CN103760088B - 破碎岩石三轴渗流试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种破碎岩石三轴渗流试验系统，包括电子万能试验机、渗透装置、渗透液液压系统、围压液压系统、电子分析天平和计算机，电子分析天平上放置有量筒；渗透装置包括底座、外缸筒、筒盖、下压头、内缸筒、套筒、下半凹面压头、上半凸面压头和活塞，活塞上设有渗透液出口，底座上设有渗透液入口，底座侧部设有围压液入口；渗透液液压系统包括渗透液箱、第一液压泵、单向阀、渗透液压力表和渗透液溢流阀，围压液压系统包括围压液箱、第二液压泵、围压液压力表和围压液溢流阀；另外，本发明还提供了利用该系统进行破碎岩石三轴渗流试验的方法。本发明能够真实地反映破碎岩样渗透过程中的变形情况，能够准确地测量岩样初始高度，试验精度高。

Description

破碎岩石三轴渗流试验系统及方法

技术领域

本发明属于岩石力学性质试验技术领域，尤其是涉及一种破碎岩石三轴渗流试验系统及方法。

背景技术

为了研究煤岩体在三向受压状态下的渗流特性，国内外已经做了诸多的试验研究，总结起来，所做的试验研究基本上可分为两种：一种是对标准圆柱体岩样进行围压可调的三轴渗流试验；另一种是对破碎岩样进行围压不可调的三轴渗流试验。然而，第一种试验尽管能对围压进行调节，但是该装置只能适用于标准圆柱体岩样，不能对破碎岩样进行三轴渗流试验；第二种试验虽然能适用于破碎岩样，但是不能对围压进行调节。矿井深部堆积的岩体通常为破碎岩体，该岩体往往具有很高的围压，且围压各不相同，若不能调节围压，不能提供高强围压，试验所得到的破碎岩石渗流特性势必与真实情况相差甚远，因此以上两种试验不能很好的满足破碎岩石三轴渗流试验。而针对此问题，诸多学者也曾提出围压可调的破碎岩石三轴渗流试验系统的构想，但是由于破碎岩样围压难以控制、孔隙度和渗透截面积难以测定、装料和密封难以实现等问题不能很好解决，因此至今都没有设计出很好的破碎岩石三轴渗流试验系统。

另外，在研究煤岩体的渗流特性时，国内外学者做了较多的试验，测量流量的方法总结起来可以分为两种：一种是用量筒测量渗透液体积，秒表测量时间；另一种是直接在管路上安装流量计。然而第一种方法的量筒读液体体积和人工控制秒表存在很大误差；第二种在渗透液流量较小时，流量计测流量的误差很大，且二种方法均不能断定渗流稳定时段。岩石的渗流属于小流量渗流，在岩石渗流试验中，流量是非常重要的参数，因此如何准确测量此参数成为试验的关键。而且，现有技术中的破碎岩样三轴渗流试验用渗透装置还存在以下缺陷和不足：（1）只有一层径向固定的缸筒，该缸筒限制了破碎岩样在渗流过程中的径向变形，不能真实地反映破碎岩样渗透过程中的变形情况；（2）不能直接测量所装岩样的初始高度，需额外配备钢尺等测量工具，给试验增加了测量误差；（3）满足不了围压可调的破碎岩石三轴渗流试验所需的渗透时破碎岩样的渗透截面积可测量和破碎岩样密封严实、防止围压液进入等要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计合理、装配使用方便、密封性能好、能够真实地反映破碎岩样渗透过程中的变形情况的破碎岩石三轴渗流试验系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种破碎岩石三轴渗流试验系统，其特征在于：包括电子万能试验机、渗透装置、渗透液液压系统、围压液压系统、电子分析天平和计算机，所述渗透装置对中放置在电子万能试验机的底座上，所述电子分析天平上放置有量筒，所述电子万能试验机和电子分析天平均与计算机相接；

所述渗透装置包括底座、固定连接在底座顶部的外缸筒和固定连接在外缸筒顶部的筒盖，所述底座顶部中间位置处设置有凹槽，所述凹槽内放置有下压头，所述外缸筒内设置有位于下压头顶部的内缸筒和位于内缸筒顶部的套筒，所述下压头、内缸筒和套筒通过电工胶带缠绕为一个整体，所述套筒内从下到上依次设置有下半凹面压头、上半凸面压头和活塞，所述下压头上端面与下半凹面压头下端面之间的空间为用于放置破碎岩样的破碎岩样容腔，所述下半凹面压头和上半凸面压头相配合且其中心均设置有渗透液传输通道，所述活塞上设置有刻度，所述活塞向上穿出到所述筒盖外部，且所述筒盖的中间位置处设置有供活塞穿过的通孔，所述活塞的上端面位于所述电子万能试验机的压头的正下方，所述活塞上沿轴线方向设置有渗透液流出通道，所述活塞上设置有与所述渗透液流出通道相连通的渗透液出口，所述底座的中部和下压头的中部设置有与破碎岩样容腔相连通的渗透液流入通道，所述底座上设置有与渗透液流入通道相连通的渗透液入口，所述底座上设置有与外缸筒和内缸筒之间的空间相连通的围压液流入通道，所述底座侧部设置有与围压液流入通道相连通的围压液入口，所述外缸筒侧面设有排气口，所述排气口上连接有排气口塞；

所述渗透液液压系统包括渗透液箱和一端与渗透液箱连接的渗透液流入管，所述渗透液流入管的另一端与渗透液入口连接，所述渗透液流入管上从连接渗透液箱到渗透液入口的方向依次连接有第一液压泵和单向阀，位于第一液压泵和单向阀之间的一段渗透液流入管上连接有渗透液溢流管，所述渗透液溢流管上连接有渗透液压力表和渗透液溢流阀，所述渗透液出口上连接有插入量筒内的渗透液流出管；位于渗透液溢流管和单向阀之间的一段渗透液流入管上连接有渗透液流量计，位于单向阀和渗透液入口之间的一段渗透液流入管上连接有用于对流入渗透装置内的渗透液温度进行检测的第一温度计，渗透液流出管上连接有用于对流出渗透装置内的渗透液温度进行检测的第二温度计；

所述围压液压系统包括围压液箱和一端与围压液箱连接的围压液流入管，所述围压液流入管的另一端与围压液入口连接，所述围压液流入管上连接有第二液压泵，位于第二液压泵和围压液入口之间的一段围压液流入管上连接有围压液溢流管，所述围压液溢流管上连接有围压液压力表和围压液溢流阀，位于围压液溢流管和围压液入口之间的一段围压液流入管上连接有围压液回流管，所述围压液回流管上连接有围压液回流阀。

上述的破碎岩石三轴渗流试验系统，其特征在于：所述底座与下压头之间、底座与外缸筒之间、外缸筒与筒盖之间、下半凹面压头和上半凸面压头之间、套筒与活塞之间以及筒盖与活塞之间均设置有密封圈。

上述的破碎岩石三轴渗流试验系统，其特征在于：所述外缸筒通过第一螺栓固定连接在底座顶部，所述筒盖通过第二螺栓固定连接在外缸筒顶部。

上述的破碎岩石三轴渗流试验系统，其特征在于：所述下压头外轮廓的形状、内缸筒外轮廓的形状和套筒外轮廓的形状均为圆柱状，所述内缸筒的内径和套筒的内径相等，且所述下压头的外径、内缸筒的外径和套筒的外径均相等。

上述的破碎岩石三轴渗流试验系统，其特征在于：所述内缸筒由多个从下到上依次叠放在一起的圆环构件组合而成，所述圆环构件由四个四分之一圆环卡合连接而成。

上述的破碎岩石三轴渗流试验系统，其特征在于：所述四分之一圆环的一端设置有凸起，所述凸起上设置有中间销钉孔；所述四分之一圆环的另一端设置有与凸起相配合的凹槽，位于凹槽上方和下方的四分之一圆环上分别设置有与中间销钉孔相配合的上销钉孔和下销钉孔。

本发明还提供了一种能够测量孔隙度、能够测试在不同的围压调节下煤矿深部破碎堆积岩体的渗流特性、试验精度高的破碎岩石三轴渗流试验方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、组装破碎岩石三轴渗流试验系统，其具体过程为：

步骤101、将多个圆环构件从下到上依次叠放在一起，并将四个销钉分别穿入上下对齐的四组上销钉孔、中间销钉孔和下销钉孔中，组合成内缸筒；

步骤102、将内缸筒放置在下压头上，并用电工胶带从下到上将下压头与内缸筒缠绕在一起；

步骤103、去除四个销钉，在内缸筒的顶部放置套筒，并用电工胶带继续从下到上将内缸筒与套筒缠绕在一起；

步骤104、在内缸筒和套筒内放入起始高度为h₀₀的破碎岩样，其中，h₀₀<H，H为内缸筒的高度；

步骤105、在破碎岩样的顶部放置下半凹面压头，再在下半凹面压头顶部放置上半凸面压头；

步骤106、将步骤101～步骤105组装完成的整体放置在设置在底座顶部中间位置处的凹槽内；

步骤107、将外缸筒放置在底座顶部并将外缸筒固定连接在底座顶部；

步骤108、将活塞穿过设置在筒盖中间位置处的通孔中，并将筒盖放置在外缸筒顶部，且将筒盖固定连接在外缸筒顶部，同时保证活塞插入到套筒内；

步骤109、将渗透液流入管连接到渗透液入口上，并将渗透液流出管连接到渗透液出口上；

步骤1010、将围压液流入管连接到围压液入口上；

步骤1011、将渗透液流出管插入量筒内，并将量筒放置在电子分析天平上；

步骤1012、将电子万能试验机和电子分析天平均与计算机连接，并将步骤101～步骤108组装完成的渗透装置对中放置在电子万能试验机的底座上，且使活塞的上端面位于所述电子万能试验机的压头的正下方；

步骤二、测量破碎岩样的初始高度h₀：在计算机上，打开预先安装好的电子万能试验机软件和电子分析天平软件，操作电子万能试验机软件启动电子万能试验机，并设定电子万能试验机的压头下压活塞的速度参数，电子万能试验机的压头根据设定的速度参数下压活塞，当显示在电子万能试验机软件中的压头压力参数开始增大时，判断为活塞、上半凸面压头、下半凹面压头和破碎岩样四者已充分接触，操作电子万能试验机软件使电子万能试验机的压头停止下压；此时，查看活塞上的刻度，得到活塞露出筒盖外部的高度h₃，并根据公式h₀=h₁+h₂+h₃+h₇-h₄-h₅-h₆计算出破碎岩样的初始高度h₀，其中，h₁为设置在底座顶部中间位置处的凹槽的深度，h₂为外缸筒的高度，h₄为活塞的高度，h₅为充分接触在一起后的上半凸面压头和下半凹面压头的总高度，h₆为下压头的高度，h₇为筒盖的高度；

步骤三、给破碎岩样加载压力为a₁MPa的围压：取下连接在排气口上的排气口塞，打开排气口，打开围压液溢流阀的进液开关，开启围压液压系统，围压液箱内的围压液经过第二液压泵加压后经由围压液流入管和围压液入口流入外缸筒与内缸筒之间的空间内；当排气口有围压液流出时，将排气口塞连接在排气口上，关闭排气口；调节围压液溢流阀，使围压液压力表显示a₁MPa，此时即将围压液压力调节到了a₁MPa，围压液将压力作用传递给缠绕有电工胶带的内缸筒，内缸筒再将压力作用传递给其内部的破碎岩样；其中，a₁的取值为大于0的有理数；

步骤四、给破碎岩样中通入压力为b₁MPa的渗透液并记录从渗透液出口中流出的渗透液的重量：打开渗透液溢流阀的进液开关，开启渗透液液压系统，调节渗透液溢流阀，使渗透液压力表显示b₁MPa，此时即将渗透液压力调节到了b₁MPa，渗透液箱内的渗透液经过第一液压泵加压后经由渗透液流入管和渗透液入口流入渗透液流入通道中，从破碎岩样底部开始向上渗透，当渗透液渗透到渗透液出口处时，从渗透液出口中流出并经渗透液流出管流入量筒中，电子分析天平每隔时间Δt记录一次渗透液的重量G，并将记录到的渗透液的重量G传输给计算机，计算机上的电子分析天平软件上显示出渗透液的重量G随时间t变化的曲线；其中，b₁的取值为大于0的有理数；

步骤五、记录破碎岩样渗流流量、流入渗透装置内的渗透液温度和流出渗透装置内的渗透液温度：查看显示在电子分析天平软件上的渗透液的重量G随时间t变化的曲线，当渗透液的重量G随时间t变化的曲线趋近于一条直线时，说明破碎岩样渗流已稳定，此时，查看渗透液流量计的示数，当渗透液流量计上没有流量示数时，记录下此时的时刻t₁，用秒表记录量筒中渗透液体积增加的时间段t₂，对量筒读数得到t₁时刻量筒中渗透液体积和t₁+t₂时刻量筒中渗透液体积并根据公式计算出量筒测量得到的流量Q_量筒，同时，根据电子分析天平记录到的t₁时刻的渗透液的重量和t₁+t₂时刻的重量并根据公式计算出电子分析天平测量得到的流量Q_天平，然后根据公式计算出破碎岩样渗流流量Q，同时记录下t₁+t₂时刻第一温度计上显示的流入渗透装置内的渗透液温度T₁₁和第二温度计上显示的流出渗透装置内的渗透液温度T₂₁；其中，t₂=nΔt，n为正整数；g为重力加速度，ρ为渗透液的密度；当渗透液流量计上有流量示数时，记录下此时的时刻t₃，对渗透液流量计读数得到渗透液流量计测量得到的流量Q_流量计，同时，根据电子分析天平记录到的t₃时刻的渗透液的重量和t₃+t′₂时刻的渗透液的重量并根据公式计算出电子分析天平测量得到的流量Q_天平，然后根据公式计算出破碎岩样渗流流量Q，同时记录下t₃+t′₂时刻第一温度计上显示的流入渗透装置内的渗透液温度T₁₂和第二温度计上显示的流出渗透装置内的渗透液温度T₂₂；其中，t′₂为时间段且t′₂=n′Δt，n′为正整数；

步骤六、测量围压液压力为a₁MPa时，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置内的渗透液温度和流出渗透装置内的渗透液温度：保持围压液压力为a₁MPa不变，调节渗透液溢流阀，使渗透液压力表示数减小并显示b₂MPa，此时即将渗透液压力调节到了b₂MPa，再根据步骤五记录破碎岩样渗流流量、流入渗透装置内的渗透液温度和流出渗透装置内的渗透液温度；然后再调节渗透液溢流阀，使渗透液压力表示数减小并显示b₃MPa，此时即将渗透液压力调节到了b₃MPa，再根据步骤五记录破碎岩样渗流流量、流入渗透装置内的渗透液温度和流出渗透装置内的渗透液温度；以此类推，直至将渗透液压力调节到了0MPa，并记录下了各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置内的渗透液温度和流出渗透装置内的渗透液温度；其中，b₂的取值和b₃的取值均为大于0的有理数；

步骤七、测量各个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置内的渗透液温度和流出渗透装置内的渗透液温度：调节围压液溢流阀，使围压液压力表示数减小并显示a₂MPa，此时即将围压液压力调节到了a₂MPa，再重复步骤四～步骤六；然后再调节围压液溢流阀，使围压液压力表示数减小并显示a₃MPa，此时即将渗透液压力调节到了a₃MPa，再重复步骤四～步骤六；以此类推，直至将围压液压力调节到了0MPa，并记录下了每个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置内的渗透液温度和流出渗透装置内的渗透液温度；然后，关闭渗透液溢流阀的进液开关，关闭渗透液液压系统；并关闭围压液溢流阀的进液开关，关闭围压液压系统；其中，a₂的取值和a₃的取值均为大于0的有理数；

步骤八、测量各个加载位移时，各个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置内的渗透液温度和流出渗透装置内的渗透液温度：操作电子万能试验机软件，设定电子万能试验机的压头下压活塞的位移参数Δh₁和速度参数，电子万能试验机的压头根据设定的位移参数Δh₁和速度参数下压活塞，记录下电子万能试验机的压头下压活塞的位移为Δh₁前的时刻t₄和电子万能试验机的压头下压活塞的位移为Δh₁时的时刻t₅，对量筒读数得到t₄时刻量筒中渗透液体积和t₅时刻量筒中渗透液体积并根据公式计算出量筒测量得到的加载位移Δh₁时渗透液的排量ΔV_量筒1；同时，根据电子分析天平记录到的t₄时刻的渗透液的重量和t₅时刻的渗透液的重量并根据公式计算出电子分析天平测量得到的加载位移Δh₁时渗透液的排量ΔV_天平1，然后根据公式计算出加载位移Δh₁时渗透液的排量ΔV₁，再打开围压液溢流阀的进液开关，开启围压液压系统，调节围压液溢流阀，使围压液压力表显示a₁MPa，此时即将围压液压力调节到了a₁MPa，重复步骤四～步骤七，记录下加载位移Δh₁时每个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置内的渗透液温度和流出渗透装置内的渗透液温度；然后再操作电子万能试验机软件，设定电子万能试验机的压头下压活塞的位移参数Δh₂和速度参数，电子万能试验机的压头根据设定的位移参数Δh₂和速度参数下压活塞，记录下电子万能试验机的压头下压活塞的位移为Δh₂前的时刻t₆和电子万能试验机的压头下压活塞的位移为Δh₂时的时刻t₇，对量筒读数得到t₆时刻量筒中渗透液体积和t₇时刻量筒中渗透液体积并根据公式计算出量筒测量得到的加载位移Δh₂时渗透液的排量ΔV_量筒2；同时，根据电子分析天平记录到的t₆时刻的渗透液的重量和t₇时刻的渗透液的重量并根据公式计算出电子分析天平测量得到的加载位移Δh₂时渗透液的排量ΔV_天平2，然后根据公式计算出加载位移Δh₂时渗透液的排量ΔV₂，再打开围压液溢流阀的进液开关，开启围压液压系统，调节围压液溢流阀，使围压液压力表显示a₁MPa，此时即将围压液压力调节到了a₁MPa，重复步骤四～步骤七，记录下加载位移Δh₂时每个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置内的渗透液温度和流出渗透装置内的渗透液温度；以此类推，直至测量完加载位移Δh_m时渗透液的排量ΔV_m，并记录下加载位移Δh_m时每个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置内的渗透液温度和流出渗透装置内的渗透液温度；其中，m的取值为3～10的正整数，Δh₁的取值、Δh₂的取值和Δh_m的取值均为大于0的有理数；

步骤九、准备下次试验：打开围压液回流阀42，操作电子万能试验机软件，提升电子万能试验机的压头，保存记录在计算机中的试验数据，准备进行下次试验；

步骤十、对试验数据进行分析处理，得到破碎岩样的渗透系数k、破碎岩样的孔隙度φ₀和温度梯度T_G，其具体过程为：

步骤1001、根据公式计算破碎岩样的渗透系数k，其中，Q为根据步骤五记录到的破碎岩样渗流流量，μ为渗透液动力粘度，h为渗透过程中的岩样高度且h=h₀-Δh，Δh为加载总位移且Δp为破碎岩样上下端的渗透液压差且等于渗透液压力表检测到的压力；A为渗透岩样的平均截面积且A=πr²h，其中，r为在电子万能试验机的压头压力、渗透液的压力和围压液的压力共同作用下变形后的内缸筒的内径，且πr²h=πr₀ ²h₀-ΔV，r₀为内缸筒的初始内径，ΔV为加载总位移Δh时渗透液的总排量且 $\mathrm{\&Delta;V}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{V}_i;$

步骤1002、根据公式计算破碎岩样的孔隙度φ₀，其中，为渗透岩样破碎后的体积且V_r为渗透岩样破碎前的体积且m_r为试验前以标准岩样钻取岩心称量得到的岩心的质量，ρ_r为试验前以标准岩样钻取岩心得到的岩心的密度；

步骤1003、根据公式计算温度梯度T_G，其中，T_1j为j时刻第一温度计上显示的流入渗透装置内的渗透液温度，T_2j为j时刻第二温度计上显示的流出渗透装置内的渗透液温度，j的取值为大于0的有理数。

上述的方法，其特征在于：步骤105中在下半凹面压头顶部放置上半凸面压头之前，先在下半凹面压头内放入密封圈；步骤106中将步骤101～步骤105组装完成的整体放置在设置在底座顶部中间位置处的凹槽内之前，先在套筒内放入密封圈，并在设置在底座顶部中间位置处的凹槽内放入密封圈；步骤107中将外缸筒放置在底座顶部之前，先在底座顶部放入密封圈；步骤108中将活塞穿过设置在筒盖中间位置处的通孔中之前，先在设置在筒盖中间位置处的通孔中放入密封圈；步骤108中将筒盖放置在外缸筒顶部之前，先在外缸筒顶部放入密封圈。

上述的方法，其特征在于：步骤107中将外缸筒固定连接在底座顶部是采用第一螺栓；步骤108中将筒盖固定连接在外缸筒顶部是采用第二螺栓。

上述的方法，其特征在于：步骤二中设定的电子万能试验机的压头下压活塞的速度参数和步骤八中设定的电子万能试验机的压头下压活塞的速度参数均为0.5mm/min～1mm/min。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明破碎岩石三轴渗流试验系统的结构简单，设计合理，装配使用方便。

2、本发明内缸筒由多个从下到上依次叠放在一起的圆环构件组合而成，圆环构件又由四个四分之一圆环卡合连接而成，由于内缸筒并非固定拼装，因此在试验过程中不会限制破碎岩样在渗流过程中的径向变形，能够真实地反映破碎岩样渗透过程中的变形情况。

3、本发明很好的解决了在实验室进行破碎岩石三轴渗流试验存在的破碎岩样围压难以控制、孔隙度难以测定、装料和密封难以实现等问题。

4、本发明可有效进行高强围压条件下的破碎岩石三轴渗流试验，较准确的测试在不同的围压条件下，煤矿深部破碎堆积岩体的渗流特性。

5、本发明采用分析天平记录时间段内渗出液体的重量，经过密度换算得到渗出液流量，克服了现有渗流试验采用流量计测不出小流量和用秒表与量筒测小流量误差大的缺点。

6、本发明在活塞上标有刻度，可较准确地测量岩样初始高度，克服了现有渗流试验采用钢尺测量岩样初始高度误差大的缺点。

7、本发明可完成渗透液流入和流出时温度的测量，如若通过其它技术手段控制渗透液的流入温度，此系统可以得到温度对渗流的影响。

8、本发明可判定渗流稳定阶段，且可测量渗流稳定时的渗透液流量，最大可能地反映渗流的真实现象。

9、本发明在计算流量和排量时均采用取平均值法，减小了测量误差，提高了试验的准确性。

10、本发明通过测排量换算破碎岩样变形后的平均直径，得到破碎岩样变形后的平均渗透截面积，解决了在实验室进行破碎岩石三轴渗流试验存在的渗透截面积难以测定的问题。

11、本发明的实现成本低，性能稳定可靠，实用性强，便于推广使用。

综上所述，本发明设计合理，能够真实地反映破碎岩样渗透过程中的变形情况，能够准确地测量岩样初始高度，能够有效进行围压可调的破碎岩石三轴渗流试验，试验精度高，性能稳定可靠，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明破碎岩石三轴渗流试验系统的结构示意图。

图2为本发明渗透装置的结构示意图。

图3为本发明圆环构件的结构示意图。

图4为本发明四分之一圆环的俯视图。

图5为图4的A向视图。

图6为图4的B向视图。

附图标记说明:

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的破碎岩石三轴渗流试验系统，包括电子万能试验机19、渗透装置20、渗透液液压系统、围压液压系统、电子分析天平21和计算机22，所述渗透装置20对中放置在电子万能试验机19的底座上，所述电子分析天平21上放置有量筒23，所述电子万能试验机19和电子分析天平21均与计算机22相接；

所述渗透装置20包括底座1、固定连接在底座1顶部的外缸筒4和固定连接在外缸筒4顶部的筒盖7，所述底座1顶部中间位置处设置有凹槽，所述凹槽内放置有下压头15，所述外缸筒4内设置有位于下压头15顶部的内缸筒14和位于内缸筒14顶部的套筒5，所述下压头15、内缸筒14和套筒5通过电工胶带缠绕为一个整体，所述套筒5内从下到上依次设置有下半凹面压头12、上半凸面压头11和活塞8，所述下压头15上端面与下半凹面压头12下端面之间的空间为用于放置破碎岩样的破碎岩样容腔13，所述下半凹面压头12和上半凸面压头11相配合且其中心均设置有渗透液传输通道45，所述活塞8上设置有刻度，所述活塞8向上穿出到所述筒盖7外部，且所述筒盖7的中间位置处设置有供活塞8穿过的通孔，所述活塞8的上端面位于所述电子万能试验机19的压头的正下方，所述活塞8上沿轴线方向设置有渗透液流出通道18，所述活塞8上设置有与所述渗透液流出通道18相连通的渗透液出口9，所述底座1的中部和下压头15的中部设置有与破碎岩样容腔13相连通的渗透液流入通道3，所述底座1上设置有与渗透液流入通道3相连通的渗透液入口2，所述底座1上设置有与外缸筒4和内缸筒14之间的空间相连通的围压液流入通道46，所述底座1侧部设置有与围压液流入通道46相连通的围压液入口17，所述外缸筒4侧面设有排气口6，所述排气口6上连接有排气口塞44；

所述渗透液液压系统包括渗透液箱24和一端与渗透液箱24连接的渗透液流入管25，所述渗透液流入管25的另一端与渗透液入口2连接，所述渗透液流入管25上从连接渗透液箱24到渗透液入口2的方向依次连接有第一液压泵26和单向阀27，位于第一液压泵26和单向阀27之间的一段渗透液流入管25上连接有渗透液溢流管28，所述渗透液溢流管28上连接有渗透液压力表29和渗透液溢流阀30，所述渗透液出口9上连接有插入量筒23内的渗透液流出管31；位于渗透液溢流管28和单向阀27之间的一段渗透液流入管25上连接有渗透液流量计32，位于单向阀27和渗透液入口2之间的一段渗透液流入管25上连接有用于对流入渗透装置20内的渗透液温度进行检测的第一温度计33，渗透液流出管31上连接有用于对流出渗透装置20内的渗透液温度进行检测的第二温度计34；

所述围压液压系统包括围压液箱35和一端与围压液箱35连接的围压液流入管36，所述围压液流入管36的另一端与围压液入口17连接，所述围压液流入管36上连接有第二液压泵37，位于第二液压泵37和围压液入口17之间的一段围压液流入管36上连接有围压液溢流管38，所述围压液溢流管38上连接有围压液压力表39和围压液溢流阀40，位于围压液溢流管38和围压液入口17之间的一段围压液流入管36上连接有围压液回流管41，所述围压液回流管41上连接有围压液回流阀42。

如图2所示，本实施例中，所述底座1与下压头15之间、底座1与外缸筒4之间、外缸筒4与筒盖7之间、下半凹面压头12和上半凸面压头11之间、套筒5与活塞8之间以及筒盖7与活塞8之间均设置有密封圈43。所述外缸筒4通过第一螺栓16固定连接在底座1顶部，所述筒盖7通过第二螺栓10固定连接在外缸筒4顶部。

如图2所示，本实施例中，所述下压头15外轮廓的形状、内缸筒14外轮廓的形状和套筒5外轮廓的形状均为圆柱状，所述内缸筒14的内径和套筒5的内径相等，且所述下压头15的外径、内缸筒14的外径和套筒5的外径均相等。

如图3所示，本实施例中，所述内缸筒14由多个从下到上依次叠放在一起的圆环构件组合而成，所述圆环构件由四个四分之一圆环14-1卡合连接而成。

如图4、图5和图6所示，所述四分之一圆环14-1的一端设置有凸起14-2，所述凸起14-2上设置有中间销钉孔14-4；所述四分之一圆环14-1的另一端设置有与凸起14-2相配合的凹槽14-3，位于凹槽14-3上方和下方的四分之一圆环14-1上分别设置有与中间销钉孔14-4相配合的上销钉孔14-5和下销钉孔14-6。

本发明的破碎岩石三轴渗流试验方法，包括以下步骤：

步骤一、组装破碎岩石三轴渗流试验系统，其具体过程为：

步骤101、将多个圆环构件从下到上依次叠放在一起，并将四个销钉分别穿入上下对齐的四组上销钉孔14-5、中间销钉孔14-4和下销钉孔14-6中，组合成内缸筒14；

步骤102、将内缸筒14放置在下压头15上，并用电工胶带从下到上将下压头15与内缸筒14缠绕在一起；

步骤103、去除四个销钉，在内缸筒14的顶部放置套筒5，并用电工胶带继续从下到上将内缸筒14与套筒5缠绕在一起；

步骤104、在内缸筒14和套筒5内放入起始高度为h₀₀的破碎岩样，其中，h₀₀<H，H为内缸筒14的高度；

步骤105、在破碎岩样的顶部放置下半凹面压头12，再在下半凹面压头12顶部放置上半凸面压头11；

步骤106、将步骤101～步骤105组装完成的整体放置在设置在底座1顶部中间位置处的凹槽内；

步骤107、将外缸筒4放置在底座1顶部并将外缸筒4固定连接在底座1顶部；

步骤108、将活塞8穿过设置在筒盖7中间位置处的通孔中，并将筒盖7放置在外缸筒4顶部，且将筒盖7固定连接在外缸筒4顶部，同时保证活塞8插入到套筒5内；

步骤109、将渗透液流入管25连接到渗透液入口2上，并将渗透液流出管31连接到渗透液出口9上；

步骤1010、将围压液流入管36连接到围压液入口17上；

步骤1011、将渗透液流出管31插入量筒23内，并将量筒23放置在电子分析天平21上；

步骤1012、将电子万能试验机19和电子分析天平21均与计算机22连接，并将步骤101～步骤108组装完成的渗透装置20对中放置在电子万能试验机19的底座上，且使活塞8的上端面位于所述电子万能试验机19的压头的正下方；

步骤二、测量破碎岩样的初始高度h₀：在计算机22上，打开预先安装好的电子万能试验机软件和电子分析天平软件，操作电子万能试验机软件启动电子万能试验机19，并设定电子万能试验机19的压头下压活塞8的速度参数，电子万能试验机19的压头根据设定的速度参数下压活塞8，当显示在电子万能试验机软件中的压头压力参数开始增大时，判断为活塞8、上半凸面压头11、下半凹面压头12和破碎岩样四者已充分接触，操作电子万能试验机软件使电子万能试验机19的压头停止下压；此时，查看活塞8上的刻度，得到活塞8露出筒盖7外部的高度h₃，并根据公式h₀=h₁+h₂+h₃+h₇-h₄-h₅-h₆计算出破碎岩样的初始高度h₀，其中，h₁为设置在底座1顶部中间位置处的凹槽的深度，h₂为外缸筒4的高度，h₄为活塞8的高度，h₅为充分接触在一起后的上半凸面压头11和下半凹面压头12的总高度，h₆为下压头15的高度，h₇为筒盖7的高度；

步骤三、给破碎岩样加载压力为a₁MPa的围压：取下连接在排气口6上的排气口塞44，打开排气口6，打开围压液溢流阀40的进液开关，开启围压液压系统，围压液箱35内的围压液经过第二液压泵37加压后经由围压液流入管36和围压液入口17流入外缸筒4与内缸筒14之间的空间内；当排气口6有围压液流出时，将排气口塞44连接在排气口6上，关闭排气口6；调节围压液溢流阀40，使围压液压力表39显示a₁MPa，此时即将围压液压力调节到了a₁MPa，围压液将压力作用传递给缠绕有电工胶带的内缸筒14，内缸筒14再将压力作用传递给其内部的破碎岩样；其中，a₁的取值为大于0的有理数；

步骤四、给破碎岩样中通入压力为b₁MPa的渗透液并记录从渗透液出口9中流出的渗透液的重量：打开渗透液溢流阀30的进液开关，开启渗透液液压系统，调节渗透液溢流阀30，使渗透液压力表29显示b₁MPa，此时即将渗透液压力调节到了b₁MPa，渗透液箱24内的渗透液经过第一液压泵26加压后经由渗透液流入管25和渗透液入口2流入渗透液流入通道3中，从破碎岩样底部开始向上渗透，当渗透液渗透到渗透液出口9处时，从渗透液出口9中流出并经渗透液流出管31流入量筒23中，电子分析天平21每隔时间Δt记录一次渗透液的重量G，并将记录到的渗透液的重量G传输给计算机22，计算机22上的电子分析天平软件上显示出渗透液的重量G随时间t变化的曲线；其中，b₁的取值为大于0的有理数；

步骤五、记录破碎岩样渗流流量、流入渗透装置20内的渗透液温度和流出渗透装置20内的渗透液温度：查看显示在电子分析天平软件上的渗透液的重量G随时间t变化的曲线，当渗透液的重量G随时间t变化的曲线趋近于一条直线时（即渗透液的重量G随时间t直线上升时），说明破碎岩样渗流已稳定，此时，查看渗透液流量计32的示数，当渗透液流量计32上没有流量示数时，记录下此时的时刻t₁，用秒表记录量筒23中渗透液体积增加的时间段t₂，对量筒23读数得到t₁时刻量筒23中渗透液体积和t₁+t₂时刻量筒23中渗透液体积并根据公式计算出量筒23测量得到的流量Q_量筒，同时，根据电子分析天平21记录到的t₁时刻的渗透液的重量和t₁+t₂时刻的重量并根据公式计算出电子分析天平21测量得到的流量Q_天平，然后根据公式计算出破碎岩样渗流流量Q，同时记录下t₁+t₂时刻第一温度计33上显示的流入渗透装置20内的渗透液温度T₁₁和第二温度计34上显示的流出渗透装置20内的渗透液温度T₂₁；其中，t₂=nΔt，n为正整数；g为重力加速度，ρ为渗透液的密度；当渗透液流量计32上有流量示数时，记录下此时的时刻t₃，对渗透液流量计32读数得到渗透液流量计32测量得到的流量Q_流量计，同时，根据电子分析天平21记录到的t₃时刻的渗透液的重量和t₃+t′₂时刻的渗透液的重量并根据公式计算出电子分析天平21测量得到的流量Q_天平，然后根据公式计算出破碎岩样渗流流量Q，同时记录下t₃+t′₂时刻第一温度计33上显示的流入渗透装置20内的渗透液温度T₁₂和第二温度计34上显示的流出渗透装置20内的渗透液温度T₂₂；其中，t′₂为时间段且t′₂=n′Δt，n′为正整数；

步骤六、测量围压液压力为a₁MPa时，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置20内的渗透液温度和流出渗透装置20内的渗透液温度：保持围压液压力为a₁MPa不变，调节渗透液溢流阀30，使渗透液压力表29示数减小并显示b₂MPa，此时即将渗透液压力调节到了b₂MPa，再根据步骤五记录破碎岩样渗流流量、流入渗透装置20内的渗透液温度和流出渗透装置20内的渗透液温度；然后再调节渗透液溢流阀30，使渗透液压力表29示数减小并显示b₃MPa，此时即将渗透液压力调节到了b₃MPa，再根据步骤五记录破碎岩样渗流流量、流入渗透装置20内的渗透液温度和流出渗透装置20内的渗透液温度；以此类推，直至将渗透液压力调节到了0MPa，并记录下了各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置20内的渗透液温度和流出渗透装置20内的渗透液温度；其中，b₂的取值和b₃的取值均为大于0的有理数；其中，渗透液压力每次减小的量可以相等也可以不相等，可依据试验具体需求设定减小的量；

步骤七、测量各个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置20内的渗透液温度和流出渗透装置20内的渗透液温度：调节围压液溢流阀40，使围压液压力表39示数减小并显示a₂MPa，此时即将围压液压力调节到了a₂MPa，再重复步骤四～步骤六；然后再调节围压液溢流阀40，使围压液压力表39示数减小并显示a₃MPa，此时即将渗透液压力调节到了a₃MPa，再重复步骤四～步骤六；以此类推，直至将围压液压力调节到了0MPa，并记录下了每个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置20内的渗透液温度和流出渗透装置20内的渗透液温度；然后，关闭渗透液溢流阀30的进液开关，关闭渗透液液压系统；并关闭围压液溢流阀40的进液开关，关闭围压液压系统；其中，a₂的取值和a₃的取值均为大于0的有理数；其中，围压液压力每次减小的量可以相等也可以不相等，可依据试验具体需求设定减小的量；

步骤八、测量各个加载位移时，各个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置20内的渗透液温度和流出渗透装置20内的渗透液温度：操作电子万能试验机软件，设定电子万能试验机19的压头下压活塞8的位移参数Δh₁和速度参数，电子万能试验机19的压头根据设定的位移参数Δh₁和速度参数下压活塞8，记录下电子万能试验机19的压头下压活塞8的位移为Δh₁前的时刻t₄和电子万能试验机19的压头下压活塞8的位移为Δh₁时的时刻t₅，对量筒23读数得到t₄时刻量筒23中渗透液体积和t₅时刻量筒23中渗透液体积并根据公式计算出量筒23测量得到的加载位移Δh₁时渗透液的排量ΔV_量筒1；同时，根据电子分析天平21记录到的t₄时刻的渗透液的重量和t₅时刻的渗透液的重量并根据公式计算出电子分析天平21测量得到的加载位移Δh₁时渗透液的排量ΔV_天平1，然后根据公式计算出加载位移Δh₁时渗透液的排量ΔV₁，再打开围压液溢流阀40的进液开关，开启围压液压系统，调节围压液溢流阀40，使围压液压力表39显示a₁MPa，此时即将围压液压力调节到了a₁MPa，重复步骤四～步骤七，记录下加载位移Δh₁时每个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置20内的渗透液温度和流出渗透装置20内的渗透液温度；然后再操作电子万能试验机软件，设定电子万能试验机19的压头下压活塞8的位移参数Δh₂和速度参数，电子万能试验机19的压头根据设定的位移参数Δh₂和速度参数下压活塞8，记录下电子万能试验机19的压头下压活塞8的位移为Δh₂前的时刻t₆和电子万能试验机19的压头下压活塞8的位移为Δh₂时的时刻t₇，对量筒23读数得到t₆时刻量筒23中渗透液体积和t₇时刻量筒23中渗透液体积并根据公式计算出量筒23测量得到的加载位移Δh₂时渗透液的排量ΔV_量筒2；同时，根据电子分析天平21记录到的t₆时刻的渗透液的重量和t₇时刻的渗透液的重量并根据公式计算出电子分析天平21测量得到的加载位移Δh₂时渗透液的排量ΔV_天平2，然后根据公式计算出加载位移Δh₂时渗透液的排量ΔV₂，再打开围压液溢流阀40的进液开关，开启围压液压系统，调节围压液溢流阀40，使围压液压力表39显示a₁MPa，此时即将围压液压力调节到了a₁MPa，重复步骤四～步骤七，记录下加载位移Δh₂时每个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置20内的渗透液温度和流出渗透装置20内的渗透液温度；以此类推，直至测量完加载位移Δh_m时渗透液的排量ΔV_m，并记录下加载位移Δh_m时每个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置20内的渗透液温度和流出渗透装置20内的渗透液温度；其中，m的取值为3～10的正整数，Δh₁的取值、Δh₂的取值和Δh_m的取值均为大于0的有理数；其中，压头下压活塞8的位移参数Δh₁、Δh₂和Δh_m的取值可以相等也可以不相等，可依据试验具体需求设定大小，并依据试验具体需求确定m的取值；

步骤九、准备下次试验：打开围压液回流阀42，操作电子万能试验机软件，提升电子万能试验机19的压头，保存记录在计算机22中的试验数据，准备进行下次试验；

步骤十、对试验数据进行分析处理，得到破碎岩样的渗透系数k、破碎岩样的孔隙度φ₀和温度梯度T_G，其具体过程为：

步骤1001、根据公式计算破碎岩样的渗透系数k，其中，Q为根据步骤五记录到的破碎岩样渗流流量，μ为渗透液动力粘度，是渗透液本身的属性，由渗透液种类可得，h为渗透过程中的岩样高度且h=h₀-Δh，Δh为加载总位移且Δp为破碎岩样上下端的渗透液压差且等于渗透液压力表29检测到的压力；由于破碎岩样上端的渗透液连通空气，破碎岩样上端的渗透液压力为0MPa，因此Δp为渗透液入口2处渗透液的压力值，即等于渗透液压力表29检测到的压力；A为渗透岩样的平均截面积且A=πr²h，其中，r为在电子万能试验机19的压头压力、渗透液的压力和围压液的压力共同作用下变形后的内缸筒14的内径，且πr²h=πr₀ ²h₀-ΔV，r₀为内缸筒14的初始内径，ΔV为加载总位移Δh时渗透液的总排量且具体实施时，本试验是在破碎岩样饱和的条件下进行的，加载时，渗透液液压系统已关闭，渗透液入口2不提供液压，因此渗透液不再流入内缸筒14，且在渗透液流入管25上连接的单向阀27阻止了渗透液回流，因此ΔV等于加载总位移Δh时破碎岩样体积的减小量；

步骤1002、根据公式计算破碎岩样的孔隙度φ₀，其中，为渗透岩样破碎后的体积且V_r为渗透岩样破碎前的体积且m_r为试验前以标准岩样钻取岩心称量得到的岩心的质量，ρ_r为试验前以标准岩样钻取岩心得到的岩心的密度；其中，标准岩样为底面直径为50mm，高为100mm的圆柱体岩样；

步骤1003、根据公式计算温度梯度T_G，其中，T_1j为j时刻第一温度计33上显示的流入渗透装置20内的渗透液温度，T_2j为j时刻第二温度计34上显示的流出渗透装置20内的渗透液温度，j的取值为大于0的有理数。

本实施例中，步骤105中在下半凹面压头12顶部放置上半凸面压头11之前，先在下半凹面压头12内放入密封圈43；步骤106中将步骤101～步骤105组装完成的整体放置在设置在底座1顶部中间位置处的凹槽内之前，先在套筒5内放入密封圈43，并在设置在底座1顶部中间位置处的凹槽内放入密封圈43；步骤107中将外缸筒4放置在底座1顶部之前，先在底座1顶部放入密封圈43；步骤108中将活塞8穿过设置在筒盖7中间位置处的通孔中之前，先在设置在筒盖7中间位置处的通孔中放入密封圈43；步骤108中将筒盖7放置在外缸筒4顶部之前，先在外缸筒4顶部放入密封圈43。

本实施例中，步骤107中将外缸筒4固定连接在底座1顶部是采用第一螺栓16；步骤108中将筒盖7固定连接在外缸筒4顶部是采用第二螺栓10。

本实施例中，步骤二中设定的电子万能试验机19的压头下压活塞8的速度参数和步骤八中设定的电子万能试验机19的压头下压活塞8的速度参数均为0.5mm/min～1mm/min。

综上所述，本发明能够完成各种破碎岩石围压可调的三轴渗流试验，最终可以获得孔隙度φ₀、围压a、渗透液压差Δp、流量Q、温度梯度T_G和渗透系数k，为分析不同围压条件下破碎岩石三轴渗流特性奠定了基础。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种破碎岩石三轴渗流试验系统，其特征在于：包括电子万能试验机（19）、渗透装置（20）、渗透液液压系统、围压液压系统、电子分析天平（21）和计算机（22），所述渗透装置（20）对中放置在电子万能试验机（19）的底座上，所述电子分析天平（21）上放置有量筒（23），所述电子万能试验机（19）和电子分析天平（21）均与计算机（22）相接；

所述渗透装置（20）包括底座（1）、固定连接在底座（1）顶部的外缸筒（4）和固定连接在外缸筒（4）顶部的筒盖（7），所述底座（1）顶部中间位置处设置有凹槽，所述凹槽内放置有下压头（15），所述外缸筒（4）内设置有位于下压头（15）顶部的内缸筒（14）和位于内缸筒（14）顶部的套筒（5），所述下压头（15）、内缸筒（14）和套筒（5）通过电工胶带缠绕为一个整体，所述套筒（5）内从下到上依次设置有下半凹面压头（12）、上半凸面压头（11）和活塞（8），所述下压头（15）上端面与下半凹面压头（12）下端面之间的空间为用于放置破碎岩样的破碎岩样容腔（13），所述下半凹面压头（12）和上半凸面压头（11）相配合且其中心均设置有渗透液传输通道（45），所述活塞（8）上设置有刻度，所述活塞（8）向上穿出到所述筒盖（7）外部，且所述筒盖（7）的中间位置处设置有供活塞（8）穿过的通孔，所述活塞（8）的上端面位于所述电子万能试验机（19）的压头的正下方，所述活塞（8）上沿轴线方向设置有渗透液流出通道（18），所述活塞（8）上设置有与所述渗透液流出通道（18）相连通的渗透液出口（9），所述底座（1）的中部和下压头（15）的中部设置有与破碎岩样容腔（13）相连通的渗透液流入通道（3），所述底座（1）上设置有与渗透液流入通道（3）相连通的渗透液入口（2），所述底座（1）上设置有与外缸筒（4）和内缸筒（14）之间的空间相连通的围压液流入通道（46），所述底座（1）侧部设置有与围压液流入通道（46）相连通的围压液入口（17），所述外缸筒（4）侧面设有排气口（6），所述排气口（6）上连接有排气口塞（44）；

所述渗透液液压系统包括渗透液箱（24）和一端与渗透液箱（24）连接的渗透液流入管（25），所述渗透液流入管（25）的另一端与渗透液入口（2）连接，所述渗透液流入管（25）上从连接渗透液箱（24）到渗透液入口（2）的方向依次连接有第一液压泵（26）和单向阀（27），位于第一液压泵（26）和单向阀（27）之间的一段渗透液流入管（25）上连接有渗透液溢流管（28），所述渗透液溢流管（28）上连接有渗透液压力表（29）和渗透液溢流阀（30），所述渗透液出口（9）上连接有插入量筒（23）内的渗透液流出管（31）；位于渗透液溢流管（28）和单向阀（27）之间的一段渗透液流入管（25）上连接有渗透液流量计（32），位于单向阀（27）和渗透液入口（2）之间的一段渗透液流入管（25）上连接有用于对流入渗透装置（20）内的渗透液温度进行检测的第一温度计（33），渗透液流出管（31）上连接有用于对流出渗透装置（20）内的渗透液温度进行检测的第二温度计（34）；

所述围压液压系统包括围压液箱（35）和一端与围压液箱（35）连接的围压液流入管（36），所述围压液流入管（36）的另一端与围压液入口（17）连接，所述围压液流入管（36）上连接有第二液压泵（37），位于第二液压泵（37）和围压液入口（17）之间的一段围压液流入管（36）上连接有围压液溢流管（38），所述围压液溢流管（38）上连接有围压液压力表（39）和围压液溢流阀（40），位于围压液溢流管（38）和围压液入口（17）之间的一段围压液流入管（36）上连接有围压液回流管（41），所述围压液回流管（41）上连接有围压液回流阀（42）。

2.按照权利要求1所述的破碎岩石三轴渗流试验系统，其特征在于：所述底座（1）与下压头（15）之间、底座（1）与外缸筒（4）之间、外缸筒（4）与筒盖（7）之间、下半凹面压头（12）和上半凸面压头（11）之间、套筒（5）与活塞（8）之间以及筒盖（7）与活塞（8）之间均设置有密封圈（43）。

3.按照权利要求1所述的破碎岩石三轴渗流试验系统，其特征在于：所述外缸筒（4）通过第一螺栓（16）固定连接在底座（1）顶部，所述筒盖（7）通过第二螺栓（10）固定连接在外缸筒（4）顶部。

4.按照权利要求1所述的破碎岩石三轴渗流试验系统，其特征在于：所述下压头（15）外轮廓的形状、内缸筒（14）外轮廓的形状和套筒（5）外轮廓的形状均为圆柱状，所述内缸筒（14）的内径和套筒（5）的内径相等，且所述下压头（15）的外径、内缸筒（14）的外径和套筒（5）的外径均相等。

5.按照权利要求4所述的破碎岩石三轴渗流试验系统，其特征在于：所述内缸筒（14）由多个从下到上依次叠放在一起的圆环构件组合而成，所述圆环构件由四个四分之一圆环（14-1）卡合连接而成。

6.按照权利要求5所述的破碎岩石三轴渗流试验系统，其特征在于：所述四分之一圆环（14-1）的一端设置有凸起（14-2），所述凸起（14-2）上设置有中间销钉孔（14-4）；所述四分之一圆环（14-1）的另一端设置有与凸起（14-2）相配合的凹槽（14-3），位于凹槽（14-3）上方和下方的四分之一圆环（14-1）上分别设置有与中间销钉孔（14-4）相配合的上销钉孔（14-5）和下销钉孔（14-6）。

7.一种利用如权利要求1所述系统进行破碎岩石三轴渗流试验的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、组装破碎岩石三轴渗流试验系统，其具体过程为：

步骤101、将多个圆环构件从下到上依次叠放在一起，并将四个销钉分别穿入上下对齐的四组上销钉孔（14-5）、中间销钉孔（14-4）和下销钉孔（14-6）中，组合成内缸筒（14）；

步骤102、将内缸筒（14）放置在下压头（15）上，并用电工胶带从下到上将下压头（15）与内缸筒（14）缠绕在一起；

步骤103、去除四个销钉，在内缸筒（14）的顶部放置套筒（5），并用电工胶带继续从下到上将内缸筒（14）与套筒（5）缠绕在一起；

步骤104、在内缸筒（14）和套筒（5）内放入起始高度为h₀₀的破碎岩样，其中，h₀₀<H，H为内缸筒（14）的高度；

步骤105、在破碎岩样的顶部放置下半凹面压头（12），再在下半凹面压头（12）顶部放置上半凸面压头（11）；

步骤106、将步骤101～步骤105组装完成的整体放置在设置在底座（1）顶部中间位置处的凹槽内；

步骤107、将外缸筒（4）放置在底座（1）顶部并将外缸筒（4）固定连接在底座（1）顶部；

步骤108、将活塞（8）穿过设置在筒盖（7）中间位置处的通孔中，并将筒盖（7）放置在外缸筒（4）顶部，且将筒盖（7）固定连接在外缸筒（4）顶部，同时保证活塞（8）插入到套筒（5）内；

步骤109、将渗透液流入管（25）连接到渗透液入口（2）上，并将渗透液流出管（31）连接到渗透液出口（9）上；

步骤1010、将围压液流入管（36）连接到围压液入口（17）上；

步骤1011、将渗透液流出管（31）插入量筒（23）内，并将量筒（23）放置在电子分析天平（21）上；

步骤1012、将电子万能试验机（19）和电子分析天平（21）均与计算机（22）连接，并将步骤101～步骤108组装完成的渗透装置（20）对中放置在电子万能试验机（19）的底座上，且使活塞（8）的上端面位于所述电子万能试验机（19）的压头的正下方；

步骤二、测量破碎岩样的初始高度h₀：在计算机（22）上，打开预先安装好的电子万能试验机软件和电子分析天平软件，操作电子万能试验机软件启动电子万能试验机（19），并设定电子万能试验机（19）的压头下压活塞（8）的速度参数，电子万能试验机（19）的压头根据设定的速度参数下压活塞（8），当显示在电子万能试验机软件中的压头压力参数开始增大时，判断为活塞（8）、上半凸面压头（11）、下半凹面压头（12）和破碎岩样四者已充分接触，操作电子万能试验机软件使电子万能试验机（19）的压头停止下压；此时，查看活塞（8）上的刻度，得到活塞（8）露出筒盖（7）外部的高度h₃，并根据公式h₀=h₁+h₂+h₃+h₇-h₄-h₅-h₆计算出破碎岩样的初始高度h₀，其中，h₁为设置在底座（1）顶部中间位置处的凹槽的深度，h₂为外缸筒（4）的高度，h₄为活塞（8）的高度，h₅为充分接触在一起后的上半凸面压头（11）和下半凹面压头（12）的总高度，h₆为下压头（15）的高度，h₇为筒盖（7）的高度；

步骤三、给破碎岩样加载压力为a₁MPa的围压：取下连接在排气口（6）上的排气口塞（44），打开排气口（6），打开围压液溢流阀（40）的进液开关，开启围压液压系统，围压液箱（35）内的围压液经过第二液压泵（37）加压后经由围压液流入管（36）和围压液入口（17）流入外缸筒（4）与内缸筒（14）之间的空间内；当排气口（6）有围压液流出时，将排气口塞（44）连接在排气口（6）上，关闭排气口（6）；调节围压液溢流阀（40），使围压液压力表（39）显示a₁MPa，此时即将围压液压力调节到了a₁MPa，围压液将压力作用传递给缠绕有电工胶带的内缸筒（14），内缸筒（14）再将压力作用传递给其内部的破碎岩样；其中，a₁的取值为大于0的有理数；

步骤四、给破碎岩样中通入压力为b₁MPa的渗透液并记录从渗透液出口（9）中流出的渗透液的重量：打开渗透液溢流阀（30）的进液开关，开启渗透液液压系统，调节渗透液溢流阀（30），使渗透液压力表（29）显示b₁MPa，此时即将渗透液压力调节到了b₁MPa，渗透液箱（24）内的渗透液经过第一液压泵（26）加压后经由渗透液流入管（25）和渗透液入口（2）流入渗透液流入通道（3）中，从破碎岩样底部开始向上渗透，当渗透液渗透到渗透液出口（9）处时，从渗透液出口（9）中流出并经渗透液流出管（31）流入量筒（23）中，电子分析天平（21）每隔时间Δt记录一次渗透液的重量G，并将记录到的渗透液的重量G传输给计算机（22），计算机（22）上的电子分析天平软件上显示出渗透液的重量G随时间t变化的曲线；其中，b₁的取值为大于0的有理数；

步骤五、记录破碎岩样渗流流量、流入渗透装置（20）内的渗透液温度和流出渗透装置（20）内的渗透液温度：查看显示在电子分析天平软件上的渗透液的重量G随时间t变化的曲线，当渗透液的重量G随时间t变化的曲线趋近于一条直线时，说明破碎岩样渗流已稳定，此时，查看渗透液流量计（32）的示数，当渗透液流量计（32）上没有流量示数时，记录下此时的时刻t₁，用秒表记录量筒（23）中渗透液体积增加的时间段t₂，对量筒（23）读数得到t₁时刻量筒（23）中渗透液体积和t₁+t₂时刻量筒（23）中渗透液体积并根据公式计算出量筒（23）测量得到的流量Q_量筒，同时，根据电子分析天平（21）记录到的t₁时刻的渗透液的重量和t₁+t₂时刻的重量并根据公式计算出电子分析天平（21）测量得到的流量Q_天平，然后根据公式计算出破碎岩样渗流流量Q，同时记录下t₁+t₂时刻第一温度计（33）上显示的流入渗透装置（20）内的渗透液温度T₁₁和第二温度计（34）上显示的流出渗透装置（20）内的渗透液温度T₂₁；其中，t₂=nΔt，n为正整数；g为重力加速度，ρ为渗透液的密度；当渗透液流量计（32）上有流量示数时，记录下此时的时刻t₃，对渗透液流量计（32）读数得到渗透液流量计（32）测量得到的流量Q_流量计，同时，根据电子分析天平（21）记录到的t₃时刻的渗透液的重量和t₃+t′₂时刻的渗透液的重量并根据公式计算出电子分析天平（21）测量得到的流量Q_天平，然后根据公式计算出破碎岩样渗流流量Q，同时记录下t₃+t′₂时刻第一温度计（33）上显示的流入渗透装置（20）内的渗透液温度T₁₂和第二温度计（34）上显示的流出渗透装置（20）内的渗透液温度T₂₂；其中，t′₂为时间段且t′₂=n′Δt，n′为正整数；

步骤六、测量围压液压力为a₁MPa时，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置（20）内的渗透液温度和流出渗透装置（20）内的渗透液温度：保持围压液压力为a₁MPa不变，调节渗透液溢流阀（30），使渗透液压力表（29）示数减小并显示b₂MPa，此时即将渗透液压力调节到了b₂MPa，再根据步骤五记录破碎岩样渗流流量、流入渗透装置（20）内的渗透液温度和流出渗透装置（20）内的渗透液温度；然后再调节渗透液溢流阀（30），使渗透液压力表（29）示数减小并显示b₃MPa，此时即将渗透液压力调节到了b₃MPa，再根据步骤五记录破碎岩样渗流流量、流入渗透装置（20）内的渗透液温度和流出渗透装置（20）内的渗透液温度；以此类推，直至将渗透液压力调节到了0MPa，并记录下了各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置（20）内的渗透液温度和流出渗透装置（20）内的渗透液温度；其中，b₂的取值和b₃的取值均为大于0的有理数；

步骤七、测量各个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置（20）内的渗透液温度和流出渗透装置（20）内的渗透液温度：调节围压液溢流阀（40），使围压液压力表（39）示数减小并显示a₂MPa，此时即将围压液压力调节到了a₂MPa，再重复步骤四～步骤六；然后再调节围压液溢流阀（40），使围压液压力表（39）示数减小并显示a₃MPa，此时即将渗透液压力调节到了a₃MPa，再重复步骤四～步骤六；以此类推，直至将围压液压力调节到了0MPa，并记录下了每个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置（20）内的渗透液温度和流出渗透装置（20）内的渗透液温度；然后，关闭渗透液溢流阀（30）的进液开关，关闭渗透液液压系统；并关闭围压液溢流阀（40）的进液开关，关闭围压液压系统；其中，a₂的取值和a₃的取值均为大于0的有理数；

步骤八、测量各个加载位移时，各个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置（20）内的渗透液温度和流出渗透装置（20）内的渗透液温度：操作电子万能试验机软件，设定电子万能试验机（19）的压头下压活塞（8）的位移参数Δh₁和速度参数，电子万能试验机（19）的压头根据设定的位移参数Δh₁和速度参数下压活塞（8），记录下电子万能试验机（19）的压头下压活塞（8）的位移为Δh₁前的时刻t₄和电子万能试验机（19）的压头下压活塞（8）的位移为Δh₁时的时刻t₅，对量筒（23）读数得到t₄时刻量筒（23）中渗透液体积和t₅时刻量筒（23）中渗透液体积，并根据公式计算出量筒（23）测量得到的加载位移Δh₁时渗透液的排量ΔV_量筒1；同时，根据电子分析天平（21）记录到的t₄时刻的渗透液的重量和t₅时刻的渗透液的重量并根据公式计算出电子分析天平（21）测量得到的加载位移Δh₁时渗透液的排量ΔV_天平1，然后根据公式计算出加载位移Δh₁时渗透液的排量ΔV₁，再打开围压液溢流阀（40）的进液开关，开启围压液压系统，调节围压液溢流阀（40），使围压液压力表（39）显示a₁MPa，此时即将围压液压力调节到了a₁MPa，重复步骤四～步骤七，记录下加载位移Δh₁时每个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置（20）内的渗透液温度和流出渗透装置（20）内的渗透液温度；然后再操作电子万能试验机软件，设定电子万能试验机（19）的压头下压活塞（8）的位移参数Δh₂和速度参数，电子万能试验机（19）的压头根据设定的位移参数Δh₂和速度参数下压活塞（8），记录下电子万能试验机（19）的压头下压活塞（8）的位移为Δh₂前的时刻t₆和电子万能试验机（19）的压头下压活塞（8）的位移为Δh₂时的时刻t₇，对量筒（23）读数得到t₆时刻量筒（23）中渗透液体积和t₇时刻量筒（23）中渗透液体积并根据公式计算出量筒（23）测量得到的加载位移Δh₂时渗透液的排量ΔV_量筒2；同时，根据电子分析天平（21）记录到的t₆时刻的渗透液的重量和t₇时刻的渗透液的重量并根据公式计算出电子分析天平（21）测量得到的加载位移Δh₂时渗透液的排量ΔV_天平2，然后根据公式计算出加载位移Δh₂时渗透液的排量ΔV₂，再打开围压液溢流阀（40）的进液开关，开启围压液压系统，调节围压液溢流阀（40），使围压液压力表（39）显示a₁MPa，此时即将围压液压力调节到了a₁MPa，重复步骤四～步骤七，记录下加载位移Δh₂时每个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置（20）内的渗透液温度和流出渗透装置（20）内的渗透液温度；以此类推，直至测量完加载位移Δh_m时渗透液的排量ΔV_m，并记录下加载位移Δh_m时每个围压液压力水平下，各个渗透液压力等级下的破碎岩样渗流流量、流入渗透装置（20）内的渗透液温度和流出渗透装置（20）内的渗透液温度；其中，m的取值为3～10的正整数，Δh₁的取值、Δh₂的取值和Δh_m的取值均为大于0的有理数；

步骤九、准备下次试验：打开围压液回流阀（42），操作电子万能试验机软件，提升电子万能试验机（19）的压头，保存记录在计算机（22）中的试验数据，准备进行下次试验；

步骤十、对试验数据进行分析处理，得到破碎岩样的渗透系数k、破碎岩样的孔隙度φ₀和温度梯度T_G，其具体过程为：

步骤1001、根据公式计算破碎岩样的渗透系数k，其中，Q为根据步骤五记录到的破碎岩样渗流流量，μ为渗透液动力粘度，h为渗透过程中的岩样高度且h=h₀-Δh，Δh为加载总位移且Δp为破碎岩样上下端的渗透液压差且等于渗透液压力表（29）检测到的压力；A为渗透岩样的平均截面积且A=πr²h，其中，r为在电子万能试验机（19）的压头压力、渗透液的压力和围压液的压力共同作用下变形后的内缸筒（14）的内径，且πr²h=πr₀ ²h₀-ΔV，r₀为内缸筒（14）的初始内径，ΔV为加载总位移Δh时渗透液的总排量且

步骤1002、根据公式计算破碎岩样的孔隙度φ₀，其中，为渗透岩样破碎后的体积且V_r为渗透岩样破碎前的体积且m_r为试验前以标准岩样钻取岩心称量得到的岩心的质量，ρ_r为试验前以标准岩样钻取岩心得到的岩心的密度；

步骤1003、根据公式计算温度梯度T_G，其中，T_1j为j时刻第一温度计（33）上显示的流入渗透装置（20）内的渗透液温度，T_2j为j时刻第二温度计（34）上显示的流出渗透装置（20）内的渗透液温度，j的取值为大于0的有理数。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤105中在下半凹面压头（12）顶部放置上半凸面压头（11）之前，先在下半凹面压头（12）内放入密封圈（43）；步骤106中将步骤101～步骤105组装完成的整体放置在设置在底座（1）顶部中间位置处的凹槽内之前，先在套筒（5）内放入密封圈（43），并在设置在底座（1）顶部中间位置处的凹槽内放入密封圈（43）；步骤107中将外缸筒（4）放置在底座（1）顶部之前，先在底座（1）顶部放入密封圈（43）；步骤108中将活塞（8）穿过设置在筒盖（7）中间位置处的通孔中之前，先在设置在筒盖（7）中间位置处的通孔中放入密封圈（43）；步骤108中将筒盖（7）放置在外缸筒（4）顶部之前，先在外缸筒（4）顶部放入密封圈（43）。

9.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤107中将外缸筒（4）固定连接在底座（1）顶部是采用第一螺栓（16）；步骤108中将筒盖（7）固定连接在外缸筒（4）顶部是采用第二螺栓（10）。

10.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤二中设定的电子万能试验机（19）的压头下压活塞（8）的速度参数和步骤八中设定的电子万能试验机（19）的压头下压活塞（8）的速度参数均为0.5mm/min～1mm/min。