CN104596862A - 岩石蠕变-渗流耦合试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了岩石蠕变-渗流耦合试验系统，包括滑动活塞、缸体、试件、水泵、应变仪、气压控制器与应变片，试件安装在缸体上方，且缸体与试件的连接处是连通的，水泵通过水管、压力表连接缸体、试件的入水口，缸体中部有一入水口，通过水来给试件施加围压；将应变片用胶水固定在试件中部，缸体前端有一孔，通过该孔伸出连接应变仪和应变片的引线；滑动活塞与试件通过压头连接，且滑动活塞的入水口通过水管连接试件，滑动活塞的另一端通过阀门连接稳压罐、气压控制器；该装置通过缸体上的入水口灌水推动滑动活塞施加轴压。本发明能使实验结果准确、可靠。

Description

岩石蠕变-渗流耦合试验系统

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体是岩石蠕变-渗流耦合试验系统。

背景技术

岩石的蠕变是岩石一种十分重要的力学特性，随着我国经济和工业的发展，大型岩石工程也面临着越来越多复杂的情况，所以对复杂条件下的岩石流变特性的研究也就日趋重要。同样，在煤岩的开采中也会遇到同样的问题，在长时间的静载荷作用下，煤岩会逐渐变形并产生裂隙，使地下水渗出。在煤层开采中，煤岩体蠕变的问题和与之俱来的地下水渗透问题一直是近年来十分关注的一个重要问题。经过长期的蠕变，顶板下沉，使支撑煤柱在其压力之下逐渐变形而屈服，最终导致顶板由于失去支撑而垮塌冒落，并且会导致地下水流入从而导致很多工程安全问题的发生。据统计90％的岩质边坡破坏与60％的矿井事故都与地下水有关，由此可以看出，煤岩峰前峰后的渗流蠕变规律是煤矿安全开采的一项重要课题。

试验是进行岩石力学性能研究的一种重要手段，前人研究的目标主要放在煤岩未被破坏前的渗流蠕变规律，而对煤岩峰后的渗流蠕变规律涉及甚少，其主要原因是现有试验设备的局限，这也阻碍了岩石蠕变理论的进一步发展。

发明内容

本发明的目的在于提供可靠的岩石蠕变-渗流耦合试验系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

岩石蠕变-渗流耦合试验系统，包括水泵、六通阀、不锈钢高压管、压力表、稳压罐、滑动活塞、缸体、试件、应变仪、应变片、垫板、位移传感器与流量仪；六通阀包括六通阀A、六通阀B、六通阀C与六通阀D，压力表包括压力表A、压力表B与压力表C，稳压罐包括稳压罐A、稳压罐B与稳压罐C；试件安装在缸体内部，试件上下均有垫板，上方垫板连接滑动活塞，且垫板和滑动活塞均有小孔，缸体的右侧、上部和下部各有一小孔；水泵通过不锈钢高压管与六通阀A连接；六通阀A通过不锈钢高压管分别与六通阀B、六通阀C、六通阀D连接，且六通阀B上设有稳压罐A和压力表A，六通阀C上设有稳压罐C与压力表C，六通阀D上设有稳压罐B和压力表B；六通阀B通过不锈钢高压管与滑动活塞连接，六通阀C通过不锈钢高压管与缸体右侧孔连接，六通阀D通过不锈钢高压管与缸体上部小孔连接；位移传感器设在缸体上部；流量仪设在缸体下部小孔正下方；应变片的数据线穿过下垫板孔和缸体下部孔与应变仪连接。

作为本发明进一步的方案：应变片采用的防水材料是914粘接剂。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能得出煤岩未破坏前的渗流蠕变规律和煤岩峰后的渗流蠕变规律及渗流量，可以保证实验结果的准确可靠性。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是本发明中应变片电路连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

1试验仪器与设备

1.1试验系统简介

岩石蠕变-渗流耦合试验系统，见图1，包括水泵、六通阀、不锈钢高压管、压力表、稳压罐、滑动活塞、缸体、试件、应变仪、应变片、垫板、位移传感器与流量仪。

六通阀包括六通阀A、六通阀B、六通阀C与六通阀D，压力表包括压力表A、压力表B与压力表C，稳压罐包括稳压罐A、稳压罐B与稳压罐C。

通过调节六通阀A开关，可实现围压加载、轴压加载和空隙水压加载。通过应变仪可以测出煤岩未破坏前变形量，通过位移传感器可以测出煤岩破坏后的变形量，通过流量仪可以测出煤岩渗流量。

1.2实验原理

(1)加载系统

力加载系统采用水泵与稳压罐对试件进行人工加压以及稳压，它们可以通过关闭阀门来保持水压，通过压力表来观察水压大小从而为试件提供稳定的围压和轴压，提供轴压与围压之间有一个隔断，可以保证二者之间互不干扰，在稳压罐的作用下，压力可以保持长期的稳定，这些性能保证了结果的稳定和可靠。

加压时，通过压动水泵对试件施加压力，当压力表达到所需要的数值时，即停止加压，然后关闭阀门。需要注意的是，加压时，先将轴压和围压同时加到围压所需数值，之后关闭围压阀门，继续加轴压到所需数值，这样就可以保证在加载过程中试件不会因围压或轴压某项过大而产生破碎。

当实验过程中出现漏水或因试件变形导致压力降低事件时，稳压罐中的气体压力会根据需要将其平衡到实验所需的数值，且由一个封闭可移动的滑动活塞来实现，滑动活塞上部为气体，下部空间与对应的实现围压的稳压罐C、实现轴压的稳压罐B连通。当压力增大时，水压推动滑动活塞挤压上部气体，直至气体与水压平衡时，滑动活塞不再运动，压力也被还原至最初的数值，反之压力减小时亦然。这样就可以保证压力始终稳定在所需数值上。

水压加载系统及控制系统是由水泵、稳压罐、氦气罐、气压控制器、量筒构成。

水压的加载方式与轴压、围压的加载方式略有不同，直接对试件进行加压，水压是将水先注入到稳压罐中，通过调节气压控制器对稳压罐另一半空间注入氦气来间接对活塞另一端的水作用而达到施加渗流水压的目的。渗流出的水由量筒接入并测量渗流量。

(2)密封系统

试件的密封系统是试验的关键，一方面要保证密封系统在大荷载及高渗透水压作用下不发生破损导致渗漏，同时又不能影响应力加载和应变测量，这也是岩石渗流-蠕变试验中最大的难点。试件的密封系统由岩石试件、不锈钢质地的进水头与出水头、密封胶组成，出水头与试件接触面密布成回字形凹槽，可使试件表面与水充分接触以保证其内部形成较均匀的渗流场。

为了保证试件的密封，在参考前人经验的基础上，最终决定用电工胶带和pvc胶布对试件与压头的连接处进行固定和密封，这样可保证渗流水压只作用于试件的上下两端，而不会漏入缸体中部影响围压，之后在试件中部将应变片连接好后用胶水固定在试件上，这样可以保证可能渗透进入的水不会对应变片造成影响。最后在试件外包裹热缩管，用热风机将其吹至紧贴试件，将试件与压头包裹至其中，这样就不会让围压影响到里面的试件，保证实验的精确性，不会出现其他的变量。

(3)监测系统

监测系统由应变片、应变仪、千分表、电脑组成。应变片与120Ω的标准电阻组成全桥电路，连接到应变仪上，将测得的数据通过应变仪上传到计算机中显示并保存。

在粘贴应变片之前，首先应对拟用的应变片进行外观检查和阻值测量。外观检查包括检查基片是否破损，敏感栅是否有锈斑，引线是否有折断的危险。测量其电阻值，目的在于选出同一次试验所用的应变片，同批使用的应变片的电阻值相差一般在0.3Ω以内

渗流-蠕变耦合试验在潮湿环境中进行，容易导致应变片失效或电路的短路，因此应变片的防水工作十分重要。试验中应变片采用的防水材料是914粘接剂，这是一种环氧树脂涂料，配制简单、操作方便、防水效果良好，是目前电阻应变测量中广泛使用的防水材料。应变片的防水涂层分为防水底层和防水盖层两部分，防水底层涂抹在试件表面，范围比应变片的粘贴区域稍大，可将配置好的少许914粘接剂用刮刀涂在试件表面并用力刮抹，使其充分填充到试件表面的微小孔隙中去，通过对孔隙的封闭来达到防水的效果。防水底层的厚度应很小，约为0.1mm，若厚度过大则不能保证胶层与试件的变形一致，应变片不能测得试件的真实变形。

待防水底层自然固结后，可开始粘贴应变片，粘接剂仍使用914粘接剂。先在粘贴位置标出应变片的中心线，在贴片处涂一层薄而均匀的胶液，面积比应变片略大。然后立即在应变片背面涂914粘接剂，使粘贴面充分湿润。待914粘接剂稍干而又未失去流动性前，将应变片贴在画好的中心线上，轻轻压平，用聚四氟乙烯薄膜覆盖并用食指沿一个方向滚压，赶出多余的胶液和气泡，使应变片紧密地贴在岩石试件上，粘接胶层的厚度也应在0.1mm左右。用同样的方法继续粘贴接线端子，用于引线的焊接与引出。914粘接剂可在常温下固化，大约需要2小时左右。待应变片与接线端子粘贴牢固后，用电烙铁将应变片的引线与外接屏蔽线焊接在接线端子上形成通路。

确定应变片完好且电路畅通后，用聚四氟乙烯薄膜将应变片的敏感栅覆盖，这是为了防止应变片的上覆防水胶层与敏感栅粘连，在受力情况下胶层的变形影响应变片的测量。随后，用914粘接剂覆盖应变片及接线端子作为防水盖层，厚度约为2mm～3mm。

试验时，需要测量立方体试件X(水平轴)、Y(垂直轴)两个个方向的变形，因此，在水平应力作用的两个平面按照T字形共布置4片应变片测量X、Y方向的变形。相对平面相同位置的应变片互为温度补偿片来消除试验进行过程中因为温度的变化引起的测量误差。应变片测量电路采用适合小应变测量的全桥电路，由相对平面相同位置的2个应变片与2个120Ω的标准电阻组成，电路的连接见图2。图2中的A、B、C、D代表应变仪的相应端口。

1.3本发明的组装及试验过程

首先将试件装入缸体内，盖好密封盖，确保出水口朝下保证渗流水可以顺利流出，之后用不锈钢箍箍紧，确保围压的水流不会渗出导致压力无法稳定。

之后将不锈钢高压管按图1所示连接起来，按动水泵确保没有漏水之处，之后先打开实现围压与轴压的阀门，将围压与轴压加到所需围压值，之后关闭实现围压的阀门，将轴压加至所需值后关闭实现轴压的阀门。

然后连接气压控制器与稳压罐，打开稳压罐阀门，注满水后开始缓慢调节气压控制器，直至孔隙水压稳定在所需值时停止。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.岩石蠕变-渗流耦合试验系统，其特征在于，包括水泵、六通阀、不锈钢高压管、压力表、稳压罐、滑动活塞、缸体、试件、应变仪、应变片、垫板、位移传感器与流量仪；六通阀包括六通阀A、六通阀B、六通阀C与六通阀D，压力表包括压力表A、压力表B与压力表C，稳压罐包括稳压罐A、稳压罐B与稳压罐C；试件安装在缸体内部，试件上下均有垫板，上方垫板连接滑动活塞，且垫板和滑动活塞均有小孔，缸体的右侧、上部和下部各有一小孔；水泵通过不锈钢高压管与六通阀A连接；六通阀A通过不锈钢高压管分别与六通阀B、六通阀C、六通阀D连接，且六通阀B上设有稳压罐A和压力表A，六通阀C上设有稳压罐C与压力表C，六通阀D上设有稳压罐B和压力表B；六通阀B通过不锈钢高压管与滑动活塞连接，六通阀C通过不锈钢高压管与缸体右侧孔连接，六通阀D通过不锈钢高压管与缸体上部小孔连接；位移传感器设在缸体上部；流量仪设在缸体下部小孔正下方；应变片的数据线穿过下垫板孔和缸体下部孔与应变仪连接。

2.根据权利要求1所述的岩石蠕变-渗流耦合试验系统，其特征在于，所述应变片采用的防水材料是914粘接剂。