CN105823692B - 剪切位移条件下裂隙渗流各向异性模拟试验方法 - Google Patents

剪切位移条件下裂隙渗流各向异性模拟试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种剪切位移条件下裂隙渗流各向异性模拟试验方法，包括前期准备、准备试件、开孔、装载试件、施加法向应力、注水、剪切、同组其他试验和整理实验数据等步骤，其中断裂试件装载在内设剪切盒的试验盒内，从而提供了一种剪切位移条件下裂隙渗流各向异性模拟试验方法，便于研究剪切方向、水压等参数与流量之间的关系，从而更深层次地揭示裂隙渗流各项异性。

Description

剪切位移条件下裂隙渗流各向异性模拟试验方法
技术领域
本发明属于裂隙液体流动研究领域，具体地讲，特别涉及一种剪切位移条件下裂隙渗流各向异性模拟试验方法。
背景技术
目前，随着社会的发展，越来越多复杂地质条件下的矿产资源和水资源被探测开发，由于地质条件极其复杂，在开采过程中的力学问题对于合理选择开采方法及其结构参数、提高开采强度、合理利用资源、保证工人安全作业以及最终提高经济效益都是尤为重要的。目前大多采用相似模拟试验，利用现场真实的物理实体，来更加真实准确地模拟矿产的状态。然而，目前并没有针对剪切位移条件下裂隙渗流各向异性模拟的研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种剪切位移条件下裂隙渗流各向异性模拟试验方法，用于研究剪切位移条件下各参数对裂隙各项异性的影响。
本发明的技术方案如下：一种剪切位移条件下裂隙渗流各向异性模拟试验方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一、前期准备，通过钻取岩心获得含结构面的试样，或者通过室内实验获得断裂的试样；
步骤二、准备试件，利用相似材料对已获得试样的结构面进行拓印，制备至少两个拥有与试样结构面相同形貌特征的相似材料试件，所述试件为正方体；
步骤三、开孔，在试件的上半部中心开设安装孔，安装孔的下端贯通试件上半部的断裂面；
步骤四、装载试件，将断裂的试件重新合在一起，并放入试验盒，
所述试验盒包括上盒体、下盒体和剪切盒，所述上盒体和下盒体围成密封的盒状，所述剪切盒包括左上壳、右上壳、左下壳和右下壳，所述左上壳和右上壳位于上盒体内，在所述上盒体的左右两边均穿设有沿左右方向布置的定位杆，所述左上壳与右上壳挂在对应定位杆的内端上，并且，在左右两边定位杆的作用下，左上壳与右上壳将试件的上部夹紧；所述左下壳和右下壳位于下盒体内，所述左下壳和右下壳分别位于左上壳和右上壳的下方，在所述左上壳与左下壳之间留有第一缝隙，在所述右上壳与右下壳之间留有第二缝隙；在所述试验盒的下盒体内开有左孔道和右孔道，所述左孔道和右孔道的内孔口分别与第
一缝隙和第二缝隙连通，所述左孔道和右孔道的外孔口均贯通试验盒的外壁；并且，所述第一缝隙和第二缝隙正对试件的断裂位置；
在所述上盒体上插装有压杆，在压杆的下端固定连接有位于左上壳与右上壳之间的压头，所述压头的底面与试件的顶面相抵，在所述压头的下端还固定连接有接头，所述接头伸入试件的安装孔内，并将接头外壁与安装孔内壁粘接密封；在所述接头、压头和压杆内开有上孔道，所述上孔道的内孔口贯通接头的下端，上孔道的外孔口贯通压杆的外侧壁；
在所述压杆与上盒体之间、压杆与压头之间、压头与接头之间均设置有密封圈；
步骤五、施加法向应力，对压杆施加压力，使试件受到法向应力；
步骤六、注水，从上孔道的外孔口以恒定水压注水，并监测上孔道外孔口的水压，同时监测左孔道和右孔道外孔口的流量；
步骤七、剪切，对上盒体和下盒体施力使上盒体与下盒体沿左右方向发生相对位移，直到相对位移S＝5mm；
步骤八、同组其他试验，更换试件，并更换剪切盒、使试件的前后边与左右方向之间的夹角发生改变，重复步骤四至步骤七；
步骤九、整理实验数据。
上述方法提供了一种剪切位移条件下裂隙渗流各向异性模拟试验方法，步骤五中对压杆施加的压力大小可以模拟深度，重复试验改变试件前后边与左右方向之间的夹角，即可研究剪切方向、水压等参数与流量之间的关系，从而确定剪切位移条件下渗流各向异性的参数，对更深层次地揭示裂隙渗流各向异性具有重要的理论价值和工程指导意义。
所述上盒体包括矩形框状的上框和固定在上框顶部的盖板，所述左上壳和右上壳位于上框的框体内，所述定位杆也穿设在上盒体的上框上。这样设置上盒体，使试件和剪切盒的装配更加方便。
所述下盒体包括矩形框状的下框和固定在下框底部的底板，所述左下壳和右下壳位于下框的框体内，所述左孔道和右孔道均开在下盒体的下框上。这样设置下盒体，使试件和剪切盒的装配更加方便。
所述试件为100*100*100mm3的正方体。
步骤七中所述上盒体和下盒体相对位移的加载速率为0.1mm/min。
有益效果：本发明利用内装剪切盒的试验盒对断裂试件进行注水和剪切，从而提供了一种剪切位移条件下裂隙渗流各向异性模拟试验方法，便于研究剪切方向、水压等参数与流量之间的关系，对更深层次地揭示裂隙渗流各向异性具有重要的理论价值和工程指导意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为图2的A-A剖视图。
图4为正方体内腔前后边与左右方向夹角0°的剪切盒。
图5为正方体内腔前后边与左右方向夹角30°的剪切盒。
图6为正方体内腔前后边与左右方向夹角45°的剪切盒。
图7为正方体内腔前后边与左右方向夹角60°的剪切盒。
图中标记如下：第一缝隙1、底板2、下框3、上框4、盖板5、压杆6、第二缝隙7、定位杆8、左孔道9、右孔道10、压头12、接头11、上孔道13、左上壳14、右上壳15、左下壳16和右下壳17。
需要说明的是：本发明的描述中，方位词“前”、“后”、“左”、“右”均以实际使用中操作人员站在图1视图的视线方向并面向设备为准，也即图1视图的左为本发明描述中的“左”、图1视图的右为本发明描述中的“右”，图2视图的上为本发明描述中的“后”、图2视图的下为本发明描述中的“前”。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述的实施例示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，如有术语“中心”，“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不应理解为限制本发明的具体保护范围。此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。
在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。
在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。
如图1、图2、图3和图4所示，本发明包括以下步骤，
步骤一、前期准备，通过钻取岩心获得含结构面的试样，或者通过室内剪切或劈裂实验获得断裂的试样；
步骤二、准备试件，利用相似材料对已获得试样的结构面进行拓印，制备至少两个拥有与试样结构面相同形貌特征的相似材料试件，所述试件为100*100*100mm3的正方体；
步骤三、开孔，在试件的上半部中心开设安装孔，本实施例优选安装孔呈孔径10mm的圆孔。所述安装孔的下端贯通试件上半部的断裂面。
步骤四、装载试件，将断裂的试件重新合在一起，并放入试验盒，
所述试验盒包括上盒体、下盒体和剪切盒，所述上盒体和下盒体围成密封的盒状。所述上盒体包括矩形框状的上框4和固定在上框4顶部的盖板5，所述下盒体包括矩形框状的下框3和固定在下框3底部的底板2。在所述盖板5与上框4之间、上框4与下框3之间、下框3与底板2之间均设有密封圈。
所述剪切盒包括左上壳14、右上壳15、左下壳16和右下壳17，所述左上壳14、右上壳15、左下壳16和右下壳17围成的剪切盒内腔呈与试件形状相适应的正方体内腔。并且，根据试验需要，剪切盒正方体内腔的前后边可以是与左右方向呈一定夹角的歪斜正方体内腔。所述左上壳14和右上壳15位于上盒体内，并且左上壳14和右上壳15位于上盒体上框4的框体内。在所述上盒体上框4的左右两边均穿设有沿左右方向布置的定位杆8，所述左上壳14与右上壳15挂在对应定位杆8的内端上。并且，左右两边的定位杆8均与上盒体螺纹配合，转动定位杆8时，定位杆8在上盒体上左右移动。在左右两边定位杆8的作用下，左上壳14与右上壳15将试件的上部夹紧。本实施例优选与左上壳14配合的定位杆8有前后两根，与右上壳15配合的定位杆8也有前后两根。
所述左下壳16和右下壳位于下盒体内，并且左下壳16和右下壳17位于下框3的框体内，所述左下壳16和右下壳17分别位于左上壳14和右上壳15的下方，在所述左上壳14与左下壳16之间留有第一缝隙1，在所述右上壳15与右下壳17之间留有第二缝隙7。在所述试验盒下盒体内开有左孔道9和右孔道10，所述左孔道9和右孔道10均开在下盒体的下框3上；所述左孔道9和右孔道10的内孔口分别与第一缝隙1和第二缝隙7连通，所述左孔道9和右孔道10的外孔口均贯通试验盒的外壁。本实施例优选所述左孔道9位于试验盒下框3的左前部，左孔道9的内孔口与第一缝隙1的前边段连通；本实施例优选所述右孔道10位于试验盒下框3的右后部，右孔道10的内孔口与第二缝隙7的后边段连通。并且，所述第一缝隙1和第二缝隙7正对试件的断裂位置。
在所述上盒体的盖板5上插装有压杆6，在压杆6的下端固定连接有位于左上壳14与右上壳15之间的压头12，所述压头12的底面与试件的顶面相抵。在所述压头12的下端还固定连接有接头11，所述接头11伸入试件的安装孔内，并通过胶水或者粘合剂将接头11外壁与安装孔内壁粘接密封。在所述接头11、压头12和压杆6内开有上孔道13，所述上孔道13的内孔口贯通接头11的下端，上孔道13的外孔口贯通压杆6的外侧壁。在所述压杆6与上盒体盖板5之间、压杆6与压头12之间、压头12与接头11之间均设置有密封圈。
步骤五、施加法向应力，对压杆施加压力，使试件受到法向应力。
步骤六、注水，从上孔道的外孔口以恒定水压注水，并监测上孔道外孔口的水压，同时监测左孔道和右孔道外孔口的流量。
步骤七、剪切，对上盒体和下盒体施力使上盒体与下盒体沿左右方向发生相对位移，直到所述上盒体和下盒体的相对位移S＝5mm；本实施例优选所述上盒体和下盒体相对位移的加载速率为0.1mm/min。
步骤八、同组其他试验，更换试件，并更换如图5或者图6或者图7所示的剪切盒、使试件的前后边与左右方向之间的夹角发生改变，也即改变剪切方向，重复步骤四至步骤七；当然，根据实际需要，更换的剪切盒不局限于图5、图6和图7所示，也可以是剪切盒正方体内腔的前后边与左右方向夹角10°、20°、40°、75°等。
步骤九、整理实验数据。
表一：
按照下表进行重复试验，并监测剪切位移达到0.1mm时，左孔道和右孔道外孔口的流量之和，即可研究特定裂隙面、恒定水压条件下，剪切方向与流量之间的关系。

Claims (5)

1.一种剪切位移条件下裂隙渗流各向异性模拟试验方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一、前期准备，通过钻取岩心获得含结构面的试样，或者通过室内实验获得断裂的试样；
步骤二、准备试件，利用相似材料对已获得试样的结构面进行拓印，制备至少两个拥有与试样结构面相同形貌特征的相似材料试件，所述试件为正方体；
步骤三、开孔，在试件的上半部中心开设安装孔，安装孔的下端贯通试件上半部的断裂面；
步骤四、装载试件，将断裂的试件重新合在一起，并放入试验盒，
所述试验盒包括上盒体、下盒体和剪切盒，所述上盒体和下盒体围成密封的盒状，所述剪切盒包括左上壳、右上壳、左下壳和右下壳，所述左上壳和右上壳位于上盒体内，在所述上盒体的左右两边均穿设有沿左右方向布置的定位杆，所述左上壳与右上壳挂在对应定位杆的内端上，并且，在左右两边定位杆的作用下，左上壳与右上壳将试件的上部夹紧；所述左下壳和右下壳位于下盒体内，所述左下壳和右下壳分别位于左上壳和右上壳的下方，在所述左上壳与左下壳之间留有第一缝隙，在所述右上壳与右下壳之间留有第二缝隙；在所述试验盒的下盒体内开有左孔道和右孔道，所述左孔道和右孔道的内孔口分别与第一缝隙和第二缝隙连通，所述左孔道和右孔道的外孔口均贯通试验盒的外壁；并且，所述第一缝隙和第二缝隙正对试件的断裂位置；
在所述上盒体上插装有压杆，在压杆的下端固定连接有位于左上壳与右上壳之间的压头，所述压头的底面与试件的顶面相抵，在所述压头的下端还固定连接有接头，所述接头伸入试件的安装孔内，并将接头外壁与安装孔内壁粘接密封；在所述接头、压头和压杆内开有上孔道，所述上孔道的内孔口贯通接头的下端，上孔道的外孔口贯通压杆的外侧壁；
在所述压杆与上盒体之间、压杆与压头之间、压头与接头之间均设置有密封圈；
步骤五、施加法向应力，对压杆施加压力，使试件受到法向应力；
步骤六、注水，从上孔道的外孔口以恒定水压注水，并监测上孔道外孔口的水压，同时监测左孔道和右孔道外孔口的流量；
步骤七、剪切，对上盒体和下盒体施力使上盒体与下盒体沿左右方向发生相对位移，直到相对位移S＝5mm；
步骤八、同组其他试验，更换试件，并更换剪切盒、使试件的前后边与左右方向之间的夹角发生改变，重复步骤四至步骤七；
步骤九、整理实验数据。
2.根据权利要求1所述的剪切位移条件下裂隙渗流各向异性模拟试验方法，其特征在于：所述上盒体包括矩形框状的上框和固定在上框顶部的盖板，所述左上壳和右上壳位于上框的框体内，所述定位杆也穿设在上盒体的上框上。
3.根据权利要求2所述的剪切位移条件下裂隙渗流各向异性模拟试验方法，其特征在于：所述下盒体包括矩形框状的下框和固定在下框底部的底板，所述左下壳和右下壳位于下框的框体内，所述左孔道和右孔道均开在下盒体的下框上。
4.根据权利要求1-3任一所述的剪切位移条件下裂隙渗流各向异性模拟试验方法，其特征在于：所述试件为100*100*100mm3的正方体。
5.根据权利要求4所述的剪切位移条件下裂隙渗流各向异性模拟试验方法，其特征在于：步骤七中所述上盒体和下盒体相对位移的加载速率为0.1mm/min。
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