CN111707538A - 岩石真三轴应力-渗流测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石真三轴应力‑渗流测试装置及方法，该岩石真三轴应力‑渗流测试装置，包括分布于岩石试样六个表面的六块透明加压板，每块所述透明加压板的内部设有平面镜，外侧设有图像采集相机，所述平面镜的反射光路与入射光路呈90度夹角，所述图像采集相机设置在与其相对应的所述平面镜的反射光路上，所述岩石试样位于所述平面镜的入射光路上，其中两块相对设置的所述透明加压板上分别设有入渗流道和出渗流道。本申请可以实现岩石试样加载过程中渗透特性的可视化监测。

Description

岩石真三轴应力-渗流测试装置及方法

技术领域

本发明涉及岩石实验技术领域，尤其涉及一种岩石真三轴应力-渗流测试装置及方法。

背景技术

随着我国矿山开采深度的增加，深部岩体中赋存的水力势能显著增加，在开采活动的影响下，深部矿井涌水、突水已成为是世界矿业领域的重要研究课题，它给矿山带来的经济损失和人身伤亡极为惨重。可以预计，在未来 20 年我国许多矿井将逐步开采1000-2000m深度的资源，伴随而来的深井水力势能(10-20MPa)极大，这将导致水害诱发条件、形成机理以及威胁程度都会发生复杂变化。在深部高非均匀应力和高渗压场状态下，摸清岩体的渗透参数是服务深部开采活动的重要保障。

面对深部的应力渗流环境，现有的室内岩石渗透参数测试手段亟待更新。例如，以往多采用常规三轴的方法测试圆柱形岩石试样渗透参数，虽然能模拟渗流场的高压力，但却无法还原深部的三向应力状态；多数真三轴实验系统对渗流场的模拟仅借助一些被动密封条件实现低渗透压(小于5MPa)测试，难以模拟深部的渗透水压。因而，了更好的贴近深部岩体的真实赋存环境，获得深部岩石在高应力场和高渗压场下的真实渗透参数，以及深部岩石的实施渗透路径和渗流速度，亟待研发可视化真三轴渗流测试装置进行岩石试样的渗透特性研究。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种岩石真三轴应力-渗流测试装置及方法，旨在实现岩石试样加载过程中渗透特性的可视化监测。

为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

岩石真三轴应力-渗流测试装置，包括分布于岩石试样六个表面的六块透明加压板，每块所述透明加压板的内部设有平面镜，外侧设有图像采集相机；

所述平面镜的反射光路与入射光路呈90度夹角，所述图像采集相机设置在与其相对应的所述平面镜的反射光路上，所述岩石试样位于所述平面镜的入射光路上，其中两块相对设置的所述透明加压板上分别设有入渗流道和出渗流道。

具体的，该测试装置还包括紫外线光源，所述紫外线光源发出的紫外光经所述平面镜反射后照在所述岩石试样上，所述入渗流道内通入的渗流液中含有荧光液。

具体的，所述透明加压板的侧部设有透明监测窗，所述平面镜的反射光经所述透明监测窗射入所述图像采集相机。

具体的，所述紫外线光源设置在所述透明监测窗的端部上，所述紫外线光源在所述图像采集相机的外围均匀分布多个。

具体的，所述透明加压板背离所述岩石试样的一端设有镶嵌凹槽，所述平面镜匹配镶嵌固定在所述镶嵌凹槽中。

具体的，所述平面镜采用镜面反光薄膜，所述镶嵌凹槽中设有将所述镜面反光薄膜压紧的反力充填楔。

具体的，所述岩石试样的各个拐角被胶套架包裹，所述胶套架和六块所述透明加压板共同围成与所述岩石试样适配且封闭的渗透室。

具体的，所述胶套架和透明加压板设置于中空刚性框架内，所述中空刚性框架内设有紧压所述胶套架的顶紧机构。

具体的，所述顶紧机构包括顶紧油缸或顶紧气缸。

岩石真三轴应力-渗流测试方法，包括：

（1）将岩石试样不进行渗流测试的四个表面用透明柔性薄膜包裹；

（2）利用真三轴试验机的各向作动器分别对六块透明加压板进行加压，从而对岩石试样施加真三轴三向载荷；

（3）将渗流测试系统的输出端和输入端分别与所述入渗流道和出渗流道连接，并且在所述输出端和回流端上设置压力计和流量计；

（4）启动所述渗流测试系统，对所述岩石试样进行渗流，利用所述压力计和流量计分别记录渗流过程中渗流压力和流量压力的变化，利用所述图像采集相机记录渗流过程中渗流液的渗透路径和渗透速度。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：

本发明利用设置于透明加压板内的平面镜，将岩石渗流测试过程中各面的图像反射至对应的图像采集相机中，从而清晰的采集记录渗流测试过程中岩石各端面的实时渗流路径和渗流速度，实现了岩石真三轴渗流的可视化测试，具有结构简单，操作方便的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的岩石真三轴应力-渗流测试装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的岩石真三轴应力-渗流测试装置的轴测图；

图3是本发明实施例涉及的透明加压板结构示意图；

图4是本发明实施例涉及的中空刚性框架结构示意图；

图5是本发明实施例涉及的胶套架结构示意图；

其中：1-岩石试样；2-透明加压板；3-平面镜；4-图像采集相机；5-入渗流道；6-紫外线光源；7-反力充填楔；8-刚性垫块；9-透明监测窗；10-中空刚性框架；11-胶套架；111-棱边；12-顶紧机构；121-顶紧块；122-顶紧油缸；13-入渗流导槽；14-相机固定支架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图3，一种岩石真三轴应力-渗流测试装置，包括分布于岩石试样1六个表面的六块透明加压板2，利用六块透明加压板2可以对岩石试样1施加真三轴三向载荷，透明加压板2的尺寸略小于岩石试样1，从而避免加载时透明加压板2之间相互干涉，在每块透明加压板2的内部均设有平面镜3，外侧均设有图像采集相机4，平面镜3的反射光路与入射光路呈90度夹角，图像采集相机4设置在与其相对应的平面镜3的反射光路上，岩石试样1则位于平面镜3的入射光路上，其中两块相对设置的透明加压板2上分别设有入渗流道5和出渗流道（图中未示出），通过入渗流道5可以向岩石试样1注入渗流液，渗流液经岩石试样1后可以从出渗流道流出。这里为便于说明，将岩石试样1面向入渗流道5的一端取名为入渗端，面向出渗流道的一端取名为出渗端。

在本申请实施例中，将岩石试样1不进行渗流测试的四个表面用透明柔性薄膜包裹后，利用真三轴试验机的各向作动器分别对六块透明加压板2进行加压，即可对岩石试样1施加真三轴三向载荷，将真三轴试验机配备的渗流测试系统的输出端和输入端分别与入渗流道5和出渗流道连接，并且在输出端和回流端上设置压力计和流量计，启动渗流测试系统，即可对岩石试样1进行渗流试验，利用压力计和流量计可以分别记录渗流过程中渗流压力和流量压力的变化，利用图像采集相机4可以记录渗流过程中渗流液的渗透路径和渗透速度。

本申请实施例利用设置于透明加压板2内的平面镜3，将岩石渗流测试过程中各面的图像反射至对应的图像采集相机4中，从而清晰的采集记录渗流测试过程中岩石各端面的实时渗流路径和渗流速度，实现了岩石真三轴渗流的可视化测试，而且整体测试装置具有结构简单，操作方便的优点。此外，通过调整图像采集相机4与平面镜3的距离，可以对图像采集相机4的视野和视场范围进行灵活调节。

需要解释说明的是，在一些可能实施的方案中，该测试装置还包括紫外线光源6，紫外线光源6发出的紫外光经平面镜3反射后照在岩石试样1上，渗流测试系统的渗流液中含有荧光液，当含荧光液的渗流液进入岩石试样1的入渗端端面、出渗端端面和渗流路径上各侧向端面时，受紫外线照射，荧光液发生荧光反应，使得图像采集相机4可以更加清晰的记录下渗流液的渗透路径和渗透速度。

在本申请实施例中，借助紫外荧光显色技术，清晰的采集记录渗流测试过程中岩石各端面的实时渗流路径和渗流速度，并能判别渗流测试的有效性，极大的提高了对岩石渗流测试全过程的监测能力和渗流测试的结果的准确性。

在实际应用中，透明加压板2背离岩石试样1的一端设有镶嵌凹槽，平面镜3匹配镶嵌固定在镶嵌凹槽中，镶嵌凹槽中设有将平面镜3压紧的反力充填楔7，反力充填楔7的制作材料与透明加压板2相同。

在本申请实施例中，在透明加压板2的镶嵌凹槽内设置相同材质的反力充填楔7，从而解决了在透明加压板2上开槽造成的应力空区问题，保证了岩石试样1各面应力加载的均匀性。其中，透明加压板2可以采用高强透明聚碳酸酯材料加工制作。

可以理解的是，反力充填楔7顶部与透明加压板2端面平齐，反力充填楔7底面和周边涂覆有一薄层高强粘结材料，与透明加压板2粘结，在反力充填楔7外设有刚性垫块8，刚性垫块8通过紧固螺栓固定于透明加压板2上，从而将反力充填楔7压紧固定在透明加压板2内，刚性垫块8的上端面与真三轴实验机的作动器连接。

具体的，透明加压板2的侧部设有透明监测窗9，平面镜3的反射光经透明监测窗9射入图像采集相机4，透明监测窗9的形状为方形，多组紫外线光源6在透明监测窗9上呈环形阵列分布，在透明监测窗9的端部设有光源连接孔，紫外线光源6插接于该光源连接孔内。相机固定支架14一端固定于透明监测窗9上，另一端则与图像采集相机4紧固连接，从而使图像采集相机4固定于呈环形布置的紫外线光源6的中央，且图像采集相机4的镜头与透明监测窗9的端面平行，图像采集相机4设置有用于与多通道数字图像同步采集器连接的数据输出接口。

透明监测窗9与透明加压板2垂直相交呈L形，平面镜3的反射面朝向透明加压板2的加载面，并与加载面呈45度夹角，平面镜3的反射面同样朝向透明监测窗9的端面，并与透明监测窗9的端面呈45度夹角。平面镜3可以采用镜面反光薄膜，镜面反光薄膜直接粘贴固定在反力充填楔7上，使透明监测窗9端面的光线经平面镜3反射后到达透明加压板2的加载面。

参见图4和图5，在一些可能实施的方案中，该测试装置还包括中空刚性框架10和胶套架11，胶套架11由十二条棱边111连接组成，胶套架11和六块透明加压板2设置在中空刚性框架10中，岩石试样1的各个拐角被胶套架11包裹住，胶套架11和六块透明加压板2共同围成封闭的渗透室，岩石试样1可以匹配容置在该渗透室中进行渗透试验，中空刚性框架10内设有紧压胶套架11的顶紧机构12，六块加压板2则穿过中空刚性框架10与对应的真三轴实验机作动器连接。

具体的，顶紧机构12包括与胶套架11各条凌边对应的顶紧块121以及带动顶紧块121移动的顶紧油缸122，当然顶紧油缸122也可以采用顶紧气缸或线性电机替代，而中空刚性框架10则由底板、顶板和四块侧板围成，在底板、顶板和四块侧板上开设有与各块透明加压板2相对应的开口，各块透明加压从对应的开口中插入中空刚性框架10中。

参见图5，在本申请实施例中，由于胶套架11是由十二条棱边111连接组成的框架结构，可把岩石试样1的六个平面用六块透明加压板2围起来的周边包住，并通过顶紧机构12对胶套架11施加主动可控的压紧力，有效的突破了现有真三轴加载设备难以提供高压渗流密封环境的问题，因此利用本申请实施例测试装置可以同步模拟深部岩石所受的三向高静应力环境与高渗透压力环境。此外，若发生渗流液从岩石交界棱窜流的渗流测试失效状态，可经图像采集相机4实时监测，并终止测试后检查密封效果并重新开展渗流测试。

需要解释说明的是，在实际操作中，入渗流道5设置在岩石试样1上方的透明加压板2上，出渗流道设置在岩石试样1下方的透明加压板2上。这里为方便说明，将岩石试样1上方的透明加压板2取名为入渗板，将岩石试样1下方的透明加压板2取名为出渗板。在入渗板的加载面（与岩石试样1接触的端面）设有入渗流导槽13，在出渗板的加载面设有出渗流导槽（图中未示出），入渗流道5的一端与入渗流导槽13连通，另一端与真三轴试验机配置的渗流测试系统的输出端连接，出渗流道的一端与出渗流导槽连通，另一端与渗流测试系统的回流端连接。

参见图1-图5，利用上述测试装置对岩石试样1进行可视化渗透性测试的具体过程如下：

步骤一：将岩石试样1不进行渗流测试的四个表面用透明柔性薄膜包裹。

步骤二、将步骤一处理后的岩石试样1放入胶套架11，将胶套架11连同岩石试样1装载至中空刚性框架10，将六块透明加压板2分别从中空刚性框架10的六个侧面装入中空刚性框架10；

步骤三、将装载有岩石试样1的中空刚性框架10安装入真三轴试验机中，使透明加压板2与真三轴试验机各向作动器接触连接；通过控制真三轴试验机的各向作动器给透明加压板2进行应力加载，透明加压板2在作动器推动下与岩石试样1各面贴紧，并将应力分级加载至设置载荷；

步骤四、利用中空刚性框架10上的顶紧机构12对胶套架11施加密封压力，使胶套架11与岩石试样1保持紧密接触；

步骤五、打开各块透明加压板2的透明监测窗9外侧的紫外线光源6，将紫外光照射于岩石试样1各加载面；并调整图像采集相机4的位置和焦距，使各面成像清晰，并待机；

步骤六、将可溶性荧光液溶解于渗流液中，并注入真三轴试验机配置的渗流测试系统；并将渗流测试系统的输出端与入渗流道5连接，渗流测试系统的回流端与出渗流道连接，且在输出端和回流端都设置压力计和流量计；同步启动渗流测试系统和图像采集相机4，渗流液经入渗流道5进入入渗流导槽13，并从岩石试样1的上端面渗入，经岩石试样1渗透后汇聚于下端的出渗流导槽，并最终经出渗流道回流至渗流测试系统；在渗流过程中，压力计和流量计记录岩石试样1的入射端和出射端的流量和压力变化；同时，当含荧光液的渗流液进入岩石试样1上下端面和渗流路径上各端面时，受紫外线照射，激活荧光反应，图像采集相机4清晰记录下渗流液的渗透路径和渗透速度；此外，若发生渗流液从岩石交界棱窜流的渗流测试失效状态，可经图像采集相机4实时监测，并终止测试后检查密封效果并重新开展渗流测试。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.岩石真三轴应力-渗流测试装置，其特征在于：包括分布于岩石试样（1）六个表面的六块透明加压板（2），每块所述透明加压板（2）的内部设有平面镜（3），外侧设有图像采集相机（4）；

所述平面镜（3）的反射光路与入射光路呈90度夹角，所述图像采集相机（4）设置在与其相对应的所述平面镜（3）的反射光路上，所述岩石试样（1）位于所述平面镜（3）的入射光路上，其中两块相对设置的所述透明加压板（2）上分别设有入渗流道（5）和出渗流道。

2.根据权利要求1所述的岩石真三轴应力-渗流测试装置，其特征在于：还包括紫外线光源（6），所述紫外线光源（6）发出的紫外光经所述平面镜（3）反射后照在所述岩石试样（1）上，所述入渗流道（5）内通入的渗流液中含有荧光液。

3.根据权利要求2所述的岩石真三轴应力-渗流测试装置，其特征在于：所述透明加压板（2）的侧部设有透明监测窗（9），所述平面镜（3）的反射光经所述透明监测窗（9）射入所述图像采集相机（4）。

4.根据权利要求3所述的岩石真三轴应力-渗流测试装置，其特征在于：所述紫外线光源（6）设置在所述透明监测窗（9）的端部上，所述紫外线光源（6）在所述图像采集相机（4）的外围均匀分布多个。

5.根据权利要求1所述的岩石真三轴全场应变监测装置，其特征在于：所述透明加压板（2）背离所述岩石试样（1）的一端设有镶嵌凹槽，所述平面镜（3）匹配镶嵌固定在所述镶嵌凹槽中。

6.根据权利要求5所述的岩石真三轴全场应变监测装置，其特征在于：所述平面镜（3）采用镜面反光薄膜，所述镶嵌凹槽中设有将所述镜面反光薄膜压紧的反力充填楔（7）。

7.根据权利要求1-6任一项所述的岩石真三轴应力-渗流测试装置，其特征在于：所述岩石试样（1）的各个拐角被胶套架（11）包裹，所述胶套架（11）和六块所述透明加压板（2）共同围成与所述岩石试样（1）适配且封闭的渗透室。

8.根据权利要求7所述的岩石真三轴应力-渗流测试装置，其特征在于：所述胶套架（11）和透明加压板（2）设置于中空刚性框架（10）内，所述中空刚性框架（10）内设有紧压所述胶套架（11）的顶紧机构（12）。

9.根据权利要求8所述的岩石真三轴应力-渗流测试装置，其特征在于：所述顶紧机构（12）包括顶紧油缸或顶紧气缸。

10.权利要求1-9任一项所述的岩石真三轴应力-渗流测试装置的测试方法，其特征在于，包括：

（1）将岩石试样（1）不进行渗流测试的四个表面用透明柔性薄膜包裹；

（2）利用真三轴试验机的各向作动器分别对六块透明加压板（2）进行加压，从而对岩石试样（1）施加真三轴三向载荷；

（3）将渗流测试系统的输出端和输入端分别与所述入渗流道（5）和出渗流道连接，并且在所述输出端和回流端上设置压力计和流量计；

（4）启动所述渗流测试系统，对所述岩石试样（1）进行渗流，利用所述压力计和流量计分别记录渗流过程中渗流压力和流量压力的变化，利用所述图像采集相机（4）记录渗流过程中渗流液的渗透路径和渗透速度。

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