CN110887775A - 一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试系统及方法，其系统包括渗透系统、轴向加载系统、环向加载系统、注浆压力系统和数据采集分析系统；其方法包括步骤：一、对测试系统进行调试，检验测试系统的运行情况；二、安装岩样；三、开启并设置轴向加载系统；四、开启并设置环向加载系统；五、将岩样压裂至峰后破裂状态；六、对峰后破裂状态的岩样进行注浆渗透性测试；七、结束测试；八、测试数据处理。本发明能够有效测定浆液在岩石峰后破裂过程中的渗透性变化特征，并且很好的解决了在进行不同峰后破裂状态岩石三轴浆液渗流试验存在的破裂岩样内浆液渗透不畅、管路易堵塞、浆液压力作用不均匀、围压难以控制以及密封难以实现等问题。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试系统及方法。
背景技术
许多岩土工程，特别是在深部地下岩土工程中(如深部采矿工程中的巷道开挖，公路隧道开挖等)岩体在高地应力开挖挠动作用下破裂极为严重，必须采取适当的加固技术以使岩体能保持稳定，进而保证资源的安全高效开采。而大量工程实践表明，注浆加固技术是控制(确保稳定性)破裂岩土体的一种有效方法。但是由于其注浆加固效果与注浆浆液在破裂岩体中的渗透扩散范围(其与岩石内的裂隙数目、裂隙开度、裂隙分布和裂隙贯通程度等有关)及破裂岩体在不同破裂阶段所具有的残余强度都有关(如图1所示)，但这两者往往是相互矛盾的，因而如何准确依据岩石在不同峰后破裂状态下的浆液渗透性和残余强度以确定岩体工程的最佳注浆时机—破裂岩体既有较好的浆液渗透性，又有较高的残余强度，以保证最好的注浆效果，成为完善注浆加固理论和推广注浆加固技术进行工程应用急需解决的难题之一。为此，必须对浆液在不同峰后破裂状态的岩石内的渗透性进行测量。
考虑到注浆时最常用的浆液是水泥浆，即水和水泥的混合液(因其成本低，固结体的强度高)，其是具有明显的黏性、适时凝胶和塑性流变等复杂特性的流体，明显地不同于现有的以水(典型的牛顿流体)为渗透流体的岩石或峰后岩石渗透性测试系统，例如中国专利201020257446.X公开了一个岩石渗透性测试装置，设置了压力容腔、透水石和橡皮膜,用瞬态压力脉冲法来测试水在部分岩石中的渗透特性；中国专利201710343703.8公开了一种多尺度岩石裂隙渗透性尺寸效应试验方法，也是用水作为渗透流体，研究水在岩石中的渗透性。因为两种流体的流动特性和渗透性存在明显区别，而且注浆浆液(水泥浆液)在现有的岩石渗透性测试系统中，常会出现浆液不易流动，容易堵塞，浆液压力作用不均，渗透不畅和岩样不易固定等问题，因此，现有的岩石渗透性测试系统并不能用于测定注浆水泥浆液在峰后破裂岩石内的渗透性。故而，本发明自行设计研发了一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性实验系统与方法，用于测定注浆过程中水泥浆液在不同峰后破裂状态下的渗透性和残余强度，以确定最佳注浆时机，提高注浆加固强度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试系统，其系统结构简单，设计合理，装配使用方便，能够有效应用在峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试中，性能稳定可靠，使用效果好，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试系统，包括渗透系统、轴向加载系统、环向加载系统、注浆压力系统和数据采集分析系统；所述渗透系统包括底座，所述底座的上部连接有缸筒，所述缸筒的顶部设置有筒盖，所述筒盖的中心处设置有第一圆孔，所述缸筒内设置有用于夹持岩样的第一透浆板和第二透浆板，所述第一透浆板和第二透浆板的结构相同且均包括透浆孔板和与透浆孔板连接的透浆板接头，所述透浆板接头的形状为圆形且在中轴处设置有通孔，所述筒盖的上方设置有用于对第一透浆板加载轴向压力的空心承压头，所述空心承压头的内部设置有进浆孔，所述空心承压头的一端穿过筒盖上第一圆孔与第一透浆板的透浆板接头连接，所述进浆孔与第一透浆板中透浆板接头上的通孔连通，所述底座的侧边设置有油口和出浆口，所述底座与第二透浆板的透浆板接头连接，所述出浆口与第二透浆板中透浆板接头上的通孔连通，所述缸筒靠近筒盖的筒壁上设置有排气口；所述环向加载系统包括油箱和油桶，所述油箱通过第一高压油管与渗透系统中底座上的油口连接，所述第一高压油管上从油箱到油口的方向依次设置有油泵、溢流阀、单向阀和第一数显压力表，所述油桶的上方设置有排气管，所述排气管与渗透系统中缸筒上的排气口连接，所述排气管上设置有第一阀门；所述注浆压力系统包括储液箱，所述储液箱通过第二高压油管与渗透系统中空心承压头上的进浆孔连接，所述第二高压油管上从储液箱到进浆孔方向依次设置有注浆泵、第二阀门、第二数显压力表和流量计，所述注浆泵通过第三高压油管与渗透系统中底座上的出浆口连接，所述第三高压油管上从注浆泵到出浆口方向依次设置有第三阀门、第四阀门和第三数显压力表，所述第四阀门的下方设置有带有刻度的漏浆桶；所述数据采集分析系统包括PC计算机和与PC计算机相接的数据采集仪，所述第二数显压力表、流量计和第三数显压力表均与数据采集仪的输入端连接。
上述的一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试系统，所述轴向加载系统为MTS816.02电液伺服岩石试验系统。
上述的一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试系统，所述底座与缸筒通过螺栓固定连接。
上述的一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试系统，所述空心承压头与第一透浆板的透浆板接头连接处设置有橡胶密封圈，所述底座与第二透浆板的透浆板接头连接处设置有橡胶密封圈。
上述的一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试系统，所述透浆孔板与透浆板接头之间形成有透浆空腔。
本发明还公开了一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、对测试系统进行调试，检验测试系统的运行情况；
步骤二、安装岩样；
步骤三、开启并设置轴向加载系统；
步骤四、开启并设置环向加载系统；
步骤五、将岩样压裂至峰后破裂状态；
步骤六、开启注浆压力系统，对峰后破裂状态的岩样进行注浆渗透性测试；
步骤七、结束测试；
步骤八、测试数据处理。
上述的一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试方法，
步骤一中所述对测试系统进行调试，检验测试系统的运行情况的具体步骤为：
步骤101、将所述渗透系统、轴向加载系统、环向加载系统、注浆压力系统和数据采集分析系统组装连接；
步骤102、预设环向加载系统的最大围压为7.0MPa，同时预设注浆压力系统最大注浆压力5.0MPa，检查环向加载系统的油路、注浆压力系统的管路以及测试系统中各连接处是否有渗油、渗水现象，检查注浆压力系统的管路系统中是否有堵塞或不通畅的情况；
步骤103、开启数据采集分析系统，检查注浆压力系统中第二数显压力表、流量计和第三数显压力表是否有正常读数，以及数据采集仪和配套软件是否运行正常；
步骤二中所述安装岩样的具体步骤为：
步骤201、将制备好的岩样放置在第一透浆板和第二透浆板之间；
步骤202、在岩样与第一透浆板和第二透浆板的接触边缘处均匀涂抹一层密封胶，并用1500W电热吹风对其进行烘烤直至粘接，以防止浆液从岩样侧面渗出；
步骤203、用PE燃气密封胶带从下至上均匀缠绕透第一透浆板、岩样和第二透浆板；
步骤204、在PE层外均匀缠绕一层电工胶带；
步骤205、用热缩膜将第一透浆板、岩样和第二透浆板包裹，并用1500W电热吹风烘烤热缩膜，使其能够紧密粘贴到岩样；
步骤206、在热缩膜外再缠绕一层电工胶带，保证岩样的密封性；
步骤207、排出PE胶带、电工胶带和热缩膜内产生的气泡。
上述的一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试方法，
步骤三中所述开启并设置轴向加载系统的具体步骤为：
步骤301、开启MTS816.02电液伺服岩石试验系统；
步骤302、利用MTS816.02电液伺服岩石试验系统的位移加载功能，手动快速将MTS816.02电液伺服岩石试验系统的压头调至接近渗透系统的空心承压头；
步骤303、将MTS816.02电液伺服岩石试验系统调为力控制模式，设定初始接触力为1kN，使得MTS816.02电液伺服岩石试验系统压头与渗透系统的空心承压头自动接触；
步骤304、以每级增加1kN的方式将初始接触力增至6kN，待MTS816.02电液伺服岩石试验系统稳定平衡后，清零初始位移，并关闭手动控制模式；
步骤四中所述开启并设置环向加载系统的具体步骤为：
步骤401、打开环向加载系统中排气管上的第一阀门，并将溢流阀和单向阀调至最小压力；
步骤402、开启油泵，使液压油通过第一高压油管注入渗透系统的缸筒中，同时排出缸筒中的空气；
步骤403、当看到从排气管中均匀流出液压油时，关闭第一阀门；
步骤404、调节溢流阀使第一高压油管中的油压至略大于预定围压；
步骤405、调节溢流阀使第一数显压力表显示预定围压值；
步骤406、当渗透系统的缸筒内的围压由于岩石试样受压膨胀而升高时，通过溢流阀排出相应的液压油，从而通过观察第一数显压力表，使缸筒内的围压恒定不变；
步骤五中所述将岩样压裂至峰后破裂状态的具体过程为：
当初始围压设定完成后，采用编制的轴向加载程序进行峰后破裂状态试验，在试验过程中，采用的轴向加载方式是位移加载，其加载速率为4.0×10-6m/s，当岩样被压缩至预定的峰后破裂状态后，轴向加载维持相应的应力状态而不变；设定不同的围压，每个围压下的岩样在受压破裂过程中的峰值应力σs(峰值点D的应力)和残余应力σr(残余点E的应力)在PC计算机中显示出来；
根据公式：
计算得到岩样在不同峰后破裂状态下的应力状态；当岩样的应力-应变状态达到残余点后，继续加载125s，使岩样继续被压缩0.05mm，作为岩石的峰后破裂状态。
上述的一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试方法，
步骤六中所述开启注浆压力系统，对峰后破裂状态的岩样进行注浆渗透性测试的具体步骤为：
步骤601、将配制好的水泥混合浆液倒入储液箱中，关闭第三高压油管上的第三阀门，打开第二高压油管上的第二阀门，开启注浆泵，将水泥混合浆液泵入第二高压油管中；
步骤602、打开第三高压油管上的第四阀门，并在第四阀门管路出口处用带有刻度的漏浆桶对渗出浆液进行辅助测量，同时，打开数据采集仪中的实时数据采集软件，通过注浆泵持续加压至注浆压力达到预定值后停止注浆；
步骤603、观察流量计和第四阀门出口处浆液渗流量的变化，若在一段较长时间内所测浆液渗流量恒定不变，则认为浆液在峰后破裂岩样中的渗流已经达到稳定状态，停止注浆让注浆压力缓慢下降。
上述的一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试方法，
步骤七中所述结束测试的具体步骤为：
步骤701、关闭环向加载系统中的油泵以卸载围压；
步骤702、关闭MTS816.02电液伺服岩石试验系统以卸载轴向载荷；
步骤703、排出渗透系统缸筒中的液压油；
步骤704、取出岩样，并贴上试验编号；
步骤八中所述测试数据处理的具体过程为：
根据公式
来计算岩样的渗透系数K，其中，k为岩石的渗透率；μ为流体的动力粘度；γ为流体的容重；ρ为流体的密度；ν为流体的运动粘度；g为重力加速度；
根据公式
计算峰后破裂岩石的浆液渗透系数，ρ为流动流体的密度，g为重力加速度，h为岩石试样的高度，D为岩样的直径，Q为测试中所测得的浆液渗流量，P为注浆压力。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试系统的结构简单，设计合理，装配使用方便。
2.本发明考虑了岩石处于不同峰后破裂阶段下的裂隙发育程度的差异(如裂隙开度、裂隙数目、裂隙分布和裂隙贯通程度等)对浆液三轴渗透性的影响规律，并综合考虑岩石在不同峰后破裂阶段下的残余强度，为确定破裂岩石的合适的注浆时机(即保证破裂岩石既具有较大的残余强度，又具有较大的浆液渗透性)提供基础实验数据参考。
3.本发明由MTS816.02电液伺服岩石试验系统提供轴向载荷，而用带双溢流阀的高压油泵提供恒定围压，保证了轴向和环向压力的稳定性。
4.本发明采用改装的手动试压泵即注浆泵提供注浆压力，且整个管路都采用高压管连通，保证了浆液的流动以及足够的注浆压力。
5.本发明的透浆板是由透浆板接头和透浆孔板两部分组成，将两者装配后会在中间部分形成透浆空腔，上端的透浆空腔使浆液在透浆板上端形成足够的浆液积聚，保证为峰后破裂岩样提供源源不断的浆液压力，以使浆液能持续向岩石内部进行渗透扩散；下端的透浆空腔可以将透浆孔渗透出来的浆液收集起来，特别是当浆液的渗透流量较大时，该透浆空腔可以为浆液提供容留空间，减小下端浆液由于不能及时排出而给破碎岩样施加反向作用力的可能性，最大程度的保证浆液能顺畅流出。
6.本发明很好的解决了在进行不同峰后破裂状态岩石三轴浆液渗流试验存在的破裂岩样内浆液渗透不畅、管路易堵塞、浆液压力作用不均匀、围压难以控制以及密封难以实现等问题。
7.本发明能够有效应用在峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试中，能够有效测定浆液在岩石峰后破裂过程中的渗透性变化特征，性能稳定可靠，使用效果好，便于推广使用。
综上所述，本发明的系统结构简单，设计合理，装配使用方便，能够有效应用在峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试中，性能稳定可靠，使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明测试系统的结构示意图；
图2为本发明渗透系统的结构示意图；
图3为本发明第一透浆板和第二透浆板的结构示意图；
图4为本发明1.0MPa时峰后破裂岩石的注浆压力、渗流量和渗透系数变化曲线图；
图5为本发明2.5MPa时峰后破裂岩石的注浆压力、渗流量和渗透系数变化曲线图；
图6为本发明4.0MPa时峰后破裂岩石的注浆压力、渗流量和渗透系数变化曲线图；
图7为本发明5.5MPa时峰后破裂岩石的注浆压力、渗流量和渗透系数变化曲线图；
图8为本发明7.0MPa时峰后破裂岩石的注浆压力、渗流量和渗透系数变化曲线图；
图9为本发明浆液渗透系数随峰后破裂状态的变化曲线图。
附图标记说明:
1—底座； 2—缸筒； 3—筒盖；
4—第一圆孔； 5—第一透浆板； 6—第二透浆板；
7—透浆孔板； 8—透浆板接头； 9—通孔；
10—油口； 11—出浆口； 12—排气口；
13—空心承压头； 14—进浆孔； 15—油箱；
16—第一高压油管； 17—溢流阀； 18—单向阀；
19—第一数显压力表； 20—油桶； 21—排气管；
22—第一阀门； 23—注浆泵； 24—第二高压油管；
25—第二阀门； 26—第二数显压力表； 27—流量计；
28—第三高压油管； 29—第三阀门； 30—第四阀门；
31—第三数显压力表； 32—漏浆桶； 33—PC计算机；
34—数据采集仪； 35—储液箱； 36—岩样；
37—油泵。
具体实施方式
如图1所示，本发明的峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试系统，包括渗透系统、轴向加载系统、环向加载系统、注浆压力系统和数据采集分析系统；
所述渗透系统包括底座1，所述底座1的上部连接有缸筒2，所述缸筒2的顶部设置有筒盖3，所述筒盖3的中心处设置有第一圆孔4，所述缸筒2内设置有用于夹持岩样36的第一透浆板5和第二透浆板6，所述第一透浆板5和第二透浆板6的结构相同且均包括透浆孔板7和与透浆孔板7连接的透浆板接头8，所述透浆板接头8的形状为圆形且在中轴处设置有通孔9，所述筒盖3的上方设置有用于对第一透浆板5加载轴向压力的空心承压头13，所述空心承压头13的内部设置有进浆孔14，所述空心承压头13的一端穿过筒盖3上第一圆孔4与第一透浆板5的透浆板接头8连接，所述进浆孔14与第一透浆板5中透浆板接头8上的通孔9连通，所述底座1的侧边设置有油口10和出浆口11，所述底座1与第二透浆板6的透浆板接头8连接，所述出浆口11与第二透浆板6中透浆板接头8上的通孔9连通，所述缸筒2靠近筒盖3的筒壁上设置有排气口12；
具体实施时，使底座1、岩样36、第一透浆板5、第二透浆板6和空心承压头13的轴心在同一竖直直线上，能够消除轴向加载过程中偏心力对测试结果的影响。
所述环向加载系统包括油箱15和油桶20，所述油箱15通过第一高压油管16与渗透系统中底座1上的油口10连接，所述第一高压油管16上从油箱15到油口10的方向依次设置有油泵37、溢流阀17、单向阀18和第一数显压力表19，所述油桶20的上方设置有排气管21，所述排气管21与渗透系统中缸筒2上的排气口12连接，所述排气管21上设置有第一阀门22；
具体实施时，所述溢流阀17用于调节第一高压油管16中的油压大小，所述单向阀18用于防止液压油的回流，所述第一数显压力表19能够实时显示第一高压油管16的压力值。
所述注浆压力系统包括储液箱35，所述储液箱35通过第二高压油管24与渗透系统中空心承压头13上的进浆孔14连接，所述第二高压油管24上从储液箱35到进浆孔14方向依次设置有注浆泵23、第二阀门25、第二数显压力表26和流量计27，所述注浆泵23通过第三高压油管28与渗透系统中底座1上的出浆口11连接，所述第三高压油管28上从注浆泵23到出浆口11方向依次设置有第三阀门29、第四阀门30和第三数显压力表31，所述第四阀门30的下方设置有带有刻度的漏浆桶32；
所述数据采集分析系统包括PC计算机33和与PC计算机33相接的数据采集仪34，所述第二数显压力表26、流量计27和第三数显压力表31均与数据采集仪34的输入端连接。
本实施例中，所述轴向加载系统为MTS816.02电液伺服岩石试验系统。
具体实施时，所述轴向加载系统用于提供轴向压力，并作用在空心压头13上，所述MTS816.02电液伺服岩石试验系统配有相应的计算机和独立的伺服系统，全程由计算机控制，可实现数据的自动采集和处理，伺服系统的核心—伺服阀反应灵敏、试验精度高、数据采集和存储方便，而且试验系统能够编写相应的试验加载程序，从而实现复杂的加载方式。
本实施例中，所述底座1与缸筒2通过螺栓35固定连接。
本实施例中，所述空心承压头13与第一透浆板5的透浆板接头8连接处设置有橡胶密封圈，所述底座1与第二透浆板6的透浆板接头8连接处设置有橡胶密封圈。
本实施例中，所述透浆孔板7与透浆板接头8之间形成有透浆空腔。
具体实施时，所述第一透浆板5的透浆空腔使浆液在透浆孔板7上端形成足够的浆液积聚，保证浆液与峰后破裂岩样的紧密、稳定接触，以及为岩样36提供恒定浆液压力，并使浆液能持续向岩样36内部进行渗透扩散；所述第二透浆板6的透浆空腔能为浆液提供容留空间，减小下端浆液由于不能及时排出而给岩样36施加反向作用力的可能性，最大程度的保证浆液能顺畅流出。
本发明的峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试方法包括以下步骤：
步骤一、对测试系统进行调试，检验测试系统的运行情况；
步骤二、安装岩样36；
步骤三、开启并设置轴向加载系统；
步骤四、开启并设置环向加载系统；
步骤五、将岩样36压裂至峰后破裂状态；
步骤六、开启注浆压力系统，对峰后破裂状态的岩样36进行注浆渗透性测试；
步骤七、结束测试；
步骤八、测试数据处理。
本方法中，步骤一中所述对测试系统进行调试，检验测试系统的运行情况的具体步骤为：
步骤101、将所述渗透系统、轴向加载系统、环向加载系统、注浆压力系统和数据采集分析系统组装连接；
步骤102、预设环向加载系统的最大围压为7.0MPa，同时预设注浆压力系统最大注浆压力5.0MPa，检查环向加载系统的油路、注浆压力系统的管路以及测试系统中各连接处是否有渗油、渗水现象，检查注浆压力系统的管路系统中是否有堵塞或不通畅的情况；
步骤103、开启数据采集分析系统，检查注浆压力系统中第二数显压力表26、流量计27和第三数显压力表31是否有正常读数，以及数据采集仪34和配套软件是否运行正常；
本方法中，步骤二中所述安装岩样36的具体步骤为：
步骤201、将制备好的岩样36放置在第一透浆板5和第二透浆板6之间；
步骤202、在岩样36与第一透浆板5和第二透浆板6的接触边缘处均匀涂抹一层密封胶，并用1500W电热吹风对其进行烘烤直至粘接，以防止浆液从岩样36侧面渗出；
步骤203、用PE燃气密封胶带从下至上均匀缠绕透第一透浆板5、岩样36和第二透浆板6；
步骤204、在PE层外均匀缠绕一层电工胶带；
步骤205、用热缩膜将第一透浆板5、岩样36和第二透浆板6包裹，并用1500W电热吹风烘烤热缩膜，使其能够紧密粘贴到岩样36；
步骤206、在热缩膜外再缠绕一层电工胶带，保证岩样36的密封性；
步骤207、排出PE胶带、电工胶带和热缩膜内产生的气泡。
本方法中，步骤三中所述开启并设置轴向加载系统的具体步骤为：
步骤301、开启MTS816.02电液伺服岩石试验系统；
步骤302、利用MTS816.02电液伺服岩石试验系统的位移加载功能，手动快速将MTS816.02电液伺服岩石试验系统的压头调至接近渗透系统的空心承压头13；
步骤303、将MTS816.02电液伺服岩石试验系统调为力控制模式，设定初始接触力为1kN，使得MTS816.02电液伺服岩石试验系统压头与渗透系统的空心承压头13自动接触；
步骤304、以每级增加1kN的方式将初始接触力增至6kN，待MTS816.02电液伺服岩石试验系统稳定平衡后，清零初始位移，并关闭手动控制模式；
本方法中，步骤四中所述开启并设置环向加载系统的具体步骤为：
步骤401、打开环向加载系统中排气管21上的第一阀门22，并将溢流阀17和单向阀18调至最小压力；
步骤402、开启油泵37，使液压油通过第一高压油管16注入渗透系统的缸筒2中，同时排出缸筒2中的空气；
步骤403、当看到从排气管21中均匀流出液压油时，关闭第一阀门22；
步骤404、调节溢流阀17使第一高压油管16中的油压至略大于预定围压；
具体实施时，调节溢流阀17使第一高压油管16中的油压大于预定围压1MPa；
步骤405、调节溢流阀17使第一数显压力表19显示预定围压值；
步骤406、当渗透系统的缸筒2内的围压由于岩石试样受压膨胀而升高时，通过溢流阀17排出相应的液压油，从而通过观察第一数显压力表19，使缸筒2内的围压恒定不变；
本方法中，步骤五中所述将岩样36压裂至峰后破裂状态的具体过程为：
当初始围压设定完成后，采用编制的轴向加载程序进行峰后破裂状态试验，在试验过程中，采用的轴向加载方式是位移加载，其加载速率为4.0×10-6m/s，当岩样36被压缩至预定的峰后破裂状态后，轴向加载维持相应的应力状态而不变；设定不同的围压，每个围压下的岩样36在受压破裂过程中的峰值应力σs峰值点D的应力和残余应力σr残余点E的应力在PC计算机33中显示出来；
具体实施时，取围压为1.0MPa、2.5MPa、4.0MPa、5.5MPa和7.0MPa分别进行测试；
根据公式：
计算得到岩样36在不同峰后破裂状态下的应力状态；当岩样36的应力-应变状态达到残余点后，继续加载125s，使岩样36继续被压缩0.05mm，作为岩石的峰后破裂状态。
本方法中，步骤六中所述开启注浆压力系统，对峰后破裂状态的岩样36进行注浆渗透性测试的具体步骤为：
步骤601、将配制好的水泥混合浆液倒入储液箱35中，关闭第三高压油管28上的第三阀门29，打开第二高压油管24上的第二阀门25，开启注浆泵23，将水泥混合浆液泵入第二高压油管24中；
具体实施时，选用平均粒径约为15-30μm的超细水泥，并按水灰比为2:1的比例配制的水泥混合浆液作为水泥混合浆液；
步骤602、打开第三高压油管28上的第四阀门30，并在第四阀门30管路出口处用带有刻度的漏浆桶32对渗出浆液进行辅助测量，同时，打开数据采集仪34中的实时数据采集软件，通过注浆泵23持续加压至注浆压力达到预定值后停止注浆；
步骤603、观察流量计27和第四阀门30出口处浆液渗流量的变化，若在一段较长时间内所测浆液渗流量恒定不变，则认为浆液在峰后破裂岩样36中的渗流已经达到稳定状态，停止注浆让注浆压力缓慢下降。
具体实施时，若在一分钟内所测浆液渗流量恒定不变，则认为浆液在峰后破裂岩样36中的渗流已经达到稳定状态；
具体实施时，先从较小的注浆压力开始进行测试，当该注浆压力下的浆液渗透性测试完成后，再利用注浆泵23提高注浆压力至下一个测试值后继续进行测试，测试分别选取注浆压力P为0.5MPa、1.0MPa、2.0MPa、3.0MPa、4.0MPa和5.0MPa；
本方法中，步骤七中所述结束测试的具体步骤为：
步骤701、关闭环向加载系统中的油泵37以卸载围压；
步骤702、关闭MTS816.02电液伺服岩石试验系统以卸载轴向载荷；
步骤703、排出渗透系统缸筒2中的液压油；
步骤704、取出岩样36，并贴上试验编号；
本方法中，步骤八中所述测试数据处理的具体过程为：
根据公式
来计算岩样36的渗透系数K，其中，k为岩石的渗透率；μ为流体的动力粘度；γ为流体的容重；ρ为流体的密度；ν为流体的运动粘度；g为重力加速度；
根据公式
计算峰后破裂岩石的浆液渗透系数，ρ为流动流体的密度，g为重力加速度，h为岩石试样的高度，D为岩样36的直径，Q为测试中所测得的浆液渗流量，P是注浆压力。
具体实施时，Q可由步骤602中测得，P分别取0.5MPa、1.0MPa、2.0MPa、3.0MPa、4.0MPa和5.0MPa进行测试。
在峰后破裂岩石的浆液渗透性试验中，分别考虑了岩石的峰后破裂状态、围压和注浆压力对浆液渗透性规律的影响，且各影响因素之间又存在相互作用，具体分析以上三种因素对浆液在峰后破裂岩石内的渗透性演化特性时，进行具体分析：
如图4～图8所示，在不同围压和峰后破裂状态下的注浆压力P和浆液渗流量Q的变化曲线，以及其对应的渗透系数变化曲线，从图4～图8中可以看出：在注浆泵的增压作用下，峰后破裂岩石试样所受注浆压力P快速上升至预设值，并保持在预设值附近作微小波动；而浆液的渗流量Q的变化通常要滞后于注浆压力P的变化，其表现为当注浆压力达到稳定状态一段时间后，浆液的渗流量才缓慢增加至某一恒定值，并在该恒定值附近作与注浆压力相似的波动；当该稳定状态维持一段时间不变后，可以认为此时浆液在岩石试样内的渗流运动已趋于稳定，相应的，浆液在岩石内的渗透系数的变化也趋于稳定，此时，可认为该稳定状态下的渗透系数即为浆液在峰后破裂岩石试样内的渗透系数。为了消除试验中波动的影响，在此取稳定状态下渗透系数的平均值作为最终试验结果，因此，依据图4～图8所示结果，可以获得浆液在不同峰后破裂状态、围压和注浆压力下的渗透系数，其结果如表1所示。
表1峰后破裂岩石内浆液渗透系数试验结果
为了研究不同峰后破裂状态对浆液在岩石内的渗透性的影响，依据表1所得的峰后破裂岩石内浆液渗透系数，可将相同围压下的浆液渗透系数绘成如图9所示的曲线图，以更直观地体现出浆液渗透系数随峰后破裂状态的变化规律。
从图9中可以看出，在同一条件(相同围压和相同注浆压力)下，峰后破裂岩石内的浆液渗透系数随峰后破裂状态的发展呈先增大而后减缓至趋于稳定，甚至有减小的趋势。这主要是因为岩石在峰后破裂初期，岩石内部的微裂隙等快速发展，其裂隙数目、裂隙宽度以及各裂隙之间的连通性等都有明显增加，从而增大了浆液在岩石内的渗透性，即使得浆液的渗透系数增大；但随着峰后破裂的持续扩散，岩石内部的微裂隙发育程度总体上放缓，且可能由于较大的峰后残余变形而使岩石在初期破裂时形成的连通裂隙被堵塞，进而减缓甚至降低浆液在峰后破裂岩石内的渗透性。
由表1可知，当岩石所处峰后破裂状态和注浆压力皆相同时，浆液在岩石内的渗透系数总体上是随围压的增大而降低的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试系统，其特征在于：包括渗透系统、轴向加载系统、环向加载系统、注浆压力系统和数据采集分析系统；
所述渗透系统包括底座(1)，所述底座(1)的上部连接有缸筒(2)，所述缸筒(2)的顶部设置有筒盖(3)，所述筒盖(3)的中心处设置有第一圆孔(4)，所述缸筒(2)内设置有用于夹持岩样(36)的第一透浆板(5)和第二透浆板(6)，所述第一透浆板(5)和第二透浆板(6)的结构相同且均包括透浆孔板(7)和与透浆孔板(7)连接的透浆板接头(8)，所述透浆板接头(8)的形状为圆形且在中轴处设置有通孔(9)，所述筒盖(3)的上方设置有用于对第一透浆板(5)加载轴向压力的空心承压头(13)，所述空心承压头(13)的内部设置有进浆孔(14)，所述空心承压头(13)的一端穿过筒盖(3)上第一圆孔(4)与第一透浆板(5)的透浆板接头(8)连接，所述进浆孔(14)与第一透浆板(5)中透浆板接头(8)上的通孔(9)连通，所述底座(1)的侧边设置有油口(10)和出浆口(11)，所述底座(1)与第二透浆板(6)的透浆板接头(8)连接，所述出浆口(11)与第二透浆板(6)中透浆板接头(8)上的通孔(9)连通，所述缸筒(2)靠近筒盖(3)的筒壁上设置有排气口(12)；
所述环向加载系统包括油箱(15)和油桶(20)，所述油箱(15)通过第一高压油管(16)与渗透系统中底座(1)上的油口(10)连接，所述第一高压油管(16)上从油箱(15)到油口(10)的方向依次设置有油泵(37)、溢流阀(17)、单向阀(18)和第一数显压力表(19)，所述油桶(20)的上方设置有排气管(21)，所述排气管(21)与渗透系统中缸筒(2)上的排气口(12)连接，所述排气管(21)上设置有第一阀门(22)；
所述注浆压力系统包括储液箱(35)，所述储液箱(35)通过第二高压油管(24)与渗透系统中空心承压头(13)上的进浆孔(14)连接，所述第二高压油管(24)上从储液箱(35)到进浆孔(14)方向依次设置有注浆泵(23)、第二阀门(25)、第二数显压力表(26)和流量计(27)，所述注浆泵(23)通过第三高压油管(28)与渗透系统中底座(1)上的出浆口(11)连接，所述第三高压油管(28)上从注浆泵(23)到出浆口(11)方向依次设置有第三阀门(29)、第四阀门(30)和第三数显压力表(31)，所述第四阀门(30)的下方设置有带有刻度的漏浆桶(32)；
所述数据采集分析系统包括PC计算机(33)和与PC计算机(33)相接的数据采集仪(34)，所述第二数显压力表(26)、流量计(27)和第三数显压力表(31)均与数据采集仪(34)的输入端连接。
2.按照权利要求1所述的一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试系统，其特征在于：所述轴向加载系统为MTS816.02电液伺服岩石试验系统。
3.按照权利要求1所述的一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试系统，其特征在于：所述底座(1)与缸筒(2)通过螺栓(35)固定连接。
4.按照权利要求1所述的一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试系统，其特征在于：所述空心承压头(13)与第一透浆板(5)的透浆板接头(8)连接处设置有橡胶密封圈，所述底座(1)与第二透浆板(6)的透浆板接头(8)连接处设置有橡胶密封圈。
5.按照权利要求1所述的一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试系统，其特征在于：所述透浆孔板(7)与透浆板接头(8)之间形成有透浆空腔。
6.一种利用如权利要求1所述测试系统进行峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对测试系统进行调试，检验测试系统的运行情况；
步骤二、安装岩样(36)；
步骤三、开启并设置轴向加载系统；
步骤四、开启并设置环向加载系统；
步骤五、将岩样(36)压裂至峰后破裂状态；
步骤六、开启注浆压力系统，对峰后破裂状态的岩样(36)进行注浆渗透性测试；
步骤七、结束测试；
步骤八、测试数据处理。
7.按照权利要求6所述的一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试方法，其特征在于：
步骤一中所述对测试系统进行调试，检验测试系统的运行情况的具体步骤为：
步骤101、将所述渗透系统、轴向加载系统、环向加载系统、注浆压力系统和数据采集分析系统组装连接；
步骤102、预设环向加载系统的最大围压为7.0MPa，同时预设注浆压力系统最大注浆压力5.0MPa，检查环向加载系统的油路、注浆压力系统的管路以及测试系统中各连接处是否有渗油、渗水现象，检查注浆压力系统的管路系统中是否有堵塞或不通畅的情况；
步骤103、开启数据采集分析系统，检查注浆压力系统中第二数显压力表(26)、流量计(27)和第三数显压力表(31)是否有正常读数，以及数据采集仪(34)和配套软件是否运行正常；
步骤二中所述安装岩样(36)的具体步骤为：
步骤201、将制备好的岩样(36)放置在第一透浆板(5)和第二透浆板(6)之间；
步骤202、在岩样(36)与第一透浆板(5)和第二透浆板(6)的接触边缘处均匀涂抹一层密封胶，并用1500W电热吹风对其进行烘烤直至粘接，以防止浆液从岩样(36)侧面渗出；
步骤203、用PE燃气密封胶带从下至上均匀缠绕透第一透浆板(5)、岩样(36)和第二透浆板(6)；
步骤204、在PE层外均匀缠绕一层电工胶带；
步骤205、用热缩膜将第一透浆板(5)、岩样(36)和第二透浆板(6)包裹，并用1500W电热吹风烘烤热缩膜，使其能够紧密粘贴到岩样(36)；
步骤206、在热缩膜外再缠绕一层电工胶带，保证岩样(36)的密封性；
步骤207、排出PE胶带、电工胶带和热缩膜内产生的气泡。
8.按照权利要求6所述的一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试方法，其特征在于：
步骤三中所述开启并设置轴向加载系统的具体步骤为：
步骤301、开启轴向加载系统；
步骤302、利用轴向加载系统的位移加载功能，手动快速将轴向加载系统的压头调至接近渗透系统的空心承压头(13)；
步骤303、将轴向加载系统调为力控制模式，设定初始接触力为1kN，使得轴向加载系统的压头与渗透系统的空心承压头(13)自动接触；
步骤304、以每级增加1kN的方式将初始接触力增至6kN，待轴向加载系统稳定平衡后，清零初始位移，并关闭手动控制模式；
步骤四中所述开启并设置环向加载系统的具体步骤为：
步骤401、打开环向加载系统中排气管(21)上的第一阀门(22)，并将溢流阀(17)和单向阀(18)调至最小压力；
步骤402、开启油泵(37)，使液压油通过第一高压油管(16)注入渗透系统的缸筒(2)中，同时排出缸筒(2)中的空气；
步骤403、当看到从排气管(21)中均匀流出液压油时，关闭第一阀门(22)；
步骤404、调节溢流阀(17)使第一高压油管(16)中的油压至略大于预定围压；
步骤405、调节溢流阀(17)使第一数显压力表(19)显示预定围压值；
步骤406、当渗透系统的缸筒(2)内的围压由于岩石试样受压膨胀而升高时，通过溢流阀(17)排出相应的液压油，从而通过观察第一数显压力表(19)，使缸筒(2)内的围压恒定不变；
步骤五中所述将岩样(36)压裂至峰后破裂状态的具体过程为：
当初始围压设定完成后，采用编制的轴向加载程序进行峰后破裂状态试验，在试验过程中，采用的轴向加载方式是位移加载，其加载速率为4.0×10-6m/s，当岩样(36)被压缩至预定的峰后破裂状态后，轴向加载维持相应的应力状态而不变；设定不同的围压，每个围压下的岩样(36)在受压破裂过程中的峰值应力σs(峰值点D的应力)和残余应力σr(残余点E的应力)在PC计算机(33)中显示出来；
根据公式：
计算得到岩样(36)在不同峰后破裂状态下的应力状态；当岩样(36)的应力-应变状态达到残余点后，继续加载125s，使岩样(36)继续被压缩0.05mm，作为岩石的峰后破裂状态。
9.按照权利要求6所述的一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试方法，其特征在于：
步骤六中所述开启注浆压力系统，对峰后破裂状态的岩样(36)进行注浆渗透性测试的具体步骤为：
步骤601、将配制好的水泥混合浆液倒入储液箱(35)中，关闭第三高压油管(28)上的第三阀门(29)，打开第二高压油管(24)上的第二阀门(25)，开启注浆泵(23)，将水泥混合浆液泵入第二高压油管(24)中；
步骤602、打开第三高压油管(28)上的第四阀门(30)，并在第四阀门(30)管路出口处用带有刻度的漏浆桶(32)对渗出浆液进行辅助测量，同时，打开数据采集仪(34)中的实时数据采集软件，通过注浆泵(23)持续加压至注浆压力达到预定值后停止注浆；
步骤603、观察流量计(27)和第四阀门(30)出口处浆液渗流量的变化，若在一段较长时间内所测浆液渗流量恒定不变，则认为浆液在峰后破裂岩样(36)中的渗流已经达到稳定状态，停止注浆让注浆压力缓慢下降。
10.按照权利要求6所述的一种峰后破裂岩石三轴浆液渗透性测试方法，其特征在于：
步骤七中所述结束测试的具体步骤为：
步骤701、关闭环向加载系统中的油泵(37)以卸载围压；
步骤702、关闭轴向加载系统以卸载轴向载荷；
步骤703、排出渗透系统缸筒(2)中的液压油；
步骤704、取出岩样(36)，并贴上试验编号；
步骤八中所述测试数据处理的具体过程为：
根据公式
来计算岩样(36)的渗透系数K，其中，k为岩石的渗透率；μ为流体的动力粘度；γ为流体的容重；ρ为流体的密度；ν为流体的运动粘度；g为重力加速度；
根据公式
计算峰后破裂岩石的浆液渗透系数，ρ为流动流体的密度，g为重力加速度，h为岩石试样的高度，D为岩样(36)的直径，Q为测试中所测得的浆液渗流量，P为注浆压力。
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