CN107063882B - 一种模拟深地环境的岩石力学实验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟深地环境的岩石力学实验系统，包括由室腔体与试验台座构成的三轴室，于三轴室内营造应力场模块、营造高压渗流场模块和营造高温温度场模块，渗流介质透出测控模块，用于室腔体安装拆卸的提升模块和计算机测控模块；提升模块包括门型支撑架、竖向安装在门型支撑架横梁上的油缸活塞装置、联接装置和安全悬挂装置，联接装置包括上端与活塞固定联接的油压杆、与油压杆下端固定联接的安全盘和两副对称设置的联接安全盘与室腔体的联接组件；安全悬挂装置包括上端固定在门型支撑架横梁上两两相对设置的四根固定杆和两根插销柱，固定杆下端设计有与插销柱承插配合的销孔，四根固定杆与两根插销柱构成悬挂所述安全盘的挂抬架。

Description

一种模拟深地环境的岩石力学实验系统
技术领域
本发明涉及地质环境研究中的岩石试件力学实验领域，具体涉及一种模拟深地环境的岩石力学实验系统。
背景技术
深层地下岩体处于高温温度场、高压渗流场、高地应力场的环境之中，有时还会受到化学物质存在的影响，如注入深层地下的二氧化碳，即深层地下岩体是处于热、力、水、气、化等多种场环境作用的环境之中。实现同时模拟深层地下高温温度场、高压渗流场、高地应力场、化学物质存在等环境条件的力学实验系统，是开展反映深层岩体真实环境条件下岩石力学行为研究的必备条件。
深层地质环境条件，深向地下越深，温度和地应力也会越大。当深度达到7000m时，按竖向自重应力估算的水平方向地应力可以达到200MPa以上，温度可以达到200℃以上。目前模拟深地环境的岩石力学实验，随着模拟的深层温度和水平向地应力越高，作为主要试验设备的三轴压力室的尺寸越大、越笨重。当三轴应力下的围压压力达200MPa、温度达200℃时，所采用自平衡三轴压力室(简称三轴室)，三轴室腔体的直径约0.7米、高度约1.4米、重量约2吨。三轴室中作为轴向加载作动器的活塞位于三轴室正中心的上部，沿三轴室的中心轴线在三轴室内伸缩运动，活塞杆穿透三轴室腔体顶端。测量试件变形的轴向位移变形传感器的导杆，沿三轴室中心轴线穿过作为轴向加载作动器的活塞和三轴室腔体顶端，其长度为70厘米。将试件安装于三轴室内或从三轴室内取走，需首先将该导杆从三轴室顶部取出，然后将室腔体安装在试验台座上的全部固定螺栓拆除，再将三轴室的室腔体向上提升0.8米移动到一侧后慢慢落下放置到地面上。由于室腔体顶端仅有两个可供连接提升的小螺栓孔，且室腔体尺寸大、重量重，提升时需先用提升软带穿在两个螺栓孔内，然后挂在手动升降葫芦的挂钩上，手动葫芦设置在底部带有滚轮的门架结构支架的横梁上，再由试验人员用手拉动升降葫芦链条提升室腔体。待室腔体提升到预定高度后，将门架推离三轴室底座，然后再将室腔体下落放置在地面上。将待测试件安装在三轴室试验台座上之后，提升室腔体到预定高度，然后再将吊有室腔体的门架推到安装好试件的三轴室试验台座正上方，用手拉动升降葫芦的链条下放室腔体到三轴室试验台座的预定部位。
现有技术的试验系统，在岩石试件安置在三轴室内与从三轴室内取走的操作过程，不但操作需要多人才能完成实验，过程环节多，还存在很多的隐患。首先，三轴室腔体尺寸大、重量重，提升和下放过程至少需4个人才能勉强胜任。为确保腔室体提升和下放过程中平稳，需要几个操作人员用手施力保持腔室体平衡，若腔室体在提升中出现摆动，不仅操作人员无法保证平衡，还会对旁边用手施加推力保持腔室体平衡的人员造成一定的危险；第二，提升过程中，由于腔室体通过软带挂在吊钩上，起吊时不能保证压力室腔体的重心方向与三轴室的中心轴线重合，在起吊和下放腔室体的过程中，稍不注意会导致将三轴室内安装的试件撞坏，甚至将加载压头撞落，还可能由此造成对操作人员的伤害；第三，因腔室体重量大，起吊下放过程中的腔室体重心方向与压力室轴线不重合，导致下放过程中极易将试验台座上的耐高温、高压的密封圈损坏，导致无法进行试验；第四，因采用手动葫芦升降，在升降中易出现链条被卡住，腔室体悬在半空，修复手动葫芦正常升降麻烦，修复过程操作不慎，不仅会导致整个试验系统被损坏，还可能导致严重的人身伤害；第五，腔室体提升到预定高度从底座上方移走，或从试验机旁移动到安装好待测试件的压力室底座上方的过程中，推动门架移动时悬吊在半空的腔室体易摆动，会给试验人员造成不安全的心理影响；第六，实验室面积相对较小，将三轴室腔室体从试验机三轴室底座上卸下放置在实验室地面上，在进行试验前的其他准备工作时，极为不便。
发明内容
本发明针对已有岩石力学实验系统的不足，提供一种能模拟深地环境的岩石力学实验系统，以解决现有技术岩石力学实验系统在试验过程中其室腔体安装拆卸困难且存在很大的安全隐患等问题。
本发明提供的模拟深地环境的岩石力学实验系统，包括由室腔体与试验台座构成的三轴室，于三轴室内营造应力场模块、营造高压渗流场模块和营造高温温度场模块，渗流介质透出测控模块，用于室腔体安装拆卸的提升模块和计算机测控模块，所述提升模块包括门型支撑架、竖向安装在门型支撑架横梁上的油缸活塞装置、联接装置和安全悬挂装置，所述联接装置包括上端与活塞固定联接的油压杆、与油压杆下端固定联接的安全盘和两副对称设置的上端与安全盘固定联接下端与室腔体上端固定联接的联接组件，所述联接组件由上端与安全盘固定联接的上提升杆、下端与室腔体上端固定联接的下提升杆和插销构成，上提升杆的下端和下提升杆的上端通过插销承插联接；所述安全悬挂装置包括上端固定在门型支撑架横梁上两两相对设置的四根固定杆和两根插销柱，固定杆下端设计有与插销柱承插配合的销孔，两根插销柱分别插入相对设置的两个固定杆下端部上的销孔内并轴向固定，四根固定杆与两根插销柱构成悬挂所述安全盘的挂抬架。
在本发明的上述技术方案中，构成悬挂所述安全盘的挂抬架的4根固定杆，可两两相对地固定设置在门型支撑架横梁的下面，也可两两相对地固定设置在门型支撑架横梁的两侧面，优先选择后面一种安装方式。
在本发明的上述技术方案中，为了防止由四根固定杆与两根插销柱所构成的挂抬架失效，可将插销柱设计得足够长，或在插销柱上设计防止插销柱轴向移动的轴向定位结构。优先选择第二种方式。轴向定位结构，可以是插销柱的一端端头为固定端帽，另一端为与螺母构成螺纹副的外螺纹，或为与横向插销构成承插副的横向插销孔；也可以是两端均为与螺母构成螺纹副的外螺纹，或为与横向插销构成承插副的横向插销孔。只要能够防止插销柱从相对设置的两固定杆下端部销孔内滑出即可。优先采用插销柱两端均为与螺母构成螺纹副固定结构的外螺纹，进行轴向固定。
在本发明的上述技术方案中，可在室腔体上端固定设置一联接底盘，联接底盘设计有套置轴向加载活塞轴的安装孔，联接组件中的下提升杆下端与联接底盘固定联接，下提升杆通过联接底盘与室腔体上端固定联接。下提升杆下端与联接底盘固定联接的方式，可以焊接，也可以是螺纹副联接。
在本发明的上述技术方案中，所述油缸活塞装置的活塞上升行程的距离大于0.40米，以便于试件安装在试验台座上和从试验台座上移走。
在本发明的上述技术方案中，所述油缸活塞装置的液压油控制开关最好设置在位于门型支撑架立框上的输送管道上。
在本发明的上述技术方案中，所述营造应力场模块包括轴向应力场加载测控模块和侧向应力场加载测控模块。所述营造高压渗流场模块包括营造液体渗流场加载测控模块和营造气体渗流场加载测控模块；所述渗流介质透出测控模块包括渗流液体透出测控模块和渗流气体透出测控模块。营造液体渗流场加载测控模块和营造气体渗流场加载测控模块可设计成共用一个渗流介质进口接管；渗流液体透出测控模块和渗流气体透出测控模块可设计成共用一个出口接管。
本发明提供的模拟深地环境的岩石力学实验系统，可以实现于同一台自平衡压力三轴室上分别或组合模拟深层地下高温温度场、高压渗流场、高地应力场及有化学介质存在环境条件对岩石试件进行力学实验，填补了现有技术不能于同一台自平衡压力三轴室同时在不同环境条件下对岩石试件进行力学实验的空白。尤其是本发明特别设计的用于室腔体安装拆卸的提升模块，不仅解决了由于室腔体尺寸大、重量太重，起吊时不能保证压力室腔室体的重心方向与三轴室的中心轴线重合，致使室腔体安装与拆卸需要多人才能完成，存在对试验人员很大的人身安全隐患，装拆操作过程需要十分谨慎小心，稍有失误就有可能造成三轴室内安装的试件被撞坏，甚至将加载压头撞落，或者将底座上的耐高温、高压的密封圈损坏等难题，更重要是解决了测量试件变形的轴向位移变形传感器的导杆在测试前、后便捷安装和拆卸的难题。本发明用于室腔体安装拆卸的提升模块，通过结构设计巧妙的联接装置和安全悬挂装置，在腔室体提升和落下过程中能够保持其垂直上下运动，室腔体的轴线位于三轴室的轴线上，腔室体在抬高一定高度后可安全地悬挂在三轴室安装座正上方的门型支撑架横梁上，试验人员可方便地将岩石试件安装于三轴室内或从三轴室内移走，消除了现有试验系统由于室腔体在装拆过程中的摆动对试验人员人身安全隐患，同时实现了测量试件变形的轴向位移变形传感器的导杆在测试前、后的便捷安装和拆卸。
附图说明
图1是本发明用于室腔体安装拆卸提升模块的主视结构示意图；
图2是图1中Ⅰ：Ⅰ向仰视结构示意图；
图3是图1中Ⅱ：Ⅱ向仰视结构示意图；
图4是图1中Ⅲ：Ⅲ向俯视结构示意图；
图5是图4中A：A向剖视结构示意图；
图6是本发明的岩石力学实验系统的框结构示意图。
在上述附图中，各图示标号标识的对象分别为：1：门型支撑架；2：底座；3：油源；4：输油管道；5：升降开关；6：底座对中销；7：试验台座；8：室腔体，其中8-1：加热元件；9：联接底盘；10下提升杆；11：插销；12：上提升杆；13：插销柱；14：安全盘；15：螺母；16：固定杆；17：横梁；18：活塞；19：油缸；20：油压杆；21：压头；22：试件；23：密封圈；24：轴向应力加载活塞轴；24-1：轴向应力加载活塞；25：侧向应力加载控制与测试模块，其中25-1：围压压力加载与测试模块；5-2：第一截止阀；5-3为第二截止阀；25-4、体积变形测试模块；26：轴向应力加载控制与测试模块；27：渗透介质渗入加载控制与测试模块；27-1：第一截止阀；27-2：液体渗流场加载测控模块；27-3：第二截止阀；27-4：营造气体渗流场加载测控模块；27-5：第三截止阀；27-6：气体增压模块；27-7：第四截止阀；27-8：减压阀；27-9：气瓶；28：液体介质透出或气液混相介质透出控制与测量模块，其中28-1：截止阀；28-2：液体介质透出或气液混相介质透出控制和测量模块；29：气体透出控制与测量模块，其中29-1：截止阀；29-2：第一压力表；29-3：第一自动开关阀；29-4：储气罐；29-5：第二压力表；29-6：第二自动开关阀。
具体实施方式
下面结合附图说明给出本发明的实例，并通过实施例对本发明作进一步的说明。本发明的具体实施方式不限于实施例所描述的方式。
实施例1
本实施例模拟深地环境的岩石力学实验系统，其构成包括由室腔体8与试验台座7构成的三轴室，通过接管与三轴室相联接的于三轴室内营造应力场模块、营造高压渗流场模块27和渗流介质透出控制测量模块，加热元件8-1安置三轴室腔体上于三轴室内营造高温温度场模块，用于室腔体安装拆卸的提升模块和控制系统运行并计算输出试验数据的计算机模块；所述提升模块包括门型支撑架1、竖向安装在门型支撑架横梁17上的油缸活塞装置、联接装置和安全悬挂装置；所述油缸活塞装置为油缸活塞装置的活塞18上升行程的距离为0.8米，液压油控制开关5设置在位于门型支撑架立框上的输送管道上，在将岩石试件安置在三轴室内或从三轴室内移走时，油缸活塞装置位于三轴室正上方，油缸19的轴线与三轴室一致；所述联接装置包括上端与活塞18固定联接的油压杆20、与油压杆下端固定联接的安全盘14和两副对称设置的上端与安全盘固定联接、下端与固定在室腔体上端套置在轴向加载活塞轴24外的联接底盘9固定联接的联接组件；所述联接组件由上端与安全盘固定联接的上提升杆12、下端与联接底盘固定联接的下提升杆10和插销11构成，上提升杆的下端和下提升杆的上端通过插销11承插联接；所述安全悬挂装置包括上端固定在门型支撑架横梁17两侧面上两两相对设置的四根固定杆16和两根插销柱13，固定杆下端设计有与插销柱承插配合的销孔，所述插销柱为两端设计有螺纹头的销柱，两根插销柱分别插入相对设置的两个固定杆下端部上的销孔内，插销柱通过其两端外露螺纹头与螺母15构成的螺纹副进行轴向固定，四根固定杆与两根插销柱构成悬挂所述安全盘的挂抬架。所述营造应力场模块包括轴向应力场加载测控模块25和侧向应力场加载测控模块26；所述营造高压渗流场模块包括共用一个渗流介质进口接管的营造液体渗流场加载测控模块27-2和营造气体渗流场加载测控模块27-4；所述渗流介质透出测控模块包括共用一个出口接管的渗流液体透出测控模块28和渗流气体透出测控模块29。
采用本实施例所述的模拟深地环境的岩石力学实验系统进行试验操作如下：
(一)试验前的准备与试验后的试件取出
参见附图6。实验前，首先将制备好的试件平整放置在试验台座7正中央，利用轴压加载模块26调整加载轴24的高度，使加载轴24的底部与试件22的上部压头21接触就位，然后将提升模块安全装置中的插销柱13拔出，打开油缸活塞装置的液压油开关5，令三轴室的室腔体8缓慢下降，并使试验台座7上的对中销6与室腔体上的对中孔对齐，待三轴室下降到位后，关闭升降开关，并拔出联接组件中用于联接上提升杆12与下提升杆的插销11，拧紧固定螺栓将室腔体固定在试验台座上，构成进行岩石试件试验的三轴压力室。再次打开油缸活塞装置的液压油开关5，使提升模块中的上提升杆上升至顶部，然后将测量试件变形的轴向位移变形传感器的导杆插入加载轴中的导杆安装孔中，导杆的一端与试件上部的压头21接触，另一端通过导杆顶部的水平杆与固定安装在三轴侧壁的位移传感器连接，其后即可通过围压加载模块25向三轴室中充入围压油，围压油充满后即可根据需要进行的试验类型，按预定加载方案和测试内容，进行加载和测试试验。
试验完成后，通过轴向加载模块26卸去轴向荷载，然后再待三轴室8中的围压油完全卸回至围压加载模块25中以后，其后再松开与位移传感器连接的轴向位移变形传感器的导杆螺栓后，将导杆从加载轴中部的导杆孔取出，然后即可将固定螺栓拧出，通过升降开关控制上提升杆下降至与下提升杆连接处，插上插销11，然后打开升降开关，将三轴室室腔体提起至设定高度，将插销柱13插入固定杆下端的销孔，使安全盘14悬挂在由四根固定杆与两根插销柱构成的挂抬架上，然后从试验台座7上取出试件，打扫清洁底座和试验台。
(二)围压加载模块围压加载操作
当三轴室室腔体8与试验台座7通过螺栓联接固定在一起后，并待上提升杆上升至顶部，然后将测量试件变形的轴向位移变形传感器的导杆插入加载轴中的导杆安装孔中，导杆的一端与试件上部的压头21接触，另一端通过导杆顶部的水平杆与固定安装在三轴侧壁的位移传感器连接，其后打开围压压力加载与测试模块25-1中的第一截止阀25-2、第二截止阀25-3，启动围压压力加载与测试模块25-1，向三轴室内注入围压油，同时调节体积变形测试模块25-4中的活塞使其位于缸体的中部。待围压油注满后，则关闭第一截止阀，试验过程中，岩石试件在荷载作用下发生变形，可以通过体积变形测试模块25：4测得变形量。
(三)渗透模块加载操作
1、渗透介质为单独液体介质
待前述围压加载与体积变形操作完成，围压油加入注满，并且围压压力加载至预定目标值后。按如下步骤操作，只打开营造高压渗流场模块27中第一截止阀27-1，(模块中的27-3～27-9均不启用)，启动营造液体渗流场加载测控模块27-2，对液体介质的加载进行控制与测量；对于渗流液体透出测控模块28打开截止阀28-1，启动液体介质透出或混相介质透出控制和测量模块28-2，对透出液体进行控制与测量(渗流气体透出测控模块29不启用)。
2、渗透介质为单独气体介质
待前述围压加载与体积变形操作完成，围压油加入注满，并且围压压力加载至预定目标值后。按如下步骤操作，对于营造高压渗流场模块27，关闭第一截止阀27-1，营造液体渗流场加载测控模块27-2不启用。若测试所需的气体渗透入口压力低，仅气瓶27-9中的压力即可满足试验需要，则关闭第三截止阀27-5，此时气体增压模块27-6不启用，打开第二截止阀27-3和第四截止阀27-7，将减压阀27-8调整到合适刻度，然后即可打开气瓶27-9，在试验过程中，利用营造气体渗流场加载测控模块27-4进行测试。
若测试气体需要高压，则关闭第四截止阀27-7，打开第二截止阀27-3和第三截止阀27-5，因需要对气瓶输出气体进行增压，故可以将减压阀27-8刻度调整至最大，打开气瓶27-9后，启动气体增压模块27-6对气体进行增压，在试验过程中，利用营造气体渗流场加载测控模块27-4进行测试。
对于渗流介质透出测控模块，在整个试验过程中不启用液体渗透出或气液混相渗透出控制与测量模块28，只启用气体渗透出控制与测量模块29。在试验过程中，打开截止阀29-1，第一压力表29-2为小量程压力表，当第一压力表测试压力达到预定值后，第一自动开关阀29-3自动打开，封闭在第一压力表与测试试件之间的气体被释放到储气罐29-4后，第一自动开关阀自动关闭。经过第一自动开关阀多次开启和关闭后，储气罐29-4中被储满更高压力的气体。第二压力表29-5为大量程压力表，设定刻度高于第一压力表，当第二压力表检测到储气罐中的压力达到预定值后，第二自动开关阀29-6自动打开，将储气罐内的高压气体释放到大气中。试验机测试系统可以自动检测与记录各个压力表压力和自动开关阀开启次数。
3、渗透介质为气体和液体的混相介质
A、混相介质同时注入：
若气体无需增压，入口气体部分的第三截止阀27-5始终关闭，并且气体增压模块27-6不启用。相反，若需要增压，则需启用。
气体介质与液体介质混合相同时加载，需要打开第一截止阀27-1和第二截止阀27-3，气体介质与液体介质在相同压力下开始输入，在进口接管和试件22中自动混合。出口仅启用液体渗透出口或气液混相渗透出口控制与测量模块28，其测量和控制与渗流介质为单独液体介质时的渗透出口测量和控制相同。
B、先注入液体介质：
首先只打开第一截止阀27-1，气体渗流场加载测控模块中的部件27-3～27-9均不启用，启动液体渗流场加载测控模块27-2，对液体介质加载进行控制与测量，待液体介质按预定试验方案完成注入后，关闭第一截止阀27-1，并关闭液体渗流场加载测控模块27-2。然后，按渗透介质为单独气体介质，其操作步骤如下“渗透介质为单独气体介质”中气体介质进口试验方法进行试验。对于渗透出口，则按“渗透介质为单独气体介质”的方法进行操作。
C、先注入气体介质：
先按“渗透介质为单独气体介质”方法进行操作，待气体介质按预定试验方案完成注入后，关闭第二截止阀27-3。然后，按“渗透介质为单独液体介质”的方法进行操作。对于渗透出口，则按“渗透介质为单独气体介质”的方法进行操作。

Claims (8)

1.一种模拟深地环境的岩石力学实验系统，包括由室腔体(8)与试验台座(7)构成的三轴室，于三轴室内营造应力场模块、营造高压渗流场模块(27)和营造高温温度场模块，渗流介质透出测控模块，用于室腔体安装拆卸的提升模块和计算机测控模块，其特征在于所述营造应力场模块包括轴向应力场加载测控模块(25)和侧向应力场加载测控模块(26)；所述提升模块包括门型支撑架(1)、竖向安装在门型支撑架横梁(17)上的油缸活塞装置、联接装置和安全悬挂装置；所述油缸活塞装置的活塞上升行程的距离大于0.40米；所述联接装置包括上端与活塞(18)固定联接的油压杆(20)、与油压杆下端固定联接的安全盘(14)和两副对称设置的上端与安全盘固定联接下端与室腔体上端固定联接的联接组件，所述联接组件由上端与安全盘固定联接的上提升杆(12)、下端与室腔体上端固定联接的下提升杆(10)和插销(11)构成，上提升杆的下端和下提升杆的上端通过插销承插联接；所述安全悬挂装置包括上端固定在门型支撑架横梁(17)上两两相对设置的四根固定杆(16)和两根插销柱(13)，固定杆下端设计有与插销柱承插配合的销孔，两根插销柱分别插入相对设置的两个固定杆下端部上的销孔内并轴向固定，四根固定杆与两根插销柱构成悬挂所述安全盘的挂抬架。
2.根据权利要求1所述的模拟深地环境的岩石力学实验系统，其特征在于所述四根固定杆两两相对地分别固定在门型支撑架横梁的两侧。
3.根据权利要求1所述的模拟深地环境的岩石力学实验系统，其特征在于所述插销柱设计有轴向定位结构，以防四根固定杆与两根插销柱所构成的挂抬架失效。
4.根据权利要求3所述的模拟深地环境的岩石力学实验系统，其特征在于所述轴向定位结构为插销柱外端头上的螺纹与螺母构成的螺纹副。
5.根据权利要求1至4之一所述的模拟深地环境的岩石力学实验系统，其特征在于，室腔体上端固定设置有联接底盘(9)，联接底盘设计有套置轴向加载活塞轴(24)的安装孔，联接组件中的下提升杆(10)下端与联接底盘固定联接。
6.根据权利要求1所述的模拟深地环境的岩石力学实验系统，其特征在于，所述油缸活塞装置的液压油控制开关(5)设置在位于门型支撑架立框上的输送管道上。
7.根据权利要求1至4之一所述的模拟深地环境的岩石力学实验系统，其特征在于，所述营造高压渗流场模块包括营造液体渗流场加载测控模块(27-2)和营造气体渗流场加载测控模块(27-4)；所述渗流介质透出测控模块包括渗流液体透出测控模块(28)和渗流气体透出测控模块(29)。
8.根据权利要求7所述的模拟深地环境的岩石力学实验系统，其特征在于，营造液体渗流场加载测控模块和营造气体渗流场加载测控模块共用一个渗流介质进口接管，渗流液体透出测控模块和渗流气体透出测控模块共用一个出口接管。
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