CN113514313B - 一种泥岩样本批量制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩石力学实验技术领域，具体公开了一种泥岩样本批量制备装置及方法，包括测定现场采集的目标泥岩样本在恒温恒压状态下的力学性质参数和矿物组分参数，力学性质参数包括单轴抗压强度和轴向膨胀应变；根据目标泥岩样本的矿物组分参数和力学性质参数，制备泥岩样料。压模成型步骤，将制备的泥岩样料通过泥岩样本批量制备装置中进行压模成型，得到标准尺寸的泥岩重塑样本；质量检测步骤，测定泥岩重塑样本的超声波纵向波速分布，从泥岩重塑样本中筛选出超声波纵向波速分布相近的泥岩重塑样本作为实验用泥岩试件。采用本发明的技术方案能够对批量制备出的泥岩重塑样本进行质量检测、挑选，使最终得到的泥岩重塑样本的物理力学性质相近。

Description

一种泥岩样本批量制备装置及方法

技术领域

本发明涉及岩石力学实验技术领域，特别涉及一种泥岩样本批量制备装置及方法。

背景技术

泥岩是经过漫长而复杂的地质作用下形成，且往往还经历了长期的风化作用，其物理、力学性质均会表现出强烈的离散性和不均一性。即使在同一产地的同种岩石之间，也会有矿物成分比例、密度、空隙率等指标的差异，因此，现场取岩样研究，必会出现所取得的眼样本本身力学特性不一样，难以通过实验室试验得到较为统一的力学性能参数和物理性能参数对比数据。

由此，当前对泥岩样本的研究，通常会对现场所采集到的泥岩样本进行批量制备，从而方便进行试验研究。泥岩重塑样本的质量直接影响后续对泥岩的试验研究，而当前对泥岩重塑样本缺乏进行质量检测，导致批量制备出的泥岩重塑样本的质量参差不齐。另外由于泥岩重塑装置对泥岩样料的压实程度，以及是否均匀压实，所造成批量制备出的泥岩重塑样本的密度、空隙等物理性的离散性大，不能得到高质量的泥岩重塑样本。

发明内容

为解决批量制备出的泥岩重塑样本的质量参差不齐，且泥岩重塑装置对泥岩样料的压实程度不可控，导致批量制备出的泥岩重塑样本物理力学性质离散性大的技术问题，本发明提供了一种泥岩样本批量制备装置及方法。

本发明基础方案如下：

一种泥岩样本批量制备装置，包括上端开口的箱体、用于盖合箱体开口的箱盖、施力机构、压模机构和控制组件，其中：

压模机构包括设置在箱体内的底座、设置在底座上表面的载料筒、与载料筒内壁滑动配合的岩料压实头、底座对准载料筒的位置开设有用于对放置泥岩重塑样本的储样腔，以及用于开合载料筒下端开口的伸缩挡板组件；压实头上均匀布设有若干压力传感器探头；

施力机构包括用于驱动岩料压实头做伸缩运动的驱动器；

控制组件包括控制器和报警器，控制器的输入端与压力传感器探头信号连接，控制器的输出端与驱动器和报警器控制连接；

控制器用于检测压实头上布设的若干压力传感器所检测到的压力信号，并当压力信号的差值超过预设压力差值时，控制报警器产生第一报警信号；还用于控制驱动器的伸长长度。

基础方案的有益效果为：1.载料筒用于装载泥岩样料，压实头与载料筒内壁滑动连接，压实头和通过伸缩挡板闭合载料筒下端开口的载料筒形成泥岩样料压模成型的模具。

2.储料腔用于放置成型后泥岩重塑样本，便于泥岩重塑样本从载料筒内脱模，以及方便泥岩重塑样本拿取。

3.伸缩挡板组件用于开合载料筒下端开口，方便载料筒装载泥岩样料，以及对制备成型的泥岩重塑样本进行脱模。

4.压实头上均匀布设若干压力传感器探头，以此检测压实头对载料筒内的泥岩样料压实所用的力是否均匀，对压实所用的力不均匀时，即检测压实头上布设的若干压力传感器所经检测到的压力信号的差值超过预设压力差值时，控制器控制报警器产生第一报警信号。便于出现压实头施力不均匀时，及时提醒工人调整压实头，使得批量制备出的泥岩重塑样本在压模成型的过程中受力程度相近，且均匀。

5.控制器控制驱动器的伸长长度，从而控制批量压模成型的泥岩重塑样本的尺寸统一，缩减对泥岩重塑样本进行标准尺寸切割，既减少了批量制备时，切割装置的使用，而且提高提高标准尺寸泥岩重塑样本批量制备的效率。

进一步，伸缩挡板组件包括具有磁性的挡板、电磁铁、控制电磁铁通断电的控制开关和一号弹簧，储样腔的侧壁开设有用于对挡板收纳和横向移动的移动腔，电磁铁固设在移动腔内壁，一号弹簧的一端与电磁铁所在的移动腔内壁固定连接，一号弹簧的另一端与挡板固定连接。

有益效果：当载料筒内的泥岩样料压模成为泥岩重塑样本后，打开控制开关，电磁铁吸引具有磁性的挡板，挡板向移动腔一侧移动，实现打开挡板关闭的储样腔开口，使得载料筒内的泥岩重塑样本受重力作用落入储样腔内。

当开始下一个泥岩重塑样本的制备时，关闭控制开关，挡板关闭储样腔开口，挡板和泥岩重塑样本形成用于泥岩重塑样本成型的模具。

进一步，挡板闭合载料筒下端开口时，挡板下表面所对应的移动腔内壁设有重力传感器探头，重力传感器探头与控制器的输入端信号连接；

控制器还用于当重力传感器探头检测到的重力信号达到预设岩料重量阈值时，控制报警器产生第二报警信号。

有益效果：岩料重量阈值为泥岩重塑样本的统一重量，通过重力传感器探头测定的重力信号，当重力传感器探头检测到的重力信号达到预设岩料重量阈值时，控制报警器产生第二报警信号，即产生第二报警信号时，停止向载料筒内装泥岩样料，从而保证批量制备出的泥岩重塑样本在重量上得到统一。

进一步，挡板的上表面设有磨砂层。

有益效果：泥岩重塑样本压模成型后，电磁铁吸引挡板朝一侧移动，让泥岩重塑样本落入储样腔中时，挡板上表面的磨砂层对泥岩重塑样本的下端面进行打磨，使得后续对超声波纵向波速分布测定的准确性。

进一步，箱盖为密封盖，箱体内设有温度调节器和气压调节器。

有益效果：1.温度调节器和气压调节器分别对箱体内的温度和压强进行调节，使得箱体内部处于恒温恒压状态，使得制作的泥岩重塑样本物理和化学性能更加稳定。

2.压模机构设在箱体内，使得泥岩重塑样本的制作过程处于恒温恒压状态，使得制作的泥岩重塑样本物理和化学性能更加稳定。

进一步，储样腔的开口处开设有用于对载料筒限位配合的限位槽。

有益效果：限位槽可对载料筒

进一步，储样腔的侧壁开设有竖向的滑槽，储样腔内还设有支撑板，支撑板的侧面设有与滑槽滑动连接的滑动块；储样腔的横向还开设有连通滑槽，且用于对滑动块定位的定位槽。

有益效果：通过将支撑板沿着滑槽移动至适宜的定位槽，对支撑板定位，从而使不同尺寸大小的泥岩重塑样本进入储样腔时，均可有部分暴露在储样腔的外侧，方便泥岩重塑样本取出。

进一步，支撑板的底部设有二号弹簧，二号弹簧的自由端固定连接在储样腔的底部。

有益效果：二号弹簧给支撑板弹力，从而调节支撑板位置时，只需对支撑板施加压力或者拉力即可，支撑板的调节更加方便。

一种泥岩样本批量制备方法，包括以下步骤：

压模成型步骤，将制备的泥岩样料通过泥岩样本批量制备装置中进行压模成型，得到标准尺寸的泥岩重塑样本；

质量检测步骤，测定泥岩重塑样本的超声波纵向波速分布，从泥岩重塑样本中筛选出超声波纵向波速分布相近的泥岩重塑样本作为实验用泥岩试件。

基础方案的有益效果为：将制备的泥岩样料通过泥岩样本制备装置压模成型，得到标准尺寸的泥岩重塑样本，直接压模成型为标准尺寸的泥岩重塑样本，从而减少对泥岩重塑样本进行打磨的打磨装置，节约标准尺寸泥岩重塑样本制备所需的装置成本。另外，还便于泥岩重塑样本后续的超声波纵向波速分布测定。

2.超声波纵向检测能够在不损害备选实验用岩样试件的性能前提下，通过检测结果(超声波纵向分布)间接表征出泥岩自身的密度、空隙分布状况。对批量压模成型后的泥岩重塑样本均进行超声波纵向波速分布测定，并根据超声波纵向波速分布从泥岩重塑样本中筛选超声波纵向波速分步相近的泥岩重塑样本作为实验用泥岩试件，通过这样得到的试验用泥岩试件的纵向间隙分布相近，即物理力学性质更相近。

进一步，压模成型步骤前还包括样料制备步骤，包括以下步骤：

S1，现场采集目标泥岩样本，测定目标泥岩样本在恒温恒压状态下的力学性质参数和矿物组分参数，力学性质参数包括单轴抗压强度和轴向膨胀应变；

S2，根据目标泥岩样本的矿物组分参数和力学性质参数，制备泥岩样料。

有益效果：在恒温恒压状态下测定目标泥岩样本的力学性质参数和矿物组分参数，避免温度和压强的外界因素变化，导致目标泥岩样本的力学性质参数和矿物组分参数发生变化，导致后续泥岩样料的制备和泥岩重塑样本的制备环境控制出现误差，进而使得制备出的泥岩重塑样本的物理力学性质与目标泥岩样本的物理力学性质差异较大。

附图说明

图1为一种泥岩样本批量制备装置及方法实施例一的流程图；

图2为一种泥岩样本批量制备装置及方法实施例一结构示意图；

图3为一种泥岩样本批量制备装置及方法实施例一的箱体部分示意图；

图4为一种泥岩样本批量制备装置及方法实施例一的剖面示意图；

图5为一种泥岩样本批量制备装置及方法实施例一的局部剖视图；

图6为一种泥岩样本批量制备装置及方法实施例二的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：箱盖1、驱动器2、卡槽3、动力输出轴4、岩料压实头5、卡扣6、载料筒7、箱体8、温度调节器9、气压调节器10、泥岩样料11、储样腔12、移动腔13、电磁铁14、压力传感器探头15、重力传感器探头16、支撑板17、二号弹簧18、一号弹簧19、挡板20、限位槽21、底座22。

实施例一

一种泥岩样本批量制备方法，如图1所示包括以下步骤：

样料制备步骤，包括以下步骤：

S1，现场采集目标泥岩样本，测定目标泥岩样本在恒温恒压状态下的力学性质参数和矿物组分参数，力学性质参数包括单轴抗压强度和轴向膨胀应变；其中，力学性质参数和矿物组分参数为按照《工程岩体试验方法标准GB/T50266-99》和《煤和岩石物理力学性质测定方法(GB/T23561.1-2009)》的要求，通过岩石力学实验机进行测定恒温恒压状态下目标泥岩样本的力学性质参数。

S2，根据目标泥岩样本的矿物组分参数和力学性质参数，制备泥岩样料11。具体地，根据目标泥岩样本的矿物组分参数和力学性质参数设计标准试验配比，将泥岩样料11的原料包括膨润土、黏土、石英砂、水泥和水作为原料，按照标准试验配比配置泥岩样料11。

压模成型步骤，将制备的泥岩样料11通过泥岩样本批量制备装置中进行压模成型，得到标准尺寸的泥岩重塑样本。

质量检测步骤，测定泥岩重塑样本的超声波纵向波速分布，从泥岩重塑样本中筛选出超声波纵向波速分布相近的泥岩重塑样本作为实验用泥岩试件。本实施例中具体采用无损超声波纵向分布。无损的超声波纵向检测能够在损害备选实验用岩样试件的性能前提下，通过检测结果(超声波纵向分布)间接表征出泥岩自身的密度、空隙分布状况。

应用于上述方法的一种泥岩样本批量制备装置，如图2、图3和图4所示，包括上端开口的箱体8、用于盖合箱体8开口的箱盖1、施力机构、压模机构、控制组件和设置在箱体8内的温度调节器9和气压调节器10，箱盖1为密封盖，本实施例中箱体8上螺纹连接有卡扣6，箱盖1上开设有匹配卡扣6的卡槽3，箱盖1盖合在箱体8上时，卡扣6与卡槽3扣合。

其中：

箱盖1为密封盖，箱体8内设有温度调节器9和气压调节器10。

如图5所示，压模机构包括设置在箱体8内的底座22、搭放在底座22上表面的载料筒7、与载料筒7内壁滑动配合的岩料压实头5、底座22对准载料筒7的位置开设有用于对放置泥岩重塑样本的储样腔12，以及用于开合载料筒7下端开口的伸缩挡板20组件，岩料压实头5上均匀布设有若干压力传感器探头15，其中，压力传感器探头15的数量可根据岩料压实头5的横截面尺寸大小动态调整。本实施例中岩料压实头5的横截面尺寸为φ50mm×100mm，均匀布设有三个压力传感器探头15。

储样腔12的开口处开设有用于对载料筒7限位配合的限位槽21，方便载料筒7从底座22上拆卸下来，便于对底座22上的泥岩样料11残留进行清理。储样腔12的侧壁开设有竖向的滑槽，储样腔12内还设有支撑板17，支撑板17的侧面设有与滑槽滑动连接的滑动块；储样腔12的横向还开设有连通滑槽，且用于对滑动块定位的定位槽。支撑板17的底部焊接有二号弹簧18，二号弹簧18的自由端焊接在储样腔12的底部。

伸缩挡板20组件包括具有磁性的挡板20、电磁铁14、控制电磁铁14通断电的控制开关和一号弹簧19，挡板20的上表面粘接有磨砂层。储样腔12的侧壁开设有用于对挡板20收纳和横向移动的移动腔13，电磁铁14粘接在移动腔13内壁，一号弹簧19的一端与电磁铁14所在的移动腔13内壁焊接，一号弹簧19的另一端与挡板20焊接。

挡板20闭合载料筒7下端开口时，挡板20下表面所对应的移动腔13内壁设有重力传感器探头16。

施力机构包括用于驱动岩料压实头5做伸缩运动的驱动器2。本实施例中，驱动器2固定在密封盖的外侧，驱动器2的动力输出轴4贯穿密封盖与岩料压实头5固定连接，目的是为了减少施力机构占用箱体8内的空间，以及避免驱动器2工作发热影响箱体8内部的恒温状态，增加温度调节器9的工作负担；

控制组件包括控制器和报警器，重力传感器探头16和压力传感器探头15均与控制器的输入端信号连接，控制器的输出端均与驱动器2和报警器控制连接。

控制器用于检测压实头上布设的若干压力传感器所检测到的压力信号，并当压力信号的差值超过预设压力差值时，控制报警器产生第一报警信号；控制器还用于控制驱动器2的伸长长度。控制器还用于当重力传感器探头16检测到的重力信号达到预设岩料重量阈值时，控制报警器产生第二报警信号。

泥岩样本批量制备装置的具体操作过程如下：

打开箱盖1，按压支撑板17在滑槽内滑动至适宜位置的定位槽口，将旋转支撑板17，使与支撑板17固定的滑块滑入定位槽内定位。

向箱体8内放置在限位槽21内的载料筒7装入配置的泥岩样料11，直到报警器发出二号报警信号，停止向载料筒7投放泥岩样料11；

将箱盖1密封盖合箱体8，调节温度调节器9和气压调节器10至指定的温度和气压。

通过控制器控制驱动器2伸长指定长度，即当驱动器2驱动岩料压实头5向载料筒7压实长度至指定长度时，控制器控制驱动器2停止驱动器2伸长，进行复位，完成泥岩重塑样本的成型。

打开控制开关，电磁铁14吸引具有磁性的挡板20，挡板20向移动腔13一侧移动，实现打开挡板20关闭的储样腔12开口，在挡板20打开储样腔12开口的过程中，挡板20上表面的磨砂层对成型的泥岩重塑样本的下表面进行打磨。当挡板20完全打开储样腔12的开口时，载料筒7内的泥岩重塑样本受力作用下落进储样腔12内。

打开箱盖1，取出载料筒7，即可看到部分裸露在储样腔12开口处的泥岩重塑样本，即可取出泥岩重塑样本，开始下一个泥岩重塑样本的制备。

实施例二

与实施例一的区别之处在于：岩土体材料在漫长而复杂的地质作用下形成，且往往还要经历长期的风化作用，所以在现场所采集的目标泥岩样本内部的间隙分布，以及不同成分的物质在目标泥岩样本的分布均是不均匀的。为了能够尽量减少残次品的出现，从源头上模拟出目标泥岩样本由所在地理位置所形成的实际不同成分物质分布以及内部间隙分布所产生的实际力学性质和物理性质。还提出了另一种泥岩重塑样品批量制备方法，如图6所示，包括以下步骤：

S3，对采集到的目标泥岩样本按照相同厚度的低速周向层切，得到若干按照得到顺序进行标号的层级泥岩样本。相较于高速周向层切的方式，低速可减少层级泥岩样本的损失。

S4，测定各层级泥岩样本的在恒温恒压状态下的力学性质参数和矿物组分参数；

S5，根据各层泥岩样本的矿物组分参数和力学性质参数从各组试验用泥岩重塑样本中筛选出最接近的一组试验用泥岩重塑样本，并将筛选出的试验用泥岩重塑样本的实验配比作为该层级的标准配比；

S6，根据各层级对应的标准配比制备各层级泥岩样料11，并均匀铺设在棉层，得到层级重塑样本。其中，棉层优选为网状棉层，尽可能减少脱棉层时，棉层对整体的半结构泥岩重塑样本的影响。

S7，按照标号的逆顺序对各层级重塑样本进行卷合固定和低温烘干，得到半结构泥岩重塑样本；

S8，剥离半结构泥岩重塑样本中的棉层，得到泥岩重塑样本。

剥离装置包括机台、设置在机台上的传送带、设置在机台一端的旋转夹持架和设置在机台一侧的剥离刀，旋转夹持架包括驱动电机和固定在驱动电机输出轴的夹持座，夹持座用于夹持目标泥岩样本，驱动电机剥离刀用于对目标泥岩样本进行逐层剥离传送带上均匀设有泥岩样料11装载盘。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种泥岩样本批量制备装置，其特征在于，包括上端开口的箱体、用于盖合箱体开口的箱盖、施力机构、压模机构和控制组件，其中：

压模机构包括设置在箱体内的底座、设置在底座上表面的载料筒、与载料筒内壁滑动配合的岩料压实头、底座对准载料筒的位置开设有用于对放置泥岩重塑样本的储样腔，以及用于开合载料筒下端开口的伸缩挡板组件；压实头上均匀布设有若干压力传感器探头；

施力机构包括用于驱动岩料压实头做伸缩运动的驱动器；

控制组件包括控制器和报警器，控制器的输入端与压力传感器探头信号连接，控制器的输出端与驱动器和报警器控制连接；

控制器用于检测压实头上布设的若干压力传感器所检测到的压力信号，并当压力信号的差值超过预设压力差值时，控制报警器产生第一报警信号；还用于控制驱动器的伸长长度；

伸缩挡板组件包括具有磁性的挡板、电磁铁、控制电磁铁通断电的控制开关和一号弹簧，储样腔的侧壁开设有用于对挡板收纳和横向移动的移动腔，电磁铁固设在移动腔内壁，一号弹簧的一端与电磁铁所在的移动腔内壁固定连接，一号弹簧的另一端与挡板固定连接；

挡板闭合载料筒下端开口时，挡板下表面所对应的移动腔内壁设有重力传感器探头，重力传感器探头与控制器的输入端信号连接；

控制器还用于当重力传感器探头检测到的重力信号达到预设岩料重量阈值时，控制报警器产生第二报警信号。

2.根据权利要求1所述的一种泥岩样本批量制备装置，其特征在于：挡板的上表面设有磨砂层。

3.根据权利要求1所述的一种泥岩样本批量制备装置，其特征在于：箱盖为密封盖，箱体内设有温度调节器和气压调节器。

4.根据权利要求1所述的一种泥岩样本批量制备装置，其特征在于：储样腔的开口处开设有用于对载料筒限位配合的限位槽。

5.根据权利要求1所述的一种泥岩样本批量制备装置，其特征在于：储样腔的侧壁开设有竖向的滑槽，储样腔内还设有支撑板，支撑板的侧面设有与滑槽滑动连接的滑动块；储样腔的横向还开设有连通滑槽，且用于对滑动块定位的定位槽。

6.根据权利要求5所述的一种泥岩样本批量制备装置，其特征在于：支撑板的底部设有二号弹簧，二号弹簧的自由端固定连接在储样腔的底部。

7.一种泥岩样本批量制备方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的一种泥岩样本批量制备装置进行泥岩样本批量制备，包括以下步骤：

压模成型步骤，将制备的泥岩样料通过泥岩样本批量制备装置中进行压模成型，得到标准尺寸的泥岩重塑样本；

质量检测步骤，测定泥岩重塑样本的超声波纵向波速分布，从泥岩重塑样本中筛选出超声波纵向波速分布相近的泥岩重塑样本作为实验用泥岩试件。

8.根据权利要求7所述的一种泥岩样本批量制备方法，其特征在于：压模成型步骤前还包括样料制备步骤，包括以下步骤：

S1，现场采集目标泥岩样本，测定目标泥岩样本在恒温恒压状态下的力学性质参数和矿物组分参数，力学性质参数包括单轴抗压强度和轴向膨胀应变；

S2，根据目标泥岩样本的矿物组分参数和力学性质参数，制备泥岩样料。