡齿咬合以阻止再加载过程中的环向鼓胀破碎并保证准确的对破裂岩石试件的整体渗流测试。加载装置、控制装置、夹持装置和监测装置之间通过管线相互连接、连通，以电信号的形式反馈试件信息和接受指令。该测试***相对于其他实验体系，经济实用、操作简便，可较好的实现采动破裂岩石的再加载，获取准确的采动破裂岩石渗流特性。
Description
技术领域
本发明涉及到一种用于采动破裂岩石的渗流特性测试***及试验方法，尤其是一种针对煤矿开采引起的不同应力路径下采动破裂岩石的变形-应力-渗流的测试***与试验方法，属于力学、实验与采矿领域。
背景技术
在大型的矿山深部工程中，采动破裂岩石的物理特性是影响工程安全施工与长期稳定的重要因素。如在煤矿开采中，由于采动作用，工作面岩石均出现破裂，且在继续掘进的过程中已破裂的围岩会受到应力作用进一步的破碎，进而影响煤矿开采的正常进行。
采动破裂岩石历经应力演化后进一步破碎，由于岩石的碎胀特性，岩石会发生鼓胀。发生鼓胀的岩石在周围岩石的挤压状态下，采动破裂岩石会承受局部更大的围压。
现有的采动破裂岩石物理测试***中，采动破裂岩石物理试验机多采用整体式框架以对岩石试件进行静水加载，无法实现三向压缩状态，仅通过单一方向压缩与岩石试件的侧向的反向压缩来代替应力状态，而过于局部的应力状态使得研究会存在一定的偏差，这与实际工程现场呈现的岩石应力路径演变不相符。在岩石的渗流-应力实验中，由于普通的采动破裂岩石物理试验机未能对试件施加环向约束，导致无法对出现明显裂隙特征的岩石试件继续施加轴向应力，而采动破裂岩石试件还会进一步发生环向的鼓胀破碎。
为实现采动破裂岩石的再加载，获取准确的采动破裂岩石物理特性，就必须对岩石试件施加外部环向限制，用于采动破裂岩石的渗流特性测试***及试验方法应运而生。
发明内容
本发明的目的是为克服现有的采动破裂岩石物理试验机无法进行采动破裂岩石的变路径加载、无法实现采动破裂岩石的三向压缩状态和无法对采动破裂岩石试件施加轴向应力的不足，以进行采动破裂岩石在不同围压下变形-应力-渗流的实验并提高采矿的安全性、经济性、科学性。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于采动破裂岩石的渗流特性测试***，其特征在于：包括加载装置、控制装置、夹持装置和监测装置。
所述加载装置包括孔压管控装置、围压管控装置、快速衰减渗透控制装置和三轴加载装置。所述三轴加载装置包括压机、压头、加载底座、密封仓。所述压头包括上下两个压头，中间夹持采动破裂岩石试件，且均与所述加载底座相连通。所述加载底座上有多组电信号传输通道，分别与孔压管控装置、围压管控装置及快速衰减渗透控制装置连接，以电信号的形式反馈试件信息和接受指令。所述三轴加载装置通过所述压头固定采动破裂岩石试件，通过所述压机向上部的压头施加竖向力，从而向采动破裂岩石试件施加轴向应力，通过所述密封仓密闭注油，通过调节围压管控装置施加围压。
所述控制装置包括主控台和显示器，所述控制装置通过管线与所述孔压管控装置、围压管控装置和快速衰减渗透控制装置以及三轴加载装置中的压机、加载底座和密封仓相连接。
所述夹持装置包括卡槽和卡环，所述卡槽和卡环内部包裹着采动破裂岩石试件。所述卡槽为端部开口的拱体结构，采用钢质材料制成。所述卡槽端部开口内一侧为光滑曲面，另一侧为均匀排布的内卡齿。所述内卡齿高度与所述卡槽高度相等，该内卡齿顶端冲向所述光滑曲面一侧。所述卡环为拱体结构，采用钢质材料制成。所述卡环高度与所述卡槽高度相等。所述卡环端部有均匀排布的外卡齿，该外卡齿规格与所述内卡齿相同，顶端向远心侧凸起。所述卡槽端部开口内一侧的所述光滑曲面和另一侧的所述内卡齿的尖端沿径向方向连线的水平距离与所述卡环内壁表面和外卡齿顶端沿径向方向连线的水平距离相等。
所述监测装置包括环向监测装置和轴向监测装置。所述环向监测装置具有一定弹性，安装后呈环状围绕在所述夹持装置外侧，以进行环向数据监测。所述轴向监测装置包括测量器和轴向定位环，所述轴向定位环水平夹持在压头上，轴向定位环之间通过引伸计相对位移改变以进行轴向数据监测。
进一步的，上述测试***的技术方案中，加载装置采用高刚度加载装置，采用一端加载、一端固定的模式；
进一步的，上述测试***的技术方案中，夹持装置的内卡齿和外卡齿为三棱柱结构，三棱柱结构的内卡齿和外卡齿的顶端角度介于45度与90度之间且内卡齿顶端靠近开口一侧为长边。
进一步的，上述测试***的技术方案中，夹持装置的卡槽和卡环的高度低于采动破裂岩石试件高度，卡槽的厚度是岩石试件直径的十分之一。
进一步的，上述测试***的技术方案中，夹持装置的卡环预先***卡槽中。
所述实验***可以对在不同围压不同周压下破裂岩石进行渗流实验，因此也可以对破裂岩石进行三轴岩石力学实验。
所以本发明公开了用于采动破裂岩石渗流特性测试***的试验方法，包括如下两个实验及步骤：
1、三轴岩石力学试验：
S1：包裹含采动破裂岩石试件，将包裹好的采动破裂岩石试件放置在加载底座上的压头之间；
S2：安装夹持装置，扣紧卡环，使夹持装置紧贴包裹的采动破裂岩石试件；
S3：包裹夹持装置，并安装监测装置；
S4：通过控制装置降下压机压紧压头，使压头与经步骤S1-S3处理过的采动破裂岩石试件贴紧；
S5：通过控制装置降下密封仓密闭，密闭后操作围压管控装置注油施加围压到实验值；
S6：通过控制装置升降压机对压头施轴向力，直至应力达到峰值应力；
S7：采用管线连接控制装置与加载装置，通过控制装置记录试件加载全过程的应力路径演变，记录试件的加载时间、加载差应力、围压及孔压变化、轴向位移及压力变化；
S8：采用监测装置记录试件环向和轴向变化过程，记录试件轴向、环向应变；
S9：采用数据统计及图形图像分析软件，筛选数据并绘制全应力-应变曲线，计算得到采动破裂岩石试件的内聚力、内摩擦角、不同围压条件下的体积应变和三轴压缩强度。
2、岩石渗流试验：
S1：将采动破裂岩石试件浸泡直至饱和；S2：包裹饱和的采动破裂岩石试件，将包裹好的采动破裂岩石试件放置在加载底座上的压头之间；
S3：安装夹持装置，扣紧卡环，使夹持装置紧贴包裹好的采动破裂岩石试件；
S4：包裹夹持装置，并安装监测装置；
S5：通过控制装置降下压机压紧压头，使压头与经步骤S1-S3处理过的采动破裂岩石试件贴紧；
S6：通过控制装置降下密封仓密闭，密闭后操作围压管控装置注油施加围压到实验值；
S7：通过控制装置升降压机对压头施力，直至应力达到实验值；
S8：通过试件上部的压头注入具有一定压力值的液体，进行稳态法的渗流试验；
S9：停止渗流，将实验压力值变到下一个应力梯度，重复步骤S7-S8；
S10：采用管线连接控制装置与加载装置，通过控制装置记录试件采用稳态法的渗流试验的全过程，记录试件的流量变化及加载时间；
S11：采用监测装置记录试件环向和轴向变化过程，记录试件轴向、环向应变；
S12：采用数据统计及图形图像分析软件，筛选数据并绘制渗流就一个梯度-时间曲线及渗流-围压变化曲线。
进一步的，所述步骤S4中，采用端部平整的热塑管包裹夹持装置并热封热塑管，安装监测装置后通过控制装置调正归零；
进一步的，所述步骤S5中，压机与压头有稳定接触时的接触力接近0.1KN，压机压紧压头时的偏应力为0.2MPa。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、该采动破裂岩石的渗流特性测试***中加载装置采用轴向加载模式，方便夹持装置的安装和施展，使得夹持装置不会受压头轴向作用力且受试件作用力均匀，多组多实验室试件尺寸的压头有利于实验的多元化和压头的意外损毁。
2、该采动破裂岩石的渗流特性测试***中控制装置采用伺服控制***可随时改变控制参数，监测采动破裂岩石试件变化情况。
3、该采动破裂岩石的渗流特性测试***中夹持装置采用钢制卡槽和卡环，有利于减小部件本身的形变，卡环预先***卡槽中，有利于防止卡环错位。
4、该采动破裂岩石的渗流特性测试***中夹持装置的内卡齿和外卡齿之间咬合-受力移动-咬合的模式、可设计的内卡齿和外卡齿的顶端朝向以及内卡齿和外卡齿的规格，有利于实现不同限制条件下采动破裂岩石试件的变路径再加载。
5、该采动破裂岩石的渗流特性测试***中监测装置易于改装，有利于实现不同尺寸采动破裂岩石试件的监测，与控制装置相结合，准确反馈采动破裂岩石试件的动态变化。
6、该采动破裂岩石的渗流特性试验方法充分考量了采动破裂岩石的渗流特性测试***的功能，运用该实验方法通过该测试***能对完整岩石进行单三轴加载，施加夹持装置能继续进行采动破裂岩石试验，避免了由于岩石试验机刚度不同造成的试验误差。
总之，该采动破裂岩石的渗流特性测试***及试验方法安全、方便、经济、易操作、适用性强，有助于采动破裂岩石在不同围压下的变形-应力-渗流实验的进行和岩石物理特性的获取。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的用于采动破裂岩石的渗流特性测试***的结构示意图；
图2是本发明实施例的用于采动破裂岩石的渗流特性试验方法的工作流程示意图；
图3是本发明的采动破裂岩石试件与夹持装置三维构造示意图。
图中，1-加载装置；2-孔压管控装置；3-围压管控装置；4-快速衰减渗透控制装置；5-三轴加载装置；6-压机；7-压头；8-加载底座；9-密封仓；10-控制装置；11-主控台；12-显示器；13-夹持装置；14-卡槽；15-卡环；16-卡槽端部开口；17-光滑曲面；18-内卡齿；19-外卡齿；20-卡环内壁；21-采动破裂岩石试件；22-监测装置；23-环向监测装置；24-轴向监测装置；25-测量器；26-轴向定位环。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和图3所示：一种用于采动破裂岩石的渗流特性测试的测试***，其特征在于：包括加载装置、控制装置和夹持装置。
如图1所示，所述加载装置1包括孔压管控装置2、围压管控装置3、快速衰减渗透控制装置4和三轴加载装置5。所述三轴加载装置5包括压机6、压头7、加载底座8、密封仓9。所述压头7包括上下两个压头，中间夹持采动破裂岩石试件21，且均与所述加载底座8相互连接、连通。所述加载底座8上有多组电信号传输通道，分别与孔压管控装置2、围压管控装置3及快速衰减渗透控制装置4连接，以电信号的形式反馈试件信息和接受指令。所述三轴加载装置5通过所述压头7固定采动破裂岩石试件21，通过所述压机6向上部的压头施加竖向力，从而向采动破裂岩石试件21施加轴向应力，通过所述密封仓9密闭注油，通过调节围压管控装置9施加围压。
如图1所示，所述控制装置10包括主控台11和显示器12，所述控制装置10通过管线与所述孔压管控装置2、围压管控装置3和快速衰减渗透控制装置4以及三轴加载装置5中的压机6、加载底座8和密封仓9相连接。
如图3所示，所述夹持装置13包括卡槽14和卡环15，所述卡槽14和卡环15内部包裹着采动破裂岩石试件21。所述卡槽14为端部开口的拱体结构，采用钢质材料制成。所述卡槽端部开口16内一侧为光滑曲面17，另一侧为均匀排布的内卡齿18。所述内卡齿18高度与所述卡槽14高度相等，该内卡齿18顶端冲向所述光滑曲面17一侧。所述卡环15为拱体结构，采用钢质材料制成。所述卡环15高度与所述卡槽14高度相等。所述卡环15端部有均匀排布的外卡齿19，该外卡齿19规格与所述内卡齿18相同，顶端向远心侧凸起。所述卡槽端部开口16内一侧的所述光滑曲面17和另一侧的所述内卡齿18的尖端沿径向方向连线的水平距离与所述卡环内壁20表面和外卡齿19顶端沿径向向方向连线的水平距离相等。
如图1所示，所述监测装置22包括环向监测装置23和轴向监测装置24。所述环向监测装置23具有一定弹性，安装后呈环状围绕在所述夹持装置13外侧，以进行环向数据监测。所述轴向监测装置24包括测量器25和轴向定位环26，所述轴向定位环26水平夹持在压头上，轴向定位环26之间通过测量器25连动作用以进行轴向数据监测。
如图2所示，本发明的用于采动破裂岩石的力学及渗流特性的试验方法，具体包括如下步骤：1、三轴岩石力学试验：
S]：采用端部平整的热塑管包裹采动破裂岩石试件21并热封热塑管，将包裹好的采动破裂岩石试件21放置在加载底座8上的压头7之间，选择与采动破裂岩石试件21端部尺寸相同的压头7，使采动破裂岩石试件21的下表面边缘紧贴压头7的边缘；
S2：安装夹持装置13，扣紧卡环15，使夹持装置13紧贴包裹好的采动破裂岩石试件21；
S3：采用端部平整的热塑管包裹夹持装置13并热封热塑管，并安装监测装置22，通过控制装置10对监测装置的读数调正归零；
S4：通过控制装置10降下压机6压紧压头7，使压头7与经步骤S1-S3处理过的采动破裂岩石试件21贴紧，压机与压头有稳定接触时的接触力接近0.1KN，压机压紧压头时的偏应力为0.5MPa；
S5：通过控制装置10降下密封仓9密闭，密闭后操作围压管控装置2注入多脂硅油施加围压到实验值，在注油加压操作时，应遵循前低中高后慢的原则控制围压施加速率；
S6：通过控制装置10升降压机6对压头7均匀有梯度的施力，直至应力达到峰值应变；
S7：采用管线连接控制装置10与加载装置1，通过控制装置10记录试件21加载全过程的应力路径演变，记录试件的加载时间、加载差应力、围压及孔压变化、轴向位移及压力变化；
S8：采用监测装置22记录试件环向和轴向变化过程，记录试件轴向、环向应变；
2、岩石渗流试验：
S1：采用抽气式加压缸，将采动破裂岩石试件21浸泡在缸内的溶液中直至饱和；
S2：采用端部平整的热塑管包裹采动破裂岩石试件21并热封热塑管，将包裹好的采动破裂岩石21试件放置在加载底座8上的压头7之间，选择与采动破裂岩石试件21端部尺寸相同的压头7，使采动破裂岩石试件21的下表面边缘紧贴压头7的边缘；
S3：安装夹持装置13，扣紧卡环15，使夹持装置13紧贴包裹好的采动破裂岩石试件21；
S4：采用端部平整的热塑管包裹夹持装置13并热封热塑管，并安装监测装置22，通过控制装置10对监测装置的读数调正归零；
S5：通过控制装置10降下压机6压紧压头7，使压头7与经步骤S1-S3处理过的采动破裂岩石试件21贴紧，压机与压头有稳定接触时的接触力接近0.1KN，压机压紧压头时的偏应力为0.5MPa；
S6：通过控制装置10降下密封仓9密闭，密闭后操作围压管控装置2注入多脂硅油施加围压到实验值，在注油加压操作时，应遵循前低中高后慢的原则控制围压施加速率；
S7：通过控制装置10升降压机6均匀有梯度对压头7施力，直至应力达到实验值；
S8：通过试件上部的压头7注入具有一定压力值的液体，进行稳态法的渗流试验；
S9：停止渗流，将实验压力值变到下一个应力梯度，重复步骤S7-S8；
S10：采用管线连接控制装置10与加载装置1，通过控制装置10记录试件采用稳态法的渗流试验的全过程，记录试件的流量变化及加载时间；
S11：采用监测装置22记录试件环向和轴向变化过程，记录试件轴向、环向应变；
总之，用于采动破裂岩石的渗流特性测试***及试验方法安全、方便、经济、易操作、适用性强，有助于破碎岩石在不同围压下的变形-应力-渗流实验的进行。此外，在此基础上还可以进一步改装研发不同压力环境下不同颗粒配比净水装置与实验装置。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种用于采动破裂岩石的渗流特性测试***，其特征在于，包括加载装置、控制装置、夹持装置和监测装置。
所述加载装置包括孔压管控装置、围压管控装置、快速衰减渗透控制装置和三轴加载装置。所述三轴加载装置包括压机、压头、加载底座、密封仓。所述压头包括上下两个压头，中间夹持采动破裂岩石试件，且均与所述加载底座相连通。所述加载底座上有多组电信号传输通道，分别与孔压管控装置、围压管控装置及快速衰减渗透控制装置连接，以电信号的形式反馈试件信息和接受指令。所述三轴加载装置通过所述压头固定采动破裂岩石试件，通过所述压机向上部的压头施加竖向力，从而向采动破裂岩石试件施加轴向应力，通过所述密封仓密闭注油，通过调节围压管控装置施加围压。
所述控制装置包括主控台和显示器，所述控制装置通过管线与所述孔压管控装置、围压管控装置和快速衰减渗透控制装置以及三轴加载装置中的压机、加载底座和密封仓相连接。
所述夹持装置包括卡槽和卡环，所述卡槽和卡环内部包裹着采动破裂岩石试件。所述卡槽为端部开口的拱体结构，采用钢质材料制成。所述卡槽端部开口内一侧为光滑曲面，另一侧为均匀排布的内卡齿。所述内卡齿高度与所述卡槽高度相等，该内卡齿顶端冲向所述光滑曲面一侧。所述卡环为拱体结构，采用钢质材料制成。所述卡环高度与所述卡槽高度相等。所述卡环端部有均匀排布的外卡齿，该外卡齿规格与所述内卡齿相同，顶端向远心侧凸起。所述卡槽端部开口内一侧的所述光滑曲面和另一侧的所述内卡齿的尖端沿径向方向连线的水平距离与所述卡环内壁表面和外卡齿顶端沿径向方向连线的水平距离相等。
所述监测装置包括环向监测装置和轴向监测装置。所述环向监测装置具有一定弹性，安装后呈环状围绕在所述夹持装置外侧，以进行环向数据监测。所述轴向监测装置包括测量器和轴向定位环，所述轴向定位环水平夹持在压头上，轴向定位环之间通过引伸计相对位移改变以进行轴向数据监测。
2.根据权利要求1所述的用于采动破裂岩石的渗流特性测试***，其特征在于，加载装置采用高刚度加载装置，采用一端加载、一端固定的模式。
3.根据权利要求2所述的用于采动破裂岩石的渗流特性测试***，其特征在于，夹持装置的内卡齿和外卡齿为三棱柱结构，三棱柱结构的内卡齿和外卡齿的顶端角度介于45度与90度之间且内卡齿顶端靠近开口一侧为长边。
4.根据权利要求3所述的用于采动破裂岩石的渗流特性测试***，其特征在于，夹持装置的卡槽和卡环的高度低于采动破裂岩石试件高度，卡槽的厚度是岩石试件直径的十分之一。
5.根据权利要求4所述的用于采动破裂岩石的渗流特性测试***，其特征在于，夹持装置的卡环预先***卡槽中。
6.一种如权利要求1-4所述的用于采动破裂岩石渗流特性测试***的试验方法，其特征在于，包括如下两个实验及步骤：
(1)三轴岩石力学试验：
S1、包裹含采动破裂岩石试件，将包裹好的采动破裂岩石试件放置在加载底座上的压头之间；
S2、安装夹持装置，扣紧卡环，使夹持装置紧贴包裹的采动破裂岩石试件；
S3、包裹夹持装置，并安装监测装置；
S4、通过控制装置降下压机压紧压头，使压头与经步骤S1-S3处理过的采动破裂岩石试件贴紧；
S5、通过控制装置降下密封仓密闭，密闭后操作围压管控装置注油施加围压到实验值；
S6、通过控制装置升降压机对压头施轴向力，直至应力达到峰值应力；
S7、采用管线连接控制装置与加载装置，通过控制装置记录试件加载全过程的应力路径演变，记录试件的加载时间、加载差应力、围压及孔压变化、轴向位移及压力变化；
S8、采用监测装置记录试件环向和轴向变化过程，记录试件轴向、环向应变；
S9、采用数据统计及图形图像分析软件，筛选数据并绘制全应力一应变曲线，计算得到采动破裂岩石试件的内聚力、内摩擦角、不同围压务件下的体积应变和三轴压缩强度。
(2)岩石渗流试验：
S1：将采动破裂岩石试件浸泡直至饱和；
S2：包裹饱和的采动破裂岩石试件，将包裹好的采动破裂岩石试件放置在加载底座上的压头之间；
S3：安装夹持装置，扣紧卡环，使夹持装置紧贴包裹好的采动破裂岩石试件；
S4：包裹夹持装置，并安装监测装置；
S5：通过控制装置降下压机压紧压头，使压头与经步骤S1-S3处理过的采动破裂岩石试件贴紧；
S6：通过控制装置降下密封仓密闭，密闭后操作围压管控装置注油施加围压到实验值；
S7：通过控制装置升降压机对压头施力，直至应力达到实验值；
S8：通过试件上部的压头注入具有一定压力值的液体，进行稳态法的渗流试验；
S9：停止渗流，将实验压力值变到下一个应力梯度，重复步骤S7-S8；
S10：采用管线连接控制装置与加载装置，通过控制装置记录试件采用稳态法的渗流试验的全过程，记录试件的流量变化及加载时间；
S11：采用监测装置记录试件环向和轴向变化过程，记录试件轴向、环向应变；
S12：采用数据统计及图形图像分析软件，筛选数据并绘制渗流就一个梯度-时间曲线及渗流-围压变化曲线。
7.根据权利要求5所述的用于采动破裂岩石的渗流特性测试***，在所述岩石渗流实验的步骤S4中，在采用端部平整的热塑管包裹夹持装置并热封热塑管，安装监测装置后通过控制装置调正归零。
8.根据权利要求6所述的用于采动破裂岩石的渗流特性测试***，在所述岩石渗流实验的步骤S5中，压机与压头有稳定接触时的接触力接近0.1KN，压机压紧压头时的偏应力为0.2MPa。
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