CN105403449B - 一种岩石力学试验机底座 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石力学试验机底座，涉及岩石力学测量技术领域。该底座包括压头垫块、插口圆盘、底座垫盘和数据接线盒；压头垫块为实心圆柱型；插口圆盘为中部设有圆柱形第一凹槽的有底厚壁圆筒，压头垫块内置密封于第一凹槽中，插口圆盘的厚壁上设有竖向的数据传输通道；底座垫盘为中部设有圆柱形第二凹槽的有底厚壁圆筒，插口圆盘内置密封于第二凹槽中；数据接线盒固定于底座垫盘的外侧壁上。本发明提供的岩石力学试验机底座，可以为岩石力学三轴试验中岩石声波、声发射传感器提供数据传输通道，很好地解决了导线布设的问题，另一方面可以提供高压流体注入和液压油出入的通道，结构简单、紧凑，密封性好，使用方便。

Description

一种岩石力学试验机底座

技术领域

本发明涉及岩石力学测量技术领域，具体涉及一种岩石力学试验机底座。

背景技术

岩石是一种重要的工程材料，分析研究岩石的力学性质与损伤演化规律具有重要的意义。岩石的力学参数的获取离不开室内岩石力学试验，岩土工程本身就是一门以试验为基础的学科。近年来，为了揭示岩石的损伤演化机理，以及岩石水力压裂过程中的裂纹演化规律，人们开始将声波与声发射测试技术引入到室内岩石力学试验中。

材料的超声波波速可以表征材料的内部结构特征。岩石结构越完整，超声波波速传播越迅速；岩石结构越破碎，超声波波速传播越缓慢。岩石在水力压裂试验过程中，岩体内部裂纹将会演化拓展，岩石的横波波速、纵波波速将会发生波动，通过对试验过程中岩石超声波波速的监测，将岩石的受力变形特征与超声波波速建立联系，可以进一步分析岩体的损伤演化过程，因此，分析研究岩石承压破坏过程中的超声波波速变化具有重要的意义。

岩石材料在损伤破裂过程中，内部贮藏的能量将会以声发射的形式释放，监测岩石承载破裂过程中的声发射能量特征，可以深入研究岩体内部的裂纹萌生、拓展、演化过程。在水力压裂试验中，岩石在高压水力作用下，内部结构将会破坏，产生大量的细观与宏观裂纹，利用空间布置的声发射传感器可以监测岩石的裂纹拓展，并实现岩石裂纹的空间三维定位，揭示岩体水压致裂过程中的裂纹时空演化规律，可以为页岩气、致密砂岩气等非常规气体开采提供理论指导。

在上述研究背景下，申请号为201410171101.5的中国发明专利“一种岩石声波、声发射同步测量的方法及装置”，适用于三轴压缩试验中的岩石的声波与声发射同步测试，但是，由于岩石力学试验机与岩石声波、声发射同步测试装置隶属于两套设备，在目前的实践应用中存在如下问题：（1）岩石试样与传感器安装完成后，试验机三轴压力室内部的声波传感器、声发射传感器需要通过三轴压力室底座与三轴压力室外的数据采集系统相连，由于传感器数量较多，而三轴压力室底座空间面积有限，如何布设导线的连接通道成为难点；（2）在岩石超声波波速测试过程中，岩样一端压头作为信号发射端，用来发射高压脉冲信号，岩样另一端作为信号接收端，用来接收岩石中传播过来的信号，发射端的高压电信号通过三轴压力室底座时，会对邻近的传感器插口产生电磁干扰；（3）在岩石三轴水力压裂试验中，高压水的注入通道设计是一个技术难点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种岩石力学试验机底座，可以为岩石力学三轴试验中岩石声波、声发射传感器提供数据传输通道，很好地解决了导线布设的问题，另一方面可以提供高压流体注入和液压油出入的通道，结构简单、紧凑，密封性好，使用方便。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种岩石力学试验机底座，包括压头垫块、插口圆盘、底座垫盘和数据接线盒；压头垫块、插口圆盘和底座垫盘均采用刚性钢材；

压头垫块为实心圆柱型；

插口圆盘为中部设有向内凹陷的圆柱形第一凹槽的有底厚壁圆筒；第一凹槽的内径与压头垫块的外径相等，压头垫块内置于所述第一凹槽中，第一凹槽与压头垫块的底端中心重合；插口圆盘的厚壁上设有竖向的数据传输通道和流体出入通道；数据传输通道内设有数据线；数据传输通道包括声发射信号激发通道、声波信号接收通道、声波信号激发通道和岩石应变信息接收通道；各数据传输通道为纵向贯通插口圆盘厚壁的圆柱形通孔；流体出入通道包括高压流体注入第一通道和液压油出入第一通道；插口圆盘的底端面上径向设有一段向内凹陷的半圆柱型数据线第一导出口，用于汇集各数据传输通道中数据线；各数据传输通道内靠近通道上端口处均固定设有一个双向插针公头，双向插针公头外端连接岩石力学试验机上各类岩石信号传感器的插头，双向插针公头内端依次通过数据线、数据线第一导出口和底座垫盘后与数据接线盒连接；岩石应变信息接收通道包括岩石轴向应变仪接口和岩石环向应变仪接口；高压流体注入第一通道和液压油出入第一通道均为L型通道，且分别设于插口圆盘的厚壁上的对称位置，L型通道的下端出口设于插口圆盘的外侧壁上；

底座垫盘为中部设有向内凹陷的圆柱形第二凹槽的有底厚壁圆筒；第二凹槽的内径与插口圆盘的外径相同，插口圆盘内置于第二凹槽中；底座垫盘的侧壁上部横向设有高压流体注入第二通道、液压油出入第二通道和数据线第二导出口；高压流体注入第二通道与L型的高压流体注入第一通道的横向段相通，并且两通道截面尺寸一致；液压油出入第二通道与L型的液压油出入第一通道的横向段相通，并且两通道截面尺寸一致；数据线第二导出口与插口圆盘中的数据线第一导出口保持位置一致；

数据接线盒为空心立体结构；数据接线盒固定于底座垫盘外侧壁上数据线第二导出口处；数据接线盒接触底座垫盘的一面设有导线孔和锚固孔；数据接线盒接触底座垫盘的一面的对立面上设有与数据传输通道相对应的BNC接头，各BNC接头的内部通过各相应数据传输通道内的数据线或导线与各相应数据传输通道内的双向插针公头相连。

优选地，压头垫块的下部外侧壁上环设有第一密封槽，在第一密封槽内布置第一密封圈，用于将压头垫块安置密封于插口圆盘中。

优选地，数据传输通道和流体出入通道沿插口圆盘的厚壁圆周均布。

优选地，双向插针公头为六芯双向插针公头，六芯双向插针公头与相应通道内部接触的部位均保持密封。

优选地，插口圆盘下部的外侧壁上环设有第二密封槽，在第二密封槽内布置第二密封圈，用于将插口圆盘安置密封于底座垫盘中。

优选地，声发射信号接收通道设有4个，声波信号发射通道与声波信号接收通道均设有1个，并且声波信号发射通道与声波信号接收通道分别设于插口圆盘的厚壁的相对称位置上。

优选地，高压流体注入第二通道和液压油出入第二通道的通道口外端均连接一段管道，管道上均设有高压控制阀。

优选地，底座垫盘的厚壁上设有至少8个竖向的密封螺孔，密封螺孔沿底座垫盘的上端面圆周均布并由上到下贯穿底座垫盘的厚壁，通过螺栓实现岩石试验机与底座垫盘的密封。

优选地，插口圆盘下断面上设有向内凹陷的环状数据线汇集槽，各数据传输通道的下端口均在数据线汇集槽内，数据线汇集槽的纵切线为半圆形或矩形，用于各数据传输通道中的数据线汇集到数据线导出口；双向插针的公头内端依次通过数据线、数据线汇集槽、数据线第一导出口和底座垫盘的数据线第二导出口后与数据接线盒连接。

优选地，数据接线盒与底座垫盘的高度保持一致；数据接线盒为一面为圆弧面的空心长方体，圆弧面为与底座垫盘的外侧壁相贴合，并利用销钉将数据接线盒固定于底座垫盘的外侧壁上。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的岩石力学试验机底座，可以为岩石力学三轴试验中岩石声波、声发射传感器提供数据传输通道，另一方面可以提供高压流体注入和液压油出入的通道，结构简单，密封性好，很好地解决了导线布设的问题，使用方便。压头垫块和插口圆盘上设置的密封槽可以增加结构的密封性；各数据传输通道、数据线导出口和数据接线盒的设计，可以方便地实现三轴压力室内部传感器与外部的连通；各通道中六芯双向插针的使用，方便实现数据传输，并且六芯双向插针与各通道内部接触部位保持密封，可以防止压力机三轴压力室漏油，防止影响底座中的数据传输；高压流体注入通道和液压油出入通道外部设置的高压控制阀，可以实现流体出入的开关控制；底座垫盘上的密封螺孔可以通过螺栓实现三轴压力室与试验机底座的密封；数据接线盒外部的BNC接头可以通过数据线与相应的数据采集系统相连，实现各种数据的处理；声波信号发射通道与声波信号接收通道呈相对称布置，以保持一定的间隔距离，有效防止信号发射端的高压脉冲对信号接收产生影响。

附图说明

图1是本发明一个实施例的立体结构示意图；

图2为图1中的A-A剖面图；

图3为图1中压头垫块1的结构示意图；

图4为图1中插口圆盘2的结构示意图；

图5为图1中插口圆盘2的底端面结构示意图；

图6为图1中底座垫盘3的结构示意图；

图7为图1中底座垫盘3与数据接线盒4连接的结构示意图。

图中：1、压头垫块；2、插口圆盘；3、底座垫盘；4、数据接线盒； 11、第一密封槽；20、第一凹槽；21、声发射信号接收通道；22、声波信号发射通道；23、高压流体注入第一通道；24、六芯双向插针公头；25、轴向应变仪接口；26、环向应变仪接口；27、数据线第一导出口；28、声波信号接收通道；29、液压油出入第一通道；210、第二密封槽；211、数据线汇集槽；31、密封螺孔；32、高压流体注入第二通道；33、导线出口；34、液压油出入第二通道；35、高压控制阀；41、BNC接头；42、销钉。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种岩石力学压力机三轴压力室底座，如图1所示，它包括压头垫块1、插口圆盘2、底座垫盘3、数据接线盒4四部分。压头垫块1内置密封于带有第一凹槽20的插口圆盘2中，插口圆盘2内置密封于带有第二凹槽30的底座垫盘3中，数据接线盒4固定于底座垫盘3的侧表面，如图2所示的剖面图，可以看出各部分的相对位置及其中一些内部结构。

第一部分是压头垫块1，如图3所示，呈实心圆柱形，并具有一定的刚度。压头垫块1的外径与插口圆盘2的第一凹槽20内径相等，压头垫块1内置于插口圆盘2的第一凹槽20中，压头垫块1的下部设计第一密封槽11，并在该位置布置密封圈，以实现压头垫块1与插口圆盘2的密封。

第二部分是插口圆盘2，由一定刚度的钢材制成，整体呈厚壁圆筒型，如图4所示，该圆筒有底。插口圆盘2的中部设有向内凹陷的圆柱形第一凹槽20，用于安置压头垫块1，并利用密封圈实现二者密封。在厚壁上设有若干数据传输通道和流体出入通道，这些通道沿所述插口圆盘2的厚壁圆周均布。数据传输通道用于实现三轴压力室内部传感器与外部的连通，数据传输通道包括4个声发射信号接收通道21、1个声波信号发射通道22、1个声波信号接收通道28和2个岩石应变信息接收通道（包括轴向应变接口25和环向应变接口26）。各数据传输通道为纵向贯通插口圆盘2厚壁的圆柱形通孔。在数据传输通道中，均布设数据线，并在各通道内靠近通道上端口的位置固定设有六芯双向插针公头24，六芯双向插针公头24的外端连通各类信号传感器的插头，内端依次通过数据线、数据线导出口27和底座垫盘3后与数据接线盒4连通。六芯双向插针公头24与各通道内部接触部位保持密封，以防止压力机三轴压力室漏油。声波信号发射通道22内部设置六芯双向插针公头24用于实现声波发射压头与试验机三轴压力室外部连通，声波信号接收通道28内部设置六芯双向插针公头24用于实现声波接收压头与试验机三轴压力室外部连通，声发射信号接收通道21内部设置六芯双向插针公头24用于实现声发射传感器与试验机压力室外部连通。每个声波或声发射传感器需要一个“芯线”通道和一个“皮线”通道，因此，六芯插针可以分别为声波发射压头中的三个传感器（2个横波传感器、1个纵波传感器）提供数据传输通道。为了防止信号发射端的高压脉冲对信号接收产生影响，声波信号发射通道22与声波信号接收通道23呈现相对布置，以保持一定的间隔距离。

在插口圆盘2的底端面上径向设有一段向内凹陷的半圆柱型数据线第一导出口27，用于汇集各数据传输通道中数据线，插口圆盘2底端面上设有向内凹陷的环状数据线汇集槽211，如图5所示，各数据传输通道的下端口均在数据线汇集槽211内，环状数据线汇集槽211的纵切线为半圆形或矩形，用于各数据传输通道中的数据线汇集到数据线第一导出口27。

流体出入通道包括高压流体注入第一通道23和液压油出入第一通道29，两个通道均为L型通道，L型通道的下端出口设于插口圆盘2的外侧壁上。高压流体注入第一通道23一端连通试验机三轴压力室内部，另一端通过底座垫盘3与外界连通，可以为外界高压压裂水力提供注射通道，液压油出入第一通道29一端连通试验机三轴压力室内部，另一端通过底座垫盘3与外界连通，可以为三轴压力室液压油提供流入流出通道。

在插口圆盘2下部的外侧壁上环设有第二密封槽210，在第二密封槽210内布置第二密封圈，用于将插口圆盘2安置密封于底座垫盘3中，以实现插口圆盘2与底座垫盘3的密封连接。

第三部分是底座垫盘3，如图6所示，为中部设有向内凹陷的圆柱形第二凹槽30的有底厚壁圆筒，由一定刚度的钢材制成，整体上呈圆盘型。第二凹槽30为平底圆柱形凹槽，其内部直径与插口圆盘2的外径相同，插口圆盘2内置密封于第二凹槽30中。底座垫盘3的侧壁上部横向设有高压流体注入第二通道32、液压油出入第二通道34和数据线第二导出口33。高压流体注入第二通道32与L型的高压流体注入第一通道23的横向段相通，并且通道截面尺寸一致，可以为高压流体提供传输通道。液压油出入第二通道34与L型的液压油出入第一通道29的横向段相通，并且尺寸一致，为三轴压力室内液压油的注入及流出提供传输通道。高压流体注入第二通道32和液压油出入第二通道34的通道口向外均连接一段管道，并在管道上设有高压控制阀35，以实现对相应通道流体出入的开关控制。底座垫盘3的厚壁上设有若干竖向的密封螺孔31，通过螺栓实现岩石试验机与底座垫盘3的密封，密封螺孔31至少设置8个，为保证密封性，本实施例中设置24个密封螺孔31，这些密封螺孔31沿底座垫盘3的上端面圆周均布并由上到下贯穿底座垫盘3的厚壁，用于连接密封三轴压力室与本实施例的岩石力学试验机底座。数据线第二导出口33与插口圆盘2中的数据线第一导出口27保持位置一致，为导线连接提供通道。

第四部分是数据接线盒4，它是由一定刚度的钢材制成，为空心立体结构，为了使结构紧密，数据接线盒4为长方体，并且长方体的接触底座垫盘3的一面为与底座垫盘3外侧面相贴合的圆弧面，如图7所示，数据接线盒4与底座垫盘3的高度保持一致，利用销钉42将数据接线盒4固定于底座垫盘3外侧壁上数据线第二导出口33处。数据接线盒4的接触底座垫盘3的一面上，即背面上，设有导线孔和锚固孔，数据接线盒4接触底座垫盘3的一面的对立面上，即正面上，设有与各数据传输通道相对应的多个BNC接头，各BNC接头的内部通过数据线第二导出口33导出的各相应数据传输通道内的数据线或导线与各相应数据传输通道内的六芯双向插针公头24相连，这样，三轴压力室内部的各个传感器通过插口圆盘2内的六芯双向插针24和数据线或导线便可与数据接线盒4相连，数据接线盒4外部的BNC接头41通过数据线与数据采集系统相连。

本实施例的岩石力学试验机底座在采用三轴压力室测试岩石力学性能过程中的使用步骤如下（以三轴水力压裂的声波与声发射试验为例）：

（1）依据试验方案，分别将声波与声发射传感器连接到三轴压力室底盘的相应接口，即声发射信号接收通道21、声波信号发射通道22和声波信号接收通道28，连通数据接线盒4外端的BNC接口41与声波和声发射信号采集系统；启动声波与声发射试验测试装置，检查每个通道的连通性；

（2）在压头垫块1的上端安装试验样品，将岩石轴向应变计连接到轴向应变接口25，将岩石环向应变计连接到环向应变接口26，试样安装完毕后，用螺栓拧入底座垫盘3上的密封螺孔31，将三轴压力室腔体与本实施例的岩石力学试验机底座密封；

（3）关闭高压流体注入第二通道32外部的高压控制阀门35、打开液压油出入第二通道34外部的高压控制阀门35，将三轴压力室内部充满液压油，随后，关闭液压油出入通道34外部的高压控制阀门35。启动岩石力学试验机，调节三轴压力室内部压力，直到设计应力水平；

（4）打开高压流体注入第二通道32外部的高压控制阀门35，启动岩石水力压裂试验系统，此时高压流体开始进入岩石样本内部。启动岩石声波和声发射信号采集系统，采集水力压裂试验过程中岩石的声波与声发射信息。

本实施例提供的岩石力学试验机底座，可以为岩石力学三轴试验中岩石声波、声发射传感器提供数据传输通道，另一方面可以提供高压流体注入和液压油出入的通道，结构简单，密封性好，很好地解决了导线布设的问题，使用方便。

以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (10)

1.一种岩石力学试验机底座，其特征在于：包括压头垫块（1）、插口圆盘（2）、底座垫盘（3）和数据接线盒（4）；所述压头垫块（1）、插口圆盘（2）和底座垫盘（3）均采用刚性钢材；

所述压头垫块（1）为实心圆柱型；

所述插口圆盘（2）为中部设有向内凹陷的圆柱形第一凹槽（20）的有底厚壁圆筒；所述第一凹槽（20）的内径与所述压头垫块（1）的外径相等，所述压头垫块（1）内置于所述第一凹槽（20）中，所述第一凹槽（20）与所述压头垫块（1）的底端中心重合；所述插口圆盘（2）的厚壁上设有竖向的数据传输通道和流体出入通道；所述数据传输通道内设有数据线；所述数据传输通道包括声发射信号接收通道（21）、声波信号接收通道（28）、声波信号激发通道（22）和岩石应变信息接收通道；各数据传输通道为纵向贯通插口圆盘（2）厚壁的圆柱形通孔；所述流体出入通道包括高压流体注入第一通道（23）和液压油出入第一通道（29）；所述插口圆盘（2）的底端面上径向设有一段向内凹陷的半圆柱型数据线第一导出口（27），用于汇集各数据传输通道中数据线；各所述数据传输通道内靠近通道上端口处均固定设有一个双向插针公头（24），所述双向插针公头（24）外端连接岩石力学试验机上各类岩石信号传感器的插头，所述双向插针公头（24）内端依次通过所述数据线、数据线第一导出口（27）和底座垫盘（3）后与所述数据接线盒（4）连接；所述岩石应变信息接收通道包括岩石轴向应变仪接口（25）和岩石环向应变仪接口（26）；所述高压流体注入第一通道（23）和所述液压油出入第一通道（29）均为L型通道，且分别设于插口圆盘（2）的厚壁上的对称位置，所述L型通道的下端出口设于所述插口圆盘（2）的外侧壁上；

所述底座垫盘（3）为中部设有向内凹陷的圆柱形第二凹槽（30）的有底厚壁圆筒；所述第二凹槽（30）的内径与所述插口圆盘（2）的外径相同，所述插口圆盘（2）内置于所述第二凹槽（30）中；所述底座垫盘（3）的侧壁上部横向设有高压流体注入第二通道（32）、液压油出入第二通道（34）和数据线第二导出口（33）；所述高压流体注入第二通道（32）与L型的高压流体注入第一通道（23）的横向段相通，并且两通道截面尺寸一致；所述液压油出入第二通道（34）与L型的液压油出入第一通道（29）的横向段相通，并且两通道截面尺寸一致；所述数据线第二导出口（33）与所述插口圆盘（2）中的数据线第一导出口（27）保持位置一致；

所述数据接线盒（4）为空心立体结构；所述数据接线盒（4）固定于所述底座垫盘（3）外侧壁上数据线第二导出口（33）处；所述数据接线盒（4）接触底座垫盘（3）的一面设有导线孔和锚固孔；所述数据接线盒（4）接触底座垫盘（3）的一面的对立面上设有与所述数据传输通道相对应的BNC接头（41），所述各BNC接头（41）的内部通过各相应数据传输通道内的数据线或导线与各相应数据传输通道内的所述双向插针公头（24）相连。

2.根据权利要求1所述的岩石力学试验机底座，其特征在于所述压头垫块（1）的下部外侧壁上环设有第一密封槽（11），在所述第一密封槽（11）内布置第一密封圈，用于将所述压头垫块（1）安置密封于所述插口圆盘（2）中。

3.根据权利要求1所述的岩石力学试验机底座，其特征在于各所述数据传输通道和流体出入通道沿所述插口圆盘（2）的厚壁圆周均布。

4.根据权利要求1所述的岩石力学试验机底座，其特征在于所述双向插针公头（24）为六芯双向插针公头，所述六芯双向插针公头与相应通道内部接触的部位均保持密封。

5.根据权利要求1所述的岩石力学试验机底座，其特征在于所述插口圆盘（2）下部的外侧壁上环设有第二密封槽（210），在所述第二密封槽（210）内布置第二密封圈，用于将所述插口圆盘（2）安置密封于所述底座垫盘（3）中。

6.根据权利要求1所述的岩石力学试验机底座，其特征在于所述声发射信号接收通道（21）设有4个，所述声波信号发射通道（22）与声波信号接收通道（23）均设有1个，并且所述声波信号发射通道（22）与声波信号接收通道（23）分别设于插口圆盘（2）的厚壁的相对称位置上。

7.根据权利要求1所述的岩石力学试验机底座，其特征在于所述高压流体注入第二通道（32）和液压油出入第二通道（34）的通道口外端均连接一段管道，所述管道上均设有高压控制阀（35）。

8.根据权利要求1所述的岩石力学试验机底座，其特征在于所述底座垫盘（3）的厚壁上设有至少8个竖向的密封螺孔（31），所述密封螺孔（31）沿所述底座垫盘（3）的上端面圆周均布并由上到下贯穿底座垫盘（3）的厚壁，通过螺栓实现岩石试验机与底座垫盘（3）的密封。

9.根据权利要求1所述的岩石力学试验机底座，其特征在于所述插口圆盘（2）底端面上设有向内凹陷的环状数据线汇集槽（211），各数据传输通道的下端口均在所述数据线汇集槽（211）内，所述数据线汇集槽（211）的纵切线为半圆形或矩形，用于各数据传输通道中的数据线汇集到所述数据线导出口（27）；所述双向插针的公头内端依次通过所述数据线、数据线汇集槽（211）、数据线第一导出口（27）和底座垫盘（3）的数据线第二导出口（33）后与所述数据接线盒（4）连接。

10.根据权利要求1至9任一项所述的岩石力学试验机底座，其特征在于所述数据接线盒（4）与所述底座垫盘（3）的高度保持一致；所述数据接线盒（4）为一面为圆弧面的空心长方体，所述圆弧面为与底座垫盘（3）的外侧壁相贴合，并利用销钉（42）将数据接线盒（4）固定于底座垫盘（3）的外侧壁上。