CN108020470B - 一种用于模拟超高压和高温地质条件的岩石三轴压力机 - Google Patents

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Abstract

一种用于模拟超高压和高温地质条件的岩石三轴压力机，采用内外双压力室设计，并且拥有一体式结构的试样轴压加载及承载台，其上半段设为轴压加载作动器，其下半段柱体内设有试样承放腔，试样承放腔侧部设有试样取放孔，试样承放腔底部设有试样承压凸块，试样承放腔顶部设有温度传感器，作动器活塞杆与试样承压凸块之间依次设有上压头和岩石试样，内压力室壳体内沿周向均布设有若干加热棒。本发明实现了围压加载的梯度递减，保证了超高压承载能力，同时也提高了超高压加载时的安全性，不但能够满足短时加载，同时能够实现长期稳定加载，并且围压介质无需与加热器直接接触，可有效防止加热过程中将杂质混入围压介质内，避免对围压环境造成不良影响。

Description

一种用于模拟超高压和高温地质条件的岩石三轴压力机
技术领域
本发明属于室内岩石力学试验技术领域，特别是涉及一种用于模拟超高压和高温地质条件的岩石三轴压力机。
背景技术
由于浅部资源的日益减少，促使资源开发逐步向深部开展，随着开挖和开采深度不断加大，深部岩石在超高压和高温地质条件下的力学特性也日益凸显，而如何客观的描述超高压和高温地质条件下的深部岩石力学特性，成为近年来工程界关注的重点。
为了更加真实的模拟深部岩石所处的地质条件，相关技术人员已研发出了多种形式的岩石压力机，并借助这些岩石压力机来完成多种多样的室内岩石力学试验，也获得了的诸多有价值的试验成果，但局限性依然明显。
目前，能够满足超高压加载的岩石压力机并不多，并且岩石压力机的超高压加载结构设计也较为传统，只能满足短时加载，无法实现长期稳定加载。另外，为了在超高压加载的同时施加高温，都是选择直接加热围压介质，因此加热器需要直接与围压介质接触，加热过程中会在围压介质中混入杂质，从而不可避免的对围压环境造成不良影响。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于模拟超高压和高温地质条件的岩石三轴压力机，采用全新设计的超高压加载结构，围压加载实现了梯度递减，保证了超高压承载能力，同时也提高了超高压加载时的安全性，不但能够满足短时加载，同时能够实现长期稳定加载，并且围压介质无需与加热器直接接触，可有效防止加热过程中将杂质混入围压介质内，避免对围压环境造成不良影响。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于模拟超高压和高温地质条件的岩石三轴压力机，包括外压力室、内压力室、试样轴压加载及承载台；所述外压力室和内压力室均为圆筒形结构，外压力室密封套装在内压力室外部，外压力室与内压力室之间构成环向过渡围压腔，外压力室和内压力室的轴向中心线相重合且竖直设置；所述试样轴压加载及承载台采用一体式圆柱形结构，试样轴压加载及承载台竖直设置，试样轴压加载及承载台的上半段设为轴压加载作动器，在试样轴压加载及承载台下半段的柱体内设置有试样承放腔，在试样承放腔侧部的试样轴压加载及承载台的壳体上开设有试样取放孔，在试样承放腔底部的试样轴压加载及承载台的壳体上设置有试样承压凸块，且试样承压凸块为圆柱形结构；所述轴压加载作动器的活塞杆竖直设置，在活塞杆底端与试样承压凸块之间依次设有上压头和岩石试样；所述内压力室密封套装在试样轴压加载及承载台外部，试样轴压加载及承载台相对于内压力室具有轴向移动自由度；在所述内压力室的壳体内沿周向均布设置有若干加热棒；在所述试样承放腔顶部的试样轴压加载及承载台的壳体上安装有温度传感器。
在所述外压力室的壳体上分别设置有第一过渡围压入口、第二过渡围压入口及过渡围压出口，第一过渡围压入口、第二过渡围压入口及过渡围压出口均与环向过渡围压腔相连通；所述第一过渡围压入口连接有过渡围压供油泵，所述第二过渡围压入口连接有第一步进式液压伺服注射泵，所述过渡围压出口与油源储箱相连。
在所述试样承放腔底部的试样轴压加载及承载台的壳体上分别设置有第一目标围压入口和第二目标围压入口，在试样承放腔顶部的试样轴压加载及承载台的壳体上设置有目标围压出口，第一目标围压入口、第二目标围压入口及目标围压出口均与试样承放腔相连通；所述第一目标围压入口连接有目标围压供油泵，所述第二目标围压入口连接有第二步进式液压伺服注射泵，所述目标围压出口与油源储箱相连。
所述轴压加载作动器的壳体上分别设置有第一轴压入口、第二轴压入口和轴压出口；所述第一轴压入口和第二轴压入口均与轴压加载作动器的轴压加载腔相连通，所述轴压出口与轴压加载作动器的轴压卸载腔相连通；所述第一轴压入口和轴压出口通过电磁换向阀连接有轴压供油泵，所述第二轴压入口连接有第三步进式液压伺服注射泵。
在所述外压力室与试样轴压加载及承载台之间安装有若干抬升液压缸，抬升液压缸沿周向均布设置，抬升液压缸与试样轴压加载及承载台的轴向中心线相平行；所述抬升液压缸顶端通过传力支架与试样轴压加载及承载台顶部壳体相固连，抬升液压缸固连在外压力室的顶部壳体上。
所述上压头的顶端面采用凸球面结构，所述轴压加载作动器的活塞杆下端面采用凹球面结构。
当岩石试样密封装夹在上压头与试样承压凸块之间后，在上压头与试样承压凸块之间安装有轴向LVDT位移传感器，通过轴向LVDT位移传感器33测量岩石试样的轴向变形；在岩石试样表面安装有环向LVDT位移传感器，通过环向LVDT位移传感器测量岩石试样的环向变形。
本发明的有益效果：
本发明与现有技术相比，采用了全新设计的超高压加载结构，围压加载实现了梯度递减，保证了超高压承载能力，同时也提高了超高压加载时的安全性，不但能够满足短时加载，同时能够实现长期稳定加载，并且围压介质无需与加热器直接接触，可有效防止加热过程中将杂质混入围压介质内，避免对围压环境造成不良影响。
附图说明
图1为本发明的一种用于模拟超高压和高温地质条件的岩石三轴压力机(应力加载状态)结构示意图；
图2为本发明的一种用于模拟超高压和高温地质条件的岩石三轴压力机(试样安装状态)结构示意图；
图3为图1中A-A剖视图；
图中，1—外压力室，2—内压力室，3—试样轴压加载及承载台，4—环向过渡围压腔，5—试样承放腔，6—试样取放孔，7—试样承压凸块，8—活塞杆，9—上压头，10—岩石试样，11—加热棒，12—温度传感器，13—第一过渡围压入口，14—第二过渡围压入口，15—过渡围压出口，16—过渡围压供油泵，17—第一步进式液压伺服注射泵，18—第一目标围压入口，19—第二目标围压入口，20—目标围压出口，21—目标围压供油泵，22—第二步进式液压伺服注射泵，23—第一轴压入口，24—第二轴压入口，25—轴压出口，26—轴压加载腔，27—轴压卸载腔，28—电磁换向阀，29—轴压供油泵，30—第三步进式液压伺服注射泵，31—抬升液压缸，32—传力支架，33—轴向LVDT位移传感器，34—环向LVDT位移传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～3所示，一种用于模拟超高压和高温地质条件的岩石三轴压力机，包括外压力室1、内压力室2、试样轴压加载及承载台3；所述外压力室1和内压力室2均为圆筒形结构，外压力室1密封套装在内压力室2外部，外压力室1与内压力室2之间构成环向过渡围压腔4，外压力室1和内压力室2的轴向中心线相重合且竖直设置；所述试样轴压加载及承载台3采用一体式圆柱形结构，试样轴压加载及承载台3竖直设置，试样轴压加载及承载台3的上半段设为轴压加载作动器，在试样轴压加载及承载台3下半段的柱体内设置有试样承放腔5，在试样承放腔5侧部的试样轴压加载及承载台3的壳体上开设有试样取放孔6，在试样承放腔5底部的试样轴压加载及承载台3的壳体上设置有试样承压凸块7，且试样承压凸块7为圆柱形结构；所述轴压加载作动器的活塞杆8竖直设置，在活塞杆8底端与试样承压凸块7之间依次设有上压头9和岩石试样10；所述内压力室2密封套装在试样轴压加载及承载台3外部，试样轴压加载及承载台3相对于内压力室2具有轴向移动自由度；在所述内压力室2的壳体内沿周向均布设置有若干加热棒11；在所述试样承放腔5顶部的试样轴压加载及承载台3的壳体上安装有温度传感器12。
在所述外压力室1的壳体上分别设置有第一过渡围压入口13、第二过渡围压入口14及过渡围压出口15，第一过渡围压入口13、第二过渡围压入口14及过渡围压出口15均与环向过渡围压腔4相连通；所述第一过渡围压入口13连接有过渡围压供油泵16，所述第二过渡围压入口14连接有第一步进式液压伺服注射泵17，所述过渡围压出口15与油源储箱相连。
在所述试样承放腔5底部的试样轴压加载及承载台3的壳体上分别设置有第一目标围压入口18和第二目标围压入口19，在试样承放腔5顶部的试样轴压加载及承载台3的壳体上设置有目标围压出口20，第一目标围压入口18、第二目标围压入口19及目标围压出口20均与试样承放腔5相连通；所述第一目标围压入口18连接有目标围压供油泵21，所述第二目标围压入口19连接有第二步进式液压伺服注射泵22，所述目标围压出口20与油源储箱相连。
所述轴压加载作动器的壳体上分别设置有第一轴压入口23、第二轴压入口24和轴压出口25；所述第一轴压入口23和第二轴压入口24均与轴压加载作动器的轴压加载腔26相连通，所述轴压出口25与轴压加载作动器的轴压卸载腔27相连通；所述第一轴压入口23和轴压出口25通过电磁换向阀28连接有轴压供油泵29，所述第二轴压入口24连接有第三步进式液压伺服注射泵30。
在所述外压力室1与试样轴压加载及承载台3之间安装有若干抬升液压缸31，抬升液压缸31沿周向均布设置，抬升液压缸31与试样轴压加载及承载台3的轴向中心线相平行；所述抬升液压缸31顶端通过传力支架32与试样轴压加载及承载台3顶部壳体相固连，抬升液压缸31固连在外压力室1的顶部壳体上。
所述上压头9的顶端面采用凸球面结构，所述轴压加载作动器的活塞杆8下端面采用凹球面结构。
当岩石试样10密封装夹在上压头9与试样承压凸块7之间后，在上压头9与试样承压凸块7之间安装有轴向LVDT位移传感器33，通过轴向LVDT位移传感器33测量岩石试样10的轴向变形；在岩石试样10表面安装有环向LVDT位移传感器34，通过环向LVDT位移传感器34测量岩石试样10的环向变形。
下面结合附图说明本发明的一次使用过程：
控制抬升液压缸31执行伸出动作，使试样轴压加载及承载台3向上移动，直到试样取放孔6完全露出内压力室2，再通过试样取放孔6将岩石试样10(φ50mm×100mm)安装到试样承放腔5内，使密封好的岩石试样10装夹于试样承压凸块7与上压头9之间，然后将轴向LVDT位移传感器33和环向LVDT位移传感器34安装到位。
控制抬升液压缸31执行回缩动作，使试样轴压加载及承载台3回落到内压力室2中，且试样承放腔5完成封闭，然后控制过渡围压供油泵16和目标围压供油泵21分别向环向过渡围压腔4和试样承放腔5内注入液压油，直到充油结束。
控制轴压供油泵29向轴压加载腔26内充油，进而控制活塞杆8下移，直到活塞杆8与上压头9相接触。
启动加热棒11，通过内压力室2的壳体间接对环向过渡围压腔4和试样承放腔5中的液压油进行加热，通过温度传感器12实时监测液压油的温度变化，直到液压油的温度达到预设值。
对岩石试样10进行围压加载，分别启动第一步进式液压伺服注射泵17和第二步进式液压伺服注射泵22，通过第一步进式液压伺服注射泵17向环向过渡围压腔4加载围压，通过第二步进式液压伺服注射泵22向试样承放腔5加载围压，直到试样承放腔5内的围压达到预设值，而环向过渡围压腔4内的围压减半，从而使试样承放腔5、环向过渡围压腔4及室外常压之间形成压力的梯度递减，保证了试样承放腔5在超高压承载能力，同时也提高了超高压加载时的安全性。
对岩石试样10进行轴压加载，启动第三步进式液压伺服注射泵30，按照预设值对岩石试样10逐级施加轴向载荷，直到岩石试样10破坏，且在加载过程中，通过轴向LVDT位移传感器33和环向LVDT位移传感器34实时监测岩石试样10的变形情况，并记录下试验数据。
根据实际试验需要，可以选择短时加载，也可以选择长期加载，在考虑试验安全系数后，轴压最大载荷设定到700KN即可，围压最大载荷设定到400MPa即可，围压最高温度设定到200℃即可。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种用于模拟超高压和高温地质条件的岩石三轴压力机，其特征在于：包括外压力室、内压力室、试样轴压加载及承载台；所述外压力室和内压力室均为圆筒形结构，外压力室密封套装在内压力室外部，外压力室与内压力室之间构成环向过渡围压腔，外压力室和内压力室的轴向中心线相重合且竖直设置；所述试样轴压加载及承载台采用一体式圆柱形结构，试样轴压加载及承载台竖直设置，试样轴压加载及承载台的上半段设为轴压加载作动器，在试样轴压加载及承载台下半段的柱体内设置有试样承放腔，在试样承放腔侧部的试样轴压加载及承载台的壳体上开设有试样取放孔，在试样承放腔底部的试样轴压加载及承载台的壳体上设置有试样承压凸块，且试样承压凸块为圆柱形结构；所述轴压加载作动器的活塞杆竖直设置，在活塞杆底端与试样承压凸块之间依次设有上压头和岩石试样；所述内压力室密封套装在试样轴压加载及承载台外部，试样轴压加载及承载台相对于内压力室具有轴向移动自由度；在所述内压力室的壳体内沿周向均布设置有若干加热棒；在所述试样承放腔顶部的试样轴压加载及承载台的壳体上安装有温度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种用于模拟超高压和高温地质条件的岩石三轴压力机，其特征在于：在所述外压力室的壳体上分别设置有第一过渡围压入口、第二过渡围压入口及过渡围压出口，第一过渡围压入口、第二过渡围压入口及过渡围压出口均与环向过渡围压腔相连通；所述第一过渡围压入口连接有过渡围压供油泵，所述第二过渡围压入口连接有第一步进式液压伺服注射泵，所述过渡围压出口与油源储箱相连。
3.根据权利要求1所述的一种用于模拟超高压和高温地质条件的岩石三轴压力机，其特征在于：在所述试样承放腔底部的试样轴压加载及承载台的壳体上分别设置有第一目标围压入口和第二目标围压入口，在试样承放腔顶部的试样轴压加载及承载台的壳体上设置有目标围压出口，第一目标围压入口、第二目标围压入口及目标围压出口均与试样承放腔相连通；所述第一目标围压入口连接有目标围压供油泵，所述第二目标围压入口连接有第二步进式液压伺服注射泵，所述目标围压出口与油源储箱相连。
4.根据权利要求1所述的一种用于模拟超高压和高温地质条件的岩石三轴压力机，其特征在于：所述轴压加载作动器的壳体上分别设置有第一轴压入口、第二轴压入口和轴压出口；所述第一轴压入口和第二轴压入口均与轴压加载作动器的轴压加载腔相连通，所述轴压出口与轴压加载作动器的轴压卸载腔相连通；所述第一轴压入口和轴压出口通过电磁换向阀连接有轴压供油泵，所述第二轴压入口连接有第三步进式液压伺服注射泵。
5.根据权利要求1所述的一种用于模拟超高压和高温地质条件的岩石三轴压力机，其特征在于：在所述外压力室与试样轴压加载及承载台之间安装有若干抬升液压缸，抬升液压缸沿周向均布设置，抬升液压缸与试样轴压加载及承载台的轴向中心线相平行；所述抬升液压缸顶端通过传力支架与试样轴压加载及承载台顶部壳体相固连，抬升液压缸固连在外压力室的顶部壳体上。
6.根据权利要求1所述的一种用于模拟超高压和高温地质条件的岩石三轴压力机，其特征在于：所述上压头的顶端面采用凸球面结构，所述轴压加载作动器的活塞杆下端面采用凹球面结构。
7.根据权利要求1所述的一种用于模拟超高压和高温地质条件的岩石三轴压力机，其特征在于：当岩石试样密封装夹在上压头与试样承压凸块之间后，在上压头与试样承压凸块之间安装有轴向LVDT位移传感器，通过轴向LVDT位移传感器（ 33） 测量岩石试样的轴向变形；在岩石试样表面安装有环向LVDT位移传感器，通过环向LVDT位移传感器测量岩石试样的环向变形。
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