CN102175529A - 一种破碎岩样蠕变渗透全程耦合试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种破碎岩样蠕变渗透全程耦合试验系统，包括液压轴向加载系统、渗透系统、数据显示和监控器件，轴向加载系统通过柱塞泵、电磁溢流阀、单向阀、压力继电器、储能器、二位四通换向阀实现油路压力的稳定提供和保持，并把油路中稳定的压力通过液压缸、圆管和活塞实现轴向力的加载和保持；渗透系统通过电动试压泵、进水管、单向阀、毛毡层、多孔透水板对密封于缸筒内的破碎岩样进行自下而上的渗透，利用压力表、水压表、压力传感器、位移计和流量传感器等对蠕变、渗透试验过程进行实时显示和监控，整个系统置于带有滚轮的平板形推车上，便于移动，该系统结构简洁，密封快速，操作方便，适用于破碎岩石的压缩蠕变、渗透和蠕变渗透全程耦合试验。

Description

一种破碎岩样蠕变渗透全程耦合试验系统

技术领域

本发明涉及一种破碎岩石力学性质的测试系统及测试方法，尤其是一种破碎岩样蠕变渗透全程耦合的试验系统。

背景技术

破碎岩石广泛存在于自然界和工程界。采矿工程中具有残余承载能力的破碎岩体，其变形、渗流行为对岩体内部液体和气体运移及地面建筑和环境会带来严重影响。破碎岩体具有孔隙度大、渗透率高等特点，其渗透率比完整岩体大一至数个量级，故岩石工程中因渗流引起的重大灾害事故常发生在破碎岩体中。破碎岩体的蠕变行为会造成采场上方地面建筑物的下沉、巷道围岩衬砌支护反力及其位移随时间的变化、基于道床铁轨水平度的改变、楼房基础及大坝和边坡的失稳等。

破碎岩体的蠕变与渗流之间存在耦合作用。蠕变引起破碎岩体孔隙度的变化，从而引起其渗透特性(渗透率、非Darcy流因子以及加速度系数)的变化；反之，孔隙和渗透特性的变化引起渗流场(压力场、速度场)的变化，从而引起破碎岩体蠕变特性参量的变化。蠕变与渗流的耦合作用常会加剧围岩结构的失稳，引发突水及地面塌陷等动力灾害事故。利用室内试验研究破碎岩石蠕变性质与渗透性质的相互影响，是解决岩石力学和岩土工程技术领域中渗流与蠕变流固耦合作用问题的基本方法和手段。

近年来，国内外学者对岩样的蠕变性质和渗透性进行了大量的试验研究，主要体现在以下几个方面：

(1)标准圆柱状岩样在围压和轴压共同作用的渗透试验；

(2)破裂圆柱状岩样的渗透试验；

(3)弯曲岩样在加载过程中的渗透试验；

(4)圆板状岩样在破坏过程中的渗透性试验；

(5)圆柱状岩石在单轴和三轴压缩条件下的蠕变试验；

(6)破碎岩石的蠕变试验；

(7)破碎岩石蠕变阶段中的渗透性试验；

目前，人们对破碎岩石的蠕变或渗流作为独立的过程已进行了较多的试验研究，但两者相互影响的试验成果以及蠕变全过程中的渗透特性试验的研究资料却很少，这主要是因为缺少针对破碎岩样蠕变-渗透全程耦合的试验系统。在现有的岩石流固多相耦合试验装置中，马占国(专利号：200510039249.4)等采用多级杠杆机构施加轴向载荷，并用力传感器测定轴向压力，通过砝码的移动改变载荷，但其专利技术中没有介绍渗透压力和流量的控制方法及相应的数据采集元件，因而不能得到蠕变过程中的渗透性变化规律。冯夏庭的应力、水流、化学耦合岩石单轴压缩蠕变仪(200820191318.2)适合于标准圆柱状岩样及裂隙岩样的蠕变及渗透性研究，但缺少针对散状破碎岩石蠕变时的渗透密封及固定的装置，因而，不适用于破碎岩石蠕变与渗透全程耦合的试验研究。现在国内使用的从美国进口的MTS系统岩石力学试验系统，配合国内生产的破碎岩石渗透仪(专利ZL02219458.4)虽然可以进行破碎岩石的蠕变及渗透试验，由于破碎岩石渗透实验中的渗透速度较大，蠕变持续时间较长，但其渗透系统增压器注水容量小，活塞行程只有100mm，造成蠕变过程中渗流过程的不连续性。且该系统价格昂贵，结构较复杂，需经过专门培训的试验人员才能操作此设备；有的试验装置采用手摇泵向岩样施加轴向载荷、渗透压力差及围压，由于手摇泵流量很小，所以也只适用于低渗透率岩样的渗透性试验。综上所述，现有的岩石力学蠕变或渗透装置皆无法满足破碎岩石蠕变全程的渗透试验及数据的采集与分析要求。

发明内容

为了解决传统的破碎岩样蠕变渗透试验技术存在的不足，本发明提出了利用液压系统施加轴向压力和渗透压差的一种破碎岩样蠕变渗透全程耦合试验系统，可以实时显示和监控蠕变变形及渗透压力和流量，经过简单计算得到每级轴向载荷作用下破碎岩石的孔隙度时间曲线、孔隙度变化率的时间曲线；每级轴向载荷作用下控制不同的流速，可得到孔隙压力梯度与渗流速度关系曲线，经过曲线拟合得到破碎岩石在蠕变过程中的渗透特性随孔隙率的变化规律。该系统结构简洁、组装灵活、可扩充性强，试验成本低，密封快速，操作方便，具有较强的实用性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该一种破碎岩样蠕变渗透全程耦合试验系统包括轴向加压系统、渗透系统、数据显示和监控器件；该试验系统有一个底部带有滚轮的平板形推车，该推车的底板上固定安装有方框形的支架；该支架内，上部固定安装有液压轴向加压系统，下部对应安装有渗透系统；该轴向加压系统有一个与支架顶面固定连接的液压缸，该液压缸的底端垂直固定连接有一个空心圆管，空心圆管的一侧设有位移计；该渗透系统有一个竖向缸筒，该缸筒的底端固定安装有密封的底座，缸筒顶部吻合安装有活塞，该活塞的顶面与圆管的底面相接；该底座和活塞分别与缸筒用O形密封圈密封；该底座和活塞的中轴上分别安装有竖向的进水管和出水管，该出水管的外端连接有水箱，进水管上设有防止水逆流的单向阀，并顺序与带有阀门的水压表、压力传感器、流量传感器和电动试压泵11连接；该底座和活塞之间顺序对应设有毛毡层和多孔透水板，该多孔透水板之间夹紧固定有试验岩样。

轴向加载系统采用柱塞泵吸取油箱中的液压油开始工作，通过柱塞泵、电磁溢流阀、单向阀、压力继电器、储能器、二位四通换向阀和压力表实现油路压力的稳定提供和保持，并把油路中稳定的压力通过液压缸实现轴向力的加载和保持；渗透系统由电动试压泵提供渗透所需的水压，流体由进水管流入，经单向阀自下而上通过毛毡层、多孔透水板进入岩样，再经出水管流入水箱，在实验中，可通过带有阀门的压力表、水压表以及位移计实时显示及监控实验数据，并可通过压力传感器和流量传感器将流量和压力转换为电信号，输入到外接的数据采集仪进行记录、分析。

本发明的有益效果是：该一种破碎岩样蠕变渗透全程耦合试验系统，可进行破碎岩样蠕变渗透全程耦合试验研究，或蠕变与渗流单一过程的试验研究；可实时显示和监控蠕变变形和渗透压力和流量，利用外接数据采集仪，可记录蠕变变形及渗流压力随时间的变化变化规律；可得到每一级轴向载荷作用下蠕变各时刻的即时孔隙度及其变化率的大小；在每一级载荷下，控制不同的流速，可得到孔隙压力梯度与渗流速度关系曲线；可得到不同孔隙率下的渗透特性参量；系统结构简洁，组装灵活、可扩充性强，试验成本低，密封快速，操作方便，性能可靠，具有较强的实用性。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

附图1为该一种破碎岩样蠕变渗透全程耦合试验系统的结构示意图。

附图2为轴向加压系统的结构示意图。

附图3为渗透系统的结构示意图。

在图中，1.推车，2.支架，3.缸筒，4.水箱，5.空心圆管，6.位移计，7.液压缸，8.水压表，9.压力传感器，10.流量传感器，11.电动试压泵，12.油箱，13.柱塞泵，14.电磁溢流阀，15.单向阀，16.压力继电器，17.储能器，18.二位四通换向阀，19.压力表，20.压力传感器，21.出水管，22.活塞，23.岩样，24.多孔透水板，25.毛毡层，26.单向阀，27.缸筒，28.底座，29.进水管。

具体实施方式

在附图中，该一种破碎岩样蠕变渗透全程耦合试验系统包括轴向加压系统、渗透系统、数据显示和监控器件；该试验系统有一个底部带有滚轮的平板形推车1，该推车1的底板上固定安装有方框形的支架2；该支架2内，上部固定安装有液压轴向加压系统，下部对应安装有渗透系统；该轴向加压系统有一个与支架2顶面固定连接的液压缸7，该液压缸7的底端垂直固定连接有一个用于轴向加载的空心圆管5，空心圆管5的一侧设有位移计6；该渗透系统有一个竖向缸筒3，该缸筒3的底端固定安装有密封的底座28，缸筒3顶部吻合安装有活塞22，该活塞22的顶面与圆管5的底面相接；该底座28和活塞22分别与缸筒3用O形密封圈密封；该底座28和活塞22的中轴上分别安装有竖向的进水管29和出水管21，该出水管21的外端连接有水箱4，进水管29上设有防止水逆流的单向阀26，并顺序与带有阀门的水压表8、压力传感器9、流量传感器10和电动试压泵11连接；该底座28和活塞22之间顺序对应设有毛毡层25和多孔透水板24，该多孔透水板24之间夹紧固定有试验岩样23。

轴向加载系统采用柱塞泵13吸取油箱12中的液压油开始工作，通过电磁溢流阀14、单向阀15、压力继电器16、储能器17和二位四通换向阀18实现油路压力的稳定提供和保持，并把油路中稳定的压力通过液压缸7实现轴向力的加载和保持；渗透系统由电动试压泵11提供渗透所需的水压，流体由进水管29流入，经单向阀26自下而上通过毛毡层25、多孔透水板24进入岩样23，再经出水管21流入水箱4，在实验中，可通过带有阀门的压力表20、水压表8以及位移计6实时显示实验数据，并可通过压力传感器9、20和流量传感器10将流量和压力转换为电信号，输入到外接的数据采集仪进行记录、分析，通过实验数据计算蠕变各时刻的孔隙度、孔隙度的变化率，得到不同流速下的孔隙压力梯度与渗流速度关系曲线，不同孔隙度(轴向位移)下的渗透特性参量以及渗透性参量随孔隙度的变化曲线。

与试验相关的计算原理及公式

(1)轴向载荷

柱塞泵13输出的经过压力表19读得的液压油压力为p，根据液压缸7的内径D，得到轴向压力为

$F=p\·\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2$

此载荷经过空心圆管5及活塞22传给岩样23。

(2)每一级轴向载荷下各时刻的孔隙度

设岩样23的质量为m，岩芯密度为ρ，H₀为岩样23装入缸筒27内在未加载前的初始高度，S为由位移计读得的岩样23的位移，固定岩样的缸筒27内径所对应的横截面积为A，则岩样23在蠕变时各时刻的孔隙度为

$\mathrm{\φ}=1-\frac{m}{\mathrm{\ρA}(H_0-S)}$

(3)各时刻孔隙度的变化率

设采样时间间距为τ，根据向前差分公式，定义在某一采样时刻t的孔隙度对时间的变化率φ^&为

其中φ₂、φ₁分别为t时刻及其上一时刻(t-τ)岩样23的孔隙度。

(4)孔隙压力梯度与渗流速度

电动试压泵11输出压力为p₁的液体，经过管路输送到岩样23的下端，岩样23上部与大气连通(即p₂＝0)，这样岩样23的两端形成压差Δp＝p₂-p₁＝-p₁。由流量传感器10获得的横截面的流量为Q，设固定岩样23的缸筒27横截面积为A，则岩样23中渗流速度分别为

设岩样23的高度为H，H＝H₀-S，则压力梯度为

$\frac{\∂p}{\∂x}=\frac{\mathrm{\Δp}}{H}-\frac{{-p}_1}{H}$

(5)孔隙压力梯度与渗流速度关系曲线

采用流量传感器10和压力传感器9将流量和压力转换为电信号，输入到数据采集器，可以记录流量Q和压力p₁，从而可以得到各岩样的渗流速度—压力梯度曲线(散点图)。用二次多项式拟合渗流速度与压力梯度的关系，即

$\frac{\∂p}{\∂x}=-\frac{\mathrm{\μ}}{k}\mathrm{\υ}-{\mathrm{\ρ\β\υ}}^2$

其中k、β分别为岩样渗透率、非Darcy流β因子，ρ为渗透液体的质量密度，μ为渗透液体的动力粘度。岩样23渗透率、非Darcy流β因子是表征岩样23渗透特性的参数，蠕变-渗透试验的目的就是测定岩样23在不同蠕变阶段，对应不同孔隙度时的渗透特性参数。

(6)渗透特性随孔隙度的变化曲线

由不同孔隙度φ时的渗透特性参数k、β，可绘制k、β随φ的变化曲线，进而分析蠕变对渗流特性的影响。

(7)还可以与无渗流时的蠕变试验结果进行对比，分析渗流对蠕变特性的影响，分别构建破碎岩石在有、无渗流时的蠕变本构模型。为破碎岩石的蠕变-渗流耦合的理论分析提供试验依据。

Claims (4)

1.一种破碎岩样蠕变渗透全程耦合试验系统，包括轴向加压系统、渗透系统、数据显示和监控器件；该试验系统有一个底部带有滚轮的平板形推车(1)，该推车(1)的底板上固定安装有方框形的支架(2)；其特征是：该支架(2)内，上部固定安装有液压轴向加压系统，下部对应安装有渗透系统；该轴向加压系统有一个与支架(2)顶面固定连接的液压缸(7)，该液压缸(7)的底端垂直固定连接有一个用于轴向加载的空心圆管(5)，空心圆管(5)的一侧设有位移计(6)；该渗透系统有一个竖向缸筒(3)，该缸筒(3)的底端固定安装有密封的底座(28)，缸筒(3)顶部吻合安装有活塞(22)，该活塞(22)的顶面与圆管(5)的底面相接；该底座(28)和活塞(22)分别与缸筒(3)用O形密封圈密封；该底座(28)和活塞(22)的中轴上分别安装有竖向的进水管(29)和出水管(21)，该出水管(21)的外端连接有水箱(4)，进水管(29)上设有防止水逆流的单向阀(26)，并顺序与带有阀门的水压表(8)、压力传感器(9)、流量传感器(10)和电动试压泵(11)连接；该底座(28)和活塞(22)之间顺序对应设有毛毡层(25)和多孔透水板(24)，该多孔透水板(24)之间夹紧固定有试验岩样(23)。

2.根据权利要求1所述一种破碎岩样蠕变渗透全程耦合试验系统，其特征是：轴向加载系统采用柱塞泵(13)吸取油箱(12)中的液压油开始工作，通过电磁溢流阀(14)、单向阀(15)、压力继电器(16)、储能器(17)和二位四通换向阀(18)实现油路压力的稳定提供和保持，并把油路中稳定的压力通过液压缸(7)实现轴向力的加载和保持。

3.根据权利要求1所述一种破碎岩样蠕变渗透全程耦合试验系统，其特征是：渗透系统由电动试压泵(11)提供渗透所需的水压，流体由进水管(29)流入，经单向阀(26)自下而上通过毛毡层(25)、多孔透水板(24)进入岩样(23)，再经出水管(21)流入水箱(4)。

4.根据权利要求1所述一种破碎岩样蠕变渗透全程耦合试验系统，其特征是：通过带有阀门的压力表(20)、水压表(8)以及位移计(6)实时显示和监控实验数据，并可通过压力传感器(9、20)和流量传感器(10)将流量和压力转换为电信号，输入到外接的数据采集仪进行记录、分析。

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