CN111157315A - 模拟各向同性片理角度下岩芯饼化现象的装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟各向同性片理角度下岩芯饼化现象的装置及使用方法，它包括透明中空结构的侧限盒，侧限盒侧表面开设有多个槽口；侧限盒内部填充有模拟岩体层；模拟岩体层内埋设有多个压力传感器，通过分层浇筑模拟岩体层，在层与层添加片理模拟层的方法，形成结构面，提供不同的c（粘聚力）值和φ（内摩擦角）值模拟各向同性不同深度岩体，从而揭示不同片理角度下岩芯饼化试验的应力状态和测试结果。具有适用性广，装置结构简单、操作便捷，可以直接获取受外界因素影响时岩石应力的变化。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学技术领域及高地应力测量技术领域，具体涉及一种模拟各向同性片理角度下岩芯饼化现象的装置及使用方法。
背景技术
岩芯饼化是在岩体开挖后，钻探取芯过程中产生的岩芯断裂成饼的现象。从现场取芯来看，岩芯饼化现象在深埋高应力岩体中较常见，岩芯饼化现象成为高应力显现的一大标志。但是，从实际情况来看，不同开挖尺寸、不同钻孔直径和方向条件下的岩芯饼化程度是不同的，岩芯断口凹凸性也不具有普遍性。岩芯饼化的形成是钻进过程中岩芯逐渐断裂的动态演化过程，钻探速度对岩芯饼化的形成也具有一定的影响。目前模拟横观各向同性片理角度下岩芯饼化现象存在的问题是：1，测量方法不具有普遍性，只适用于特定地区；2，对装置要求较高，不适宜在实际工程中使用；3，只能获取固定状态下岩石应力，不能直接获取受外界因素影响时岩石应力的变化。
因此，需要设计一种新型的模拟各向同性片理角度下岩芯饼化现象的装置及使用方法。
发明内容
本发明涉及一种模拟横观各向同性片理角度下岩芯饼化现象的装置及方法，通过分层浇筑模拟岩体层，在层与层添加片理模拟层的方法，形成结构面，提供不同的c（粘聚力）值和φ（内摩擦角）值模拟各向同性不同深度岩体，从而揭示不同片理角度下岩芯饼化试验的应力状态和测试结果。
为了实现上述的技术特征，本发明采用的技术方案是：一种模拟各向同性片理角度下岩芯饼化现象的装置，它包括透明中空结构的侧限盒，侧限盒侧表面开设有多个槽口；侧限盒内部填充有模拟岩体层；模拟岩体层内埋设有多个压力传感器。
优选的，侧限盒的上表面开设有钻孔口。
优选的，模拟岩体层包括砂子和石膏；模拟岩体层内还添加有膨胀剂和磁性粉末。
优选的，压力传感器环绕在钻孔口正下方钻出的贯通槽孔周围。
优选的，模拟岩体层内埋设有多块片理模拟层；片理模拟层的尺寸与槽口相适应。
优选的，片理模拟层与水平面形成20°夹角的片理角度。
优选的，模拟各向同性片理角度下岩芯饼化现象的装置的使用方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1，用透明平板结构组装出侧限盒；在侧限盒顶部面板开设钻孔口，侧面板开设多个槽口；在钻孔口正下方投影出的钻探槽孔的四周设置多个环绕的压力传感器；压力传感器通过刚性导线固定住位置，并与外界的计算机连接；以°为片理角度在侧限盒内部预置多个涂抹好脱模剂的有机玻璃板，为片理模拟层预留浇筑空间；有机玻璃板的尺寸与槽口相匹配；
S2，向侧限盒中浇筑混合后的砂子、石膏、膨胀剂和磁性粉末，养护约10h~12h，然后从槽口抽出片理角度为20°的有机玻璃板；在原有机玻璃板的位置形成数个中空的预留浇筑空间；
S3，将岩石碎裂物与胶凝剂混合均匀，待胶凝剂完全溶解后，再将混合物灌入步骤2中形成的预留浇筑空间内，风干2h~5h，形成片理角度为20°的片理模拟层；片理模拟层与模拟岩体层共同组成模拟横观各向同性差异岩体；
S4，待膨胀剂凝固后，由压力传感器测出模拟横观各向同性差异岩体的内部应力大小；通过外加电磁场与模拟岩体层内的磁性粉末配合，微调内部应力饱和的状态；
S5，使用钻孔机从钻孔口垂直向下钻孔，进行钻探取样，获得各向同性差异岩体的岩芯样本；然后更改片理角度，通过改变膨胀剂的添加量，重新设置模拟横观各向同性差异岩体的内部应力大小，进行多次重复试验，得到不同的片理角度，不同应力情况下对应的岩芯饼化的情况；最后将数据记录下来，建立数据库。
本发明有如下有益效果：
1，本实验通过分层浇筑模拟岩体层，在层与层添加片理模拟层的方法，形成结构面，模拟了深部岩体；通过调整模拟岩体层的原料配比，从而改变c值（粘聚力）和φ值（内摩擦角），再通过分层浇筑，模拟出不同深度岩层模拟出的不同c值和φ值模拟横观各向同性片理角度下岩芯饼化现象。
2、在实施例中，通过膨胀剂提供主要的应力；由于自然状态下形成饱和应力的岩石极其不易，故通过膨胀剂加速模拟岩石内部应力的形成。
3、实验通过外加磁场与模拟岩石中磁粉的配合来模拟深部岩体不同的应力饱和程度。
4、对于多组实验，采取了不同膨胀剂含量，不同的钻孔直径、钻孔功率，得到不同条件下的压应力数据，建立起一一对应的数据库，从而揭示钻孔功率和钻孔直径对压应力的影响；通过所得岩石内部应力与岩芯厚度、凹陷角度的关系，模拟出其关系，得出差异，修正差异，得出修正方法和修正系数；通过这个关系来得到工程中天然岩石内部应力大小与其构造及岩石特性的关系。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明涉及的结构示意图；
图2为本发明内部片理模拟层的剖视示意图；
图中附图标记为：侧限盒1，槽口11，钻孔口12，模拟岩体层2，片理模拟层3，压力传感器4，钻孔机5。
具体实施方式
如图1~图2中，一种模拟各向同性片理角度下岩芯饼化现象的装置，它包括透明中空结构的侧限盒1，侧限盒1侧表面开设有多个槽口11；侧限盒1内部填充有模拟岩体层2；模拟岩体层2内埋设有多个压力传感器4。
进一步的，侧限盒1的上表面开设有钻孔口12。
进一步的，模拟岩体层2包括砂子和石膏；模拟岩体层2内还添加有膨胀剂和磁性粉末。
进一步的，压力传感器4环绕在钻孔口12正下方钻出的贯通槽孔周围。
进一步的，模拟岩体层2内埋设有多块片理模拟层3；片理模拟层3的尺寸与槽口11相适应。
进一步的，片理模拟层3与水平面形成20°夹角的片理角度。
进一步的，模拟各向同性片理角度下岩芯饼化现象的装置的使用方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1，用透明平板结构组装出侧限盒1；在侧限盒1顶部面板开设钻孔口12，侧面板开设多个槽口11；在钻孔口12正下方投影出的钻探槽孔的四周设置多个环绕的压力传感器4；压力传感器4通过刚性导线固定住位置，并与外界的计算机连接；以°为片理角度在侧限盒1内部预置多个涂抹好脱模剂的有机玻璃板，为片理模拟层3预留浇筑空间；有机玻璃板的尺寸与槽口11相匹配；
S2，向侧限盒1中浇筑混合后的砂子、石膏、膨胀剂和磁性粉末，养护约10h~12h，然后从槽口11抽出片理角度为20°的有机玻璃板；在原有机玻璃板的位置形成数个中空的预留浇筑空间；
S3，将岩石碎裂物（如石英粉砂，云母片）与胶凝剂混合均匀，待胶凝剂完全溶解后，再将混合物灌入步骤2中形成的预留浇筑空间内，风干2h~5h，形成片理角度为20°的片理模拟层3（片理角度可根据需要调整）；片理模拟层3与模拟岩体层2共同组成模拟横观各向同性差异岩体；
S4，待膨胀剂凝固后，由压力传感器4测出模拟横观各向同性差异岩体的内部应力大小；通过外加电磁场与模拟岩体层2内的磁性粉末配合，微调内部应力饱和的状态；
S5，使用钻孔机5从钻孔口12垂直向下钻孔，进行钻探取样，获得各向同性差异岩体的岩芯样本；然后更改片理角度，通过改变膨胀剂的添加量，重新设置模拟横观各向同性差异岩体的内部应力大小，进行多次重复试验，得到不同的片理角度，不同应力情况下对应的岩芯饼化的情况；最后将数据记录下来，建立数据库。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种模拟各向同性片理角度下岩芯饼化现象的装置，它包括透明中空结构的侧限盒（1），侧限盒（1）侧表面开设有多个槽口（11）；侧限盒（1）内部填充有模拟岩体层（2）；模拟岩体层（2）内埋设有多个压力传感器（4）。
2.根据权利要求1所述的模拟各向同性片理角度下岩芯饼化现象的装置，其特征在于：所述侧限盒（1）的上表面开设有钻孔口（12）。
3.根据权利要求1所述的模拟各向同性片理角度下岩芯饼化现象的装置，其特征在于：所述模拟岩体层（2）包括砂子和石膏；模拟岩体层（2）内还添加有膨胀剂和磁性粉末。
4.根据权利要求1所述的模拟各向同性片理角度下岩芯饼化现象的装置，其特征在于：所述压力传感器（4）环绕在钻孔口（12）正下方钻出的贯通槽孔周围。
5.根据权利要求1所述的模拟各向同性片理角度下岩芯饼化现象的装置，其特征在于：所述模拟岩体层（2）内埋设有多块片理模拟层（3）；片理模拟层（3）的尺寸与槽口（11）相适应。
6.根据权利要求5所述的模拟各向同性片理角度下岩芯饼化现象的装置，其特征在于：所述片理模拟层（3）与水平面形成一定夹角的片理角度。
7.根据权利要求1~6任意一项所述的模拟各向同性片理角度下岩芯饼化现象的装置的使用方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1，用透明平板结构组装出侧限盒（1）；在侧限盒（1）顶部面板开设钻孔口（12），侧面板开设多个槽口（11）；在钻孔口（12）正下方投影出的钻探槽孔的四周设置多个环绕的压力传感器（4）；压力传感器（4）通过刚性导线固定住位置，并与外界的计算机连接；以一个固定角度X为片理角度在侧限盒（1）内部预置多个涂抹好脱模剂的有机玻璃板，为片理模拟层（3）预留浇筑空间；有机玻璃板的尺寸与槽口（11）相匹配；
S2，向侧限盒（1）中浇筑混合后的砂子、石膏、膨胀剂和磁性粉末，养护约10h~12h，然后从槽口（11）抽出片理角度为X的有机玻璃板；在原有机玻璃板的位置形成数个中空的预留浇筑空间；
S3，将岩石碎裂物与胶凝剂混合均匀，待胶凝剂完全溶解后，再将混合物灌入步骤2中形成的预留浇筑空间内，风干2h~5h，形成片理角度为X的片理模拟层（3）；片理模拟层（3）与模拟岩体层（2）共同组成模拟横观各向同性差异岩体；
S4，待膨胀剂凝固后，由压力传感器（4）测出模拟横观各向同性差异岩体的内部应力大小；通过外加电磁场与模拟岩体层（2）内的磁性粉末配合，微调内部应力饱和的状态；
S5，使用钻孔机从钻孔口（12）垂直向下钻孔，进行钻探取样，获得各向同性差异岩体的岩芯样本；然后更改片理角度X的大小，通过改变膨胀剂的添加量，重新设置模拟横观各向同性差异岩体的内部应力大小，进行多次重复试验，得到不同的片理角度，不同应力情况下对应的岩芯饼化的情况；最后将数据记录下来，建立数据库。
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