CN109297869A - 用于水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置及方法，其包括基座和岩石固定装置，岩石固定装置固定在基座上，岩石固定装置内设置有薄膜压力传感器和振动传感器；岩石固定装置的上端设置有导水器，导水器与供水装置通过水管连接；薄膜压力传感器和振动传感器均与动态数据采集器电连接，动态数据采集器与电脑电连接；运用本装置的试验方法包括步骤S1‑S6。通过本试验装置及试验方法能够判断含裂隙岩石的性质和结构，了解其产生地质灾害的可能性；本发明可通过定量观测岩样应力应变及微震变化来判断岩石水岩作用过程中岩样细观结构和力学变化的过程，将水岩相互作用下含裂隙岩石劣化过程可视化。
Description
技术领域
本发明涉及岩石机理研究技术领域，具体涉及一种用于水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置及方法。
背景技术
在矿山开采、隧道开挖、石油开采、核废料储存等各种工程过程中，经常会遇到含裂隙岩石对工程造成威胁，如：渗水、塌方和泄漏等工程问题。岩石中的裂隙为地下水的渗透和水对岩石的物理化学风化提供了有利条件，在以往的研究中很难观察到水在岩石内部渗透路径，且裂隙内部水岩相互作用机理复杂，含有不同离子及浓度的水溶液与岩石矿物之间发生化学作用，伴随着矿物的溶解与新矿物的生成，造成岩石孔隙裂隙的变化，必然引起岩石内部应力的改变。通过预先对含裂隙岩石的工程性质和破坏机理研究，及时做好预防破坏的措施，就会达到很好的处理效果，否则将给人们的生命财产带来极大的损失。
目前阶段，对岩石裂隙内水岩相互作用的研究多集中于水岩相互作用下岩样宏观力学、定性描述、渗透特性等方面。针对岩芯样品置于溶液内，通过观测反应前后岩样的形貌变化，矿物组成及抗拉抗压强度变化来模拟劣化过程。试验周期较长，成本较高，易受外界环境干扰，不能动态监测水岩作用过程中裂隙内水的运动过程和岩样不同部位力学性质的变化。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种用于水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置及试验方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置，其包括基座和岩石固定装置，岩石固定装置固定在基座上，岩石固定装置内设置有薄膜压力传感器和振动传感器；岩石固定装置的上端设置有导水器，导水器与供水装置通过水管连接；薄膜压力传感器和振动传感器均与动态数据采集器电连接，动态数据采集器与电脑电连接。
进一步地，岩石固定装置包括相对设置的第一夹板和第二夹板，第一夹板固定在基座上，第二夹板与基座活动连接；第二夹板上设置有手摇柄，且手摇柄与第二夹板转动连接，手摇柄通过螺套与支架连接，且螺套与手摇柄螺纹连接，支架固定在基座上。
进一步地，第一夹板和第二夹板上均设置有有机玻璃板。
进一步地，薄膜压力传感器和振动传感器分别附着在待检测的含裂隙岩石的两侧，薄膜压力传感器和振动传感器上设置有防水薄膜，含裂隙岩石固定在岩石固定装置内。
进一步地，供水装置包括储水罐，储水罐通过水管与导水器连接，储水罐与导水器之间设置有蠕动泵和阀门。
进一步地，导水器包括海绵块和出水口，海绵块通过出水口与水管连接。
进一步地，还包括横向应变片和纵向应变片，横向应变片和纵向应变片均安装在含裂隙岩石上，横向应变片和纵向应变片均与动态数据采集器电连接。
进一步地，还包括光电液位传感器，光电液位传感器设置于待测含裂隙岩石上，光电液位传感器与动态数据采集器电连接。
进一步地，基座下端设置有防滑垫。
一种水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置的试验方法，其包括以下步骤：
S1：选取一块长方体状的待检测含裂隙岩石，将薄膜压力传感器和振动传感器分别附着于含裂隙岩石的左右两侧面上，将光电液位传感器、横向应变片和纵向应变片分别附着于待检测含裂隙岩石的另外两侧面上，并检测各个传感元件是否与含裂隙岩石接触良好；
S2：向附着有薄膜压力传感器和振动传感器的含裂隙岩石上贴防水薄膜，并将待检测含裂隙岩石放入固定装置中进行固定；
S3：转动手摇柄使薄膜压力传感器和振动传感器与含裂隙岩石表面接触良好，并使含裂隙岩石固牢在基座上；
S4：将各个传感元件与动态数据采集器连接，检查阀门是否处于关闭状态，导水器放置在待测裂隙岩石的上端；
S5：打开阀门并启动蠕动泵，储水罐中的水经水管抽入到海绵块中，通过阀门和蠕动泵调节水流速度，实时观察水流速度并做好记录；
S6：数据采集器将试验时的数据进行收集，收集到的试验数据传输到电脑上，电脑将试验数据进行处理分析，转换成图像或表格。
本发明的有益效果为：本方案通过设置的固定装置将待检测含裂隙岩石固定在固定装置内，手摇柄通过调节第二夹板夹紧待检测含裂隙岩石的力度，能够最大限度地模拟野外真实的岩石吸水渗透过程，提高了试验过程的真实性，增强了本试验的研究意义，并且操作方便；薄膜压力传感器用于检测水在含裂隙岩石中反应过程产生力的变化和力变化的速率，振动传感器可检测水与含裂隙岩石相互作用产生结构力学的变化；水箱中的水通过导水器向待检测含裂隙岩石内渗透。
有机玻璃板起到隔水的作用，避免第一夹板和第二夹板直接与水接触，增加第一夹板和第二夹板的使用寿命；阀门和蠕动泵可以控制进入到海绵块内的水的量，从而可精确控制渗入到待检测含裂隙岩石的水量；导水器由海绵块和进水口组成，海绵块紧贴于待测裂隙岩石上，通过供水装置供应的水被海绵块吸收后，慢慢渗透到待测裂隙岩石内，海绵块既均匀了水流，又放缓了水的流速，更加接近于岩石在野外的实际吸水渗透过程。
横向应变片和纵向应变片可以准确地将水在渗透过程中待测含裂隙岩石的应变力的变化记录下来，通过光电液位传感器可以清晰观测到含裂隙岩石内的水渗到何处，并及时通过阀门和蠕动泵控制渗入水量；动态数据采集器用于收集和记录各个传感元件采集的数据，并发送给电脑。
通过本试验装置及试验方法能够判断含裂隙岩石的性质和结构，了解其产生地质灾害的可能性，从而防范于未然，保护人们的生命财产安全；可以模拟不同浓度、不同离子水溶液作用下，较大尺度岩样裂隙内水岩相互作用的动态变化过程；矿物的溶解和生成的结果必然造成岩石内部应力的改变，本发明可通过定量观测岩样应力应变及微震变化来判断岩石水岩作用过程中岩样细观结构和力学变化的过程，将水岩相互作用下含裂隙岩石劣化过程可视化。
附图说明
图1为用于水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置的结构示意图。
图2为待测含裂隙岩石安装于固定装置内的正视结构示意图。
图3为待测含裂隙岩石安装于固定装置内的正视结构示意图。
图4为待测含裂隙岩石安装于固定装置内的俯视结构示意图。
其中，101、基座，102、电脑，103、数据采集器，201、有机玻璃板，202、防水薄膜，203、导水器，204、薄膜压力传感器，205、横向应变片，206、纵向应变片，207、振动传感器207，208、待测含裂隙岩石，209、光电液位传感器，301、第一夹板，302、固定螺丝，303、支架，304、手摇柄，305、第二夹板，401、储水罐，402、阀门，403、蠕动泵，404、水管。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置包括基座101和岩石固定装置，岩石固定装置固定在基座101上，岩石固定装置内设置有薄膜压力传感器204和振动传感器207；岩石固定装置的上端设置有导水器203，导水器203与供水装置通过水管404连接；薄膜压力传感器204和振动传感器207与动态数据采集器103电连接，动态数据采集器103与电脑102电连接。
岩石固定装置包括相对设置的第一夹板301和第二夹板305，第一夹板301为L型的整体板状结构，固定螺丝302使第一夹板301与基座101固定在一起；第二夹板305与基座101滑动连接；第二夹板305上设置有手摇柄304，且手摇柄304与第二夹板305转动连接，手摇柄304通过螺套与支架303连接，且螺套与手摇柄304螺纹连接，手摇柄304通过支架303上端螺套施力于第二夹板305上，支架303固定在基座101上。
本方案通过设置的导水器203、供水装置和固定装置，将待检测的含裂隙岩石固定在固定装置内，手摇柄304通过调节第二夹板305夹紧含裂隙岩石的力度，能够最大限度地模拟野外真实的吸水渗透过程，提高了试验过程的真实性，增强了本试验的研究意义，并且操作方便；薄膜压力传感器204用于检测水在含裂隙岩石中反应过程产生力的变化和力变化的速率，振动传感器207可检测水与含裂隙岩石相互作用产生结构力学的变化；水箱中的水通过导水器203向待检测含裂隙岩石内渗透。
第一夹板301和第二夹板305上均设置有有机玻璃板201，有机玻璃板201起到隔水的作用，避免第一夹板301和第二夹板305与水接触，增加第一夹板301和第二夹板305的使用寿命；薄膜压力传感器204和振动传感器207分别附着在含裂隙岩石的两侧，薄膜压力传感器204和振动传感器207上设置有防水薄膜202。
薄膜压力传感器204采用A502型压阻型测力的薄膜传感器，是最好的触力和压力测量的传感器，简单易用，测量准确、成本低、体积小，振动传感器207采用SV805型振动传感器，具有频率范围宽、动态范围大、灵敏度高以及电信号便于传输、变换、处理与保存等一系列优点，可以迅速收集到岩石内部的变化情况。
供水装置包括储水罐401，储水罐401通过水管404与导水器203连接，储水罐401与导水器203之间设置有蠕动泵403和阀门402；导水器203包括海绵块和出水口，海绵块通过出水口与水管404连接。阀门402和蠕动泵403可以控制进入到海绵块内的水的量，从而可精确控制进入到导水器203的水量；导水器203由海绵块和进水口组成，海绵块紧贴于待测裂隙岩石上，通过供水装置供应的水被海绵块吸收后慢慢渗透到待测裂隙岩石内，海绵块既均匀了水流，又放缓了水的流速，更加接近于岩石在野外的实际吸水渗透过程。
如图2至图4所示，水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置还包括横向应变片205和纵向应变片206，横向应变片205和纵向应变片206均安装在待测裂隙岩石的前侧面上，横向应变片205和纵向应变片206均与动态数据采集器103电连接；横向应变片205和纵向应变片206可以准确地将水在渗透过程中待测含裂隙岩石208的应变力的变化记录下来。
水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置还包括光电液位传感器209，光电液位传感器209设置于待测含裂隙岩石208的后侧面上，光电液位传感器209与动态数据采集器103电连接；通过光电液位传感器209可以清晰观测到含裂隙岩石内的水渗到何处，并及时通过阀门402和蠕动泵403控制水量。
横向应变片205和纵向应变片206均采用BF350带线电阻式应变片，光电液位传感器209采用LLE101000型光电液位传感器。
基座101下端设置有防滑垫，用于增加摩擦力，将基座101稳固在地面上。动态数据采集器103用于收集和记录各个传感元件采集的数据，并发送给电脑102。
水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置的试验方法，包括以下步骤：
S1：选取一块长方体状的待检测的含裂隙岩石，将薄膜压力传感器204和振动传感器207分别附着于含裂隙岩石的左右两侧面上，光电液位传感器209、横向应变片205和纵向应变片206分别附着于待检测含裂隙岩石的另外两侧面上，并检测各个传感元件是否与含裂隙岩石接触良好；
S2：向附着有薄膜压力传感器204和振动传感器207的含裂隙岩石上贴防水薄膜202，并将含裂隙岩石放入固定装置中进行固定；
S3：转动手摇柄304推动第二夹板305移动，使薄膜压力传感器204和振动传感器207与待测裂隙岩石表面接触良好，并使待测裂隙岩石固牢在基座101上；
S4：将各个传感元件与动态数据采集器103连接，导水器203放置在待测裂隙岩石的上端，检查阀门402是否处于关闭状态；
S5：打开阀门402并启动蠕动泵403，储水罐401中的水经水管404抽入到海绵块中，通过阀门402和蠕动泵403调节水流速度，并实时观察水流速度，做好记录；
S6：数据采集器103将试验过程的数据进行收集，收集到的试验数据传输到电脑102上，电脑102将试验数据进行处理分析，转换成图像或表格。
通过本试验装置及试验方法能够判断含裂隙岩石的性质和结构，了解其产生地质灾害的可能性，从而防范于未然，保护人们的生命财产安全；可以模拟不同浓度、不同离子水溶液作用下，较大尺度岩样裂隙内水岩相互作用的动态变化过程；矿物的溶解和生成的结果必然造成岩石内部应力的改变，本发明可通过定量观测岩样应力应变及微震变化来判断岩石水岩作用过程中岩样细观结构和力学变化的过程，将水岩相互作用下含裂隙岩石劣化过程可视化。
Claims (10)
1.一种水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置，其特征在于，包括基座(101)和岩石固定装置，所述岩石固定装置固定在基座(101)上，所述岩石固定装置内设置有薄膜压力传感器(204)和振动传感器(207)；所述岩石固定装置的上端设置有导水器(203)，所述导水器(203)与供水装置通过水管(404)连接；所述薄膜压力传感器(204)和振动传感器(207)均与动态数据采集器(103)电连接，所述动态数据采集器(103)与电脑(102)电连接。
2.根据权利要求1所述的水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置，其特征在于，所述岩石固定装置包括相对设置的第一夹板(301)和第二夹板(305)，所述第一夹板(301)固定在基座(101)上，所述第二夹板(305)与基座(101)活动连接；所述第二夹板(305)上设置有手摇柄(304)，且手摇柄(304)与第二夹板(305)转动连接，所述手摇柄(304)通过螺套与支架(303)连接，且螺套与手摇柄(304)螺纹连接，所述支架(303)固定在基座(101)上。
3.根据权利要求2所述的水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置，其特征在于，所述第一夹板(301)和第二夹板(305)上均设置有有机玻璃板(201)。
4.根据权利要求1所述的水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置，其特征在于，所述薄膜压力传感器(204)和振动传感器(207)分别附着在待检测的含裂隙岩石的两侧，所述薄膜压力传感器(204)和振动传感器(207)上设置有防水薄膜(202)，所述含裂隙岩石固定在岩石固定装置内。
5.根据权利要求1所述的水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置，其特征在于，所述供水装置包括储水罐(401)，所述储水罐(401)通过水管(404)与导水器(203)连接，所述储水罐(401)与导水器(203)之间设置有蠕动泵(403)和阀门(402)。
6.根据权利要求4所述的水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置，其特征在于，所述导水器(203)包括海绵块和出水口，所述海绵块通过出水口与水管(404)连接。
7.根据权利要求1所述的水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置，其特征在于，还包括横向应变片(205)和纵向应变片(206)，所述横向应变片(205)和纵向应变片(206)均安装在含裂隙岩石上，所述横向应变片(205)和纵向应变片(206)均与动态数据采集器(103)电连接。
8.根据权利要求1所述的水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置，其特征在于，还包括光电液位传感器(209)，所述光电液位传感器(209)设置于待测含裂隙岩石(208)上，所述光电液位传感器(209)与动态数据采集器(103)电连接。
9.根据权利要求1所述的水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置，其特征在于，所述基座(101)下端设置有防滑垫。
10.一种权利要求1-9任一项所述的水岩作用下含裂隙岩石劣化机理试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选取一块长方体状的待检测含裂隙岩石，将薄膜压力传感器(204)和振动传感器(207)分别附着于含裂隙岩石的左右两侧面上，将光电液位传感器(209)、横向应变片(205)和纵向应变片(206)分别附着于待检测含裂隙岩石的另外两侧面上，并检测各个传感元件是否与含裂隙岩石接触良好；
S2：向附着有薄膜压力传感器(204)和振动传感器(207)的含裂隙岩石上贴防水薄膜(202)，并将待检测含裂隙岩石放入固定装置中进行固定；
S3：转动手摇柄(304)使薄膜压力传感器(204)和振动传感器(207)与含裂隙岩石表面接触良好，并使含裂隙岩石固牢在基座(101)上；
S4：将各个传感元件与动态数据采集器(103)连接，检查阀门(402)是否处于关闭状态，导水器(203)放置在待测裂隙岩石的上端；
S5：打开阀门(402)并启动蠕动泵(403)，储水罐(401)中的水经水管(404)抽入到海绵块中，通过阀门(402)和蠕动泵(403)调节水流速度，实时观察水流速度并做好记录；
S6：数据采集器(103)将试验时的数据进行收集，收集到的试验数据传输到电脑(102)上，电脑(102)将试验数据进行处理分析，转换成图像或表格。
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