CN108507879A - 微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统及其使用方法,属于机械领域。其解决了现有技术中试验系统存在的难以直接观测微米级裂隙的动态变化过程,导致微裂隙的整个渗流过程无法实时监测等技术缺陷。该试验系统包括微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台、渗流注浆注入系统、排液泵、一号轴压进液泵、围压油泵和二号轴压进液泵,微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台包括微裂隙三轴应力渗流注浆实验密封装置、微裂隙三轴应力渗流注浆实验支撑平台和拉动工程油缸,在微裂隙三轴应力渗流注浆实验密封装置左端设置光栅光纤传感器接线柱,右端设置声发射传感器接线柱。本发明试验系统可实现在高轴压高围压条件下对试样渗流注浆过程的动态实时监测。
Description
技术领域
本发明属于机械领域,具体涉及一种微裂隙三轴应力渗流注浆实验系统及其使用方法。
背景技术
地下工程、水利工程建设过程中存在大量的水,高压水往往无法有效控制,进而引发自然灾害。通过传统注浆,可以将较大开度裂隙有效封堵,但仍有部分微裂隙以大面积均匀汗渗形式出水。取样电镜分析表明,该砂岩渗水通道属开度为0.03-0.1mm的微裂隙。为了更好地治理工程中因微裂隙水而引发的灾害,必须对微裂隙的渗流规律进行研究。获取微裂隙在不同三轴应力条件下,裂隙表面沿渗流路径的应力及应变,并对整个渗流过程进行实时动态监测,对通过注浆堵水手段封堵微裂隙技术的实现具有理论价值与指导意义。
微裂隙的渗流机理通过试验方法难以实现,其根本原因在于:微裂隙开度非常微小,传统的监测装置无法满足其精度要求。核磁共振、CT扫描等大型先进检测设备也很难直接观测微米级裂隙的动态变化过程,导致微裂隙的整个渗流过程无法实时监测;并且微裂隙在高压条件下渗流对设备要求较高,达到既保证能稳定渗流,又使得装置密闭不漏水的目标存在很大的挑战。
为解决上述问题,研制一种在三轴高应力条件下,微裂隙渗流过程中可实时动态监测微裂隙表面的应力、应变变化规律的试验系统是十分必要的。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的技术缺陷,本发明提出了一种微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统及其使用方法,其为进一步研究微裂隙渗流机理和微裂隙注浆堵水技术奠定了基础。
本发明的任务之一在于提供一种微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统,该试验系统可实现在高轴压高围压条件下对试样渗流注浆过程的动态实时监测。
其技术解决方案包括:
一种微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统,其包括微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台、渗流注浆注入系统、排液泵、一号轴压进液泵、围压油泵和二号轴压进液泵,其特征在于:
所述渗流注浆注入系统、排液泵、一号轴压进液泵、围压油泵、二号轴压进液泵均与所述微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台连接;
所述微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台包括微裂隙三轴应力渗流注浆实验密封装置、微裂隙三轴应力渗流注浆实验支撑平台和拉动工程油缸;微裂隙三轴应力渗流注浆实验密封装置由压力室筒、实验试样、试样密封套、端面加载活塞、轴压密封油缸、轴压密封油缸盖、拉动工程油缸盖板、排气阀、围压进油控制阀和围压出油控制阀组成,其中,所述端面加载活塞与所述轴压密封油缸均嵌设在所述压力室筒内,所述轴压密封油缸盖嵌入所述端面加载活塞与所述轴压密封油缸之间的空腔,所述轴压密封油缸盖外侧放置所述拉动工程油缸盖板,所述排气阀位于所述压力室筒上部中间位置,所述围压进油控制阀和所述围压出油控制阀位于所述压力室筒下部中间位置;所述实验试样配设有试样密封套,所述实验试样与所述端面加载活塞之间还设置有一层试样端面密封垫;所述轴压密封油缸、端面加载活塞和轴压密封油缸盖之间形成的空腔为轴向液压油腔体;
在所述微裂隙三轴应力渗流注浆实验密封装置左端设置有两个光栅光纤传感器接线柱,并配套设有两个光栅光纤传感器通讯通道;在所述微裂隙三轴应力渗流注浆实验密封装置右端设置两个声发射传感器接线柱,并配套设有两个声发射传感器通讯通道;
所述微裂隙三轴应力渗流注浆实验支撑平台包括微裂隙三轴应力渗流注浆实验支撑架、拉动工程油缸支撑架、压力室移动直线导轨、端面加载活塞移动导轨、端面加载活塞导向滑动装置和压力室筒导向滑动装置,拉动工程油缸支撑架固定在所述微裂隙三轴应力渗流注浆实验支撑架上,所述端面加载活塞移动导轨中设置有导轨限位螺母和导轨端部固定槽体,所述导轨端部固定槽体固定在所述端面加载活塞移动导轨上,所述压力室筒导向滑动装置上部与所述压力室筒连接,下部嵌在所述压力室移动直线导轨上,并可在所述压力室移动直线导轨上前后滑动;所述端面加载活塞导向滑动装置上部与所述压力室筒连接,下部嵌在所述端面加载活塞移动导轨上,并可在所述端面加载活塞移动导轨上左右滑动;
所述渗流注浆注入系统包括注浆泵、注水泵和流体转换器。
上述方案直接带来的有益技术效果为:
上述微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统可实现在高轴压高围压条件下对试样渗流注浆过程的动态实时监测。在不同三轴应力条件下,通过渗流注浆注入系统和排液泵可实现渗流过程中流体的正向和反向同时加载,维持了裂隙渗流通道内的压力,可实现稳定渗流,具备模拟深部复杂岩石力学环境的条件。实验过程中,通过光纤光栅传感器对整个渗流路径应变的实施动态监测,同时校正数据,消除温度对结果的影响,可有效提取渗流过程中裂隙表面的应变值。结合裂隙试样的三轴应力应变曲线,可有效获得渗流过程中裂隙表面的应力值。通过声发射传感器可对整个试验过程中裂隙是否扩展进行监测,保证了裂隙的变形是处于完全弹性范围内,是可恢复的。整个试验系统设计具有针对性与可靠性,使用方法科学、明确,为模拟深部复杂围岩环境下微裂隙高压水渗流及注浆提供了解决方案,对探究微裂隙渗流机理及通过注浆手段封堵微裂隙技术的实现具有指导意义。
作为本发明的一个优选方案,上述一号轴压进液泵、围压油泵、二号轴压进液泵均为伺服液压加载,所能加载的最大压力为80MPa。
作为本发明的另一个优选方案,上述试样密封套配设有试样密封套支架,试样密封套与试样密封套支架通过强力胶紧密连接。
进一步的,上述试样密封套支架中分别设置有试样密封套支架垂直通道、试样密封套支架水平通道,两个通道均为圆柱体构造。
优选的,上述流体转换器上部设置渗流注浆注入系统出液控制阀,通过流体进液管与上述微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台连接;上述流体转换器下部设置注浆泵出液控制阀和注水泵出水控制阀,二者分别与注浆泵、注水泵连接。
优选的,上述压力室筒内外表面均为长方体构造;上述轴压密封油缸外侧为长方体构造,内侧为圆柱体构造;上述端面加载活塞外侧为圆柱体构造;上述轴压密封油缸盖内侧为圆柱体构造,外侧为长方体构造;上述拉动工程油缸盖板内侧外侧均为圆柱体构造。
优选的,上述光栅光纤传感器接线柱承受最大压力为60MPa,上述光栅光纤传感器通讯通道为圆柱形;上述声发射传感器接线柱承受最大压力为60MPa,上述声发射传感器通讯通道为圆柱形。
优选的,上述注浆泵、注水泵容量均为10L,加载方式均为伺服液压加载,所能加载的最大压力为60MPa。
本发明的另一任务在于提供一种微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统的使用方法,依次包括以下步骤:
a、准备并安装微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台,并连接所述试验系统的各部分,分为以下子步骤:
a1、准备渗流注浆注入系统;
a2、安装监测传感器,在实验试样裂隙表面,粘贴光纤光栅传感器,布置监测点,然后在该实验试样上下表面打孔并安装声发射传感器;
a3、将安装有声发射传感器的实验试样放入所述压力室筒内,所述光纤光栅传感器连接的线缆依次穿过所述密封垫、所述光栅光纤传感器通道,与所述光栅光纤传感器接线柱熔接,所述声发射传感器依次穿过所述密封垫、所述声发射传感器通讯通道,与声发射传感器接线柱熔接;在实验试样两侧放置试样端面密封垫,放置所述轴压密封油缸并固定;然后依次放置所述端面加载活塞、轴压密封油缸盖和拉动工程油缸盖板;
a4、将安装好的微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台分别与渗流注浆注入系统、排液泵、一号轴压进液泵、围压油泵、二号轴压进液泵连接;
b、进行加载,
首先进行轴压加载,打开一号轴压进液泵和二号轴压进液泵,加载轴压到预设值S1;
接着进行围压加载,同时打开排气阀和围压进油控制阀,并打开围压油泵,观察排气阀,当排气阀出油后,关闭排气阀,此时进行围压加载直至到预设值S2;当围压达到与预设值S2后,关闭围压进油控制阀,该过程围压出油控制阀一直保持关闭状态;
c、开始渗流注浆实验,同时打开光纤光栅解调器、声发射检测仪进行实验监测,并实时监测流体温度监测器的温度值;
d、注水与注浆转换,当注水泵和排液泵达到压力目标值实现稳定渗流,此时,获取注水实验温度监测器的温度为T1,对光纤光栅解调器应变数据进行保存,获得注水实验微裂隙应变动态数据,并且重新开始继续监测;
e、注浆压力卸载,浆液渗流稳定后,开始逐渐降低注浆泵、排液泵的压力,直至压力降低至零。
进一步的,步骤c具体步骤为:打开注水泵、注水泵出水控制阀和流体转换器上部设置的渗流注浆注入系统出液控制阀,并设置注水泵的压力目标值为P1,同时打开排液泵和排液泵上的出液控制阀,并设置排液泵的压力目标值为P2,压力目标值P2应小于P1,P1、P2数值均小于S1、S2数值。
与现有技术相比,本发明通过微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台可实现在高轴压高围压条件下对试样渗流注浆过程的动态实时监测,配合光栅光纤传感器可对整个渗流路径裂隙表面的应力、应变变化规律实现定量描述,配合声发射传感器可对试样压裂状态进行实时跟踪,最终可实现在微观条件下对微裂隙的渗流注浆规律的描述,进而探索微裂隙渗流注浆理论,使得复杂应力环境下微裂隙渗水问题可有效得到解决,为地下工程、水利工程注浆堵水实践提供基础。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明:
图1为本发明微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统结构示意图;
图2为本发明微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台结构示意图;
图3为本发明微裂隙三轴应力渗流注浆实验密封装置结构示意图;
图4为本发明微裂隙三轴应力渗流注浆实验支撑架结构示意图;
图5为本发明渗流注浆注入系统结构示意图;
图6为本发明微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台俯视图;
图7、图8为本发明试样密封套剖面图;
图9为本发明排液泵示意图;
图10为实施例二叠系细砂岩相似材料实验试样的三轴应力应变曲线图;
图11为实施例实验试样光纤光栅传感器测点布置图;
图12为本发明微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统使用方法流程图;
图中:1-微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台,2-渗流注浆注入系统,3-排液泵,4-一号轴压进液泵,5-围压油泵,6-二号轴压进液泵,7-微裂隙三轴应力渗流注浆实验支撑架,8-拉动工程油缸,9-光栅光纤传感器接线柱,10-端面加载活塞,11-压力室筒,12-排气阀,13-试样密封套支架,14-实验试样,15-轴压密封油缸,16-拉动工程油缸盖板,17-轴压密封油缸盖,18-端面加载活塞移动导轨,19-拉动工程油缸端部接口,20-流体进液管,21-一号轴压进油管,22-光栅光纤传感器通讯通道,23-试样密封套支架腔体,24-轴压密封油缸紧固螺母,25-二号轴压进油管,26-流体出液管,27-油缸盖及盖板紧固螺母,28-声发射传感器接线柱,29-声发射传感器通讯通道,30-围压进油控制阀,31-围压出油控制阀,32-围压进出油管,33-试样密封套支架垂直通道,34-导轨限位螺母,35-端面加载活塞导向滑动装置,36-导轨端部固定槽体,37-导轨端部固定螺母,38-压力室筒导向滑动装置固定螺母,39-压力室筒导向滑动装置,40-压力室移动直线导轨,41-拉动工程油缸支撑架固定螺母,42-拉动工程油缸支撑架,43-注浆泵,44-注浆泵出液控制阀,45-流体温度监测器,46-渗流注浆注入系统出液控制阀,47-注水泵出水控制阀,48-注水泵,49-管道转接端口,50-流体转换器,51-连接管道,52-试样密封套,53-试样端面密封垫,54-轴向液压油腔体,55-试样密封套支架水平通道,56-试样密封套与支架间腔体,57-排液泵出液控制阀。
具体实施方式
本发明提出了一种微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统及其使用方法,为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确,下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
如图1所示,本发明微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统,包括微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台1、渗流注浆注入系统2、排液泵3、一号轴压进液泵4、围压油泵5、二号轴压进液泵6,其中,渗流注浆注入系统2、排液泵3、一号轴压进液泵4、围压油泵5、二号轴压进液泵6均与微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台1连接,具体的连接关系为:微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台1与渗流注浆注入系统2通过一号轴压进油管21连接,与排液泵3通过流体出液管26连接,与一号轴压进液泵4通过一号轴压进油管21连接,与围压油泵5通过围压进出油管32连接,与二号轴压进液泵6通过二号轴压进油管25连接,上述一号轴压进油管21、流体出液管26、二号轴压进油管25的管道端口均设置有螺纹,通过螺纹与微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台连接。
结合图2至图6所示,上述微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台1包括微裂隙三轴应力渗流注浆实验密封装置、微裂隙三轴应力渗流注浆实验支撑平台和拉动工程油缸8。微裂隙三轴应力渗流注浆实验密封装置通过压力室筒11导向滑动装置与微裂隙三轴应力渗流注浆实验支撑平台的压力室移动直线导轨40搭接,微裂隙三轴应力渗流注浆实验密封装置可在微裂隙三轴应力渗流注浆实验支撑平台上面前后滑动。拉动工程油缸8通过拉动工程油缸端部接口19的螺纹与微裂隙三轴应力渗流注浆实验密封装置连接。
上述微裂隙三轴应力渗流注浆实验密封装置由压力室筒11、实验试样14、试样密封套52、端面加载活塞10、轴压密封油缸15、轴压密封油缸盖17、拉动工程油缸盖板16、排气阀12、围压进油控制阀30和围压出油控制阀31组成。压力室筒内外表面长方体构造,中间放置长方体试样,试样密封套52与压力室筒通过强力胶紧密连接,可承受极限的压力为60MPa。轴压密封油缸外侧为长方体构造,内侧为圆柱体构造。端面加载活塞10外侧为圆柱体构造。轴压密封油缸盖17内侧为圆柱体构造,外侧为长方体构造。拉动工程油缸盖板内侧外侧均为圆柱体构造。端面加载活塞10嵌入压力室筒11内,通过轴压密封油缸、轴压密封油缸盖固定其位置。轴压密封油缸嵌在压力室筒内,通过轴压密封油缸紧固螺母24与压力室筒连接。轴压密封油缸盖嵌入轴压密封油缸与端面加载活塞之间的空腔,在轴压密封油缸盖外侧放置拉动工程油缸盖板,通过油缸盖及盖板紧固螺母27将轴压密封油缸盖、拉动工程油缸盖板固定在轴压密封油缸上。在压力室筒上部中间位置设置排气阀,下部中间位置设置围压进油控制阀和围压出油控制阀。轴压密封油缸、端面加载活塞和轴压密封油缸盖之间形成的空腔为轴向液压油腔体54。
微裂隙三轴应力渗流注浆实验密封装置左端设置两个光栅光纤传感器接线柱9,并配套设有两个光栅光纤传感器通讯通道22,光栅光纤传感器接线柱可承受极限的压力为60MPa,光栅光纤传感器通讯通道22为圆柱形,直径为10mm-15mm。同样地,右端设置两个声发射传感器接线柱28,并配套设有两个声发射传感器通讯通道29,声发射传感器接线柱28可承受极限的压力为60MPa,声发射传感器通讯通道29为圆柱形,直径为10mm-15mm。
结合图7、图8所示,上述试样密封套包括试样密封套支架13、试样密封套支架腔体23和试样密封套与支架间腔体56。试样密封套内侧和外侧均为长方体构造。试样密封套与试样密封套支架通过强力胶紧密连接,可承受极限的压力为60MPa。试样密封套支架中分别设置有试样密封套支架垂直通道33、试样密封套支架水平通道55,所有通道均为圆柱体构造。
本发明优选在实验试样与端面加载活塞之间设置一层试样端面密封垫53,其材质为橡胶,形状为长方形。
上述微裂隙三轴应力渗流注浆实验支撑平台包括微裂隙三轴应力渗流注浆实验支撑架7、拉动工程油缸支撑架42、压力室移动直线导轨、端面加载活塞移动导轨18、端面加载活塞导向滑动装置35和压力室筒导向滑动装置39。拉动工程油缸支撑架42通过拉动工程油缸支撑架固定螺母41与微裂隙三轴应力渗流注浆实验支撑架连接。端面加载活塞移动导轨18中分别设置导轨限位螺母34和导轨端部固定槽体36,导轨端部固定槽体36通过导轨端部固定螺母37固定在端面加载活塞移动导轨上。压力室筒导向滑动装置39上部通过压力室筒导向滑动装置固定螺母38与压力室筒连接,下部嵌在压力室移动直线导轨上,可前后滑动。端面加载活塞导向滑动装置35上部通过焊接与压力室筒连接,下部嵌在端面加载活塞移动导轨上,可左右滑动。
结合图6和图9所示,上述渗流注浆注入系统包括注浆泵43、注水泵48和流体转换器50组成。流体转换器50上部设置渗流注浆注入系统出液控制阀46,通过流体进液管20与微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台连接;流体转换器下部设置注浆泵出液控制阀44和注水泵出水控制阀47通过连接管道51分别与注浆泵43、注水泵连接,连接管道51与注水泵之间通过管道转接端口49连接。
上述注浆泵、注水泵48容量均为10L,加载方式为伺服液压加载,所能加载的最大压力为60MPa。
优选的,上述一号轴压进液泵、围压油泵、二号轴压进液泵均为伺服液压加载,所能加载的最大压力为80MPa。
此外,本发明还提到微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统的使用方法,如图12所示,该方法采用上述的微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统,包括以下步骤:
步骤1:注浆设备准备。将注浆泵注满10L浆液,将注水泵注满10L纯净水,将排液泵注5L纯净水。
步骤2:安装监测传感器。准备三组实验试样,在三组实验试样裂隙表面,粘贴光纤光栅传感器,共设置6个监测点,在第一组实验试样上下表面各打3个孔,安装声发射传感器。第一组实验试样进行渗流注浆实验,第二组、第三组实验试样放置待用。
步骤3:安装微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台。将第一组实验试样放入压力室筒内,光纤光栅传感器线缆依次穿过密封垫、光栅光纤传感器通讯通道,与光栅光纤传感器接线柱熔接,声发射传感器依次穿过密封垫、声发射传感器通讯通道,与声发射传感器接线柱熔接。光栅光纤传感器接线柱外侧通过线缆与光纤光栅解调器相连,声发射传感器接线柱外侧通过线缆与声发射检测仪相连。然后在实验试样两侧放置试样端面密封垫,放置轴压密封油缸并安装轴压密封油缸紧固螺母固定。然后依次放置端面加载活塞、轴压密封油缸盖和拉动工程油缸盖板,并安装油缸盖及盖板紧固螺母固定。
步骤4:连接系统各部分。微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台通过流体进液管与渗流注浆注入系统连接,通过一号轴压进油管与一号轴压进液泵连接,通过二号轴压进油管与二号轴压进液泵连接,通过流体出液管与排液泵连接,通过围压进出油管与围压油泵连接。
步骤5:轴压加载。同时打开一号轴压进液泵和二号轴压进液泵,加载轴压到预设值S1。
步骤6:围压加载。同时打开排气阀和围压进油控制阀,并打开围压油泵,观察排气阀,当排气阀出油后,关闭排气阀,此时进行围压加载直至到预设值S2。当围压达到与预设值S2后,关闭围压进油控制阀,该过程围压出油控制阀一直保持关闭状态。
步骤7:开始渗流注浆实验。同时打开光纤光栅解调器、声发射检测仪进行实验监测,并实时监测流体温度监测器45的温度值。打开注水泵、注水泵出水控制阀和渗流注浆注入系统出液控制阀,并设置注水泵的压力目标值为P1,同时打开排液泵和排液泵出液控制阀57,并设置排液泵的压力目标值为P2,压力目标值P1的设定应基于实验试样的三轴应力应变曲线,保证实验试样可发生明显的弹性变形且不发生塑性变形,压力目标值P2应小于P1,使得当压力卸载之后,微裂隙表面的弹性变形可恢复,同时在正向、反向加压的条件下,维持了裂隙渗流通道内的压力,且存在一定压力差,可实现稳定渗流。实验过程中。P1、P2数值均小于S1、S2数值。
步骤8:注水与注浆转换。当注水泵和排液泵达到压力目标值实现稳定渗流,此时,获取注水实验温度监测器的温度为T1,对光纤光栅解调器应变数据进行保存,获得注水实验微裂隙应变动态数据,并且重新开始继续监测。注水泵与排液泵产生的水压已经使微裂隙表面发生弹性变形,实现了扩缝效应。此时,对同时关闭注水泵出水控制阀、渗流注浆注入系统出液控制阀和排液泵出液控制阀,然后关闭注水泵和排液泵。完成上述步骤后,打开注浆泵、排液泵,设置注浆泵压力目标值为P1,排液泵压力目标值为P2,当注浆泵、排液泵达到压力目标值后,同时打开注浆泵出液控制阀、渗流注浆注入系统出液控制阀和排液泵出液控制阀,开始进行浆液渗流。当浆液渗流稳定后,获取注浆实验温度监测器的温度为T2,对光纤光栅解调器应变数据进行保存,获得注浆实验微裂隙应变动态数据,并且重新开始继续监测。
步骤9:注浆压力卸载。浆液渗流稳定后,开始逐渐降低注浆泵、排液泵的压力,直至压力降低至0。对光纤光栅解调器应变数据进行保存,获得注浆卸压实验微裂隙应变动态数据。整个实验过程通过声发射检测仪监测对实验试样的压裂状态进行监测,监测实验试样是否发生压裂,以及压裂的位置。如果发生明显的压裂现象,立即停止实验。
步骤10:应变数据校正。光纤光栅传感器受温度影响较大,温度变化会使光纤光栅传感器发生明显变形,为了消除温度对实验产生的误差,应进行应变数据校正。将第二组实验试样放入温度为T1的纯净水中,将第三组实验试样放入温度为T2的浆液中,获得注水实验在温度作用下微裂隙应变动态数据和注浆实验在温度作用下微裂隙应变动态数据。
步骤11:生成应变数据。注水实验微裂隙应变动态数据减去注水实验在温度作用下微裂隙应变动态数据,最终获得注水实验微裂隙应变动态真实数据。同样地,注浆实验微裂隙应变动态数据减去注浆实验在温度作用下微裂隙应变动态数据,最终获得注浆实验微裂隙应变动态真实数据。
步骤12:生成应力数据。根据实验试样的三轴应力应变曲线,获取其弹性模量E,将注水实验微裂隙应变动态真实数据、注浆实验微裂隙应变动态真实数据分别乘以实验试样的三轴条件下的弹性模量获得注水实验微裂隙应力动态真实数据和注浆实验微裂隙应力动态真实数据。
步骤13:实验收尾工作。关闭光纤光栅解调仪、声发射检测仪,卸下光纤光栅传感器与光栅光纤传感器接线柱外侧线缆,卸下声发射传感器与声发射传感器接线柱外侧线缆。停止注水泵、排液泵的工作,通过围压油泵将围压卸载,然后通过一号轴压进液泵、二号轴压进液泵将轴压卸载,将渗流注浆注入系统、排液泵、一号轴压进液泵、围压油泵、二号轴压进液泵与微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台分离。卸下油缸盖及盖板紧固螺母,启动拉动工程油缸将拉动工程油缸盖板移动至端部,卸下轴压密封油缸紧固螺母,依次将轴压密封油缸盖、端面加载活塞和轴压密封油缸取出,切断光纤光栅传感器与光栅光纤传感器接线柱内侧线缆,切断声发射传感器与声发射传感器接线柱内侧线缆。取出实验试样,卸下声发射传感器,对整个微裂隙三轴应力渗流注浆实验系统进行清理,完成整个实验操作。
上述实验结果,在不同测点监测到的注水实验微裂隙应变动态数据,如表1-表8所示。
表1注水实验微裂隙应变动态数据
测点序号 | 流体温度/℃ | 测点应变值 |
测点1 | 20 | 0.000392 |
测点2 | 20 | 0.000357 |
测点3 | 20 | 0.000321 |
测点4 | 20 | 0.000302 |
测点5 | 20 | 0.000283 |
测点6 | 20 | 0.000274 |
表2注浆实验微裂隙应变动态数据
测点序号 | 流体温度/℃ | 测点应变值 |
测点1 | 25 | 0.000441 |
测点2 | 25 | 0.000389 |
测点3 | 25 | 0.000352 |
测点4 | 25 | 0.000321 |
测点5 | 25 | 0.000305 |
测点6 | 25 | 0.000297 |
表3注水实验在温度作用下微裂隙应变动态数据
测点序号 | 流体温度/℃ | 测点应变值 |
测点1 | 20 | 0.000059 |
测点2 | 20 | 0.000047 |
测点3 | 20 | 0.000051 |
测点4 | 20 | 0.000049 |
测点5 | 20 | 0.000055 |
测点6 | 20 | 0.000050 |
表4注浆实验在温度作用下微裂隙应变动态数据
测点序号 | 流体温度/℃ | 测点应变值 |
测点1 | 25 | 0.000037 |
测点2 | 25 | 0.000041 |
测点3 | 25 | 0.000032 |
测点4 | 25 | 0.000033 |
测点5 | 25 | 0.000039 |
测点6 | 25 | 0.000040 |
表5注水实验微裂隙应变动态真实数据
测点序号 | 流体温度/℃ | 测点应变值 |
测点1 | 20 | 0.000323 |
测点2 | 20 | 0.000250 |
测点3 | 20 | 0.000200 |
测点4 | 20 | 0.000171 |
测点5 | 20 | 0.000153 |
测点6 | 20 | 0.000149 |
表6注浆实验微裂隙应变动态真实数据
测点序号 | 流体温度/℃ | 测点应变值 |
测点1 | 25 | 0.000404 |
测点2 | 25 | 0.000298 |
测点3 | 25 | 0.000256 |
测点4 | 25 | 0.000208 |
测点5 | 25 | 0.000173 |
测点6 | 25 | 0.000157 |
表7注水实验微裂隙应力动态真实数据
测点序号 | 流体温度/℃ | 测点应力值/MPa |
测点1 | 20 | 2.28105 |
测点2 | 20 | 2.12350 |
测点3 | 20 | 1.84950 |
测点4 | 20 | 1.73305 |
测点5 | 20 | 1.56180 |
测点6 | 20 | 1.53440 |
表8注浆实验微裂隙应力动态真实数据
测点序号 | 流体温度/℃ | 测点应力值/MPa |
测点1 | 25 | 2.7674 |
测点2 | 25 | 2.3838 |
测点3 | 25 | 2.1920 |
测点4 | 25 | 1.9728 |
测点5 | 25 | 1.8221 |
测点6 | 25 | 1.76045 |
上述试验结果如图10二叠系细砂岩相似材料实验试样的三轴应力应变曲线图、图11实验试样光纤光栅传感器测点布置图。
本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
尽管本文中较多的使用了诸如微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台、渗流注浆注入系统、试样密封套支架等术语,但并不排除使用其它术语的可能性,本领域技术人员在本发明的启示下对这些术语所做的简单替换,均应在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统,其包括微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台、渗流注浆注入系统、排液泵、一号轴压进液泵、围压油泵和二号轴压进液泵,其特征在于:
所述渗流注浆注入系统、排液泵、一号轴压进液泵、围压油泵、二号轴压进液泵均与所述微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台连接;
所述微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台包括微裂隙三轴应力渗流注浆实验密封装置、微裂隙三轴应力渗流注浆实验支撑平台和拉动工程油缸;微裂隙三轴应力渗流注浆实验密封装置由压力室筒、实验试样、试样密封套、端面加载活塞、轴压密封油缸、轴压密封油缸盖、拉动工程油缸盖板、排气阀、围压进油控制阀和围压出油控制阀组成,其中,所述端面加载活塞与所述轴压密封油缸均嵌设在所述压力室筒内,所述轴压密封油缸盖嵌入所述端面加载活塞与所述轴压密封油缸之间的空腔,所述轴压密封油缸盖外侧放置所述拉动工程油缸盖板,所述排气阀位于所述压力室筒上部中间位置,所述围压进油控制阀和所述围压出油控制阀位于所述压力室筒下部中间位置;所述实验试样配设有试样密封套,所述实验试样与所述端面加载活塞之间还设置有一层试样端面密封垫;所述轴压密封油缸、端面加载活塞和轴压密封油缸盖之间形成的空腔为轴向液压油腔体;
在所述微裂隙三轴应力渗流注浆实验密封装置左端设置有两个光栅光纤传感器接线柱,并配套设有两个光栅光纤传感器通讯通道;在所述微裂隙三轴应力渗流注浆实验密封装置右端设置两个声发射传感器接线柱,并配套设有两个声发射传感器通讯通道;
所述微裂隙三轴应力渗流注浆实验支撑平台包括微裂隙三轴应力渗流注浆实验支撑架、拉动工程油缸支撑架、压力室移动直线导轨、端面加载活塞移动导轨、端面加载活塞导向滑动装置和压力室筒导向滑动装置,拉动工程油缸支撑架固定在所述微裂隙三轴应力渗流注浆实验支撑架上,所述端面加载活塞移动导轨中设置有导轨限位螺母和导轨端部固定槽体,所述导轨端部固定槽体固定在所述端面加载活塞移动导轨上,所述压力室筒导向滑动装置上部与所述压力室筒连接,下部嵌在所述压力室移动直线导轨上,并可在所述压力室移动直线导轨上前后滑动;所述端面加载活塞导向滑动装置上部与所述压力室筒连接,下部嵌在所述端面加载活塞移动导轨上,并可在所述端面加载活塞移动导轨上左右滑动;
所述渗流注浆注入系统包括注浆泵、注水泵和流体转换器。
2.根据权利要求1所述的一种微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统,其特征在于:所述一号轴压进液泵、围压油泵、二号轴压进液泵均为伺服液压加载,所能加载的最大压力为80MPa。
3.根据权利要求1所述的一种微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统,其特征在于:所述试样密封套配设有试样密封套支架,所述试样密封套与所述试样密封套支架通过强力胶紧密连接。
4.根据权利要求3所述的一种微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统,其特征在于:所述试样密封套支架中分别设置有试样密封套支架垂直通道、试样密封套支架水平通道,两个通道均为圆柱体构造。
5.根据权利要求1所述的一种微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统,其特征在于:所述流体转换器上部设置渗流注浆注入系统出液控制阀,通过流体进液管与所述微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台连接;所述流体转换器下部设置注浆泵出液控制阀和注水泵出水控制阀,二者分别与注浆泵、注水泵连接。
6.根据权利要求1所述的一种微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统,其特征在于:所述压力室筒内外表面均为长方体构造;所述轴压密封油缸外侧为长方体构造,内侧为圆柱体构造;所述端面加载活塞外侧为圆柱体构造;所述轴压密封油缸盖内侧为圆柱体构造,外侧为长方体构造;所述拉动工程油缸盖板内侧外侧均为圆柱体构造。
7.根据权利要求1所述的一种微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统,其特征在于:所述光栅光纤传感器接线柱承受最大压力为60MPa,所述光栅光纤传感器通讯通道为圆柱形;所述声发射传感器接线柱承受最大压力为60MPa,所述声发射传感器通讯通道为圆柱形。
8.根据权利要求1所述的一种微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统,其特征在于:所述注浆泵、注水泵容量均为10L,加载方式均为伺服液压加载,所能加载的最大压力为60MPa。
9.根据权利要求1所述的一种微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统的使用方法,其特征在于,依次包括以下步骤:
a、准备并安装微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台,并连接所述试验系统的各部分,分为以下子步骤:
a1、准备渗流注浆注入系统;
a2、安装监测传感器,在实验试样裂隙表面,粘贴光纤光栅传感器,布置监测点,然后在该实验试样上下表面打孔并安装声发射传感器;
a3、将安装有声发射传感器的实验试样放入所述压力室筒内,所述光纤光栅传感器连接的线缆依次穿过所述密封垫、所述光栅光纤传感器通道,与所述光栅光纤传感器接线柱熔接,所述声发射传感器依次穿过所述密封垫、所述声发射传感器通讯通道,与声发射传感器接线柱熔接;在实验试样两侧放置试样端面密封垫,放置所述轴压密封油缸并固定;然后依次放置所述端面加载活塞、轴压密封油缸盖和拉动工程油缸盖板;
a4、将安装好的微裂隙三轴应力渗流注浆实验平台分别与渗流注浆注入系统、排液泵、一号轴压进液泵、围压油泵、二号轴压进液泵连接;
b、进行加载,
首先进行轴压加载,打开一号轴压进液泵和二号轴压进液泵,加载轴压到预设值S1;
接着进行围压加载,同时打开排气阀和围压进油控制阀,并打开围压油泵,观察排气阀,当排气阀出油后,关闭排气阀,此时进行围压加载直至到预设值S2;当围压达到与预设值S2后,关闭围压进油控制阀,该过程围压出油控制阀一直保持关闭状态;
c、开始渗流注浆实验,同时打开光纤光栅解调器、声发射检测仪进行实验监测,并实时监测流体温度监测器的温度值;
d、注水与注浆转换,当注水泵和排液泵达到压力目标值实现稳定渗流,此时,获取注水实验温度监测器的温度为T1,对光纤光栅解调器应变数据进行保存,获得注水实验微裂隙应变动态数据,并且重新开始继续监测;
e、注浆压力卸载,浆液渗流稳定后,开始逐渐降低注浆泵、排液泵的压力,直至压力降低至零。
10.根据权利要求9所述的一种微裂隙三轴应力渗流注浆试验系统的使用方法,其特征在于:步骤c具体步骤为:打开注水泵、注水泵出水控制阀和流体转换器上部设置的渗流注浆注入系统出液控制阀,并设置注水泵的压力目标值为P1,同时打开排液泵和排液泵上的出液控制阀,并设置排液泵的压力目标值为P2,压力目标值P2应小于P1,P1、P2数值均小于S1、S2数值。
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