CN113984808B

CN113984808B - 冻结法扩展岩石裂隙的试验方法

Info

Publication number: CN113984808B
Application number: CN202111264748.9A
Authority: CN
Inventors: 尤哲敏; 赖远明; 裴万胜; 张明义
Original assignee: Northwest Institute of Eco Environment and Resources of CAS
Current assignee: Northwest Institute of Eco Environment and Resources of CAS
Priority date: 2021-10-28
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2023-07-21
Anticipated expiration: 2041-10-28
Also published as: CN113984808A

Abstract

本发明提供一种冻结法扩展岩石裂隙的试验方法，涉及岩石检测技术领域。该方法包括：将岩石的试样装入模型管中，并进行CT扫描，获得原始裂隙扩展特征图，其中，模型管为透明容器；密封试样与模型管之间的缝隙；在试样的顶部放置控温元件，并在模型管外部包裹保温材料，实现对试样从上至下单向冻结；在模型管上布置温度传感器，以获取温度随时间变化的曲线；向模型管中通入裂隙水，以冻结试样；对试样升温，以融化试样；对融化后的试样进行CT扫描，获得冻融裂隙扩展特征图；对比原始裂隙扩展特征图与冻融裂隙扩展特征图，获得结构变化特征，从而确定试样的裂隙扩展、延伸的规律，为提高煤层的开采率和避免岩石冻结造成工程危害提供理论指导。

Description

冻结法扩展岩石裂隙的试验方法

技术领域

本发明涉及岩石检测技术领域，具体而言，涉及一种冻结法扩展岩石裂隙的试验方法。

背景技术

低温环境下岩石具有非均质、多相和多层次的复杂结构，其强度与内部存在的节理、微裂隙、颗粒孔隙和空洞等初始细观结构密切相关。岩石冻结过程中，裂隙水结成冰而体积膨胀，但岩石颗粒体积收缩，在微裂隙与岩石矿物颗粒间产生巨大的冻胀力，该冻胀力对于胶结强度较弱的岩石矿物颗粒有破坏作用，引起岩石结构损伤；外荷载促使大量微裂纹萌生、扩展，损伤域逐步连通，导致岩石破坏。

如寒区的岩质边坡、隧道、道路路基、地下输油气管线及液化天然气的地下低温贮存等，都不同程度存在冻结岩石的问题。冻结岩石的主要工程危害有岩质边坡的冻融剥蚀、滑塌以至滑坡，隧道岩体的冻胀开裂、失稳，输油存储库岩腔冻胀影响储存罐的安全等。因此，研究岩石在低温冻结过程中细观结构的变化具有重要意义。

发明内容

本发明的目的包括提供一种冻结法扩展岩石裂隙的试验方法，其能够实现岩石裂隙在冻结过程中的温度场数据的连续采集和冻胀的发展情况的实时监测，结构简单、可操作性强。

本发明的实施例可以这样实现：

本发明提供一种冻结法扩展岩石裂隙的试验方法，冻结法扩展岩石裂隙的试验方法包括：

制备岩石的试样；

将试样装入模型管中，并进行CT扫描，获得原始裂隙扩展特征图，其中，模型管为透明容器；

密封试样与模型管之间的缝隙；

在试样的顶部放置控温元件，并在模型管外部包裹保温材料，以实现对试样从上至下单向冻结；

在模型管上布置温度传感器，以获取模型管中液体与试样各断面的温度随时间变化的曲线；

向模型管中通入裂隙水，以冻结试样；

对试样升温，以融化试样；

对融化后的试样进行CT扫描，获得冻融裂隙扩展特征图；

对比原始裂隙扩展特征图与冻融裂隙扩展特征图，获得结构变化特征。

本发明实施例提供的冻结法扩展岩石裂隙的试验方法至少包括以下有益效果：

1.通过将试样装入模型管进行试验，并对试样进行冻结、融化操作，获得试样的结构变化特征，从而确定试样的裂隙扩展、延伸的规律，为提高煤层的开采率和避免岩石冻结造成工程危害提供理论指导；

2.采用模型管盛装试样，并密封，可以保证试样的裂隙沿着一定的方向扩展，避免试样发生脆性破坏，便于精准收集到裂隙发展的过程特征；

3.模型管为透明容器，可以透过CT射线，便于通过CT扫描实时收集裂隙发展的过程特征。

在可选的实施方式中，模型管的管体采用有机玻璃制成。

在可选的实施方式中，模型管包括：

下立管，用于盛装试样；

上立管，与下立管连通，上立管用于盛装裂隙水；

盖板，连接在上立管的顶端，盖板上开设有冷浴液进口、冷浴液出口和压力注水口；

垫板，连接在下立管的底端；

密封圈，在垫板与下立管之间设置有密封圈，在下立管与上立管之间设置有密封圈，上立管与盖板之间设置有密封圈。

在可选的实施方式中，制备岩石的试样的步骤包括：

采用取芯机从煤岩上制取圆柱状的岩心；

采取切割机将岩心切割成所需尺寸的试样；

采用打磨机将试样的两个端面打磨平整。

在可选的实施方式中，密封试样与模型管之间的缝隙的步骤包括：

采用石蜡和密封胶圈密封试样与模型管之间的缝隙。

在可选的实施方式中，在模型管上布置温度传感器的步骤包括：

沿试样的高度方向确定多个间距相等的断面，在每个断面上均匀布置多个温度传感器。

在可选的实施方式中，向模型管中通入裂隙水，以冻结试样的步骤包括：

在控温元件中设置多个不同的负温，并分别对试样降温，直至试样的温度恒定，并维持第一预设时长。

在可选的实施方式中，对试样升温，以融化试样的步骤包括：

在控温元件中设置正温，并对试样升温，直至试样的温度恒定，并维持第二预设时长。

在可选的实施方式中，控温元件包括控温板或U型管。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的冻结法扩展岩石裂隙的试验方法的流程图；

图2为模型管的结构示意图；

图3为冻结前、经历1次和6次冻融循环后的煤岩试样各断面的CT数分布曲线；

图4为经历不同冻融循环次数后煤岩试样孔隙率的增量的分布曲线。

图标：1-模型管；2-下立管；3-上立管；4-盖板；5-垫板；6-密封圈；7-冷浴液进口；8-冷浴液出口；9-压力注水口；10-温度传感器接入口；11-法兰盘。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

请参考图1，本实施例提供了一种冻结法扩展岩石裂隙的试验方法，冻结法扩展岩石裂隙的试验方法包括以下步骤：

S1：制备岩石的试样。

具体的，选取大块的煤岩，首先，采用取芯机从煤岩上制取圆柱状的岩心，其中，岩心的直径可以是100mm；其次，采取切割机将岩心切割成所需尺寸的试样，其中，试样的高度可以是100mm；最后，采用打磨机将试样的两个端面打磨平整，保证端面的不平整度满足《工程岩体试验方法标准》中对试样的要求。

S2：将试样装入模型管中，并进行CT扫描，获得原始裂隙扩展特征图。

具体的，将包裹有热缩管的试样放置在模型管的底端，其中，模型管为透明容器。本实施例中，模型管的管体采用有机玻璃制成。模型管的外径可以是160mm，壁厚可以是25mm，高度可以是422mm。这样，壁厚较厚的模型管，可以承受试样冷冻环境而不致发生冻裂。

请参阅图2，模型管1包括下立管2、上立管3、盖板4、垫板5和密封圈6，其中，下立管2用于盛装试样，上立管3与下立管2连通，上立管3用于盛装裂隙水，盖板4连接在上立管3的顶端，盖板4上开设有冷浴液进口7、冷浴液出口8和压力注水口9，垫板5连接在下立管2的底端。在垫板5与下立管2之间设置有密封圈6，在下立管2与上立管3之间设置有密封圈6，上立管3与盖板4之间设置有密封圈6。下立管2的侧壁上开设有温度传感器接入口10，下立管2与上立管3采用带孔的法兰盘11连接。其中，模型管1的管体采用有机玻璃制成，也就是说，下立管2、上立管3、盖板4以及垫板5均可以采用有机玻璃制成，不仅可以承受高围压，承压极限可达20MPa，还能够透过CT射线，实现对试样的无损实时CT扫描，提高监测精度。

其中，下立管2的高度可以提高，放置更高高度的试样，增大模型试验的试样尺寸，可以达到更好的试验效果。

S3：密封试样与模型管之间的缝隙。

具体的，采用石蜡和密封胶圈密封试样与模型管之间的缝隙，保证上方液体仅从试样的顶端沿试验的内部向下端流动或传导。

S4：在试样的顶部放置控温元件，并在模型管外部包裹保温材料，实现对试样从上至下单向冻结。

其中，控温元件包括控温板或U型管，本实施例中，控温元件选用控温板，利用控温板直接给试样的顶端降温，实现自上而下的单向冻结。当然，控温元件也可以选择U型管，更接近工程实际，且对周围介质的冷冻效果更均匀。

在模型管1的周围还包裹有5cm厚的保温材料，以实现模型管1与周围环境无热交换。

S5：在模型管上布置温度传感器，以获取模型管中液体与试样各断面的温度随时间变化的曲线。

其中，沿试样的高度方向确定多个间距相等的断面，在每个断面上均匀布置多个温度传感器。本实施例中，沿试样的高度方向确定有5个断面，分别是在试样顶端上方的20mm处，在试样的中上部、距试样的顶端35mm处，在试样的中部、距试样的顶端50mm处，在试样的中下部、距试样的顶端65mm处，在试样的下部、距试样的顶端80mm处，在每个断面均匀布置3～4个温度传感器，监测模型管中液体与试样各断面温度随时间变化曲线。

S6：向模型管中通入裂隙水，以冻结试样。

具体的，在控温元件中设置多个不同的负温，并分别对试样降温，直至试样的温度恒定，并维持第一预设时长，并采用DT80数采仪实时采集温度数据。其中，多个不同的负温包括-30℃、-20℃、-15℃，第一预设时长可以是1h。

S7：对试样升温，以融化试样。

具体的，在控温元件中设置正温，并对试样升温，直至试样的温度恒定，并维持第二预设时长。其中，正温可以是20℃，第二预设时长可以是1h。

S8：对融化后的试样进行CT扫描，获得冻融裂隙扩展特征图。

具体的，将经过冻融的试样放置在CT扫描机上，进行代表性部位的扫描，获得冻融裂隙扩展特征图。

S9：对比原始裂隙扩展特征图与冻融裂隙扩展特征图，获得结构变化特征。

其中，CT扫描机扫描试样获得的CT数与密度直接关联，因此可根据获得的CT图像，判断试样内微裂纹的发育程度，对岩土体进行损伤评价。根据岩石孔隙率的定义，对于单个CT扫描断面，其孔隙率用孔隙面积与总面积的比值来确定，因此岩石的孔隙率增量即为损伤度：

式中，Δn_i为第i个扫描层岩石孔隙率的增量，D为损伤度，m₀为CT扫描机的分辨率，H_i为试样发生损伤前的CT数，H₀为试样损伤后的CT数。

对于整个岩样的孔隙率增量，通过对每个扫描层面的孔隙率进行求和平均：

式中，Δn为岩样的平均孔隙率增量，m为试样的扫描层总数。

本实施例提供一组试验例，对冻结前、经历1次和6次冻融循环后的煤岩试样，分别进行CT扫描，统计各断面的CT数分布曲线如图3所示，试样饱水冷冻后其CT数整体呈现减小的趋势，说明裂隙增多。特别是经历6次冻融循环后，CT数降幅明显，在波动较大的地方，可能主要由于钻孔后试样与空气接触所致。

选取试样第6、10、21层等典型断面，分析其CT数的变化，分析裂隙的变化情况可知，经历1次冻融循环后，CT数分别减小了1.93％、1.15％、0.01％；在经历6次冻融循环后，其CT数比冻结前分别减小了2.82％、1.04％、1.05％，裂隙宽度增大，长度增加，进而引起裂隙的延伸、扩展和贯通，说明冻结对煤岩裂隙具有扩张的作用。

图4为经历不同冻融循环次数后煤岩试样孔隙率的增量的分布曲线，与冻结前初始状态的孔隙率相比，经历1次和6次冻融循环后，煤岩试样的孔隙率分别增加了0.01％和0.026％，说明采用冻结煤岩的方法对提高煤岩裂隙率作用显著。

本实施例提供的冻结法扩展岩石裂隙的试验方法，主要是通过低温冻结，实现试样的裂隙中水结冰冻胀，促使试样的裂隙进一步扩展、延伸。而对于试样的冷冻改造效果的主要评价因素是：判别试样的裂隙是否发生了改变。采用CT扫描方法对冻融前以及经历不同冻融循环次数的试样进行扫描，通过试样中裂隙的变化判断试样冷冻改造的效果。

本实施例还提供一种水冰岩耦合机理的试验系统，用于实现上述冻结法扩展岩石裂隙的试验方法，系统包括液压伺服压力机、冷浴循环器、监测装置和水压控制系统。其中，模型管的压力注水口通过截止阀连接控水板和水压控制箱，给试样注入裂隙水，并通过水压控制系统维持水压；液压伺服压力机用于给试样施压；通过液压伺服压力机和水压控制箱，实现改变裂隙的围压和水压条件。冷浴循环器用于通过控温元件给试样降温；监测装置包括红外热像仪和广角摄像头，用于实时监测试样，且分别与计算机连接，收集实时数据，利用红外热像仪监测裂隙温度场变化，利用广角摄像头监测裂隙冻胀的发展情况。该系统能够实现岩石裂隙在冻结过程中的温度场数据的连续采集和冻胀的发展情况的实时监测，结构简单、可操作性强。

本实施例提供的冻结法扩展岩石裂隙的试验方法至少包括以下有益效果：

3.模型管为透明容器，可以透过CT射线，便于通过CT扫描实时收集裂隙发展的过程特征；

4.采用石蜡和密封胶圈完全密封试样与模型管之间的缝隙，实现水沿试样的裂隙进入。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种冻结法扩展岩石裂隙的试验方法，其特征在于，所述冻结法扩展岩石裂隙的试验方法包括：

制备岩石的试样；

将所述试样装入模型管中，并进行CT扫描，获得原始裂隙扩展特征图，其中，所述模型管为透明容器；其中，所述模型管的管体采用有机玻璃制成，所述模型管包括下立管、上立管、盖板、垫板和密封圈，所述下立管用于盛装所述试样；所述上立管与所述下立管连通，所述上立管用于盛装裂隙水；所述盖板连接在所述上立管的顶端，所述盖板上开设有冷浴液进口、冷浴液出口和压力注水口；所述垫板连接在所述下立管的底端；在所述垫板与所述下立管之间设置有所述密封圈，在所述下立管与所述上立管之间设置有所述密封圈，所述上立管与所述盖板之间设置有所述密封圈；

密封所述试样与所述模型管之间的缝隙；

在所述试样的顶部放置控温元件，并在所述模型管外部包裹保温材料，以实现对所述试样从上至下单向冻结；

在所述模型管上布置温度传感器，以获取所述模型管中液体与所述试样各断面的温度随时间变化的曲线；

向所述模型管中通入裂隙水，以冻结所述试样；

对所述试样升温，以融化所述试样；

对融化后的所述试样进行CT扫描，获得冻融裂隙扩展特征图；

对比所述原始裂隙扩展特征图与所述冻融裂隙扩展特征图，获得结构变化特征，包括：确定岩石的孔隙率增量即为损伤度：

式中，Δn_i为第i个扫描层岩石孔隙率的增量，D为损伤度，m₀为CT扫描机的分辨率，H_i为试样发生损伤前的CT数，H₀为试样损伤后的CT数；

式中，Δn为岩样的平均孔隙率增量，m为试样的扫描层总数。

2.根据权利要求1所述的冻结法扩展岩石裂隙的试验方法，其特征在于，所述制备岩石的试样的步骤包括：

采用取芯机从煤岩上制取圆柱状的岩心；

采取切割机将所述岩心切割成所需尺寸的所述试样；

采用打磨机将所述试样的两个端面打磨平整。

3.根据权利要求1所述的冻结法扩展岩石裂隙的试验方法，其特征在于，所述密封所述试样与所述模型管之间的缝隙的步骤包括：

采用石蜡和密封胶圈密封所述试样与所述模型管之间的缝隙。

4.根据权利要求1所述的冻结法扩展岩石裂隙的试验方法，其特征在于，所述在所述模型管上布置温度传感器的步骤包括：

沿所述试样的高度方向确定多个间距相等的断面，在每个断面上均匀布置多个所述温度传感器。

5.根据权利要求1所述的冻结法扩展岩石裂隙的试验方法，其特征在于，所述向所述模型管中通入裂隙水，以冻结所述试样的步骤包括：

在所述控温元件中设置多个不同的负温，并分别对所述试样降温，直至所述试样的温度恒定，并维持第一预设时长。

6.根据权利要求1所述的冻结法扩展岩石裂隙的试验方法，其特征在于，所述对所述试样升温，以融化所述试样的步骤包括：

在所述控温元件中设置正温，并对所述试样升温，直至所述试样的温度恒定，并维持第二预设时长。

7.根据权利要求1所述的冻结法扩展岩石裂隙的试验方法，其特征在于，所述控温元件包括控温板或U型管。