CN116256300B - 用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置及方法 - Google Patents
用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116256300B CN116256300B CN202310508856.9A CN202310508856A CN116256300B CN 116256300 B CN116256300 B CN 116256300B CN 202310508856 A CN202310508856 A CN 202310508856A CN 116256300 B CN116256300 B CN 116256300B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gas
- rock
- temperature
- pore
- pore structure
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000011435 rock Substances 0.000 title claims abstract description 295
- 239000011148 porous material Substances 0.000 title claims abstract description 187
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 248
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 91
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 90
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 87
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims abstract description 54
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 claims abstract description 49
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 45
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 34
- 238000009412 basement excavation Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 26
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 28
- 238000013508 migration Methods 0.000 claims description 22
- 230000005012 migration Effects 0.000 claims description 22
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 20
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 17
- 238000002336 sorption--desorption measurement Methods 0.000 claims description 16
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 14
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 11
- 239000012634 fragment Substances 0.000 claims description 8
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 6
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 4
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims description 3
- 239000003086 colorant Substances 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims 1
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 6
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 6
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 5
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 150000002829 nitrogen Chemical class 0.000 description 2
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 2
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 2
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 238000002429 nitrogen sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 230000009323 psychological health Effects 0.000 description 1
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000002341 toxic gas Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
- G01N15/088—Investigating volume, surface area, size or distribution of pores; Porosimetry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
- G01N23/02—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
- G01N23/04—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material
- G01N23/046—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material using tomography, e.g. computed tomography [CT]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/10—Geothermal energy
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Pulmonology (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
本发明公开了用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置及方法，属于围岩微观结构分析技术领域。所述装置包括：岩样夹持器、温控装置、加压装置、气体混合注入装置、CT扫描装置和低温氮气吸附装置。通过模拟现场原位温度、压力和气体条件下的气岩反应，利用CT扫描设备可视化监测并分析气体与隧道围岩的反应情况及孔隙结构的变化情况，以及利用低温氮气吸附测试获取气体与隧道围岩反应前后的孔隙结构参数变化情况，建立孔隙结构的损伤评价指标，实现了隧道开挖过程中高温高湿气体对隧道围岩孔隙结构的损伤评价，同时能有效地获取不同隧道断面的含气饱和度特征，有效填补了由高温高湿气体导致的岩石力学强度变化、结构软化方面的研究空白。
Description
技术领域
本发明涉及围岩微观结构分析技术领域，尤其涉及一种用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置及方法。
背景技术
深部煤岩、页岩及泥质砂岩等软岩地层矿井、隧道开挖，工作面温度高达35℃～40℃，相对湿度高达95%以上。高温高湿环境下开挖作业，会引起孔隙吸附气体（甲烷、二氧化碳及含硫气体等）异常运移，加剧深部湿热灾害。研究表明，深部软岩“毒气”运移在开挖、卸荷、高温以及多相渗流等地质环境下极为复杂。深部工程中的高温高湿气体不仅严重影响现场工人身心健康，还会导致围岩强度软化、诱发大变形灾害及次生灾害。目前，关于高温高湿气体对围岩软化的影响，主要侧重于宏观力学性质方面的研究，缺乏对围岩微观结构变化方面的研究，同时缺少可视化的研究手段。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了如下技术方案。
本发明第一方面提供了一种用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置，包括：岩样夹持器、温控装置、加压装置、气体混合注入装置、CT扫描装置和低温氮气吸附装置；
所述岩样夹持器用于放置夹持岩样，所述岩样包括模拟隧道开挖形成的碎块和围岩，在碎块和围岩之间形成有模拟隧道，在模拟开挖形成的围岩上形成有模拟开挖进刀线；
所述温控装置用于为所述岩样提供原位温度；所述加压装置用于为所述岩样提供原位压力；所述气体混合注入装置用于为所述岩样提供原位气体；
所述CT扫描装置用于对注气前后的岩样结构进行扫描，以对气体运移路径和孔隙结构变化进行可视化监测和分析，进而对围岩在高温高湿气体作用下的孔隙结构损伤进行定性评价；
所述低温氮气吸附装置用于对注气前后的模拟开挖形成的围岩进行低温氮气吸附测试，以利用测试数据与分形理论结合，得到用于定量评价围岩在高温高湿气体作用下的孔隙结构损伤度指标：孔隙复杂度变化率和孔隙体积变化率，进而进行定量评价。
优选地，所述装置还包括：尾端气体分离装置、气相色谱仪和电导率仪，所述尾端气体分离装置用于对尾端气体进行气液分离，所述气相色谱仪用于对气液分离得到的气体成分进行检测，所述电导率仪用于对气液分离得到的液体的电导率进行检测。
本发明第二方面提供了一种评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的方法，利用第一方面所述的装置，所述方法包括：
制作岩样；
将所述岩样固定在岩样夹持器中；
对所述岩样施加原位温度和压力，并注入原位气体以使气体与所述岩样发生气岩反应；
利用CT扫描装置对气岩反应中的气体运移路径和反应前后的孔隙结构变化进行可视化监测和分析，进而对围岩在高温高湿气体作用下的孔隙结构损伤进行定性评价；
对气岩反应前后的围岩分别进行低温氮气吸附测试，得到孔隙结构相关参数的变化；
根据孔隙结构相关参数的变化计算孔隙复杂度变化率和孔隙体积变化率，以根据孔隙复杂度变化率和/或孔隙体积变化率定量评价围岩孔隙结构损伤。
优选地，所述方法还包括：
对尾端气体进行气液分离得到气体和液体，
对气体成分进行检测和对液体的电导率进行检测。
优选地，所述制作岩样包括：
在标准岩心的中心切割出柱塞样，剩余部分作为围岩样；其中，所述柱塞样用于模拟隧道开挖中的整体碎块结构，所述围岩样用于模拟隧道开挖中的围岩，所述柱塞样和所述围岩样之间的截面用于模拟隧道开挖中的破碎岩体与围岩之间的截面。
优选地，所述利用CT扫描装置对气岩反应中的气体运移路径和反应前后的孔隙结构变化进行可视化监测和分析，进而对围岩在高温高湿气体作用下的孔隙结构损伤进行定性评价包括：
利用CT扫描装置分别对气岩反应前后的岩样进行扫描，得到岩样沿程不同位置横断面的CT扫描图；
对比气岩反应前后岩样同一位置横断面的CT扫描图，得到气岩反应中的气体运移路径；
根据所述气体运移路径分析得到反应前后的孔隙结构变化；
根据孔隙结构变化对围岩在高温高湿气体作用下的孔隙结构损伤进行定性评价。
优选地，所述根据孔隙结构相关参数的变化计算孔隙复杂度变化率，采用的计算公式包括：
式中，V为平衡压P下的气体吸附体积，Vm为一层气体吸附体积，V和Vm均通过低温氮气吸附测试获得，K为特征常数，R为气体常数，T为绝对温度，P0为氮气在液氮温度下的饱和蒸气压，D为分形维数，σ1为孔隙复杂度变化率，DI为气岩反应前的分形维数，DE为气岩反应后的分形维数，P0/P为损伤系数。
优选地，所述根据孔隙结构相关参数的变化计算孔隙体积变化率，采用的计算公式包括：
式中，K1为孔隙体积变化率，VP1为气岩反应前的孔隙体积，VP2为气岩反应后的孔隙体积，VP1和VP2均通过低温氮气吸附测试获得。
优选地，所述方法还包括：
利用低温氮气吸附测试得到气岩反应前后的气体吸附-脱附曲线；
根据气体吸附-脱附曲线的形态判断孔隙类型；
根据孔隙类型判断气岩反应前后孔隙形状的变化；
根据孔隙形状的变化评价围岩孔隙结构损伤情况。
本发明的有益效果是：本发明提供的用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置和方法，通过模拟现场原位温度、压力和气体条件下的气岩反应，利用CT扫描设备可视化监测并分析气体与岩样的反应情况以及孔隙结构的变化情况，利用低温氮气吸附测试获取气体与隧道围岩反应前后的孔隙结构参数变化情况，建立孔隙结构的损伤评价指标，实现了隧道开挖过程中高温高湿气体对隧道围岩孔隙结构的损伤评价，同时能够有效地获取不同隧道断面的含气饱和度特征，有效补充了气体导致的岩石力学强度、结构软化方面的研究。
附图说明
图1为本发明所述用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置结构示意图；
图2为真实岩样切割时的断面照片；
图3为岩样的横断面结构示意图；
图4为岩样不同位置横断面在气岩反应前后的CT扫描切片图；
图5为气岩反应后增长型的孔隙体积变化示意图；
图6为气岩反应后降低型的孔隙体积变化示意图；
图7为气岩反应前吸附-脱附曲线；
图8为气岩反应后吸附-脱附曲线。
图中，各符号的含义如下：
1、岩样夹持器，2、温控装置，3、加压装置，4、气体混合注入装置，5、CT扫描装置，6、低温氮气吸附装置，7、岩样，8、尾端气体分离装置，9、气相色谱仪，10、电导率仪，11、空气压缩机，12、氮气瓶，13、吸附仪，14、吸附仪电脑控制器，15、切割模拟的隧道断面，16、切割进刀线，17、模拟的隧道围岩结构。
具体实施方式
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置及方法。该装置主要是以X射线计算机断层扫描（CT）为主要监测装置，搭载岩样夹持器、温控装置、加压装置、气体混合注入装置、尾端气体分离装置、气相色谱仪及电导率仪，最大限度模拟了原始地层温度、压力环境，对气体反应、运移进行了可视化监测。在微观尺度上将岩样切割成隧道截面形状，通过夹持器向切割试样的裂缝注入气体，模拟隧道气体与切割面（隧道围岩外表面）的反应过程。另外，通过低温氮气吸附装置对注气前后的围岩（模拟的围岩）进行低温氮气吸附测试，得到气体-围岩反应前后围岩微观孔隙结构的参数变化，结合分形理论得到用于定量评价围岩在高温高湿气体作用下的损伤度指标，进而对隧道开挖过程中高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤进行定量评价。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供了一种用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置，包括：岩样夹持器1、温控装置2、加压装置3、气体混合注入装置4、CT扫描装置5和低温氮气吸附装置6。
所述岩样夹持器1用于放置夹持岩样7，所述岩样7用于模拟隧道开挖，所述岩样包括模拟开挖形成的碎块和围岩，在碎块和围岩之间形成有模拟隧道，在围岩上形成有模拟开挖进刀线。
所述温控装置2用于为所述岩样7提供原位温度；所述加压装置3用于为所述岩样7提供原位压力；所述气体混合注入装置4用于为所述岩样7提供原位气体。
所述CT扫描装置5用于对注气前后的岩样结构进行扫描，以对气体运移路径和孔隙结构变化进行可视化监测和分析，进而对围岩在高温高湿气体作用下的损伤进行定性评价。
所述低温氮气吸附装置6用于对注气前后的围岩进行低温氮气吸附测试，以利用测试数据与分形理论结合，得到用于定量评价围岩在高温高湿气体作用下的损伤度指标：孔隙复杂度变化率和孔隙体积变化率，进而进行定量评价。
本发明提供的用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置还包括：尾端气体分离装置8、气相色谱仪9和电导率仪10，所述尾端气体分离装置8用于对尾端气体进行气液分离，所述气相色谱仪9用于对气液分离得到的气体成分进行检测，所述电导率仪10用于对气液分离得到的液体的电导率进行检测。
在使用过程中，岩样可以选取圆柱体的，通过对岩样进行内部切割，从中心切割下来一个小圆柱体的柱塞样，该柱塞样部分可以模拟隧道开挖过程中的整体碎石结构，岩样中除去小柱塞样的其余部分可以作为围岩样，围岩样可以用于模拟整个隧道围岩结构。然后将柱塞样放入围岩样中得到岩样整体，并将整体结构放入岩样夹持器中。通过温控装置和加压装置为岩样提供地层原始压力和温度，然后在注入端通过气体混合注入装置将隧道原始气体注入到岩样中。气体混合注入装置的吸入端连接多种气体，包括空气、甲烷、二氧化碳及含硫气体，以模拟隧道开挖中的混合气体类型，由于柱塞样与围岩样之间存在缝隙空间，因此可以保证气体可以贯通。混合气体主要沿着岩样内的切割面（柱塞样和围岩样之间的空隙，即隧道外弧轮廓面）进行运移，气体会与切割面上的岩石发生反应。同时通过CT扫描装置对气体运移路径和饱和度特征进行定量可视化监测，并根据监测到的结果分析围岩孔隙结构变化。尾端气体排出后可采用尾端气体分离装置进行气液的冷凝分离，然后对分离的液体进行电导率监测，分析离子浓度变化，对分离得到的气体利用气相色谱仪进行气体组分的分析。
另外，可以在气体与岩样反应前后利用低温氮气吸附装置对围岩样进行低温氮气吸附测试，以得到气岩反应前后围岩孔隙结构的孔径大小、空隙体积、孔隙形状等参数的测试数据，然后利用测试数据与分形理论结合，建立用于定量评价围岩在高温高湿气体作用下的损伤度指标：孔隙复杂度变化率和孔隙体积变化率，最后利用这两个损伤度指标定量评价隧道开挖过程中高温高湿气体对围岩的损伤情况。其中，低温氮气吸附装置可以包括：空气压缩机11、氮气瓶12、吸附仪13和吸附仪电脑控制器14。
实施例二
本发明实施例提供了一种评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的方法，利用如实施例一所述的装置，所述方法包括：制作岩样；将所述岩样固定在岩样夹持器中；对所述岩样施加原位温度和压力，并注入原位气体以使气体与所述岩样发生气岩反应；利用CT扫描装置对气岩反应中的气体运移路径和反应前后的孔隙结构变化进行可视化监测和分析，进而对围岩在高温高湿气体作用下的损伤进行定性评价；对气岩反应前后的围岩样分别进行低温氮气吸附测试，得到孔隙结构相关参数的变化；根据孔隙结构相关参数的变化计算孔隙复杂度变化率和孔隙体积变化率，以根据孔隙复杂度变化率和/或孔隙体积变化率定量评价围岩结构损伤。
本发明实施例提供的评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的方法还可以包括：对尾端气体进行气液分离得到气体和液体，对气体成分和液体的电导率进行检测。
其中，可以按照如下方法制作岩样：在标准岩心（比如直径2.5cm、长度5cm的圆柱体）的中心切割出柱塞样（比如直径0.5cm、长度5cm的圆柱体），剩余部分作为围岩样；其中，所述柱塞样用于模拟隧道开挖中的整体碎块结构，所述围岩样用于模拟隧道开挖中的围岩，所述柱塞样和所述围岩样之间的空隙用于模拟隧道开挖中的隧道。真实岩样切割时的断面照片可如图2所示，岩样的横断面结构可如图3所示，在图3中包括切割模拟的隧道断面15、切割进刀线16以及模拟的隧道围岩结构17。
本发明实施例中，所述利用CT扫描装置对气岩反应中的气体运移路径和反应前后的孔隙结构变化进行可视化监测和分析，进而对围岩在高温高湿气体作用下的损伤进行定性评价包括：利用CT扫描装置分别对气岩反应前后的岩样进行扫描，得到岩样沿程不同位置横断面的CT扫描图；对比气岩反应前后岩样同一位置横断面的CT扫描图，得到气岩反应中的气体运移路径；根据所述气体运移路径分析得到围岩反应前后的孔隙结构变化；根据孔隙结构变化对围岩在高温高湿气体作用下的损伤进行定性评价。
其中，可以利用CT扫描数据，采用定性或定量的方法获得气体运移路径。定性方法为：在CT扫描图中，气体和围岩骨架显示为不同的颜色，通过观察CT扫描图可以得到气体运移路径。定量方法为：根据CT扫描数据获取围岩不同断面位置的含气饱和度，再利用不同断面位置的含气饱和度分析得到气体运移路径。
在本发明实施例中，所述根据孔隙结构相关参数的变化计算孔隙复杂度变化率，采用的计算公式可以包括：
式中，V为平衡压P下的气体吸附体积，Vm为一层气体吸附体积，V和Vm均通过低温氮气吸附测试获得，K为特征常数，R为气体常数，T为绝对温度，P0为氮气在液氮温度下的饱和蒸气压，D为分形维数，σ1为孔隙复杂度变化率，DI为气岩反应前的分形维数，DE为气岩反应后的分形维数，P0/P为损伤系数。
所述根据孔隙结构相关参数的变化计算孔隙体积变化率，采用的计算公式包括：
式中，K1为孔隙体积变化率，VP1为气岩反应前的孔隙体积，VP2为气岩反应后的孔隙体积，VP1和VP2均通过低温氮气吸附测试获得。
在本发明的一个优选实施例中，评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的方法还可以包括：利用低温氮气吸附测试得到气岩反应前后的气体吸附-脱附曲线；根据气体吸附-脱附曲线的形态判断孔隙类型；根据孔隙类型判断气岩反应前后孔隙形状的变化；根据孔隙形状的变化评价围岩损伤情况。
在一个具体实施例中，可以利用本发明提供的装置按照如下步骤和计算方法评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤。
步骤一，采用线切割对标准岩心（直径2.5cm、长度5cm）进行切割，在标准岩心中心切割出小柱塞样（直径0.5cm、长度5cm），剩余部分作为围岩样。
步骤二，将制备好的围岩样放入烘干箱中烘干24小时后取出静置，然后将围岩样放入低温氮气吸附装置中进行测量，得到孔隙结构的各类参数比如孔径、孔隙体积、气体吸附体积等。
步骤三，测试完成后将柱塞样放回到取出的围岩样中，后将岩样整体放入夹持器中，对夹持器加上所处地层条件下的围压和温度，同时对岩样进行气体混合注入，并利用CT扫描装置分别对气岩反应前后的岩样进行扫描，得到岩样沿程不同位置横断面的CT扫描图。
步骤四，待尾端气压稳定时，关闭进出口阀门，静置24小时，使气体与孔隙结构发生反应。
步骤五，待静置完毕后，打开尾端阀门，将气体通入气液分离装置，然后将气体接入气相色谱仪进行气体成分分析，将液体接入电导率仪测试电导率。
步骤六，实验完毕将岩样取出，静置12小时后，将围岩样放入低温氮气吸附装置中进行测量，得到反应后孔隙结构各类参数。
对上述实验得到的数据进行整理分析，对围岩损伤进行评价。
本发明采用的数据的分析方法主要包括两种，一种为岩样-气体作用过程中，通过CT在线扫描，提取CT切片图进行孔隙结构可视化分析，此类分析方法主要是从微观角度监测了气体-岩样反应的过程。CT设备中的放射源可在扫描过程中发射X射线，X射线大部分可以穿过岩样整个结构，对整个岩样结构进行扫描，岩样注气前后分别进行CT扫描，通过对比注气前后的CT切片图，可以得到岩样结构同一位置下的孔隙结构变化情况。
如图4展示了四个断面位置的CT扫描切片图，其中，图4中的(a)和图4中的(b)分别展示了岩样第一个断面位置在注气前和注气后的CT切片1，图4中的(c)和图4中的(d)分别展示了岩样第二个断面位置在注气前和注气后的CT切片2，图4中的(e)和图4中的(f)分别展示了岩样第三个断面位置在注气前和注气后的CT切片3，图4中的(g)和图4中的(h)分别展示了岩样第四个断面位置在注气前和注气后的CT切片4。对比图4中的(a)和图4中的(b)中框线部分可以看出，岩样在注气前上部结构呈现灰色，这是由于岩样材料本身的空间变异性不同导致的，而在注气后，同一位置的灰色的程度加深，且灰色区域的范围增大，说明此处结构发生了破坏。因此，利用注气前后的CT扫描切片图的对比，可以得到如下结论：隧道断面在遇高温高湿气体后，其上部结构发生了破坏损伤。通过分析CT扫描的图片数据（比如图4中的CT扫描切片图），可以对隧道围岩整体结构进行分析和评价。
第二类数据分析方法是定量分析孔隙结构的损伤，创新地提出了在气岩反应前后进行低温氮气吸附测量的方法，同时将吸附试验数据与分形理论结合，建立评价围岩在高温高湿气体作用下的损伤度的方法。损伤度评价主要基于两个指标，一个指标为孔隙复杂度变化率。首先基于分形理论计算分形维数，再利用注气前后的分形维数计算孔隙复杂度变化率。具体实施过程中，可以在注气前后分别对围岩样进行低温氮气吸附测试，并提取反应前后的吸附数据，然后利用这些数据计算注气前后的分形维数。分形维数越大，孔隙结构越复杂。具体的，可以采用如下公式进行计算：
式中，V为平衡压P下的气体吸附体积，Vm为一层气体吸附体积，V和Vm均通过低温氮气吸附测试获得，K为特征常数，R为气体常数，T为绝对温度(T=77.36K)，P0为饱和氮气压力(P0=100.74KPa)，D为分形维数，σ1为孔隙复杂度变化率，DI为气岩反应前的分形维数，DE为气岩反应后的分形维数。
在具体计算过程中，可以通过对变形得到如下公式：
利用公式可以得到拟合曲线，其中，C为拟合曲线的截距，α为拟合曲线的斜率。可以根据拟合曲线的斜率α计算分形维数，包括计反应前分形维数DI和反应后分形维数算DE，最后计算孔隙复杂度变化率σ1。
根据孔隙复杂度变化率可以评价围岩的损伤度。比如在一个示例中，孔隙复杂度变化率与围岩损伤度之间的关系如表1所示。需要说明的是，表1为测试的部分围岩孔隙复杂度变化率与损伤度之间的关系，不代表所有围岩的孔隙复杂度变化率与损伤程度分布范围，仅供参考。
损伤度评价的另一个指标为孔隙体积变化率。通过对比气岩反应前后的孔隙体积变化，研究高温高湿气体与隧道内外表面的反应程度，反应过程中由于发生了化学变化，导致部分孔隙体积增加或者减少。因此通过计算孔隙体积变化率可以反应孔隙结构损伤度。
孔隙体积变化率可以采用如下公式计算：
式中，K1为孔隙体积变化率，VP1为气岩反应前的孔隙体积，VP2为气岩反应后的孔隙体积，VP1和VP2均通过低温氮气吸附测试获得。
如图5和图6，分别为气岩反应前的孔隙累积体积-孔隙半径的关系曲线、以及气岩反应后的孔隙累积体积-孔隙半径的关系曲线。根据气岩反应试验可以获取反应前后孔隙体积与孔隙半径的数据。通过对不同围岩体积变化类型进行分析可知，气体与岩样反应后，孔隙体积变化包括增长型（图5）和降低型（图6）。从图5中可以看出，气岩反应前，围岩孔隙体积累积量（孔隙累积体积）大于反应后的孔隙体积累积量，说明在反应过程中，孔隙结构破坏，孔隙大小以减小趋势为主。从图6中可以看出，气岩反应前，围岩孔隙体积累积量（孔隙累积体积）小于反应后的孔隙体积累积量，说明在反应过程中，孔隙结构破坏，孔隙大小以增大趋势为主，部分围岩基质不再胶结，而是散落成微纳米颗粒，增大了孔隙空间。各条曲线最终点的孔隙累积体积即为孔隙总体积，对两条孔隙累积体积-孔隙半径的关系曲线的最终点进行求差，差值与反应前的初始孔隙体积的商即为孔隙体积变化率。需要说明的是，孔隙累积体积是指小于其对应的孔隙半径的所有孔隙的体积之和。当孔隙半径为最大值时，其对应的孔隙累积体积即为所有半径的孔隙的总体积。
根据孔隙体积变化率可以评价围岩的损伤度。比如在一个示例中，孔隙体积变化率与围岩损伤度之间的关系如表2所示。需要说明的是，表2为测试的部分围岩孔隙体积变化率与损伤度之间的关系，不代表所有围岩的孔隙体积变化率与损伤程度分布范围，仅供参考。
在低温氮气吸附测试中，不仅可以得到孔隙体积参数，还可以得到吸附-脱附曲线。不同的吸附-脱附曲线的形态可以代表不同的孔隙类型。在岩样与高温高湿气体反应试验前，可以获取吸附-脱附曲线（如图7所示）。在岩样与高温高湿气体反应试验后，也可以获取吸附-脱附曲线（如图8所示）。在图7和图8中，P为平衡压，P0为饱和氮气压力，P/P0为低温氮气吸附装置输出的数据，是一个相对比值；Va为单层吸附量 [cm3 (STP)g-1]，表示转化成标准状态下的覆盖所有固体表面的气体分子体积。对比气岩反应前后吸附-脱附曲线形态，可以分析孔隙类型是否发生变化。对比图7和8所示的两组吸附-脱附曲线，发现气岩反应前后的吸附-脱附曲线形态未发生变化，因此可以得知对应岩样的孔隙形态未发生变化。可见，利用气岩反应前后吸附-脱附曲线，可以对孔隙结构损伤进行评价。因此，采用本发明实施例提供的装置和评价方法，能够准确研究隧道开挖中高温高湿气体对围岩的孔隙结构损伤。
本发明中，通过恢复原始隧道地层围岩应力条件，以及保证原始地层相同的温度状况及气体成分，可有效监测孔隙结构损伤过程，包括孔径的前后变化、孔隙体积的变化、孔隙类型的变化，也实现了对整体孔隙损伤程度的评价。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的方法，其特征在于，利用用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置，所述装置包括：岩样夹持器、温控装置、加压装置、气体混合注入装置、CT扫描装置和低温氮气吸附装置；
所述岩样夹持器用于放置夹持岩样，所述岩样包括模拟隧道开挖形成的碎块和围岩，在碎块和围岩之间形成有模拟隧道，在围岩上形成有模拟开挖进刀线；
所述温控装置用于为所述岩样提供原位温度；所述加压装置用于为所述岩样提供原位压力；所述气体混合注入装置用于为所述岩样提供原位气体；
所述CT扫描装置用于对注气前后的岩样结构进行扫描，以对气体运移路径和孔隙结构变化进行可视化监测和分析，进而对围岩在高温高湿气体作用下的孔隙结构损伤进行定性评价；
所述低温氮气吸附装置用于对注气前后的围岩进行低温氮气吸附测试，以利用测试数据与分形理论结合，得到用于定量评价围岩在高温高湿气体作用下的孔隙结构损伤度指标：孔隙复杂度变化率和孔隙体积变化率，进而进行定量评价；
所述方法包括：
制作岩样，包括：在标准岩心的中心切割出柱塞样，剩余部分作为围岩样；其中，所述柱塞样用于模拟隧道开挖中的破碎岩体结构，所述围岩样用于模拟隧道开挖中的围岩，所述柱塞样和所述围岩样之间的截面用于模拟隧道开挖中的破碎岩体与围岩之间的截面；
将所述岩样固定在岩样夹持器中；
对所述岩样施加原位温度和压力，并注入原位气体以使气体与所述岩样发生气岩反应；
利用CT扫描装置对气岩反应中的气体运移路径和反应前后的孔隙结构变化进行可视化监测和分析，进而对围岩在高温高湿气体作用下的孔隙结构损伤进行定性评价，包括：利用CT扫描装置分别对气岩反应前后的岩样进行扫描，得到岩样沿程不同位置横断面的CT扫描图；对比气岩反应前后岩样同一位置横断面的CT扫描图，得到气岩反应中的气体运移路径，在CT扫描图中，气体和围岩骨架显示为不同的颜色，通过观察CT扫描图可以得到气体运移路径；根据所述气体运移路径分析得到反应前后的孔隙结构变化；根据孔隙结构变化对围岩在高温高湿气体作用下的孔隙结构损伤进行定性评价；
对气岩反应前后的围岩分别进行低温氮气吸附测试，得到孔隙结构相关参数的变化；
根据孔隙结构相关参数的变化计算孔隙复杂度变化率和孔隙体积变化率，以根据孔隙复杂度变化率和/或孔隙体积变化率定量评价围岩孔隙结构损伤；
所述根据孔隙结构相关参数的变化计算孔隙复杂度变化率，采用的计算公式包括：
，
，
式中，V为平衡压P下的气体吸附体积，Vm为一层气体吸附体积，V和Vm均通过低温氮气吸附测试获得，K为特征常数，R为气体常数，T为绝对温度，P0为氮气在液氮温度下的饱和蒸气压，D为分形维数，σ 1为孔隙复杂度变化率，D I 为气岩反应前的分形维数，D E 为气岩反应后的分形维数，P0/P为损伤系数；
所述根据孔隙结构相关参数的变化计算孔隙体积变化率，采用的计算公式包括：
，
式中，K 1为孔隙体积变化率，V P1为气岩反应前的孔隙体积，V P2为气岩反应后的孔隙体积，V P1和V P2均通过低温氮气吸附测试获得。
2.如权利要求1所述的评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的方法，其特征在于，所述用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置还包括：尾端气体分离装置、气相色谱仪和电导率仪，所述尾端气体分离装置用于对尾端气体进行气液分离，所述气相色谱仪用于对气液分离得到的气体成分进行检测，所述电导率仪用于对气液分离得到的液体的电导率进行检测。
3.如权利要求2所述的评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对尾端气体进行气液分离得到气体和液体，
对气体成分进行检测和对液体的电导率进行检测。
4.如权利要求2所述的评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用低温氮气吸附测试得到气岩反应前后的气体吸附-脱附曲线；
根据气体吸附-脱附曲线的形态判断孔隙类型；
根据孔隙类型判断气岩反应前后孔隙形状的变化；
根据孔隙形状的变化评价围岩孔隙结构损伤情况。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310508856.9A CN116256300B (zh) | 2023-05-08 | 2023-05-08 | 用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310508856.9A CN116256300B (zh) | 2023-05-08 | 2023-05-08 | 用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116256300A CN116256300A (zh) | 2023-06-13 |
| CN116256300B true CN116256300B (zh) | 2023-10-13 |
Family
ID=86684592
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310508856.9A Active CN116256300B (zh) | 2023-05-08 | 2023-05-08 | 用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116256300B (zh) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104931403A (zh) * | 2015-06-11 | 2015-09-23 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 各向异性岩石损伤程度测试装置及其测试方法 |
| WO2016168882A1 (en) * | 2015-04-18 | 2016-10-27 | Stewart Penelope Clair | Statistical method for micro-scale rock damage quantification and characterisation using x-ray micro-tomography |
| CN107590349A (zh) * | 2017-09-30 | 2018-01-16 | 湘潭大学 | 混凝土构件裂缝分形的损伤程度评定方法 |
| CN108458957A (zh) * | 2017-02-21 | 2018-08-28 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种模拟水岩反应的装置及方法 |
| CN207991936U (zh) * | 2018-01-03 | 2018-10-19 | 重庆交通大学 | 一种模拟高应力区地下工程开挖岩爆试验装置 |
| CN111896565A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-11-06 | 河海大学 | 一种深埋高压注浆隧洞围岩渗透特性与承载能力测试方法 |
| CN112284923A (zh) * | 2020-11-23 | 2021-01-29 | 太原理工大学 | 一种多功能高温高压岩石真三轴实验***及方法 |
| CN113109182A (zh) * | 2020-06-30 | 2021-07-13 | 东南大学 | 一种基于体积变化率确定岩石节理动态损伤的实验方法 |
| WO2022056944A1 (zh) * | 2020-09-16 | 2022-03-24 | 东北大学 | 一种融合微观ct在线扫描的岩石真三轴试验***及方法 |
-
2023
- 2023-05-08 CN CN202310508856.9A patent/CN116256300B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016168882A1 (en) * | 2015-04-18 | 2016-10-27 | Stewart Penelope Clair | Statistical method for micro-scale rock damage quantification and characterisation using x-ray micro-tomography |
| CN104931403A (zh) * | 2015-06-11 | 2015-09-23 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 各向异性岩石损伤程度测试装置及其测试方法 |
| CN108458957A (zh) * | 2017-02-21 | 2018-08-28 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种模拟水岩反应的装置及方法 |
| CN107590349A (zh) * | 2017-09-30 | 2018-01-16 | 湘潭大学 | 混凝土构件裂缝分形的损伤程度评定方法 |
| CN207991936U (zh) * | 2018-01-03 | 2018-10-19 | 重庆交通大学 | 一种模拟高应力区地下工程开挖岩爆试验装置 |
| CN111896565A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-11-06 | 河海大学 | 一种深埋高压注浆隧洞围岩渗透特性与承载能力测试方法 |
| CN113109182A (zh) * | 2020-06-30 | 2021-07-13 | 东南大学 | 一种基于体积变化率确定岩石节理动态损伤的实验方法 |
| WO2022056944A1 (zh) * | 2020-09-16 | 2022-03-24 | 东北大学 | 一种融合微观ct在线扫描的岩石真三轴试验***及方法 |
| CN112284923A (zh) * | 2020-11-23 | 2021-01-29 | 太原理工大学 | 一种多功能高温高压岩石真三轴实验***及方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 于炳松 等.《富有机质页岩沉积环境与成岩作用》.华东理工大学出版社,2016,第217-219页. * |
| 基于氩气吸附的页岩纳米级孔隙结构表征;朱汉卿 等;《岩性油气藏》;第30卷(第2期);第77-84页 * |
| 王宇 等.《岩体细观结构力学工业CT技术与应用》.冶金工业出版社,2021,第8页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116256300A (zh) | 2023-06-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110879271B (zh) | 一种模拟地层条件下co2-水-岩反应的实验装置及方法 | |
| RU2302631C2 (ru) | Способ и устройство для моделирования pvt-параметров | |
| CN110006738B (zh) | 一种基于应力应变曲线和划痕测试的岩石脆性评价方法 | |
| EP3789941A1 (en) | Method and apparatus for predicting production of oil and gas obtained from shale oil in-situ exploitation | |
| Klein et al. | A model for the mechanical behaviour of Bentheim sandstone in the brittle regime | |
| Sampath et al. | Evaluation of the mechanical behaviour of brine+ CO2 saturated brown coal under mono-cyclic uni-axial compression | |
| CN109060928A (zh) | 定量判定碳酸盐岩胶结物形成与油气充注时序的方法与装置 | |
| CN106644873A (zh) | 页岩有机质孔隙体积的表征方法 | |
| Zhang et al. | Fracture evolution and localization effect of damage in rock based on wave velocity imaging technology | |
| Cheng et al. | Mesoscopic crack initiation, propagation, and coalescence mechanisms of coal under shear loading | |
| Aligholi et al. | A new methodology inspired from the Theory of Critical Distances for determination of inherent tensile strength and fracture toughness of rock materials | |
| CN113029746A (zh) | 一种通过细/微观力学测试来确定页岩宏观模量的方法 | |
| CN116256300B (zh) | 用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置及方法 | |
| CN112946780B (zh) | 走滑断裂活动期次的确定方法及装置 | |
| Lu et al. | On measuring methods and influencing factors of air permeability of soils: An overview and a preliminary database | |
| Chen et al. | Microfracture characterization of shale constrained by mineralogy and bedding | |
| CN112485282A (zh) | 含气体水合物沉积物土水特征曲线的测量***及其方法 | |
| Johnston | Silurian and Lower Devonian engineering properties | |
| Arslan et al. | Correlation of unconfined compressive strength with Young's modulus and Poisson's ratio in gypsum from Sivas (Turkey) | |
| Wu et al. | Interactive Machine Learning Improves Accuracy of Coal Porosity Segmentation in Focused Ion Beam–Scanning Electron Microscopy Images | |
| CN105606510B (zh) | 充填贯通裂隙岩石渗流性能对比试验检测方法 | |
| Huayan et al. | EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON THE POINT LOAD STRENGTH OF RED-BED SILTSTONE WITH DIFFERENT SHAPES. | |
| CN113049784A (zh) | 一种适用于泥页岩储层水敏的预测方法 | |
| CN111521535B (zh) | 不同气水比条件下二氧化碳与岩石的反应规律测试方法 | |
| CN115355059B (zh) | 一种煤层封闭孔的孔-裂隙瓦斯含量测定方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |