CN110296886B - 一种刚-软复合岩层断裂演化监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刚‑软复合岩层断裂演化监测装置及监测方法，装置通过实时动态监测三轴应力状态下复合岩层中裂隙的萌生、扩展过程，尤其监测不同岩性岩层接触面处裂隙的穿层特征，总结刚‑软复合岩层断裂演化规律，同时研究断裂演化过程中刚‑软复合岩层应力分布及应变量，并耦合分析不同岩性岩层应力分布、应变量与其裂隙发育规律的关系，进而阐明刚‑软复合岩层断裂形成机理。
Description
技术领域
本发明为一种刚-软复合岩层断裂演化的监测装置，尤其是涉及分析三轴应力状态下不同岩性岩层接触面处裂隙穿层特性的装置。
背景技术
近年来，如何实现煤及煤层气的安全高效开采一直是我国能源界持续关注和亟待解决的科研问题。在煤及煤层气开采过程中岩层断裂会导致许多地质灾害，如巷道顶板断裂、冲击地压等，且岩石断裂过程中将导致大量裂隙的产生，极易发生煤与瓦斯突出事故。岩层断裂与岩石的岩性、厚度及所承载的应力具有紧密的联系，因而对于不同岩性岩层组成的复合岩层，其断裂演化规律十分复杂，特别是受到层间接触面的控制，由于接触面两侧岩层厚度及力学性质的差异，裂隙在接触面处的穿层性受到约束，此外，不同岩性岩层的应变量影响其层内裂隙的发育。因此，基于三轴应力下复合岩层中断裂演化的研究，精细、准确地表征裂隙发育及演化规律，分析裂隙在层间接触面的穿层性，探讨岩层应变量与裂隙发育的关系，从而揭示出刚-软复合岩层的断裂机理，可为分析煤层气成藏与运移过程及实现煤及煤层气安全开采提供重要的理论支撑。
专利号为201710302682.5公开了一种基于CT动态扫描的岩石损伤断裂细观演化三维重构方法，通过RMT伺服试验机对煤岩试样进行载荷实验，通过CT动态扫描，实现试样损伤断裂细观演化动态过程。
专利号为201410220334.X公开了一种煤岩裂隙发育红外辐射监测试验方法，通过岩石压力机对受载煤岩试块施压，由红外热像仪记录受载煤岩试块及参照煤岩试块的红外辐射数据。上述专利均对岩石采用单轴施压，未考虑三轴应力下岩石的断裂。
专利号为201420007348.9公开了一种模拟煤岩受力的加载装置，对煤岩试件施加三轴压力，还原了地下煤岩层的受力状况，对地下煤岩层的性能参数进行研究，并未分析煤岩断裂演化规律。
上述专利均未考虑岩性对裂隙演化的影响，缺少不同岩性层间接触面处裂隙扩展的研究，且未分析裂隙演化的控制机理。
所以，提出了一种刚-软复合岩层断裂演化监测装置，通过实时动态监测三轴应力状态下复合岩层中裂隙的萌生、扩展过程，尤其通过CT检测装置，监测不同岩性岩层接触面处裂隙的穿层性，从而分析复合岩层中层内、层间及岩层贯穿裂隙发育规律。同时研究断裂演化过程中刚-软复合岩层应力分布及应变量，并耦合分析不同岩性岩层应力分布、应变量与其裂隙发育规律的关系，进而阐明刚-软复合岩层断裂形成机理。
发明内容
发明目的：本发明的目的是克服已有技术存在的不足，提供一种刚-软复合岩层断裂演化监测装置，从而实现动态监测复合岩层在三轴应力状态下裂隙的萌生、扩展过程及穿层性，并监测不同岩性岩层的应力分布及应变量。该装置操作方便、监测方法简单、测量结果准确可靠。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案：
一种刚-软复合岩层断裂演化监测装置，包括：
底板，底板的中央位置处设有刚性支撑台，刚性支撑台上用于设置所述复合岩层试件；
施压系统，用于对所述复合岩层试件进行三轴施压，包括X向施压系统、Y向施压系统以及Z向施压系统，其中，X向施压系统和Y向施压系统结构相同，均包括水平设置的第一伺服施压单元、设置在所述第一伺服施压单元输出端的第一压板以及连接在第一伺服施压单元输出端和第一压板之间的第一压力传感器；
所述Z向施压系统包括竖向设置在所述复合岩层试件正上方的第二伺服施压单元、设置在第二伺服施压单元输出端的第二压板、连接在第二伺服施压单元输出端和第二压板之间的第二压力传感器以及位移监测机构，所述位移监测机构用于检测第二伺服施压单元输出端的位移信号；
第一挡板，固定在底板上且相对所述X向施压系统的施压方向设置，用于当X向施压系统向复合岩层试件一侧施压后，为所述复合岩层试件提供反力，第一挡板和复合岩层侧壁之间设有第一应力传感器定位板，所述第一应力传感器定位板上安装有第一应力传感器；
第二挡板，固定在底板上且相对所述Y向施压系统的施压方向设置，用于当Y向施压系统向复合岩层试件一侧施压后，为所述复合岩层试件提供反力，第二挡板和复合岩层侧壁之间设有第二应力传感器定位板，所述第二应力传感器定位板上安装有第二应力传感器；
第三应力传感器定位板，设置在复合岩层试件底部与刚性支撑台之间，所述第三应力传感器定位板上安装有第三应力传感器；
X射线发射器，设置在复合岩层试件一侧，用于向复合岩层试件发射X射线；
X射线探测器，设置在复合岩层试件另一侧，用于对穿过复合岩层试件的X射线进行探测；
所述第一挡板、第二挡板、第一压板、第二压板、第一应力传感器定位板以及第二应力传感器定位板均为可以透过X射线的材料制作；
所述复合岩层试件在不同岩层接触面处设有X射线不能透过的薄挡圈；
计算机，通过信号采集器与所述第一伺服施压单元、第一压力传感器、第二伺服施压单元、第二压力传感器、第一应力传感器、第二应力传感器、第三应力传感器以及X射线探测器连接。
还包括门形支架，所述门形支架上用于固定所述伺服施压单元、位移传感器和X射线发射器。
所述伺服施压单元为伺服油缸、伺服气缸或伺服电机中的一种。
所述位移监测机构包括位移传感器和安装在第二伺服施压单元输出轴上的位移挡板，所述位移传感器固定连接在所述门形支架上，位于所述位移挡板的正上方。
所述应力传感器定位板上均匀开设有多个圆形孔，每个所述圆形孔中插设连接有一个受压圆柱，每个所述受压圆柱的外部贴附有应变片，所述应变片均通过导线与外部计算机信号连接，应力传感器定位板上开设有供所述导线穿设的引线槽。
所述第一挡板、第二挡板、第一压板、第二压板、第一应力传感器定位板以及第二应力传感器定位板均为钛合金材料。
所述复合岩层试件为方形结构，岩层岩性分别为砂岩，煤层及泥岩。所述第一应力传感器定位板和第二应力传感器定位板为一L形定位板结构。
一种基于所述刚-软复合岩层断裂演化监测装置的监测方法，包括以下步骤：
a、试验台通电，并对所有压力传感器调零；
b、截取试验所需复合岩层试件，放置在第三应力传感器定位板上；
c、通过计算机控制第一伺服施压单元动作，对复合岩层试件提供围压，并保持压力不变；同时应变片开始记录应力信号并传送到信号采集系统中；
d、通过计算机控制第二伺服施压单元动作，当第二压板刚好和复合岩层试件的上表面贴合时，对位移监测机构进行调零；同时启动X射线发射器和X射线探测器；
e. 通过计算机控制第二伺服单元动作，每次增加∆F加载载荷，改变对复合岩层试件的加载载荷，其中，第一压力传感器和第二压力传感器实时测量复合岩层试件围压；
位移监测机构实时测量复合岩层试件厚度；
X射线探测器记录复合岩层试件的断层图像，并保存在计算机中；
f. 当复合岩层试件破碎，停止加载，通过计算机控制第一伺服施压单元和第二伺服施压单元动作，使第一压板、第二压板分别与复合岩层试件分离，完成试验；
g. 重复步骤a和b，通过调节第一伺服施压单元的加载力改变复合岩层试件所受围压，重复步骤d到f，完成不同载荷下的试验；
h. 通过第二压力传感器所测数据可得载荷加载曲线；
通过第一压力传感器和第二压力传感器所测数据可得复合岩层试件围压变化曲线；
通过位移监测机构所测数据可得复合岩层试件厚度变化曲线；
通过应力传感器所测数据可得复合岩层试件底部和侧面的应力分布规律；
通过X射线探测器反馈信号得到断层图像，进而可以得到复合岩层试件的三维重建模型以及复合岩层试件的位移信息和断裂演化信息。
本发明的有益效果是：利用施压系统，对试样进行三轴施压，从而实现三轴应力状态下刚-软复合岩层断裂演化的研究，同时监测试样断裂演化及其过程中不同岩性岩层的应力分布和应变量，耦合分析应力分布、应变量与其裂隙发育规律的关系；通过分析不同岩性岩层接触面处裂隙的穿层性，从而分析复合岩层中层内、层间及岩层贯穿裂隙发育规律，为揭示真实地层状态下断裂的演化机理奠定基础。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明压板和X射线探测器装配俯视图；
图3为本发明压板和X射线探测器装配主视图；
图4为L形应力传感器定位板结构图；
图5为第三应力传感器定位板结构图；
图6为本发明应力传感器定位板结构图；
图7为本发明应力传感器安装剖视图；
图8为信号采集系统。
图中：1、 第二伺服施压单元；2、位移传感器；3、位移挡板；4、第二压板；5、第一挡板；6、L形应力传感器定位板；（7，16）、第一压板；（8，17）、第一压力传感器；9、X射线发射器；10、支撑架；11、第一伺服施压单元（11,18）；12、底板；13、第三（二）压力传感器；14、门形支架；15、第二挡板； 19、复合岩层试件；20，第三应力传感器定位板；21、刚性支撑台；22、X射线探测器；23、引线槽；24、圆形孔；25、受压圆柱；26、应变片；27、挡块。
具体实施方式
下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明的技术方案。
实现本发明的技术方案是一种刚-软复合岩层断裂演化监测装置由
底板12，底板12的中央位置处设有刚性支撑台21，刚性支撑台21上用于设置所述复合岩层试件19；
施压系统，用于对所述复合岩层试件19进行三轴施压，包括X向施压系统、Y向施压系统以及Z向施压系统，其中，X向施压系统和Y向施压系统结构相同，均包括水平设置的第一伺服施压单元、设置在所述第一伺服施压单元输出端的第一压板以及连接在第一伺服施压单元输出端和第一压板之间的第一压力传感器；第一伺服施压单元18固定在门形支架12上，第一伺服施压单元11固定在支撑架10上，保证第一伺服施压单元18和第一伺服施压单元11高度相同。
所述Z向施压系统包括竖向设置在所述复合岩层试件19正上方的第二伺服施压单元1、设置在第二伺服施压单元1输出端的第二压板4、连接在第二伺服施压单元1输出端和第二压板4之间的第二压力传感器13以及位移监测机构，所述位移监测机构用于检测第二伺服施压单元1输出端的位移信号；
第一挡板5，固定在底板12上且相对所述X向施压系统的施压方向设置，用于当X向施压系统向复合岩层试件19一侧施压后，为所述复合岩层试件19提供反力，第一挡板5和复合岩层19侧壁之间设有第一应力传感器定位板，所述第一应力传感器定位板上安装有第一应力传感器；
第二挡板15，固定在底板12上且相对所述Y向施压系统的施压方向设置，用于当Y向施压系统向复合岩层试件19一侧施压后，为所述复合岩层试件19提供反力，第二挡板15和复合岩层19侧壁之间设有第二应力传感器定位板，所述第二应力传感器定位板上安装有第二应力传感器；
第三应力传感器定位板20，设置在复合岩层试件19底部与刚性支撑台21之间，所述第三应力传感器定位板20上安装有第三应力传感器；
X射线发射器9，设置在复合岩层试件19一侧，固定在门形支架14上，用于向复合岩层试件19发射X射线；
X射线探测器22，设置在复合岩层试件19另一侧，固定在第一压板16上，用于对穿过复合岩层试件19的X射线进行探测；
所述第一挡板5、第二挡板15、第一压板、第一应力传感器定位板以及第二应力传感器定位板均为可以透过X射线的材料制作；
所述复合岩层试件19在不同岩层接触面处设有X射线不能透过的薄挡圈，用于获得在不同载荷下，不同岩性岩层的位移信息；
计算机，通过信号采集器与所述第一伺服施压单元、第一压力传感器、第二伺服施压单元1、第二压力传感器13、第一应力传感器、第二应力传感器、第三应力传感器以及X射线探测器连接。
固定在底板12上的门形支架14，所述门形支架14上用于固定所述伺服施压单元，位移传感器2和X射线发射器9。
所述伺服施压单元为伺服油缸、伺服气缸或伺服电机中的一种。
所述应力传感器定位板上均匀开设有多个圆形孔24，每个所述圆形孔24中插设连接有一个受压圆柱25，每个所述受压圆柱25的外部贴附有应变片26，所述应变片26均通过导线与外部计算机信号连接，应力传感器定位板上开设有供所述导线穿设的引线槽23。
所述位移监测机构包括位移传感器2和安装在第二伺服施压单元1输出轴上的位移挡板3，所述位移传感器2固定连接在所述门形支架14上，位于所述位移挡板3的正上方。
所述第一挡板5、第二挡板6、第一压板、第一应力传感器定位板以及第二应力传感器定位板均为钛合金材料。
所述复合岩层试件19为方形结构，岩层岩性分别为砂岩，煤层及泥岩。所述第一应力传感器定位板和第二应力传感器定位板为一L形定位板6结构，L形应力传感器定位板6通过第一挡板5和第二挡板15上的挡块27进行固定。
一种刚-软复合岩层断裂演化监测装置，实验操作步骤如下：
a.试验台通电，并对所有压力传感器调零；
b. 截取试验所需复合岩层试件19，放置在第三应力传感器定位板20上；
c. 通过计算机控制第一伺服施压单元动作，对复合岩层试件19提供围压，并保持压力不变；同时应变片26开始记录应力信号并传送到信号采集系统中；
d、通过计算机控制第二伺服施压单元1动作，当第二压板4刚好和复合岩层试件19的上表面贴合时，对位移监测机构进行调零；同时启动X射线发射器9和X射线探测器22；
e. 通过计算机控制第二伺服单元1动作，每次增加∆F加载载荷，改变对复合岩层试件19的加载载荷，其中，第一压力传感器和第二压力传感器13实时测量复合岩层试件围压；
位移监测机构实时测量复合岩层试件19的厚度；
X射线探测器22记录复合岩层试件19的断层图像，并保存在计算机中；
f. 当复合岩层试件19破碎，停止加载，通过计算机控制第一伺服施压单元和第二伺服施压单元1动作，使第一压板、第二压板4分别与复合岩层试件19分离，完成试验；
g. 重复步骤a和b，通过调节第一伺服施压单元的加载力改变复合岩层试件19所受围压，重复步骤d到f，完成不同载荷下的试验；
h. 通过第二压力传感器13所测数据可得载荷加载曲线；
通过第一压力传感器和第二压力传感器13所测数据可得复合岩层试件19围压变化曲线；
通过位移监测机构所测数据可得复合岩层试件19厚度变化曲线；
通过应力传感器所测数据可得复合岩层试件19底部和侧面的应力分布规律；
通过X射线探测器22反馈信号得到断层图像，进而可以得到复合岩层试件19的三维重建模型以及复合岩层试件19的位移信息和断裂演化信息。
Claims (5)
1.一种刚-软复合岩层断裂演化监测方法，基于一套刚-软复合岩层断裂演化监测装置，装置包括：
底板，底板的中央位置处设有刚性支撑台，刚性支撑台上用于设置所述复合岩层试件；
施压系统，用于对所述复合岩层试件进行三轴施压，包括X向施压系统、Y向施压系统以及Z向施压系统，其中，X向施压系统和Y向施压系统结构相同，均包括水平设置的第一伺服施压单元、设置在所述第一伺服施压单元输出端的第一压板以及连接在第一伺服施压单元输出端和第一压板之间的第一压力传感器；
所述Z向施压系统包括竖向设置在所述复合岩层试件正上方的第二伺服施压单元、设置在第二伺服施压单元输出端的第二压板、连接在第二伺服施压单元输出端和第二压板之间的第二压力传感器以及位移监测机构，所述位移监测机构用于检测第二伺服施压单元输出端的位移信号；
第一挡板，固定在底板上且相对所述X向施压系统的施压方向设置，用于当X向施压系统向复合岩层试件一侧施压后，为所述复合岩层试件提供反力，第一挡板和复合岩层侧壁之间设有第一应力传感器定位板，所述第一应力传感器定位板上安装有第一应力传感器；
第二挡板，固定在底板上且相对所述Y向施压系统的施压方向设置，用于当Y向施压系统向复合岩层试件一侧施压后，为所述复合岩层试件提供反力，第二挡板和复合岩层侧壁之间设有第二应力传感器定位板，所述第二应力传感器定位板上安装有第二应力传感器；
第三应力传感器定位板，设置在复合岩层试件底部与刚性支撑台之间，所述第三应力传感器定位板上安装有第三应力传感器；
X射线发射器，设置在复合岩层试件一侧，用于向复合岩层试件发射X射线；
X射线探测器，设置在复合岩层试件另一侧，用于对穿过复合岩层试件的X射线进行探测；
所述第一挡板、第二挡板、第一压板，第二压板、第一应力传感器定位板以及第二应力传感器定位板均为可以透过X射线的材料制作；
所述复合岩层试件在不同岩层接触面处设有X射线不能透过的薄挡圈；
计算机，通过信号采集器与所述第一伺服施压单元、第一压力传感器、第二伺服施压单元、第二压力传感器、第一应力传感器、第二应力传感器、第三应力传感器以及X射线探测器信号连接；
所述复合岩层试件为方形结构，所述第一应力传感器定位板和第二应力传感器定位板为一L形定位板结构，所述L形应力传感器定位板内侧与复合岩层试件接触，L形应力传感器定位板外侧与第一挡板、第二挡板接触，所述应力传感器定位板上均匀开设有多个圆形孔，每个所述圆形孔中插设连接有一个受压圆柱，每个所述受压圆柱的外部贴附有应变片，所述应变片均通过导线与外部计算机信号连接，应力传感器定位板上开设有供所述导线穿设的导线槽；
方形结构的复合岩层试件的岩层岩性分别为砂岩,煤层及泥岩，
其特征在于，包括以下步骤：
a、试验台通电，并对所有压力传感器调零；
b、截取试验所需复合岩层试件，放置在第三应力传感器定位板上；
c、通过计算机控制第一伺服施压单元动作，对复合岩层试件提供围压，并保持压力不变；同时应变片开始记录应力信号并传送到信号采集系统中；
d、通过计算机控制第二伺服施压单元动作，当第二压板刚好和复合岩层试件的上表面贴合时，对位移监测机构进行调零；同时启动X射线发射器和X射线探测器；
e. 通过计算机控制第二伺服施压单元动作，每次增加∆F加载载荷，改变对复合岩层试件的加载载荷，其中，第一压力传感器和第二压力传感器实时测量复合岩层试件围压；
位移监测机构实时测量复合岩层试件厚度；
X射线探测器记录复合岩层试件的断层图像，并保存在计算机中；
f. 当复合岩层试件破碎，停止加载，通过计算机控制伺服施压单元动作，使第一压板、第二压板分别与复合岩层试件分离，完成试验；
g. 重复步骤a和b，通过调节伺服单元的加载力改变复合岩层试件所受围压，重复步骤d到f，完成不同载荷下的试验；
h. 通过第二压力传感器所测数据可得载荷加载曲线；
通过第一压力传感器和第二压力传感器所测数据可得复合岩层试件围压变化曲线；
通过位移监测机构所测数据可得复合岩层试件厚度变化曲线；
通过应力传感器所测数据可得复合岩层试件底部和侧面的应力分布规律；
通过X射线探测器反馈信号得到断层图像，进而可以得到复合岩层试件的三维重建模型以及复合岩层试件的位移信息和断裂演化信息。
2.根据权利要求1所述的刚-软复合岩层断裂演化监测方法，其特征在于，还包括门形支架，所述门形支架上用于固定所述伺服施压单元和X射线发射器。
3.根据权利要求1所述的刚-软复合岩层断裂演化监测方法，其特征在于，所述伺服施压单元为伺服油缸、伺服气缸或伺服电机中的一种。
4.根据权利要求2所述的刚-软复合岩层断裂演化监测方法，其特征在于，所述位移监测机构包括位移传感器和安装在第二伺服施压单元输出轴上的位移挡板，所述位移传感器固定连接在所述门形支架上，位于所述位移挡板的正上方。
5.根据权利要求1所述的刚-软复合岩层断裂演化监测方法，其特征在于，所述第一挡板、第二挡板、第一压板、第二压板、第一应力传感器定位板以及第二应力传感器定位板均为钛合金材料。
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