CN108593884A - 轮式thmc-岩石多功能试验仪及轮式岩石试验方法 - Google Patents

Abstract

一种轮式THMC‑岩石多功能试验仪及轮式岩石试验方法，涉及岩石力学试验领域。轮式THMC‑岩石多功能试验仪包括竖直设置的套筒，套筒、顶盖和底座共同形成围压室，围压室分别开设有进油孔和排气孔，顶盖上竖直插设有轴力加载杆，轴力加载杆的底端可施加向下的加载力，轴力加载杆内设置有流体通道，围压室内设置有可水平转动的转盘，随着转盘的转动，轴力加载杆的底端和流体通道指向转盘的不同位置，该轮式THMC‑岩石多功能试验仪能够装载多块岩石试样，完成不同岩石试样的介质温度‑渗流‑应力‑化学耦合试验，从而大幅提升岩石三轴试验的效率。本发明基于上述轮式THMC‑岩石多功能试验仪的轮式岩石试验方法简单，试验效率高。

Description

轮式THMC-岩石多功能试验仪及轮式岩石试验方法

技术领域

本发明涉及岩石力学试验领域，具体而言，涉及一种轮式THMC-岩石多功能试验仪及轮式岩石试验方法。

背景技术

岩石三轴试验是研究岩石力学的重要手段，它能比较完整地模拟岩土在原始地应力状态下的力学性能，是工程设计的重要依据。由于深部岩石处于复杂的应力状态，采矿工程中所遇到的岩体或矿体多处于三向应力状态，本身又是一种十分复杂的天然材料，在很多情况下,简单应力状态下的岩石应力试验不能完全反映工程实际中的岩体应力状态，必须充分认识复杂应力状态下岩石的力学性质。因此开展三轴状态下的岩石试验研究显得十分重要。

岩石三轴试验机是研究岩石力学性质的基本试验设备，它可以应用于进行温度-应力-渗流-化学腐蚀(THMC)全耦合的岩石三轴流变试验，还可以进行THMC全耦合或局部耦合条件下的岩石常规三轴力学试验。现有的常规岩石三轴试验机的围压室中只能装载一块岩石试样，在测量该岩石试样的应力应变曲线的试验过程中，需要在围压室内充入液压油，试验结束再将围压室内的液压油抽出。测量不同岩石试样，则每次都需要很长时间装卸试样，而且每次都需要重新对围压室充卸围压，导致试验效率低下。在对不同岩石试样进行渗流测试时，同样需要不断的装卸试样，造成试验效率低下。

因此，需要一种能够对不同的岩石试样进行测试且试验效果高的轮式岩石试验方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轮式THMC-岩石多功能试验仪，其能够装载多块岩石试样，完成不同岩石试样的介质温度-渗流-应力-化学耦合试验，从而大幅提升岩石三轴试验的效率。

本发明的目的在于提供一种轮式岩石试验方法，该方法简单，试验效率高。

本发明的实施例是这样实现的：

一种轮式THMC-岩石多功能试验仪，其包括竖直设置的套筒，套筒的顶口盖设有顶盖，套筒的底口盖设有底座，套筒、顶盖和底座共同形成围压室，围压室分别开设有进油孔和排气孔，顶盖上竖直插设有轴力加载杆，轴力加载杆的底端可施加向下的加载力，轴力加载杆内设置有流体通道，围压室内设置有可水平转动的转盘，随着转盘的转动，轴力加载杆的底端和流体通道指向转盘的不同位置。

在本发明较佳的实施例中，上述转盘上设置有多个用于放置岩样的固定筒，固定筒沿转盘盘面的边沿设置，固定筒上设置有可与流体通道连通的渗流孔。

在本发明较佳的实施例中，上述固定筒包括包裹于岩样周围的热缩套，以及设置于热缩套顶口的上压头、设置于热缩套底口的下压头。

在本发明较佳的实施例中，上述上压头设置有第一渗流孔，第一渗流孔连通可与流体通道对接连通，下压头设置有第二渗流孔。

在本发明较佳的实施例中，上述轴力加载杆的底端设置有流体通道，流体通道通过细钢管连通至围压室外。

在本发明较佳的实施例中，上述顶盖包括一体成型的第一顶盖板和第二顶盖板，第一顶盖板盖在套筒的顶面上，第二顶盖板位于套筒内，第二顶盖与套筒螺纹固定为一体；底座包括一体成型的第一底座板和第二底座板，第一底座板盖在套筒的底面上，第二底座板位于套筒内，第二底座与套筒螺纹固定为一体。

在本发明较佳的实施例中，上述进油孔位于底座上，排气孔位于顶盖上。

一种基于上述轮式THMC-岩石多功能试验仪的轮式岩石试验方法，其包括以下步骤：

S1、将不同岩样固定放置在转盘上的不同位置；

S2、将顶盖、套筒和底座密封组成形成围压室，通过进油孔对围压室充入液压油，围压室内的油压至油压设定值时，停止充油；

S3、通过轴力加载杆对其下方的岩样加载轴力至轴力设定值；

S4、向岩样底部给定第一水压，流体通道与大气连通或通过流体通道向向岩样顶部给定第二水压，进行渗流试验；

S5、控制转盘转动，使下一块岩样旋转至轴力加载杆的下方，重复步骤S3-S4的操作，直至完成对所有岩样的渗流试验。

在本发明较佳的实施例中，将岩样用热缩套包裹就位于上压头和下压头之间，上压头设置有第一渗流孔，下压头设置有第二渗流孔，再将下压头就位在转盘上。

在本发明较佳的实施例中，通过第二渗流孔向岩样底部给定第一水压；流体通道与其下方的第一渗流孔对接在一起。

本发明实施例的有益效果是：本发明实施例的轮式THMC-岩石多功能试验仪包括竖直设置的套筒，套筒的顶口盖设有顶盖，套筒的底口盖设有底座，套筒、顶盖和底座共同形成围压室，围压室分别开设有进油孔和排气孔，顶盖上竖直插设有轴力加载杆，轴力加载杆的底端可施加向下的加载力，轴力加载杆内设置有流体通道，围压室内设置有可水平转动的转盘，随着转盘的转动，轴力加载杆的底端和流体通道指向转盘的不同位置，该轮式THMC-岩石多功能试验仪能够装载多块岩石试样，完成不同岩石试样的介质温度-渗流-应力-化学耦合试验，从而大幅提升岩石三轴试验的效率。本发明实施例的基于上述轮式THMC-岩石多功能试验仪的轮式岩石试验方法简单，试验效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的一种轮式THMC-岩石多功能试验仪的结构示意图；

图2为图1的分解结构示意图；

图3为固定筒的结构示意图；

图4为本发明第二实施例提供的一种轮式岩石三轴试验系统的结构示意图。

图标：100-轮式THMC-岩石多功能试验仪；110-套筒；120-顶盖；121-第一顶盖板；122-第二顶盖板；130-底座；131-第一底座板；132-第二底座板；141-进油孔；142-排气孔；150-轴力加载杆；160-转盘；170-固定筒；171-热缩套；172-上压头；173-下压头；174-第一渗流孔；175-第二渗流孔；180-流体通道；181-第一通孔；182-第二通孔；200-轮式岩石三轴试验系统；210-加载框架；220-轴向加载油缸。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请参照图1和图2所示，本实施例提供一种轮式THMC-岩石多功能试验仪100，其包括竖直设置的套筒110，套筒110的顶口盖设有顶盖120，套筒110的底口盖设有底座130，套筒110、顶盖120和底座130共同形成围压室，围压室分别开设有进油孔141和排气孔142，顶盖120上竖直插设有轴力加载杆150，轴力加载杆150的底端可施加向下的加载力，轴力加载杆150内设置有流体通道180，围压室内设置有可水平转动的转盘160，随着转盘160的转动，轴力加载杆150的底端和流体通道180指向转盘160的不同位置。本实施例的轮式THMC-岩石多功能试验仪100能够装载多块岩石试样，完成不同岩石试样的介质温度-渗流-应力-化学耦合试验，从而大幅提升岩石三轴试验的效率。

在进行试验过程中，需要实现围压充卸，即向围压室内充排液压油，一般是通过油缸向围压室内提供液压油，而进油孔141是用来向围压室内充入液压油，排气孔142是为了排出围压室内的空气。一般进油孔141在较低的位置，排气孔142在较高的位置，本实施例中进油孔141位于底座130上，排气孔142位于顶盖120上。

为了实现多块岩样稳定装载于转盘160上，转盘160上设置有多个用于放置岩样的固定筒170，固定筒170沿转盘160盘面的圆周边沿设置，固定筒170上设置有可与流体通道180连通的渗流孔。每个固定筒170装载一块岩样，装载完毕后，所有岩样沿转盘160盘面的边沿设置，随着转盘160的转动，轴力加载杆150的底端和流体通道180可以指向转盘160边沿的不同位置，即指向不同岩样，并对不同岩样加载轴力和给定水压或与大气连通，以进行岩石介质温度-渗流-应力-化学耦合试验。

参见图3所示，固定筒170包括包裹于岩样周围的热缩套171，以及设置于热缩套171顶口的上压头172、设置于热缩套171底口的下压头173，上压头172、热缩套171和下压头173共同形成容纳岩样的密闭空间。

本实施例中，上压头172设置有第一渗流孔174，第一渗流孔174可与流体通道180对接连通，下压头173设置有第二渗流孔175，第二渗流孔175连通有流体管，通过流体管和第二渗流孔175，就可以对岩样的底部给定水压。并配合分别贴合在上压头172、下压头173上的透水板，使岩样端面所受空隙压力分布更加均匀。

参见图2所示，轴力加载杆150的底端设置有流体通道180，流体通道180通过细钢管(图未示)连通至围压室外。具体的结构为：轴力加载杆150位于围压室内的部分开设有第一通孔181，围压室182开设有第二通孔182，第一通孔181和第二通孔182通过位于围压室内的细钢管连通。

参见图2所示，顶盖120包括一体成型的第一顶盖板121和第二顶盖板122，第一顶盖板121盖在套筒110的顶面上，第二顶盖板122位于套筒110内，第二顶盖板122与套筒110螺纹固定为一体；底座130包括一体成型的第一底座板131和第二底座板132，第一底座板131盖在套筒110的底面上，第二底座板132位于套筒110内，第二底座板132与套筒110螺纹固定为一体。底座130上的进油孔141是由第一底座板131穿入，由第二底座板132穿出，并与围压室内连通。

顶盖120、套筒110和底座130之间采用螺纹固定为一体的围压室，方便实用；顶盖120、套筒110和底座130均采用高强度不锈钢制成，可防一般性酸碱盐腐蚀；围压室(一般是在顶盖120和底座130上)预留气体渗透、液体脉冲渗透试验接口，预留超声波测试、声发射测试和电阻率测试、水-气两相非饱和渗透率测试、含节理试样的力学测试等试验接口；预留多个传感器接口，方便后期扩展。底座130上设有传感器接线插座，可将轴向LinearVariable Differential Transformer(LVDT)位移传感器、侧向位移传感器等信号传输到围压室外。

本实施例还提供一种基于上述的轮式THMC-岩石多功能试验仪100的轮式岩石试验方法，分为稳态法测渗透系数(主要用于测量较高渗透率的岩石)和压力脉冲法测渗透系数(主要用于测量低渗透率的岩石)，其具体包括以下步骤：

S1、将不同岩样固定放置在转盘160上的不同位置，具体是将岩样用热缩套171包裹就位于上压头172和下压头173之间，再将下压头173就位在转盘160上；

S2、将顶盖120、套筒110和底座130密封组成形成围压室，一般先通过轴力加载杆150对其下方的岩样预加载轴压，例如将轴压加到1MPa，主要用于固定岩样，再通过进油孔对围压室充入液压油，围压室内的油压至油压设定值时，停止充油；

S3、通过轴力加载杆150对其下方的岩样加载轴力至轴力设定值；

S4、向岩样底部给定第一水压，一般是通过第二渗流孔175和流体管向岩样底部给定第一水压；流体通道180与其下方的第一渗流孔174对接在一起，流体通道180与大气连通或通过流体通道180向岩样顶部给定第二水压，进行渗流试验；

稳态法测渗透系数是在在渗流开始时，向岩样底部给定第一水压，岩样顶部的第一渗流孔174通过流体通道180与大气连通，待水从第一渗流孔174流出时，渗流试验结束，接着处理数据，得出岩样渗透系数。

压力脉冲法测渗透系数是在渗流开始，向岩样底部给定第一水压(例如2MPa)，通过流体通道180向岩样顶部给定第二水压(例如1.5MPa)，因为岩样底部与顶部都有水压压力传感器，待上下游水压趋于一个稳定值时(例如，上游水压＝下游水压＝1.25MPa)，渗流试验结束，接着处理数据，得出岩样渗透系数。

S5、控制转盘160转动，使下一块岩样旋转至轴力加载杆150的下方，重复步骤S3-S4的操作，直至完成对所有岩样的渗流试验。

第二实施例

请参照图2和图4所示，本实施例提供一种轮式岩石三轴试验系统200，其包括第二实施例的轮式THMC-岩石多功能试验仪100，以及大吨位偏压的加载框架210，加载框架210架设于围压室上方，加载框架210的内部下端面放置有轴向加载油缸220，轴向加载油缸220与轴力加载杆150连接。

本实施例中，加载框架210包括龙门架和压力机承压板，轮式THMC-岩石多功能试验仪100放置于压力机承压板上，轴向加载油缸220设置于龙门架上。轴向加载油缸220内置磁致位移传感器，上部安放有大吨位载荷传感器。加载框架210承受轴向加载油缸220施加到岩样上的轴向反作用力，尽量确保轴向加载总体变形小。

本实施例中，轮式岩石三轴试验系统200还包括温控装置，温控装置包括连接在一起的加热套和温控箱，围压室位于加热套内。加热套为柔性可拆卸式加热套，可将保温套固定到围压室的外边；保温套有单独的底垫及顶帽，可按需要使用，将油缸尽可能地密封起来，更精确地控制围压室中的温度。加热套与配套的温控箱一起使用，用于试验时控制围压室的加热过程。温控箱可控制油缸内介质的加热，油缸内置式热电偶作为主控条件，由热电偶传感器将该温度信号传递到温控箱进行加热控制；同时，可实时显示加热器的温度，并设定加热器加热的最高温度，加热器上升到此温度后，将自动关断加热器，以保护加热器，延长使用寿命。

使用轮式岩石三轴试验系统200的测试方法如下：

1、制备岩样：根据岩样制备要求准备岩样。

2、安装岩样：岩样安装在底座130(压力机承压板中心)，从下到上依次是下压头173、岩样、上压头172，岩样用热缩套171包裹后用上压头172、下压头173压在其两端头上。试样固定后，连接上压头172上的内围压排油孔。

3、数据输出连接：用接线器将应变片与应变采集接口相连，数据将从两个通道输出。

4、仪器调试：组装围压室、轴力加载杆150和轴向加载油缸220。连接三轴压力室与液压稳压综合控制平台，打开加载软件及应变采集软件。

5、充油：通过轴向加载油缸220和轴力加载杆150向其下方的岩样施加比较小的轴向压力，将轴力加载杆150底端的轴向压头与上压头172接触(根据加载数据的变化趋势来判断，轴向力突增的时候，即视为已接触)。分别向围压室的内腔充油，当内外排气孔142出油时，视为油已充满。

6、加载：选用合适的加载方式(流量控制、恒压控制及阶梯压力控制等)按照预先设定的加载参数缓慢改变岩样内外围压、轴压和扭力，直至岩样发生破坏，并记录最大破坏荷载及加载过程中的破坏现象。

7、实验结束，将轴向千斤顶以及扭转千斤顶回归原位。并将内外围压室的油排空，拆除岩样。输出试验数据。

8、描述岩样的破坏形态，并记下有关情况。

成果整理及分析：

对输出的应力应变数据，进行整理分析。分析各个加载参数的变化趋势，轴向应力、径向应力、环向应力以及剪应力，三个主应力，平均主应力，剪应力、中主应力系数、主应力轴旋转角等应力参数的变化，分析应力应变变化趋势。并分析破坏特征，根据试验特征点，提出考虑主应力轴旋转的屈服准则。

综上所述，本发明的轮式THMC-岩石多功能试验仪能够装载多块岩石试样，完成不同岩石试样的介质温度-渗流-应力-化学耦合试验，从而大幅提升岩石三轴试验的效率；本发明的轮式岩石试验方法简单，试验效率高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轮式THMC-岩石多功能试验仪，其特征在于，其包括竖直设置的套筒，所述套筒的顶口盖设有顶盖，所述套筒的底口盖设有底座，所述套筒、所述顶盖和所述底座共同形成围压室，所述围压室分别开设有进油孔和排气孔，所述顶盖上竖直插设有轴力加载杆，所述轴力加载杆的底端可施加向下的加载力，所述轴力加载杆内设置有流体通道，所述围压室内设置有可水平转动的转盘，随着所述转盘的转动，所述轴力加载杆的底端和所述流体通道指向所述转盘的不同位置。

2.根据权利要求1所述的轮式THMC-岩石多功能试验仪，其特征在于，所述转盘上设置有多个用于放置岩样的固定筒，所述固定筒沿所述转盘盘面的边沿设置，所述固定筒上设置有可与所述流体通道连通的渗流孔。

3.根据权利要求2所述的轮式THMC-岩石多功能试验仪，其特征在于，所述固定筒包括包裹于岩样周围的热缩套，以及设置于所述热缩套顶口的上压头、设置于所述热缩套底口的下压头。

4.根据权利要求3所述的轮式THMC-岩石多功能试验仪，其特征在于，所述上压头设置有第一渗流孔，所述第一渗流孔连通可与所述流体通道对接连通，所述下压头设置有第二渗流孔。

5.根据权利要求1所述的轮式THMC-岩石多功能试验仪，其特征在于，所述轴力加载杆的底端设置有所述流体通道，所述流体通道通过细钢管连通至所述围压室外。

6.根据权利要求1所述的轮式THMC-岩石多功能试验仪，其特征在于，所述顶盖包括一体成型的第一顶盖板和第二顶盖板，所述第一顶盖板盖在所述套筒的顶面上，所述第二顶盖板位于所述套筒内，所述第二顶盖与所述套筒螺纹固定为一体；所述底座包括一体成型的第一底座板和第二底座板，所述第一底座板盖在所述套筒的底面上，所述第二底座板位于所述套筒内，所述第二底座与所述套筒螺纹固定为一体。

7.根据权利要求1所述的轮式THMC-岩石多功能试验仪，其特征在于，所述进油孔位于所述底座上，所述排气孔位于所述顶盖上。

8.一种基于权利要求1所述轮式THMC-岩石多功能试验仪的轮式岩石试验方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、将不同岩样固定放置在所述转盘上的不同位置；

S2、将所述顶盖、所述套筒和所述底座密封组成形成所述围压室，通过进油孔对围压室充入液压油，围压室内的油压至油压设定值时，停止充油；

S3、通过轴力加载杆对其下方的岩样加载轴力至轴力设定值；

S4、向岩样底部给定第一水压，所述流体通道与大气连通或通过所述流体通道向所述向岩样顶部给定第二水压，进行渗流试验；

S5、控制转盘转动，使下一块岩样旋转至所述轴力加载杆的下方，重复步骤S3-S4的操作，直至完成对所有岩样的渗流试验。

9.根据权利要求8所述的轮式岩石试验方法，其特征在于，将岩样用热缩套包裹就位于上压头和下压头之间，所述上压头设置有第一渗流孔，所述下压头设置有第二渗流孔，再将下压头就位在转盘上。

10.根据权利要求9所述的轮式岩石试验方法，其特征在于，通过所述第二渗流孔向岩样底部给定第一水压；所述流体通道与其下方的所述第一渗流孔对接在一起。