CN112129589A - 岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置以及测试方法，该测试方法包括：先将安装岩石试样的密封室抽真空处理，再将岩石试样剪切破坏过程中释放的氡气全部收集到集氡箱中，再利用氡浓度测量仪测试集氡箱收集到的氡气浓度，从而可保证集氡箱所收集氡气的纯炖，进而可保证氡浓度测量仪测试氡气浓度的准确性，具有很好的实用性。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置及测试方法。
背景技术
随着地下工程日益向地球深部进军，深部地下工程面临日益严重的环境安全问题，即有毒气体—氡的危害。氡在地质体内普遍存在，氡的释放和迁移与地质体破裂程度密切相关，岩石破裂会增大氡的释放量，而破裂后形成连通的迁移通道，有利于自由氡快速迁移至洞室空间内，氡聚集到一定浓度会对洞室内的实验人员和工程建设人员的身体健康产生严重影响，因此，研究围岩破裂与地下洞室氡浓度的相关性问题尤为重要。
现有技术中，测试岩石的氡浓度的方法为利用氮气作为载气，将岩石试样在破坏过程中释放的氡气从岩样试样中驱赶出来，此方法中所用的装置复杂，且由于氡气中掺杂了氮气，使得氡气的体积浓度测量会受到氮气的影响，造成测试结果的不准确。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置及测试方法，以提高测试结果的准确性。
本发明的技术方案为：
一方面，本发明提供了一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置，所述测量装置包括：
剪切实验仪，所述剪切实验仪包括法向加载机构、切向加载机构、密封箱以及用于放置岩石试样的剪切盒，所述剪切盒设置在所述密封箱内，所述法向加载机构以及所述切向加载机构设置在所述密封箱的外侧，所述法向加载机构的输出端沿竖向往返移动，所述法向加载机构的输出端可穿过所述密封箱，所述法向加载机构的输出端作用在所述剪切盒的顶部，所述切向加载机构的输出端沿水平向往返移动，所述切向加载机构的输出端可穿过所述密封箱的水平侧部，所述切向加载机构的输出端作用在所述剪切盒的水平侧部；
声发射传感器以及声发射处理器，多个所述声发射传感器间隔设置在所述岩石试样的表面上，多个所述声发射传感器均和所述声发射处理器连接；
真空泵，所述真空泵和所述密封室内部连通；
集氡箱，所述集氡箱和所述密封室内部连通；
氡浓度测量仪，所述氡浓度测量仪和所述集氡箱连通。
进一步地，所述密封箱的顶部敞口设置，所述密封箱的顶部设置有可拆卸的盖板，所述盖板将所述敞口密封。
进一步地，所述盖板上设置有第一通孔，所述盖板的外侧固定设置有第一密封垫片，所述第一密封垫片将所述第一通孔覆盖；
所述法向加载机构包括法向油缸以及法向加载压头，所述法向油缸固定设置在所述盖板的正上方，所述法向油缸的伸缩端可沿竖向向下伸缩，所述法向加载压头的一端固定连接在所述法向油缸的伸缩端上，所述法向加载压头的另一端依次穿过所述第一密封垫片的中部以及所述盖板的中部的第一通孔，所述法向加载压头的另一端作用在所述剪切盒的顶部。
进一步地的，所述密封箱的水平侧部设置有第二通孔，所述密封箱的外侧固定设置有第二密封垫片，所述第二密封垫片将所述第二通孔覆盖；
所述切向加载机构包括切向油缸以及切向加载压头，所述切向油缸固定设置在所述密封箱的水平侧部的外侧，所述切向油缸的伸缩端可沿水平方向伸缩，所述切向加载压头的一端固定连接在所述切向油缸的伸缩端上，所述切向加载压头的另一端依次穿过所述第二密封垫片的中部以及所述密封箱的水平侧部的第二通孔，所述切向加载压头的另一端作用在所述剪切盒的水平侧部。
进一步地，所述剪切盒包括第一盒体以及第二盒体，所述第一盒体设置在所述第二盒体的上方，所述第一盒体和所述第二盒体相对的端面均敞口设置，所述第一盒体远离所述切向加载机构的一端固定设置有反力架，所述第二盒体的底部设置在辊珠排上。
进一步地，多个所述声发射传感器通过耦合剂布置在所述剪切试样表面上。
进一步地，所述装置包括第一三通阀、第二三通阀以及第三三通阀，其中：
所述密封箱上设置有通气孔，所述通气孔和所述第一三通阀的第一口通过出气管道连通，所述第一三通阀的第二口和第一管道的一端连通，所述第一三通阀的第三口和第二管道的一端连通，所述真空泵设置在所述第二管道上；
所述第二三通阀的第一口和所述第一管道的另一端连通，所述第三三通阀的第二口和所述第三管道的一端连通，所述第三三通阀的第三口和第四管道的一端连通，所述第四管道的另一端和所述氡浓度测量仪相连，所述集氡箱设置在所述第四管道上；
所述第三三通阀的第一口和所述第二管道的另一端连通，所述第三三通阀的第二口和所述第三管道的另一端连通，所述第三三通阀的第三口和第五管道连通。
进一步地，所述出气管道上安装有第一阀门，所述第二管道上安装有第二阀门，所述第三管道上设置有第三阀门，所述第四管道上设置有第四阀门和第五阀门，所述第四阀门设置在所述集氡箱和所述第四管道的一端之间，所述第五阀门设置在所述集氡箱和所述第四管道的另一端之间，所述第五管道上设置有第六阀门。
进一步地，所述装置还包括第四三通阀，所述第四三通阀的第一口和所述第四管道的另一端连通，所述第四三通阀的第二口和所述连续测氡仪的入口连通，所述第四三通阀的第三口通过第六管道和所述连续测氡仪的出口连通，所述第六管道上设置有填充有干燥剂的干燥盒。
另一方面，本发明还提供了一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量方法，所述测量方法是基于上述测量装置进行的，所述测量方法包括：
将岩石试样放置在剪切实验仪中；
利用所述真空泵将密封室内抽真空处理；
所述剪切实验仪完成岩石试样的剪切工序；
将岩石试样内的氡气收集到所述集氡箱中；
利用氡浓度测量仪测试所述集氡箱收集到的氡气浓度。
本发明的有益效果是：
本发明所提供的一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置及测试方法，先将安装岩石试样的密封室抽真空处理，再将岩石试样剪切破坏过程中释放的氡气全部收集到集氡箱中，再利用氡浓度测量仪测试集氡箱收集到的氡气浓度，从而可保证集氡箱所收集氡气的纯炖，进而可保证氡浓度测量仪测试氡气浓度的准确性，具有很好的实用性。
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为本实施例的一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置的结构示意图；
图2为本实施例的一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量方法的流程示意图。
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做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。
首先，本实施例提供了一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置。
图1为本实施例的一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置的结构示意图，结合图1，该测量装置包括剪切实验仪、声发射传感器40、声发射处理器41、真空泵18、集氡箱28以及氡浓度测量仪32。
结合图1，本实施例的剪切实验仪包括法向加载机构、切向加载机构、密封箱6以及用于放置岩石试样13的剪切盒14，剪切盒14设置在密封箱6内，法向加载机构以及切向加载机构设置在密封箱6的外侧，法向加载机构的输出端沿竖向往返移动，法向加载机构的输出端可穿过密封箱6，法向加载机构的输出端作用在剪切盒14的顶部，切向加载机构的输出端沿水平向往返移动，切向加载机构的输出端可穿过密封箱6的水平侧部，切向加载机构的输出端作用在剪切盒14的水平侧部，通过操作法向加载机构以及切向加载机构，可对放置在剪切盒14内的岩石试样13进行剪切实验。
结合图1，本实施例中，密封箱6的顶部敞口设置，密封箱6的顶部设置有可拆卸的盖板42，盖板42可将该敞口密封，当试验时，将盖板42从密封箱6上拆除，将放置有岩石试样13的剪切盒14放置在密封箱6内，随后再将盖板42密封安装在密封箱6的顶部敞口处，即可使岩石试样13处于一个密封环境内。
本实施例中，密封箱6可通过螺栓的方式安装在密封箱6的顶部上，二者可设置如密封圈之类的密封件，以提高密封箱6的密封效果。
结合图1，本实施例中，盖板42上设置有第一通孔，盖板42的外侧固定设置有第一密封垫片5，第一密封垫片5将第一通孔覆盖，而法向加载机构包括法向油缸1以及法向加载压头2，法向油缸1固定设置在盖板42的正上方，法向油缸1的伸缩端可沿竖向向下伸缩，法向加载压头2的一端固定连接在法向油缸1的伸缩端上，法向加载压头2的另一端依次穿过第一密封垫片5的中部以及盖板42的中部的第一通孔，法向加载压头2的另一端作用在剪切盒14的顶部。
进一步地，结合图1，本实施例中，法向加载压头2的另一端通过球铰固定轴3和法向承载压头4可拆卸连接，法向承载压头4依次穿过第一密封垫片5的中部以及盖板42的中部的第一通孔，法向承载压头4作用在剪切盒14的顶部，以对剪切盒14施加法向力。
本实施例中，第一密封垫片5也可以设置在第一通孔内，也可达到密封效果。
结合图1，本实施例中，密封箱6的水平侧部设置有第二通孔，密封箱6的外侧固定设置有第二密封垫片35，第二密封垫片35将第二通孔覆盖，而切向加载机构包括切向油缸12以及切向加载压头11，切向油缸12固定设置在密封箱6的水平侧部的外侧，切向油缸12的伸缩端可沿水平方向伸缩，切向加载压头11的一端固定连接在切向油缸12的伸缩端上，切向加载压头11的另一端依次穿过第二密封垫片35的中部以及密封箱6的水平侧部的第二通孔，切向加载压头11的另一端作用在剪切盒146的水平侧部。
进一步地，结合图1，本实施例中，切向加载压头11的另一端和切向法向承载压头36可拆卸连接，切向法向承载压头36依次穿过第二密封垫片35的中部以及盖板42的中部的第一通孔，切向法向承载压头36作用在剪切盒14的侧部，以对剪切盒14施切向力。
本实施例中，第二密封垫片35也可以设置在第二通孔内，也可达到密封效果。
本实施例中，法向承载压头4和切向法向承载压头36均活动设置在通孔中，当密封箱6内处于真空状态下，在进行剪切破坏实验室时，可保证密封箱6内处于真空环境。
结合图1，本实施例中的剪切盒14包括第一盒体以及第二盒体，第一盒体设置在第二盒体的上方，第一盒体和第二盒体相对的端面均敞口设置，第一盒体远离切向加载机构的一端固定设置有反力架7，第二盒体的底部设置在辊珠排8上。
进一步地，本实施例中，剪切试样13放置在剪切盒14中，法向承载压头4的另一端作用在第一盒体的顶部，切向加载压头11的另一端作用在第二盒体的侧部，以对剪切试样13产生剪切力，而反力架7可使第一盒体在切向上产生移动，第二盒体可在辊珠排8发生滚动摩擦，以服务于剪切试样13的剪切实验。
结合图1，本实施例的剪切实验仪还包括框架9，法向油缸1的固定端、切向油缸12的固定端、反力架7以及辊珠排8均固定安装在框架9上。
结合图1，本实施例中，多个声发射传感器40间隔设置在岩石试样13的表面上，多个声发射传感器40均和声发射处理器41连接，声发射器41可捕捉到声发射传感器40的声发射信号，声发射信号可反映岩试件受载过程中内部裂纹扩展及裂隙发育情况。
本实施例中，多个声发射传感器40可通过耦合剂布置在剪切试样13的表面上。
结合图1，本实施例中，真空泵18和密封室6内部连通，以用于抽取密封室6内的空气，以密封室6内处于真空环境；集氡箱28和密封室6内部连通，用于收集岩石试样13在剪切破坏过程中产生的氡气收集到集氡箱28中，而氡浓度测量仪32和集氡箱28连通，可利用氡浓度测量仪32测试集氡箱收集到的氡气浓度。
具体地，结合图1，本实施例的装置包括第一三通阀16、第二三通阀25以及第三三通阀21，其中，密封箱6上设置有通气孔，该通气孔和第一三通阀16的第一口通过出气管道10连通，第一三通阀16的第二口和第一管道17的一端连通，第一三通阀16的第三口和第二管道19的一端连通，真空泵18设置在第二管道19上，即可实现真空泵18同密封箱6的连通；而第二三通阀25的第一口和第一管道17的另一端连通，第三三通阀25的第二口和第三管道23的一端连通，第三三通阀25的第三口和第四管道38的一端连通，第四管道38的另一端和氡浓度测量仪32相连，集氡箱28设置在第四管道38上，以实现集氡箱28和密封室6的内部连通以及氡浓度测量仪32和集氡箱28的连通，另外，第三三通阀21的第一口和第二管道19的另一端连通，第三三通阀21的第二口和第三管道23的另一端连通，第三三通阀21的第三口和第五管道37连通。
进一步地，结合图1，本实施例中，出气管道10上安装有第一阀门15，第二管道17上安装有第二阀门24，第三管道23上设置有第三阀门22，第四管道38上设置有第四阀门27和第五阀门39，第四阀门27设置在集氡箱28和第四管道38的一端之间，第五阀门39设置在集氡箱28和第四管道38的另一端之间，第五管道37上设置有第六阀门20，以用于对相应管道的通断控制。
还有，结合图1，本实施例中，集氡箱28上还安装有压力计26，以用于确认集氡箱28内的氡气的压力，防止发生意外事故。
结合图1，本实施例的装置还包括第四三通阀29，第四三通阀29的第一口和第四管道38的另一端连通，第四三通阀29的第二口和连续测氡仪32的入口连通，第四三通阀29的第三口通过第六管道34和连续测氡仪32的出口连通，第六管道34上设置有填充有干燥剂的干燥盒33，这样可以利用连续测氡仪32进行循环测量，提高浓度测试的准确性。
基于上述测量装置，本实施例还提供了一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量方法。
图2为本实施例的一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量方法的流程示意图，结合图2，该测量方法包括：
S1：将岩石试样放置在剪切实验仪中，具体包括：
将盖板42从密封箱6上拆除，将放置有岩石试样13的剪切盒14放置在密封箱6内，随后再将盖板42密封安装在密封箱6的顶部敞口处即可。
S2：利用真空泵将密封室内抽真空处理，具体包括：
先设置实验温度恒定，例如23.5℃，开启真空泵18对包括密封箱6的整个装置进行真空处理，将第六阀门20打开，第一阀门15、第三阀门22、第二阀门24、第四阀门27、第五阀门39均都打开，抽真空完成后，第六阀门20和第五阀门39关闭，保持实验装置不变，一段时间内压力不发生变化，则认为实验装置气密性良好；如发生变化，检查气密性至不漏气为止。
S3：剪切实验仪完成岩石试样的剪切工序，具体包括：
关闭第一阀门15，启动法向油缸1进行加载实验，同时启动声发射传感器采集加载过程中的声发射事件，其中法向油缸1通过承载压头4对剪切试样施加法向荷载，待法向压力稳定后，启动切向油缸12进行剪切加载，其中切向油缸12通过切向承载压头36对剪切试样施加横向荷载，记录试验数据。
S4：将岩石试样内的氡气收集到集氡箱中，具体包括：
剪切实验完成后，打开第一阀门15、第二阀门24和第四阀门27，在压力差的作用下，氡气迅速进入集氡室28，打开真空泵18，关闭第六阀门20和第二阀门24，打开第三阀门22，将管路中的气体抽到集氡室28中，以将管路中的氡气集中到集氡箱28中。
S5：利用氡浓度测量仪测试集氡箱收集到的氡气浓度，具体包括：
管路中的氡气集中到集氡箱28中后，关闭第四阀门27，打开第五阀门39和连续测氡仪32，利用连续测氡仪进行氡浓度的累积测量。
综上所述，本实施例所提供的一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置及测试方法，先将安装岩石试样的密封室抽真空处理，再将岩石试样剪切破坏过程中释放的氡气全部收集到集氡箱中，再利用氡浓度测量仪测试集氡箱收集到的氡气浓度，从而可保证集氡箱所收集氡气的纯炖，进而可保证氡浓度测量仪测试氡气浓度的准确性，具有很好的实用性。
以下所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式下的限制，任何所述技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。
Claims (10)
1.一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：
剪切实验仪，所述剪切实验仪包括法向加载机构、切向加载机构、密封箱(6)以及用于放置岩石试样(13)的剪切盒(14)，所述剪切盒(14)设置在所述密封箱(6)内，所述法向加载机构以及所述切向加载机构设置在所述密封箱(6)的外侧，所述法向加载机构的输出端沿竖向往返移动，所述法向加载机构的输出端可穿过所述密封箱(6)，所述法向加载机构的输出端作用在所述剪切盒(14)的顶部，所述切向加载机构的输出端沿水平向往返移动，所述切向加载机构的输出端可穿过所述密封箱(6)的水平侧部，所述切向加载机构的输出端作用在所述剪切盒(14)的水平侧部；
声发射传感器(40)以及声发射处理器(41)，多个所述声发射传感器(40)间隔设置在所述岩石试样(13)的表面上，多个所述声发射传感器(40)均和所述声发射处理器(41)连接；
真空泵(18)，所述真空泵(18)和所述密封室(6)内部连通；
集氡箱(28)，所述集氡箱(28)和所述密封室(6)内部连通；
氡浓度测量仪(32)，所述氡浓度测量仪(32)和所述集氡箱(28)连通。
2.根据权利要求1所述的一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置，其特征在于，所述密封箱(6)的顶部敞口设置，所述密封箱(6)的顶部设置有可拆卸的盖板(42)，所述盖板(42)将所述敞口密封。
3.根据权利要求2所述的一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置，其特征在于，所述盖板(42)上设置有第一通孔，所述盖板(42)的外侧固定设置有第一密封垫片(5)，所述第一密封垫片(5)将所述第一通孔覆盖；
所述法向加载机构包括法向油缸(1)以及法向加载压头(2)，所述法向油缸(1)固定设置在所述盖板(42)的正上方，所述法向油缸(1)的伸缩端可沿竖向向下伸缩，所述法向加载压头(2)的一端固定连接在所述法向油缸(1)的伸缩端上，所述法向加载压头(2)的另一端依次穿过所述第一密封垫片(5)的中部以及所述盖板(42)的中部的第一通孔，所述法向加载压头(2)的另一端作用在所述剪切盒(14)的顶部。
4.根据权利要求1所述的一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置，其特征在于，所述密封箱(6)的水平侧部设置有第二通孔，所述密封箱(6)的外侧固定设置有第二密封垫片(35)，所述第二密封垫片(35)将所述第二通孔覆盖；
所述切向加载机构包括切向油缸(12)以及切向加载压头(11)，所述切向油缸(12)固定设置在所述密封箱(6)的水平侧部的外侧，所述切向油缸(12)的伸缩端可沿水平方向伸缩，所述切向加载压头(11)的一端固定连接在所述切向油缸(12)的伸缩端上，所述切向加载压头(11)的另一端依次穿过所述第二密封垫片(35)的中部以及所述密封箱(6)的水平侧部的第二通孔，所述切向加载压头的另一端作用在所述剪切盒(14)的水平侧部。
5.根据权利要求1所述的一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置，其特征在于，所述剪切盒(14)包括第一盒体以及第二盒体，所述第一盒体设置在所述第二盒体的上方，所述第一盒体和所述第二盒体相对的端面均敞口设置，所述第一盒体远离所述切向加载机构的一端固定设置有反力架(7)，所述第二盒体的底部设置在辊珠排(8)上。
6.根据权利要求1所述的一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置，其特征在于，多个所述声发射传感器(40)通过耦合剂布置在所述剪切试样(13)表面上。
7.根据权利要求1所述的一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置，其特征在于，所述装置包括第一三通阀(16)、第二三通阀(25)以及第三三通阀(21)，其中：
所述密封箱上设置有通气孔，所述通气孔和所述第一三通阀(16)的第一口通过出气管道(10)连通，所述第一三通阀(16)的第二口和第一管道(17)的一端连通，所述第一三通阀(16)的第三口和第二管道(19)的一端连通，所述真空泵(18)设置在所述第二管道(19)上；
所述第二三通阀(25)的第一口和所述第一管道(17)的另一端连通，所述第三三通阀(25)的第二口和所述第三管道(23)的一端连通，所述第三三通阀(25)的第三口和第四管道(38)的一端连通，所述第四管道(38)的另一端和所述氡浓度测量仪相连，所述集氡箱(28)设置在所述第四管道(38)上；
所述第三三通阀(21)的第一口和所述第二管道(19)的另一端连通，所述第三三通阀(21)的第二口和所述第三管道(23)的另一端连通，所述第三三通阀(21)的第三口和第五管道(37)连通。
8.根据权利要求7所述的一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置，其特征在于，所述出气管道(10)上安装有第一阀门(15)，所述第二管道(17)上安装有第二阀门(24)，所述第三管道(23)上设置有第三阀门(22)，所述第四管道(38)上设置有第四阀门(27)和第五阀门(39)，所述第四阀门(27)设置在所述集氡箱(28)和所述第四管道(38)的一端之间，所述第五阀门(39)设置在所述集氡箱(28)和所述第四管道(38)的另一端之间，所述第五管道(37)上设置有第六阀门(20)。
9.根据权利要求7所述的一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量装置，其特征在于，所述装置还包括第四三通阀(29)，所述第四三通阀(29)的第一口和所述第四管道(38)的另一端连通，所述第四三通阀(29)的第二口和所述连续测氡仪(32)的入口连通，所述第四三通阀(29)的第三口通过第六管道(34)和所述连续测氡仪(32)的出口连通，所述第六管道(34)上设置有填充有干燥剂的干燥盒(33)。
10.一种岩石剪切破坏过程中氡气释放量测量方法，其特征在于，所述测量方法是基于权利要求1-9任一项所述的测量装置进行的，所述测量方法包括：
将岩石试样(13)放置在剪切实验仪中；
利用所述真空泵(18)将密封室(6)内抽真空处理；
所述剪切实验仪完成岩石试样(13)的剪切工序；
将岩石试样(13)内的氡气收集到所述集氡箱(28)中；
利用氡浓度测量仪(32)测试所述集氡箱(28)收集到的氡气浓度。
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