CN112903470A - 一种基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置及方法，装置包括保温箱、加热管路、冷却管路及渗流式互扣夹具；保温箱内放置岩石试样；保温箱上下两侧箱壁上对称开设有竖直加载孔，保温箱左右两侧箱壁上对称开设有水平加载孔；岩石试样由渗流式互扣夹具进行封装，渗流式互扣夹具上安装有用于测量岩石试样变形的LVDT位移传感器组；加热管路布设在与岩石试样围压加载面正对的保温箱箱体内表面；冷却管路布设在保温箱的竖直加载孔和水平加载孔的外侧。实验方法为：将实验装置安装到真三轴加载设备内，制备试样组合体并送入保温箱内；精确对中夹紧试样组合体并充液压油；启动加热和冷却；启动渗流加载；启动真三轴加载并完成渗流测量。

Description

一种基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置及方法
技术领域
本发明属于岩石力学与工程技术领域，特别是涉及一种基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置及方法。
背景技术
针对深埋隧道、干热岩开发工程、高放废物处置工程等深部地下工程，工程范围内的岩体多处于高温高应力状态，同时还经常伴有地下水的存在，目前关于研究这些工程中处于高温环境下岩体渗透率的演化过程以及多场耦合问题研究尚不充分，需要进一步了解在高温高压条件下岩体的力学性质变化及内部裂隙扩展导致的渗透率变化过程，以及岩体物理力学性质。
对于上述问题的研究，目前尚未形成一套完整的理论，对于多场耦合问题研究，多采用软件模拟的方式，而在模拟中所使用的参数以及得到结果的准确性和可靠性，仍需要一定的实验予以支持及验证。
鉴于深部岩体现场实测数据获取困难，而现有的相关理论公式也存在适用性不足的问题，并且实验研究所需的实验设备十分匮乏。因此，研发一套能够满足实际需求的实验设备势在必行，该设备不仅需要可以提供真三向不同高应力加载条件，同时设备的温度加载能力还应达到深部地下工程中岩体真实位置所处的温度环境，如增强型地热系统中储层岩石所处的温度一般在200℃以上。
目前，现有的真三轴试验装置仅仅能够增加渗流或高温功能中的一项，而针对增强型地热系统的高温环境下岩石渗透率的演化过程研究基本无法实施。
例如，申请号为201720048125.0的中国专利申请公开的真三轴试验装置及系统、申请号为202010764849.1的中国专利申请公开的岩石真三轴应力-渗流测试装置及方法、申请号为201910599102.2的中国专利申请公开的基于双轴流变仪实现可视化的真三轴水力耦合试验装置、申请号为202010188888.1的中国专利申请公开的一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法、申请号为201910461877.3的中国专利申请公开的可视化单裂隙岩石应力-渗流耦合试样的三轴渗流试验方法、申请号为201920928729.3的中国专利申请公开的利用真三轴仪器开展裂隙岩体各向异性渗流测试试验装置、申请号为201711251111.X的中国专利申请公开的一种施加非均布载荷的真三轴渗流实验装置、申请号为201910532740.2的中国专利申请公开的利用岩石真三轴加载测试系统开展裂隙岩体各向异性渗流测试的装置设计及方法、申请号为201821029757.3的中国专利申请公开的一种适用于节理或裂隙岩体的L型剪切渗流实验装置、申请号为201510261475.0的中国专利申请公开的裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置及试验方法等，上述专利申请中均只是在真三轴设备的基础具备了一定的渗流功能。
例如，申请号为201510261475.0的中国专利申请公开的裂隙岩石的多场耦合渗透试验装置及试验方法、申请号为201711070075.7的中国专利申请公开的一种含温控系统的大尺寸真三轴水力压裂实验机及其实验方法等，上述专利申请中均只是在真三轴设备的基础具备了一定的温度加载功能，但温度加载能力十分有限，均无法达到深部工程岩体所处的温度条件，其研究范围也无法拓展到深部工程岩体领域，同时上述专利申请的应力加载形式也不满足两刚一柔真三轴加载要求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置及方法，能够在真三轴力学场下同时耦合温度场与渗流场，而且每个试验场均具有稳定的加载能力，可有效提高实验效率和结果精度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置，包括保温箱、加热管路、冷却管路及渗流式互扣夹具；所述保温箱内用于放置岩石试样；在所述保温箱上下两侧箱壁上对称开设有竖直加载孔，在保温箱的左右两侧箱壁上对称开设有水平加载孔；所述岩石试样由渗流式互扣夹具进行封装，在渗流式互扣夹具上安装有用于测量岩石试样变形的LVDT位移传感器组；所述加热管路布设在与岩石试样围压加载面正对的保温箱箱体内表面；所述冷却管路布设在保温箱的竖直加载孔和水平加载孔的外侧。
所述加热管路为不锈钢材质，加热管路与位于装置外部的热循环机连通，加热管路内部循环流动的加热介质为硅油。
所述冷却管路为不锈钢材质，冷却管路与位于装置外部的冷却循环机连通，冷却管路内部循环流动的冷却介质为水。
所述渗流式互扣夹具由四个刚性互扣压块组成，每个刚性互扣压块内均开设有渗流孔道，渗流孔道的一个孔口位于刚性互扣压块的试样接触面上，渗流孔道的另一个孔口位于刚性互扣压块的自由面上；在所述刚性互扣压块的试样接触面与岩石试样之间加装有多孔垫片，在多孔垫片的表面开设有网格状的导流凹槽，在导流凹槽内均布有若干导流孔；位于所述刚性互扣压块试样接触面上的渗流孔道孔口通过多孔垫片上的导流孔与岩石试样导通；将四个所述刚性互扣压块分成两组，并且将相邻的两个刚性互扣压块分到同一组，将第一组的两个刚性互扣压块上的渗流孔道作为渗流介质流入通道，将第二组的两个刚性互扣压块上的渗流孔道作为渗流介质流出通道；所述刚性互扣压块上的渗流介质流入通道和渗流介质流出通道分别通过渗流介质管路与位于装置外部的渗流加载注射泵连通，渗流介质为液态介质或气态介质。
一种基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验方法，采用了所述的基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置，包括如下步骤：
步骤一：将实验装置安装到两刚一柔型真三轴加载设备的压力室内；
步骤二：将岩石试样、渗流式互扣夹具及LVDT位移传感器组装配在一起形成试样组合体；
步骤三：将试样组合体送入保温箱内，同时完成渗流介质管路的连接；
步骤四：通过两刚一柔型真三轴加载设备的作动器对试样组合体进行精确对中夹紧；
步骤五：启动两刚一柔型真三轴加载设备的围压加载注射泵，向保温箱内部的围压加载空间中充入液压油，直到液压油充满围压加载空间；
步骤六：启动热循环机，使加热后的硅油在加热管路循环流动，并使热硅油与围压加载空间内的液压油进行热交换，直到液压油的温度达到目标值；同时启动冷却循环机，使冷却水在冷却管路内循环流动，并使冷却水与各个作动器进行热交换，保证各个作动器在常温度下运行；
步骤七：启动渗流加载注射泵，使渗流介质通过渗流孔道充入岩石试样内，直至完成岩石试样的渗流加载；
步骤八：通过两刚一柔型真三轴加载设备的作动器对岩石试样施加应力载荷，同时通过围压加载注射泵对岩石试样施加围压载荷，以实现对岩石试样的阶梯式真三轴加载，同时完成渗流测量；
步骤九：在各个阶级等级载荷下，记录并观测岩石试样的变形情况，同时测量岩石试样的渗透率演变。
渗流加载过程为：在设定的围压载荷下，向岩石试样内注入渗流介质，直到渗流介质流入通道和渗流介质流出通道均达到设定的渗流压力，同时根据有效应力原理，在设定的围压载荷基础上增加一个渗流压力，以保证有效围压不变，使岩石试样在设定的渗流压力下充满渗流介质，同时使渗流介质流入通道和渗流介质流出通道的压力在设定的渗流压力下达到平衡，之后关闭渗流介质的注入，再通过渗流介质流入通道注入一个设定的脉冲压力，并使渗流介质流入通道和渗流介质流出通道的压力重新恢复平衡。
本发明的有益效果：
本发明的基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置及方法，能够在真三轴力学场下同时耦合温度场与渗流场，而且每个试验场均具有稳定的加载能力，可有效提高实验效率和结果精度。
附图说明
图1为本发明的基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置的结构示意图；
图2为本发明的基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置(试样组合体为剖视状态)的结构示意图；
图3为本发明的基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置(试样组合体未示出)的结构示意图；
图4为本发明的试样组合体的结构示意图；
图5为本发明的刚性互扣压块的结构示意图；
图6为图5中A向视图(多孔垫片未示出)；
图7为图5中A向视图(示有多孔垫片)；
图中，1—保温箱，2—加热管路，3—冷却管路，4—渗流式互扣夹具，5—岩石试样，6—竖直加载孔，7—水平加载孔，8—LVDT位移传感器组，9—刚性互扣压块，10—渗流孔道，11—多孔垫片，12—导流凹槽，13—导流孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～7所示，一种基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置，包括保温箱1、加热管路2、冷却管路3及渗流式互扣夹具4；所述保温箱1内用于放置岩石试样5；在所述保温箱1上下两侧箱壁上对称开设有竖直加载孔6，在保温箱1的左右两侧箱壁上对称开设有水平加载孔7；所述岩石试样5由渗流式互扣夹具4进行封装，在渗流式互扣夹具4上安装有用于测量岩石试样5变形的LVDT位移传感器组8；所述加热管路2布设在与岩石试样5围压加载面正对的保温箱1箱体内表面；所述冷却管路3布设在保温箱1的竖直加载孔6和水平加载孔7的外侧。
所述加热管路2为不锈钢材质，加热管路2与位于装置外部的热循环机连通，加热管路2内部循环流动的加热介质为硅油。
所述冷却管路3为不锈钢材质，冷却管路3与位于装置外部的冷却循环机连通，冷却管路3内部循环流动的冷却介质为水。
所述渗流式互扣夹具4由四个刚性互扣压块9组成，每个刚性互扣压块9内均开设有渗流孔道10，渗流孔道10的一个孔口位于刚性互扣压块9的试样接触面上，渗流孔道10的另一个孔口位于刚性互扣压块9的自由面上；在所述刚性互扣压块9的试样接触面与岩石试样5之间加装有多孔垫片11，在多孔垫片11的表面开设有网格状的导流凹槽12，在导流凹槽12内均布有若干导流孔13；位于所述刚性互扣压块9试样接触面上的渗流孔道10孔口通过多孔垫片11上的导流孔13与岩石试样5导通；将四个所述刚性互扣压块9分成两组，并且将相邻的两个刚性互扣压块9分到同一组，将第一组的两个刚性互扣压块9上的渗流孔道10作为渗流介质流入通道，将第二组的两个刚性互扣压块9上的渗流孔道10作为渗流介质流出通道；所述刚性互扣压块9上的渗流介质流入通道和渗流介质流出通道分别通过渗流介质管路与位于装置外部的渗流加载注射泵连通，渗流介质为液态介质或气态介质。
一种基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验方法，采用了所述的基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置，包括如下步骤：
步骤一：将实验装置安装到两刚一柔型真三轴加载设备的压力室内；
步骤二：将岩石试样5、渗流式互扣夹具4及LVDT位移传感器组8装配在一起形成试样组合体；
步骤三：将试样组合体送入保温箱1内，同时完成渗流介质管路的连接；
步骤四：通过两刚一柔型真三轴加载设备的作动器对试样组合体进行精确对中夹紧；
步骤五：启动两刚一柔型真三轴加载设备的围压加载注射泵，向保温箱1内部的围压加载空间中充入液压油，直到液压油充满围压加载空间；
步骤六：启动热循环机，使加热后的硅油在加热管路2循环流动，并使热硅油与围压加载空间内的液压油进行热交换，直到液压油的温度达到目标值；同时启动冷却循环机，使冷却水在冷却管路3内循环流动，并使冷却水与各个作动器进行热交换，保证各个作动器在常温度下运行；
步骤七：启动渗流加载注射泵，使渗流介质通过渗流孔道10充入岩石试样5内，直至完成岩石试样5的渗流加载；
步骤八：通过两刚一柔型真三轴加载设备的作动器对岩石试样5施加应力载荷，同时通过围压加载注射泵对岩石试样5施加围压载荷，以实现对岩石试样5的阶梯式真三轴加载，同时完成渗流测量；
步骤九：在各个阶级等级载荷下，记录并观测岩石试样5的变形情况，同时测量岩石试样5的渗透率演变。
渗流加载过程为：在设定的围压载荷(6MPa)下，向岩石试样5内注入渗流介质(氮气)，直到渗流介质流入通道和渗流介质流出通道均达到设定的渗流压力(0.9MPa)，同时根据有效应力原理，在设定的围压载荷基础上增加一个渗流压力(0.9MPa)，以保证有效围压(6MPa)不变，使岩石试样5在设定的渗流压力(0.9MPa)下充满渗流介质(氮气)，同时使渗流介质流入通道和渗流介质流出通道的压力在设定的渗流压力(0.9MPa)下达到平衡，之后关闭渗流介质(氮气)的注入，再通过渗流介质流入通道注入一个设定的脉冲压力(0.1MPa)，并使渗流介质流入通道和渗流介质流出通道的压力(1MPa)重新恢复平衡。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (6)

1.一种基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置，其特征在于：包括保温箱、加热管路、冷却管路及渗流式互扣夹具；所述保温箱内用于放置岩石试样；在所述保温箱上下两侧箱壁上对称开设有竖直加载孔，在保温箱的左右两侧箱壁上对称开设有水平加载孔；所述岩石试样由渗流式互扣夹具进行封装，在渗流式互扣夹具上安装有用于测量岩石试样变形的LVDT位移传感器组；所述加热管路布设在与岩石试样围压加载面正对的保温箱箱体内表面；所述冷却管路布设在保温箱的竖直加载孔和水平加载孔的外侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置，其特征在于：所述加热管路为不锈钢材质，加热管路与位于装置外部的热循环机连通，加热管路内部循环流动的加热介质为硅油。
3.根据权利要求1所述的一种基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置，其特征在于：所述冷却管路为不锈钢材质，冷却管路与位于装置外部的冷却循环机连通，冷却管路内部循环流动的冷却介质为水。
4.根据权利要求1所述的一种基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置，其特征在于：所述渗流式互扣夹具由四个刚性互扣压块组成，每个刚性互扣压块内均开设有渗流孔道，渗流孔道的一个孔口位于刚性互扣压块的试样接触面上，渗流孔道的另一个孔口位于刚性互扣压块的自由面上；在所述刚性互扣压块的试样接触面与岩石试样之间加装有多孔垫片，在多孔垫片的表面开设有网格状的导流凹槽，在导流凹槽内均布有若干导流孔；位于所述刚性互扣压块试样接触面上的渗流孔道孔口通过多孔垫片上的导流孔与岩石试样导通；将四个所述刚性互扣压块分成两组，并且将相邻的两个刚性互扣压块分到同一组，将第一组的两个刚性互扣压块上的渗流孔道作为渗流介质流入通道，将第二组的两个刚性互扣压块上的渗流孔道作为渗流介质流出通道；所述刚性互扣压块上的渗流介质流入通道和渗流介质流出通道分别通过渗流介质管路与位于装置外部的渗流加载注射泵连通，渗流介质为液态介质或气态介质。
5.一种基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验方法，采用了权利要求1所述的基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验装置，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：将实验装置安装到两刚一柔型真三轴加载设备的压力室内；
步骤二：将岩石试样、渗流式互扣夹具及LVDT位移传感器组装配在一起形成试样组合体；
步骤三：将试样组合体送入保温箱内，同时完成渗流介质管路的连接；
步骤四：通过两刚一柔型真三轴加载设备的作动器对试样组合体进行精确对中夹紧；
步骤五：启动两刚一柔型真三轴加载设备的围压加载注射泵，向保温箱内部的围压加载空间中充入液压油，直到液压油充满围压加载空间；
步骤六：启动热循环机，使加热后的硅油在加热管路循环流动，并使热硅油与围压加载空间内的液压油进行热交换，直到液压油的温度达到目标值；同时启动冷却循环机，使冷却水在冷却管路内循环流动，并使冷却水与各个作动器进行热交换，保证各个作动器在常温度下运行；
步骤七：启动渗流加载注射泵，使渗流介质通过渗流孔道充入岩石试样内，直至完成岩石试样的渗流加载；
步骤八：通过两刚一柔型真三轴加载设备的作动器对岩石试样施加应力载荷，同时通过围压加载注射泵对岩石试样施加围压载荷，以实现对岩石试样的阶梯式真三轴加载，同时完成渗流测量；
步骤九：在各个阶级等级载荷下，记录并观测岩石试样的变形情况，同时测量岩石试样的渗透率演变。
6.根据权利要求5所述的一种基于硬岩真三轴系统的高温渗流耦合实验方法，其特征在于：渗流加载过程为：在设定的围压载荷下，向岩石试样内注入渗流介质，直到渗流介质流入通道和渗流介质流出通道均达到设定的渗流压力，同时根据有效应力原理，在设定的围压载荷基础上增加一个渗流压力，以保证有效围压不变，使岩石试样在设定的渗流压力下充满渗流介质，同时使渗流介质流入通道和渗流介质流出通道的压力在设定的渗流压力下达到平衡，之后关闭渗流介质的注入，再通过渗流介质流入通道注入一个设定的脉冲压力，并使渗流介质流入通道和渗流介质流出通道的压力重新恢复平衡。
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