CN110308052B - 基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置和试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置和试验方法，该试验装置由轴向加载系统、声发射系统、水压供给系统和径向渗流系统四部分组成。轴向加载系统作用于径向渗流系统，水压供给系统为空心岩样提供外围水压和内围水压，声发射系统用于研究岩样破坏过程中的损伤和裂纹扩展规律。此装置具体应用时，能够开展不同胶结强度空心岩样的径向渗流试验，以及研究应力‑渗流耦合作用下的损伤机制和径向渗流规律。本发明还提供了一种基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验方法，具体以轴向加载系统为动力源和水压供给系统为水压源进行声发射试验和径向渗流试验，具有多功能性和稳定性的优点。

Description

基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置和试验方法
技术领域
本发明涉及一种径向渗流试验装置和试验方法，尤其是一种适用于空心岩样径向渗流和损伤机制研究的基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置和试验方法。
背景技术
我国经济的快速发展对矿产资源有强大的需求，在浅部资源逐渐开采殆尽的条件下，为满足国民经济快速发展对矿产资源的需求，矿产资源开采利用逐渐向深部发展。由于我国大部分矿山水文地质条件十分复杂，受突水灾害的影响，大量矿产资源无法正常开采。在深部地下矿产资源的开采过程中，地下巷道和采场承受高渗透压和高地应力，岩层顶底板发生突水往往是两者相互作用引发的。因此，研究渗流—应力耦合作用诱发的突水机理对于指导矿山的安全生产具有十分重要的意义。
岩层顶底板发生突水是应力与渗透压之间的协调作用诱发的，在深部地下采场中，高地应力和地下掘进爆破扰动会引起岩体内部累积损伤并产生裂纹，进而引起岩体内部孔隙场发生改变。岩体孔隙度的增加会改变渗流场，使岩体内部的渗流状态向不稳定的趋势演化。当岩体内部的渗流场发生变化时，其内摩擦角等力学参数发生改变，导致其应力状态下降。在高地应力和高渗透压的耦合协调作用下，岩层顶底板发生局部失稳破坏并伴随突水灾害。
地下巷道发生突水可以相似模拟为空心岩样的径向渗流模型，空心岩样的径向渗流试验已经设计出比较成熟的试验装置和方案，但是未考虑双向渗透压的条件。近些年，声发射技术被广泛应用于岩石力学试验，来研究岩石的损伤状态的演化和岩石内部裂纹的发育规律，国内外专家在声发射技术的应用上取得了很多显著的成果，但是未考虑将声发射技术应用于渗流领域的研究。在有高渗透压和高地应力的工程条件下，单一的试验手段无法揭示岩体发生结构性失稳破坏和顶底板发生突水灾害的内在机理。目前，岩体的失稳机理和突水机理的研究仍然存在不少缺陷，地下矿山顶底板突水事故难以防治。因此，需要更加完备的试验方案来多方面的研究岩层顶底板的突水机制。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置和试验方法，通过将声发射无损探测技术应用到岩样渗流试验装置中，以便分析空心岩样的损伤状态和裂纹扩展与径向渗流之间的相互作用，从而研究渗流-应力耦合作用下弱胶结空心岩样的损伤特性和渗流特性的演化规律。
技术方案：本发明的基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置，包括轴向加载系统Ⅰ、径向渗流系统Ⅳ、水压供给系统Ⅲ以及声发射系统Ⅱ，：所述轴向加载系统Ⅰ包括试验机和控制试验机的控制台，所述径向渗流系统Ⅳ设在轴向加载系统Ⅰ的试验机加载台上，所述的声发射系统Ⅱ和水压供给系统Ⅲ位于径向渗流系统Ⅳ的一侧，分别经信号线和管线与径向渗流系统Ⅳ相连；
所述径向渗流系统Ⅳ包括设置在试验机内加载台上的底座、设在底座上的下端盖，下端盖上设有缸筒，缸筒的顶部设有上端盖以及密封滑动穿过上端盖进入缸筒内的活塞，所述的下端盖与上端盖外圆周之间设置有多个将缸筒夹持固紧固的螺栓，所述缸筒内设有自下而上依次密封装配的下压头、空心岩样和上压头，空心岩样的内侧壁或外侧壁上设有探头，所述下压头呈十字形凸台，十字形上凸台嵌装于空心岩样的底端，十字形下凸台嵌装于下端盖内，所述的上压头呈槽形下凸台，槽形下凸台嵌装于空心岩样的项端，进入缸筒内的活塞嵌装于上压头槽形下凸台的凹形槽内；
所述活塞和上压头内开有连通外界与空心岩样内腔的第一通道，第一通道的出口处设置有第一截止阀，所述上端盖内开设有连通外界与缸筒内腔的第二通道，第二通道的出口处设置有第二截止阀；
所述下端盖的一侧开有向缸筒内腔通入压力水的第五通道，另一侧开有供空心岩样外侧壁探头的信号线引出的第三通道；所述下压头和下端盖中部开设有向空心岩样内腔通入压力水的第六通道，中部一侧开有供空心岩样内侧壁探头的信号线引出的第四通道。
所述声发射系统Ⅱ包括由信号线依次与探头连接的信号放大器、信号采集仪和计算机。
所述水压供给系统Ⅲ包括油泵、水泵、分别与油泵和水泵相连的双作用液压缸，油泵通过供油管道与双作用液压缸的油腔室连通，水泵通过供水管道与双作用液压缸的水腔室连通，所述双作用液压缸的出水端连接有进水主管，进水主管通过两路进水支管分别与第五通道和第六通道连通，进水支管与进水主管的连接处设置有换向阀。
所述油泵与双作用液压缸油腔室相连的供油管道上设有油压数据采集的油压计；与进水主管相连的两路进水支管上均设有分别对水流量以及水压的数据采集的水压计和流量计。
所述缸筒、活塞、上压头、空心岩样和下压头同轴设置。
实施上述基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置的试验方法，包括如下步骤：
当进行由空心岩样内腔向缸筒内腔径向渗流的试验时：
S1：将声发射系统Ⅱ的信号线与粘贴在空心岩样上的探头相连，依次安装好空心岩样和各个部件；
S2：启动轴向加载系统Ⅰ的试验机，通过径向渗流系统Ⅳ的活塞给空心岩样施加试验预定应力后停机；
S3：打开径向渗流系统Ⅳ的第一截止阀，开启水压供给系统Ⅲ，通过换向阀切换，使水流经过第六通道进入空心岩样的内腔，当径向渗流系统Ⅳ的第一通道有水流溢出时，关闭第一截止阀，调整水压到试验预设压力值；
S4：通过轴向加载系统Ⅰ对活塞进行加载，使得活塞下移，进而通过上压头对空心岩样加载；同时，通过水压供给系统Ⅲ向空心岩样的内腔施加水压，开展不同水压条件下的声发射和渗流试验，并实时记录水压、水流量、轴向加载系统以及声发射系统输出的数据，根据试验数据分析空心岩样的损伤机制、裂纹扩展规律以及渗流特性的演化规律；
当进行由缸筒内腔向空心岩样内腔径向渗流的试验时：
S1：将探头粘贴在空心岩样内侧壁，并依次安装好空心岩样和各个部件；
S2：启动试验机，通过活塞给空心岩样施加试验预定应力后停机；
S3：打开第二截止阀，开启水压供给系统，通过换向阀切换，使水流经过第五通道进入缸筒内腔，当第二通道有水流溢出时关闭第二截止阀，接着调整水压到试验预设压力值；
S4：通过轴向加载系统对活塞进行加载，使得活塞下移，进而通过上压头对空心岩样加载；同时，通过水压供给系统对缸筒的外腔施加稳定水压，开展不同水压条件下的声发射和渗流试验，并实时记录水压、水流量、轴向加载系统以及声发射系统输出的数据，根据试验数据分析空心岩样的损伤机制、裂纹扩展规律以及渗流特性的演化规律。
所述给空心岩样施加试验预定应力为450-550N。
所述当径向渗流系统Ⅳ的第一通道有水流溢出时，关闭第一截止阀，调整水压到试验预定压力值为0-15Mpa。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明针对在高地应力和高渗透压的耦合协调作用下，岩层顶底板发生局部失稳破坏并伴随突水灾害的问题，利用声发射技术用于渗流技术领域的研究。提供一种研究空心岩样积累损伤、产生裂纹并径向渗流的试验装置及试验方法，将声发射探测技术应用于研究岩体径向渗流过程中裂隙的扩展演化规律，将渗透率的变化规律与裂隙演化规律结合，探索裂隙场的演化如何影响渗流状态的改变。从细观的角度，揭示岩体在高承压水的条件下产生渗透性失稳破坏的内在机制。借助双作用液压缸油压和水压的转换，提供稳定持续的渗透压力，克服了常规渗流试验中渗透压力稳定性差、难于记录、水压小的缺点。此外，为提高油压、水压和水流量数据记录的便利性和准确性，设置相应的水压-流量数据采集仪，与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明克服了原有单一的渗流试验和力学试验的缺点，将声发射无损探测技术应用到岩样渗流试验装置中，能够分析空心岩样的损伤状态和裂纹扩展与径向渗流之间的相互作用，研究渗流-应力耦合作用下弱胶结空心岩样的损伤特性和渗流特性的演化规律。
2、本发明的试验装置能够实现双向渗流，能分别研究内外水压对空心岩样径向渗流特性的影响，同时还能开展有内外压差的空心岩样径向渗流试验，实现了试验装置的多重利用。
3、本发明中试验装置中的所有部件之间的连接方式均采用内嵌结构，只需要在相连两部件的接触面涂抹防水胶，即可实现良好的隔水性能，保证试验的稳定性和可行性。
附图说明
图1为本发明的试验装置系统图；
图2为径向渗流系统的结构示意图。
图中：1-活塞；2-第一截止阀；3-第一通道；4-第二截止阀；5-第二通道；6-上端盖；7-螺杆；8-缸筒；9-上压头；10-空心岩样；11-探头；12-导线；13-下压头；14-第三通道；15-第四通道；16-下端盖；17-换向阀；18-底座；19-第五通道；20-第六通道；21-螺母。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步描述：
如图1-2所示，本发明的基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置，主要由轴向加载系统Ⅰ、径向渗流系统Ⅳ、水压供给系统Ⅲ以及声发射系统Ⅱ构成，所述轴向加载系统Ⅰ包括试验机和控制试验机的控制台，所述径向渗流系统Ⅳ设在轴向加载系统Ⅰ的试验机加载台上，所述的声发射系统Ⅱ和水压供给系统Ⅲ位于径向渗流系统Ⅳ的一侧，分别经信号线和管线与径向渗流系统Ⅳ相连；所述声发射系统Ⅱ包括由信号线依次与探头11连接的信号放大器、信号采集仪和计算机。水压供给系统Ⅲ提供不同压力的水流并采集相关数据，声发射系统Ⅱ用于收集岩样变形破坏过程中的数据。四个系统同时工作，实时采集试验过程中的数据。
所述轴向加载系统Ⅰ包括试验机和控制台，试验机为曲柄压力机、油压机或气动压力机的一种，试验机通过控制台控制。
所述径向渗流系统Ⅳ包括设置在试验机内加载台上的底座18、设在底座18上的下端盖16，下端盖16上设有缸筒8，缸筒8的顶部设有上端盖6以及密封滑动穿过上端盖6进入缸筒8内的活塞1，所述的下端盖16与上端盖6外圆周之间设置有多个将缸筒8夹持固紧固的螺栓7，下端盖16与上端盖6之间通过螺杆7和螺母20构成的螺栓组件紧固连接以将缸筒夹持固定在两者之间，为提高上端盖6与缸筒顶部之间以及下端盖16与缸筒底部之间装配的密封性，在上端盖6的底部与下端盖的顶部均成型有与缸筒密封匹配套接的凸起。所述缸筒8内设有自下而上依次密封装配的下压头13、空心岩样10和上压头9，空心岩样10的内侧壁或外侧壁上设有探头11，所述下压头13呈十字形凸台，十字形上凸台嵌装于空心岩样10的底端，十字形下凸台嵌装于下端盖16内，所述的上压头9呈槽形下凸台，槽形下凸台嵌装于空心岩样10的项端，进入缸筒8内的活塞1嵌装于上压头9槽形下凸台的凹形槽内；所述缸筒8、活塞1、上压头9、空心岩样10和下压头13同轴设置。所述下压头13固定安装在缸筒的底部，所述空心岩样10固定夹持在上压头9与下压头13之间，所述活塞1顶部通过试验机的加载头加载，活塞1底部与上压头9顶部顶紧连接，为提高构件之间装配的密封性，上压头9的顶部开设有与活塞密封匹配套接的凹槽，上压头的底部一体成型有与空心岩样密封匹配套接的凸台；所述下压头9的顶部和底部分别一体成型，凸台与空心岩样10密封匹配套接，下端盖顶部开设有与凸台密封匹配套接的凹槽。
所述活塞1和上压头9内开有连通外界与空心岩样内腔的第一通道3，第一通道3的出口处设置有第一截止阀2，第一通道为空心岩样内腔连通外界的气流通道。所述上端盖6内开设有连通外界与缸筒内腔的第二通道5，第二通道5的出口处设置有第二截止阀4；第二通道为缸筒内腔连通外界的气流通道。
所述下端盖16的一侧开有向缸筒内腔通入压力水的第五通道19，另一侧开有供空心岩样外侧壁探头的信号线引出的第三通道14；所述下压头13和下端盖16中部开设有向空心岩样10内腔通入压力水的第六通道20，中部一侧开有供空心岩样内侧壁探头的信号线引出的第四通道15。所述水压供给系统用于分别向第五通道19和第六通道20内通入高压水，并分别对水流量以及水压的数据进行采集。所述声发射系统的探头11布置在所述空心岩样的内侧壁或外侧壁上，探头通过信号线12依次与声发射系统的信号放大器、信号采集仪和计算机连通，所述下端盖内开设有供空心岩样外侧壁探头的信号线引出的第三通道14，所述下压头和下端盖内开设有供空心岩样内侧壁探头的信号线引出的第四通道15，声发射系统为现有设备。为便于渗透水从缸筒内会空心岩样内排出，在下端盖上设置有相应的出水口。
所述水压供给系统Ⅲ包括油泵、水泵、分别与油泵和水泵相连的双作用液压缸，油泵通过供油管道与双作用液压缸的油腔室连通，水泵通过供水管道与双作用液压缸的水腔室连通，所述双作用液压缸的出水端连接有进水主管，进水主管通过两路进水支管分别与第五通道19和第六通道20连通，进水支管与进水主管的连接处设置有换向阀，每根进水支管上均设置有水压计和流量计，供油管道上设置有油压计。
所述油泵与双作用液压缸油腔室相连的供油管道上设有油压数据采集的油压计；与进水主管相连的两路进水支管上均设有分别对水流量以及水压的数据采集的水压计和流量计。
加载时，加载头压在活塞上，推动活塞下移，活塞通过上压头给空心岩样加载。
实施上述基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置的试验方法，具体步骤如下：
当进行由空心岩样内腔向缸筒内腔径向渗流的试验时：
S1：将声发射系统Ⅱ的信号线与粘贴在空心岩样10内侧壁或外侧壁上的探头相连，依次安装好空心岩样10和各个部件；
S2：启动轴向加载系统Ⅰ的试验机，通过径向渗流系统Ⅳ的活塞1给空心岩样10施加试验预定应力450-550N后停机；
S3：打开径向渗流系统Ⅳ的第一截止阀2，开启水压供给系统Ⅲ，通过换向阀切换，使水流经过第六通道20进入空心岩样10的内腔，当径向渗流系统Ⅳ的第一通道3有水流溢出时，关闭第一截止阀2，调整水压到试验预设压力值，预定压力值为0-15Mpa；
S4：通过轴向加载系统Ⅰ对活塞1进行加载，使得活塞1下移，进而通过上压头9对空心岩样10加载；同时，通过水压供给系统Ⅲ向空心岩样10的内腔施加水压，开展不同水压条件下的声发射和渗流试验，并实时记录水压、水流量、轴向加载系统以及声发射系统输出的数据，根据试验数据分析空心岩样10的损伤机制、裂纹扩展规律以及渗流特性的演化规律；
当进行由缸筒内腔向空心岩样内腔径向渗流的试验时：
S1：将探头11粘贴在空心岩样10的内侧壁或外侧壁上，并依次安装好空心岩样和各个部件；
S2：启动试验机，通过活塞给空心岩样10施加试验预定应力450-550N后停机；
S3：打开第二截止阀，开启水压供给系统，通过换向阀切换，使水流经过第五通道19进入缸筒内腔，当第二通道有水流溢出时关闭第二截止阀，接着调整水压到试验预设压力值；
S4：通过轴向加载系统对活塞进行加载，使得活塞下移，进而通过上压头对空心岩样加载；同时，通过水压供给系统对缸筒的外腔施加稳定水压，开展不同水压条件下的声发射和渗流试验，并实时记录水压、水流量、轴向加载系统以及声发射系统输出的数据，根据试验数据分析空心岩样的损伤机制、裂纹扩展规律以及渗流特性的演化规律。

Claims (7)

1.一种基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置，包括轴向加载系统Ⅰ、径向渗流系统Ⅳ、水压供给系统Ⅲ以及声发射系统Ⅱ，其特征在于：所述轴向加载系统Ⅰ包括试验机和控制试验机的控制台，所述径向渗流系统Ⅳ设在轴向加载系统Ⅰ的试验机加载台上，所述的声发射系统Ⅱ和水压供给系统Ⅲ位于径向渗流系统Ⅳ的一侧，分别经信号线和管线与径向渗流系统Ⅳ相连；
所述径向渗流系统Ⅳ包括设置在试验机内加载台上的底座（18）、设在底座（18）上的下端盖（16），下端盖（16）上设有缸筒(8)，缸筒(8)的顶部设有上端盖（6）以及密封滑动穿过上端盖（6）进入缸筒（8）内的活塞（1），所述的下端盖（16）与上端盖（6）外圆周之间设置有多个将缸筒(8)夹持固紧固的螺栓（7），所述缸筒（8）内设有自下而上依次密封装配的下压头（13）、空心岩样（10）和上压头（9），空心岩样（10）的内侧壁或外侧壁上设有探头（11），所述下压头（13）呈十字形凸台，十字形上凸台嵌装于空心岩样（10）的底端，十字形下凸台嵌装于下端盖（16）内，所述的上压头（9）呈槽形下凸台，槽形下凸台嵌装于空心岩样（10）的项端，进入缸筒（8）内的活塞（1）嵌装于上压头（9）槽形下凸台的凹形槽内；
所述活塞（1）和上压头（9）内开有连通外界与空心岩样内腔的第一通道（3），第一通道(3)的出口处设置有第一截止阀(2)，所述上端盖(6)内开设有连通外界与缸筒内腔的第二通道(5)，第二通道(5)的出口处设置有第二截止阀(4)；
所述下端盖(16)的一侧开有向缸筒内腔通入压力水的第五通道(19)，另一侧开有供空心岩样外侧壁探头的信号线引出的第三通道（14）；所述下压头(13)和下端盖(16)中部开设有向空心岩样(10)内腔通入压力水的第六通道(20)，中部一侧开有供空心岩样内侧壁探头的信号线引出的第四通道（15）；基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置的试验方法包括如下步骤：
当进行由空心岩样内腔向缸筒内腔径向渗流的试验时：
S1：将声发射系统Ⅱ的信号线与粘贴在空心岩样（10）上的探头相连，依次安装好空心岩样（10）和各个部件；
S2：启动轴向加载系统Ⅰ的试验机，通过径向渗流系统Ⅳ的活塞（1）给空心岩样（10）施加试验预定应力后停机；
S3：打开径向渗流系统Ⅳ的第一截止阀（2），开启水压供给系统Ⅲ，通过换向阀切换，使水流经过第六通道（20）进入空心岩样（10）的内腔，当径向渗流系统Ⅳ的第一通道（3）有水流溢出时，关闭第一截止阀（2），调整水压到试验预设压力值；
S4：通过轴向加载系统Ⅰ对活塞（1）进行加载，使得活塞（1）下移，进而通过上压头（9）对空心岩样（10）加载；同时，通过水压供给系统Ⅲ向空心岩样（10）的内腔施加水压，开展不同水压条件下的声发射和渗流试验，并实时记录水压、水流量、轴向加载系统以及声发射系统输出的数据，根据试验数据分析空心岩样（10）的损伤机制、裂纹扩展规律以及渗流特性的演化规律；
当进行由缸筒内腔向空心岩样内腔径向渗流的试验时：
S1：将探头粘贴在空心岩样内侧壁，并依次安装好空心岩样和各个部件；
S2：启动试验机，通过活塞（1）给空心岩样（10）施加试验预定应力后停机；
S3：打开第二截止阀(4)，开启水压供给系统，通过换向阀切换，使水流经过第五通道（19）进入缸筒内腔，当第二通道（5）有水流溢出时关闭第二截止阀（4），接着调整水压到试验预设压力值；
S4：通过轴向加载系统对活塞（1）进行加载，使得活塞（1）下移，进而通过上压头(9)对空心岩样(10)加载；同时，通过水压供给系统对缸筒（8）的外腔施加稳定水压，开展不同水压条件下的声发射和渗流试验，并实时记录水压、水流量、轴向加载系统以及声发射系统输出的数据，根据试验数据分析空心岩样的损伤机制、裂纹扩展规律以及渗流特性的演化规律。
2.根据权利要求1所述的基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置，其特征在于：所述声发射系统Ⅱ包括由信号线依次与探头（11）连接的信号放大器、信号采集仪和计算机。
3.根据权利要求1所述的基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置，其特征在于：所述水压供给系统Ⅲ包括油泵、水泵、分别与油泵和水泵相连的双作用液压缸，油泵通过供油管道与双作用液压缸的油腔室连通，水泵通过供水管道与双作用液压缸的水腔室连通，所述双作用液压缸的出水端连接有进水主管，进水主管通过换向阀（17）分别与第五通道（19）和第六通道支管连通。
4.根据权利要求1所述的基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置，其特征在于：油泵与双作用液压缸油腔室相连的供油管道上设有油压数据采集的油压计；与进水主管相连的两路进水支管上均设有分别对水流量以及水压的数据采集的水压计和流量计。
5.根据权利要求1所述的基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置，其特征在于：所述缸筒（8）、活塞（1）、上压头（9）、空心岩样（10）和下压头（13）同轴设置。
6.根据权利要求1所述的基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置，其特征在于：所述给空心岩样（10）施加试验预定应力为450-550N。
7.根据权利要求1所述的基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置，其特征在于：所述调整水压到试验预定压力值为0-15Mpa。
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