CN108982247B - 测试深部岩体ii型断裂韧度值测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，包括具有偏置切缝的岩石试件、荷载传递及支撑装置、真空密闭压力室、轴向动力系统、惰性气体系统，所述具有偏置切缝的岩石试件放置在真空密闭压力室内，在真空密闭压力室外设置有荷载传递及支撑装置，轴向动力系统通过荷载传递及支撑装置伸入到真空密闭压力室内作用到具有偏置切缝的岩石试件上，具有偏置切缝的岩石试件的下面设置有两个支撑垫块，其中一个支撑垫块设置在具有偏置切缝的岩石试件的切缝的右侧，另一个支撑垫块设置在远离具有偏置切缝的岩石试件的切缝左侧，且两支撑垫块与轴向动力系统的动力作用线非对称设置，真空密闭压力室与惰性气体系统连接，在真空密闭压力室内设置有加热装置。本发明有利于提高深部岩体II断裂韧度值测试结果的准确性和科学性。

Description

测试深部岩体II型断裂韧度值测试系统及方法

技术领域

本发明涉及岩石断裂力学研究领域，特别涉及一种测试深部岩体高温高压环境下II型断裂韧度值的实验系统及实验方法。

背景技术

随着人类工程建设活动不断向地球深部发展，例如二氧化碳地质封存、页岩储层的大规模体积压裂等，都需要考虑深部岩体所处的高温高压环境，以及在深部环境影响下的岩石剪切断裂特征。

但是目前研究岩体II型断裂的实验设备、实验方法、试件制备等方面明显不足，现有的II型剪切断裂实验试件制备过于复杂，实验方案及目的过于单一的问题。例如，T.Backers（2012年）提出了一种贯穿剪切圆柱实验方法，用于测试岩石类材料的II型断裂韧度；国内学者王凯正（2007年）通过以单压双裂缝的石膏试验，研究了石膏II型断裂的断裂韧度。

除此之外，目前针对深部高温高压状态下岩体的II型断裂韧度的测试研究很少见，作为反映岩石力学工程特性的重要指标，实验设备的研制和测试方法的设计都具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试深部岩体高温高压环境下II型断裂韧度值的实验系统及试验方法，以解决现有的岩体断裂韧度测试中试件制备、实验方案过于复杂，实验目的过于单一的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，包括具有偏置切缝的岩石试件、荷载传递及支撑装置、真空密闭压力室、用于对所述岩石试件施加荷载的轴向动力系统、用于对所述压力室提供惰性气体的惰性气体系统，所述具有偏置切缝的岩石试件放置在真空密闭压力室内，在真空密闭压力室外设置有荷载传递及支撑装置，轴向动力系统通过荷载传递及支撑装置伸入到真空密闭压力室内作用到具有偏置切缝的岩石试件上，具有偏置切缝的岩石试件的下面设置有两个支撑垫块，其中一个支撑垫块设置在具有偏置切缝的岩石试件的切缝的右侧，另一个支撑垫块设置在远离具有偏置切缝的岩石试件的切缝左侧，且两支撑垫块与轴向动力系统的动力作用线非对称设置，真空密闭压力室与惰性气体系统连接，在真空密闭压力室内设置有加热装置。

上述测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，所述具有偏置切缝的岩石试件包括长方体岩石试件或者正方体岩石试件，在长方体岩石试件或者正方体岩石试件上设置有人工切缝，人工切缝偏离长方体岩石试件或者正方体岩石试件的中心线，用于实现长方体试件从人工切缝处发生剪切或以剪切为主的断裂。

上述测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，在人工切缝下面设置切口位移计，用于实时测量试验过程中切缝张开度。

上述测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，两根声发射探头 A1、 A2布置在预制切缝的两侧的岩石试件内，A1和A2与预制切缝不对称设置，，声发射探头用于实时监测岩样破坏过程中的声学信息，包括波长、频率、持续时间等，进而揭示岩样断裂类型和破坏程度。

上述测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，所述荷载传递及支撑装置包括放置在具有偏置切缝的岩石试件上表面的加载垫块，传力杆，传力杆的底部通过加载垫块与具有偏置切缝的岩石试件连接，传力杆的顶部伸出真空密闭压力室外与真空密闭压力室顶部的加载梁连接，在真空密闭压力室外设置有导杆，加载梁的两端由导杆支撑，导杆的上部设置有弹簧装置，加载垫块偏离具有偏置切缝的岩石试件的中心线，且偏离方向为远离切缝方向。

6根据权利要求5所述的测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，其特征在于：所述轴向动力系统包括压力加载装置，压力加载装置对加载梁施加压力，压力通过加载梁及导力杆传递到具有偏置切缝的岩石试件上，加载的压力作用线偏离具有偏置切缝的岩石试件中心线，且偏离方向远离切缝。

上述测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，所述传力杆底部设置滚轴，在压力加载装置上设置有测力传感器及位移传感器，用于对试件施加轴向载荷，并能采用力与位移两种控制方式。

上述测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，所述真空密闭压力室内的加热装置为盘绕在真空密闭压力室内壁上的加热电阻丝，支撑垫块底部设置有底部垫块，底部垫块与真空密闭压力室之间通过密封垫固定，传力杆的底顶部与真空密闭压力室之间设置有法兰，法兰与真空密闭压力室及传力杆之间均由密封圈密封；所述真空密闭压力室设置有与惰性气体系统连通的气体注入端口，真空密闭压力室还设置有气体排出端口，气体排出端口与抽真空系统连接，真空密闭压力室还设置有温度传感器和压力传感器。

上述测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，所述抽真空系统抽真空系统包括与真空密闭压力室连通的真空排气泵，所述惰性气体系统包括高压计量注射泵、开关和惰性气源，其中真空密闭压力室依次与高压计量注射泵、开关和惰性气源通过管道连通，在管道上设置有压力计、温度计和流量计。

上述测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统的试验方法，包括以下步骤：

a：具有偏置切缝的岩石试件的制作：钻取岩芯，制作长方体岩石试件或者正方体岩石试件，长方体岩石试件或者正方体岩石试件尺寸大于岩石类材料颗粒尺寸的10倍，本发明采用方棒试件，切割切缝，清楚标明试件标号、切口位置、切缝长度和加载搁置位置点在长方体岩石试件或者正方体岩石试件上标记加载垫块的位置，加载垫块的中心线偏离长方体岩石试件或者正方体岩石试件的中心，且偏离方向为远离切缝方向；

b：两根声发射探头A1、A2布置在预制切缝的两侧的长方体岩石试件或者正方体岩石试件内，其中A1与A2距离切缝的距离不同，声发射探头用于实时监测岩样破坏过程中的声学信息，包括波长、频率、持续时间等，进而揭示岩样断裂类型和破坏程度；

c：设计了能够安装在材料试验机上的支撑垫块，用来代替原圆形支柱，依据试验机上的标尺调整支撑垫块的位置，使左侧垫块的右边缘距离压力加载中心线的距离与右垫块的左边缘距离压力加载中心线的距离不同，然后固定装置；

d：将长方体试件切缝对齐右垫块放置，在长方体试件上表面标记处放置加载垫块，加载垫块距离试件左边缘一定距离，并与左支撑垫块水平方向有少量的重合，与右支撑垫块相距一定距离；

e：通过法兰盘密封真空密闭压力室，利用涡轮高真空泵和旋转泵抽出压力室空气，直至真空；

f：通过气体注入端口，利用惰性气体泵注系统，向真空压力室注入惰性气体，并记录压力、温度、流量；

g：利用加热电阻丝给压力室提供高温环境，并实时测量压力室的温度和压强直至方案设计值，达到模拟深部岩体高温高压环境的目的；

j：维持压力室温度和压强不变，开始实施断裂韧度测试的轴向加载，位移控制，速率为0.06mm/min；

k：设计压力室不同的温度和压强，可以模拟不同深度的岩体环境，测定岩体II型断裂韧度值。

上述测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统的试验方法，步骤b：A1在切缝右侧距离其20mm，A2在左侧距离其50mm，；步骤c：使左侧垫块的右边缘距离压力加载中心线15mm，右垫块的左边缘距离压力加载中心线35mm，然后固定装置；所述步骤 d：将长方体试件切缝对齐右垫块放置，在长方体试件上表面标记处放置加载垫块，加载垫块距离试件左边缘50mm，并与左支撑垫块水平方向有10mm的重合，与右支撑垫块相距10mm。

相对于现有技术，本发明能够模拟深部数千米岩体所处的高温高压环境下，利用改进的偏置切缝试件和装置，科学测量岩石类材料II型断裂韧度值。该方法创新性的提出一种偏置切缝试件和加载方式，测试深部岩体高温高压环境下II型断裂韧度值，克服了常规方法中试件不易制备、试验难度大、操作复杂等问题，有利于提高深部岩体II断裂韧度值测试结果的准确性和科学性，对深部岩石力学工程具有重要的参考价值。

附图说明

图1是本发明实施例测试深部岩体II型断裂韧度的实验系统的结构示意图；

图2是本发明实施例真空密闭压力室的结构示意图；

图3是本发明实施例偏置切缝岩石试件II型剪切断裂示意图；

图4是本发明实施例偏置切缝长方体岩石试件II型剪切断裂示意图；

图5是本发明实施例加载垫块和两个支撑垫块；

图6是本发明实施例支撑垫块结构尺寸示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参阅图1-6，本发明公开一种测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，包括具有偏置切缝的长方体岩石试件12、荷载传递及支撑装置2、真空密闭压力室1、用于对所述岩石试件施加荷载的轴向动力系统、用于对所述压力室提供惰性气体的惰性气体系统，所述具有偏置切缝的长方体岩石试件包括长方体试件12，在长方体试件上布置2个声发射探头27，人工切缝32偏离长方体试件的中心线，用于实现长方体试件从人工切缝处发生剪切或以剪切为主的断裂，剪切区域28，本实施例中的长方体试件为40x40x160mm，人工切缝深度为8mm。在人工切缝下面设置切口位移计31，用于实时测量试验过程中切缝张开度。具有偏置切缝的长方体岩石试件放置在真空密闭压力室1内，在真空密闭压力室外设置有荷载传递及支撑装置，轴向动力系统通过荷载传递及支撑装置伸入到真空密闭压力室内作用到具有偏置切缝的长方体岩石试件上，具有偏置切缝的长方体岩石试件的下面设置有两个支撑垫块30，其中一个支撑垫块设置在具有偏置切缝的长方体岩石试件的切缝的右侧，另一个支撑垫块设置在远离具有偏置切缝的长方体岩石试件的切缝的左侧，且两支撑垫块与轴向动力系统的动力作用线非对称设置，真空密闭压力室与惰性气体系统连接，在真空密闭压力室内设置有加热装置25。

本发明荷载传递及支撑装置包括放置在具有偏置切缝的长方体岩石试件上表面的加载垫块26，传力杆19，传力杆的底部通过加载垫块26与具有偏置切缝的长方体岩石试件连接，传力杆的顶部伸出真空密闭压力室外与真空密闭压力室顶部的加载梁13连接，在真空密闭压力室外设置有导杆23，加载梁的两端由导杆支撑，导杆的上部设置有弹簧装置14，加载垫块偏离具有偏置切缝的长方体岩石试件的中心线，且偏离方向为远离切缝方向。

所述轴向动力系统包括压力加载装置，压力加载装置对加载梁13施加压力，压力通过加载梁及导力杆传递到具有偏置切缝的长方体岩石试件上，加载的压力作用线偏离具有偏置切缝的长方体岩石试件中心线，且偏离方向远离切缝。

上所述传力杆底部设置滚轴，本发明中滚轴为万向球头20，在压力加载装置上设置有测力传感器及位移传感器，用于对试件施加轴向载荷，并能采用力与位移两种控制方式。所述真空密闭压力室内的加热装置为盘绕在真空密闭压力室内壁上的加热电阻丝，支撑垫块底部设置有底部垫块，底部垫块与真空密闭压力室之间通过密封垫24固定，传力杆的底顶部与真空密闭压力室之间设置有法兰，法兰与真空密闭压力室及传力杆之间均由密封圈密封；所述真空密闭压力室设置有与惰性气体系统连通的气体注入端口21，真空密闭压力室还设置有气体排出端口22，气体排出端口与抽真空系统连接，真空密闭压力室还设置有温度传感器15和压力传感器16。

所述抽真空系统包括与真空密闭压力室连通的真空排气泵，真空排气泵包括依次连接的涡轮高真空泵10和旋转泵11，涡轮高真空泵与气体排出端口22连通，所述惰性气体系统包括高压计量注射泵6、开关8和惰性气源9，其中真空密闭压力室的气体注入端口21依次与高压计量注射泵、开关和惰性气源通过管道连通，在管道上设置有压力计4、温度计5和流量计7。

一种测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统及试验方法，包括以下步骤：

SP1：钻取岩芯，制作具有偏置切缝的长方体岩石试件，试件尺寸大于岩石类材料颗粒尺寸的10倍，本发明实验时采用方棒试件，尺寸为40×40×160 mm，人工切缝32偏置量，偏置量指岩石上的人工切缝到岩样中间的距离，预制裂缝长度为，并在试件上标记加载垫块26的位置；

SP2：钻取岩芯过程中，尽量避免试样微观损伤，防止影响断裂韧度测定精度；

SP3：取样、切割及试验过程中，清楚标明试件标号、切口位置、切缝长度和加载搁置位置点等；

SP4：声发射探头27 (即A1、A2）布置在预制切缝的两侧的长方体岩石试件内，其中A1与A2距离切缝的距离不同，优选方案是A1在切缝右侧距离其20mm，A2在左侧距离其50mm；

SP5：设计了能够安装在材料试验机上的支撑垫块30，用来代替原圆形支柱，依据试验机上的标尺调整支撑垫块的位置，使左侧垫块的右边缘距离压力加载中心线的距离与右垫块的左边缘距离压力加载中心线的距离不同，本发明实验时优选使左侧支撑垫块的右边缘距离加载中心线15mm，右侧支撑垫块的左边缘距离中心线35mm，然后固定装置；

SP6：将长方体试件切缝对齐右垫块放置，在长方体试件上表面标记处放置加载垫块，加载垫块距离试件左边缘一定距离，并与左支撑垫块水平方向有少量的重合，与右支撑垫块相距一定距离；

实验时优选的方案是将具有偏置切缝的长方体岩石试件的切缝对齐右垫块放置，在试件上表面标记处放置加载垫块，加载垫块距离试件左边缘50mm，并与左支撑垫块水平方向有10mm的重合，与右支撑垫块相距10mm；

SP7：密封压力室，利用涡轮高真空泵10和旋转泵11抽出压力室1空气，直至真空；

SP8：通过气体注入端口，利用惰性气体泵注系统，向真空压力室1注入惰性气体，并记录压力、温度、流量等；

SP9：利用加热电阻丝25给真空密闭压力室1提供高温环境，并实时测量压力室1的温度和压强直至方案设计值，达到模拟深部岩体高温高压环境的目的；

SP10：维持压力室1温度和压强不变，开始实施断裂韧度测试的轴向加载，位移控制，速率为0.06mm/min；

SP11：设计压力室1不同的温度和压强，可以模拟不同深度的岩体环境，测定岩体II型断裂韧度值。

本发明轴向动力系统的压力加载装置、压力加载装置的测力传感器及位移传感器、切口位移计、加热电阻丝、真空密闭室内的温度传感器和压力传感器、声发射探头可以分别使用，也可以均与控制系统连接，实现自动控制。

本发明岩石试件还可以是正方体岩石试件。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，其特征在于，包括具有偏置切缝的岩石试件、荷载传递及支撑装置、真空密闭压力室、用于对所述岩石试件施加荷载的轴向动力系统、用于对所述压力室提供惰性气体的惰性气体系统，所述具有偏置切缝的岩石试件放置在真空密闭压力室内，在真空密闭压力室外设置有荷载传递及支撑装置，轴向动力系统通过荷载传递及支撑装置伸入到真空密闭压力室内作用到具有偏置切缝的岩石试件上，具有偏置切缝的岩石试件的下面设置有两个支撑垫块，其中一个支撑垫块设置在具有偏置切缝的岩石试件的切缝的右侧，另一个支撑垫块设置在远离具有偏置切缝的岩石试件的切缝左侧，且两支撑垫块与轴向动力系统的动力作用线非对称设置，真空密闭压力室与惰性气体系统连接，在真空密闭压力室内设置有加热装置。

2.根据权利要求1所述的测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，其特征在于：所述具有偏置切缝的岩石试件包括长方体岩石试件，在长方体岩石试件上设置有人工切缝，人工切缝偏离长方体岩石试件的中心线，用于实现长方体试件从人工切缝处发生剪切或以剪切为主的断裂。

3.根据权利要求2所述的测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，其特征在于：在人工切缝下面设置切口位移计，用于实时测量试验过程中切缝张开度。

4.根据权利要求2所述的测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，其特征在于：两根声发射探头 A1、 A2布置在预制切缝的两侧的岩石试件内，A1和A2与预制切缝不对称设置，声发射探头用于实时监测岩样破坏过程中的声学信息，包括波长、频率、持续时间，进而揭示岩样断裂类型和破坏程度。

5.根据权利要求1所述的测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，其特征在于：所述荷载传递及支撑装置包括放置在具有偏置切缝的岩石试件上表面的加载垫块，传力杆的底部通过加载垫块与具有偏置切缝的岩石试件连接，传力杆的顶部伸出真空密闭压力室外与真空密闭压力室顶部的加载梁连接，在真空密闭压力室外设置有导杆，加载梁的两端由导杆支撑，导杆的上部设置有弹簧装置，加载垫块偏离具有偏置切缝的岩石试件的中心线，且偏离方向为远离切缝方向。

6.根据权利要求5所述的测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，其特征在于：所述轴向动力系统包括压力加载装置，压力加载装置对加载梁施加压力，压力通过加载梁及传力杆传递到具有偏置切缝的岩石试件上，加载的压力作用线偏离具有偏置切缝的岩石试件中心线，且偏离方向远离切缝。

7.根据权利要求6所述的测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，其特征在于：所述传力杆底部设置滚轴，在压力加载装置上设置有测力传感器及位移传感器，用于对试件施加轴向载荷，并能采用力与位移两种控制方式。

8.根据权利要求5所述的测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，其特征在于：所述真空密闭压力室内的加热装置为盘绕在真空密闭压力室内壁上的加热电阻丝，支撑垫块底部设置有底部垫块，底部垫块与真空密闭压力室之间通过密封垫固定，传力杆的顶部与真空密闭压力室之间设置有法兰，法兰与真空密闭压力室及传力杆之间均由密封圈密封；所述真空密闭压力室设置有与惰性气体系统连通的气体注入端口，真空密闭压力室还设置有气体排出端口，气体排出端口与抽真空系统连接，真空密闭压力室还设置有温度传感器和压力传感器。

9.根据权利要求8所述的测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统，其特征在于：所述抽真空系统包括与真空密闭压力室连通的真空排气泵，所述惰性气体系统包括高压计量注射泵、开关和惰性气源，其中真空密闭压力室依次与高压计量注射泵、开关和惰性气源通过管道连通，在管道上设置有压力计、温度计和流量计。

10.一种基于权利要求1-8中任一项所述的测试深部岩体II型断裂韧度值的实验系统的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

a：具有偏置切缝的岩石试件的制作：钻取岩芯，制作长方体岩石试件，长方体岩石试件尺寸大于岩石类材料颗粒尺寸的10倍，在试件上切割切缝，清楚标明试件标号、切缝位置、切缝长度和加载搁置位置点，在长方体岩石试件上标记加载垫块的位置，加载垫块的中心线偏离长方体岩石试件的中心，且偏离方向为远离切缝方向；

b：两根声发射探头A1、A2布置在预制切缝的两侧的长方体岩石试件内，其中A1与A2距离切缝的距离不同，声发射探头用于实时监测岩样破坏过程中的声学信息，包括波长、频率、持续时间，进而揭示岩样断裂类型和破坏程度；

c：设计了能够安装在材料试验机上的支撑垫块，依据试验机上的标尺调整支撑垫块的位置，使左侧垫块的右边缘距离压力加载中心线的距离与右垫块的左边缘距离压力加载中心线的距离不同，然后固定装置；

d：将长方体试件切缝对齐右垫块放置，在长方体试件上表面标记处放置加载垫块，加载垫块距离试件左边缘一定距离，并与左支撑垫块水平方向有少量的重合，与右支撑垫块相距一定距离 ；

e：通过法兰盘密封真空密闭压力室，利用涡轮高真空泵和旋转泵抽出压力室空气，直至真空；

f：通过气体注入端口，利用惰性气体泵注入系统，向真空压力室注入惰性气体，并记录压力、温度、流量；

g：利用加热电阻丝给压力室提供高温环境，并实时测量压力室的温度和压强直至方案设计值，达到模拟深部岩体高温高压环境的目的；

j：维持压力室温度和压强不变，开始实施断裂韧度测试的轴向加载，位移控制，速率为0.06mm/min；

k：设计压力室不同的温度和压强，模拟不同深度的岩体环境，测定岩体II型断裂韧度值。