CN114486701B - 一种损伤岩样长期浸蚀试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤岩体测试的技术领域，具体涉及一种损伤岩样长期浸蚀试验方法，包括：步骤S1，将煤岩体试样放置在凸台上，并密封浸泡筒；步骤S2，向浸泡筒内注入浸泡液，并模拟围压环境；步骤S3，浸泡液流经煤岩体试样内部后自凸台中部穿孔渗出，随后开启注水系统，并由弱至强调节注气系统的加压强度；步骤S4，观察量筒内不少于两个气泡的间隔时间，在相邻气泡间隔时间相同时煤岩体试样内部达到稳定渗流临界值，进行长期循环浸泡试验。通过注气系统与注水系统以模拟煤岩体试样外部的围压环境，使由试样顶部注入的液体可以在岩石试样内部流动，进而模拟真实围压环境和渗透压条件。
Description
本申请为申请号为202111351982.5、申请日为2021.11.16、发明名称为“一种损伤岩样长期浸蚀装置及试验方法”的分案申请。
技术领域
本发明属于煤岩体测试的技术领域，具体涉及一种损伤岩样长期浸蚀试验方法。
背景技术
当前，煤矿地下水库工程还处于探索试验阶段。近年来，煤柱坝体稳定性是煤矿地下水库工程的研究热点，不同学者围绕地震、水压、布置方式和浸水软化等煤柱坝体稳定性影响因素开展了大量的研究工作。
国内外学者围绕水对煤的软化效应开展了大量的研究工作，揭示了水对煤岩体力学性能的影响规律、阐明了水对煤岩体软化的微细观机理和提出了煤岩体力学参数与含水率的关系模型。可见，水对煤柱坝体力学性能的影响是十分显著的，是煤柱坝体蠕变失稳致灾机理研究中不可忽略的因素。
已有的研究成果从煤岩体力学性能、蠕变损伤演化和失稳条件等多个角度分析了常规煤柱的蠕变失稳机理，采用室内试验、数值模拟和理论分析等手段，围绕水对煤体软化、渗透压对煤岩体蠕变的影响和常规煤柱蠕变失稳判据等内容开展了大量的研究工作，初步建立了煤岩体力学性能演化模型和煤岩体蠕变-渗流耦合理论模型，提出了常规煤柱蠕变失稳的发生条件和致灾判据，为指导煤矿安全生产提供了理论基础。但是，煤矿地下水库煤柱坝体的稳定性研究还处于初期阶段，煤柱坝体蠕变失稳的研究成果十分欠缺，煤矿地下水库长期运行中，煤柱坝体将承受更加复杂的应力、化学和渗透压作用环境，目前，对煤柱坝体蠕变失稳致灾机理的认识还不充分，需要结合煤矿地下水库的运行环境，深入研究浸水软化、应力和渗透压共同作用下煤柱坝体的蠕变失稳行为，进而探讨煤矿地下水库煤柱坝体蠕变失稳致灾机理。
已有的针对岩石材料的浸泡装置只能实现液体在岩石试样外循环，未能考虑渗透压等对岩体试样的影响，且无法保证液体对试样有效浸泡。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中的不足，提供一种能够进行煤岩体试样内部渗透循环的试验方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种损伤岩样长期浸蚀装置，所述浸蚀装置包括：
浸泡筒，所述浸泡筒为密闭的耐压容器，其底部设有多个凸台，在所述凸台上对应放置煤岩体试样，所述凸台的中部设有正对煤岩体试样且延伸至所述浸泡筒的下表面的穿孔；
试样盖，所述试样盖放置于所述煤岩体试样上方，所述试样盖中部设有正对煤岩体试样的穿孔，通过橡胶套沿对应套紧所述试样盖、煤岩体试样和所述凸台的外部，以使浸泡液沿煤岩体试样的轴向在其内部渗透；
注气系统，所述注气系统对应连通所述浸泡筒，以向所述浸泡筒内注入气体，对所述浸泡筒内部进行加压；
注水系统，所述注水系统对应连通所述浸泡筒，以向所述浸泡筒内注入浸泡液；浸泡液自所述试样盖导向煤岩体试样，并在煤岩体试样内部进行渗透后自所述凸台中部的穿孔导出。
优选地，所述浸蚀装置还包括交换筒和量筒；
所述交换筒的通过连接管对应连通所述凸台上的穿孔，以将在煤岩体试样内部进行渗透后的浸泡液导入所述交换筒，所述交换筒的顶部设有连通所述量筒的排气管，以排出与导入浸泡液相同体积的空气；
所述量筒内部盛满水，所述排气管连通在所述量筒对应水的液面下方的侧壁上。
优选地，所述注水系统包括依次连通的第一空气压缩机和第一气动压力桶，所述第一气动压力桶内盛放有浸泡液，所述第一气动压力桶的出水端通过连接管连接在浸泡筒上。
优选地，注气系统包括依次连通的第二空气压缩机和第二气动压力桶，所述第二气动压力桶的出气端通过连接管连接在浸泡筒上。
优选地，所述浸泡筒包括：
底座，所述凸台对应分布在所述底座的上表面，且所述底座的下表面设有与所述凸台相对应的支脚，位于所述凸台上的穿孔沿轴向贯穿所述凸台和所述支脚；
主筒，所述主筒为两端开口的筒状体，在所述主筒的两端设有法兰；
筒盖，所述筒盖上设有对应注气系统的注气孔和对应注水系统的注水孔，所述注水孔有多个，多个所述注水孔在轴向上与所述凸台相互对应；
所述筒盖和所述底座分别通过法兰连接在所述主筒的两端。
优选地，所述底座、所述凸台和所述支脚一体成型。
优选地，在所述橡胶套的外部设有卡箍，以使所述橡胶套贴紧所述试样盖、煤岩体试样和所述凸台进行密封。
优选地，所述卡箍有两个，两个卡箍分别套接在所述试样盖和所述凸台上。
一种损伤岩样长期浸蚀试验方法，包括以下步骤：
步骤S1，将煤岩体试样放置在凸台上，并密封浸泡筒；
步骤S2，向浸泡筒内注入浸泡液，待浸泡液没过岩石试样后，开启注气系统对浸泡筒进行加压，以模拟围压环境；
步骤S3，浸泡液流经煤岩体试样内部后自凸台中部穿孔渗出，随后开启注水系统，并由弱至强调节注气系统的加压强度；
步骤S4，观察量筒内不少于两个气泡的间隔时间，在相邻气泡间隔时间相同时煤岩体试样内部达到稳定渗流临界值，保持注气系统的加压强度不变进行长期循环浸泡试验。
优选地，在步骤S1中，将多个煤岩体试样与凸台一一对应，并在煤岩体试样上方放置试样盖，将橡胶套对应套紧试样盖、煤岩体试样和凸台，并通过卡箍在橡胶套外部卡紧，以使浸泡液自所述试样盖导向煤岩体试样，并在煤岩体试样内部进行渗透后自所述凸台中部的穿孔导出。
有益效果：通过注气系统与注水系统以模拟煤岩体试样外部的围压环境，通过橡胶套套紧使浸泡液自试样盖导向煤岩体试样，并在煤岩体试样内部进行渗透后自凸台中部的穿孔导出，从而使得由试样顶部注入的液体可以在岩石试样内部流动，进而模拟真实围压环境和渗透压条件，且可以通过控制注气系统的压强改变煤岩体试样内部渗透压，可以通过渗透压控制试样内部渗流情况，进而可以实现不同渗透压对煤岩体试样影响的研究。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明所提供具体实施例中浸蚀装置的整体结构示意图；
图2为本发明所提供具体实施例中浸泡筒的安装示意图；
图3为本发明所提供具体实施例中底座示意图；
图4为本发明所提供具体实施例中主筒的结构示意图；
图5为本发明所提供具体实施例中筒盖的结构示意图；
图6为发明所提供具体实施例中量筒的结构示意图；
图7为本发明所提供具体实施例中交换筒的结构示意图。
图中：1、底座；2、主筒；3、筒盖；4、煤岩体试样；5、交换筒；6、量筒；7、第二空气压缩机；8、第二气动压力桶；9、第一气动压力桶；10、第一空气压缩机；11、试样盖；12、凸台；13、法兰；14、穿孔；21、安装孔；31、注气孔；32、注水孔；51、交换筒上盖。
具体实施方式
下面将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的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1-7所示，一种损伤岩样长期浸蚀装置，浸蚀装置包括：浸泡筒、试样盖11、注气系统和注水系统，浸泡筒为密闭的耐压容器，在浸泡筒的底部设有多个凸台12，凸台12用于放置煤岩体试样4，在凸台12的中部设有正对煤岩体试样4的穿孔14，穿孔穿过浸泡筒底部，以供浸泡液导出；试样盖11放置于煤岩体试样4上方，试样盖11中部设有正对煤岩体试样4的穿孔14，通过橡胶套套紧试样盖11、煤岩体试样4和凸台12，橡胶套内径小于试样盖11、煤岩体试样4和凸台12的外径，通过伸缩贴紧以保证密封性，通过橡胶套使试样盖11中部的穿孔14、煤岩体试样4轴线和凸台12上的穿孔14在同一直线上，注气系统对应连通浸泡筒，以向浸泡筒内注入气体，对浸泡筒内部进行加压；注水系统对应连通浸泡筒，以向浸泡筒内注入浸泡液；浸泡液自试样盖11导向煤岩体试样4，并在煤岩体试样4内部进行渗透后自凸台12中部的穿孔14导出。从而使得由试样顶部注入的液体可以在岩石试样内部流动，进而模拟真实围压环境和渗透压条件，进而可以实现不同渗透压对煤岩体试样4影响的研究。
在另一可选实施例中，浸蚀装置还包括交换筒5和量筒6；交换筒5的通过连接管对应连通凸台12上的穿孔14，以将在煤岩体试样4内部进行渗透后的浸泡液导入交换筒5，交换筒5为圆柱状，包括交换筒上盖51和交换筒主体，交换筒主体为量筒状，交换筒上盖51与交换筒主体上端的敞口端相适配，并与交换筒主体通过预留螺纹进行紧固，具体地，交换筒上盖51扣合在交换筒主体的上端，并通过内螺纹与交换筒主体进行连接，为了保证密封性，在交换筒上盖51和交换筒主体之间设置密封垫，在交换筒上盖51上预留两个连接孔，其中一个连接孔通过连接管对应连接在凸台12底部的穿孔，另一个连接孔通过排气管连接通量筒6，当注入在煤岩体试样4内部进行渗透后的浸泡液后，交换筒5内部空间对应减小，以排出与导入浸泡液相同体积的空气；在量筒6内部盛满水，排气管连通在量筒6对应水的液面下方的侧壁上，可以对量筒6内的气泡进行观察，通过至少两个相邻气泡的间隔时间判断煤岩体试样4内部是否达到稳定渗流临界值，具体地，以相邻的两个气泡为例，当相邻的两个气泡的间隔时间相同，则认为煤岩体试样4内部达到稳定渗流临界值。其中，交换筒和量筒均为透明材质，以便进行气泡观察。
在另一可选实施例中，注水系统包括依次连通的第一空气压缩机10和第一气动压力桶9，第一气动压力桶9内盛放有浸泡液，第一气动压力桶9的出水端通过连接管连接在浸泡筒上。注气系统包括依次连通的第二空气压缩机7和第二气动压力桶8，第二气动压力桶8的出气端通过连接管连接在浸泡筒上。
连接管可以是pc管或者波纹管。其中，第一气动压力桶9和第二气动压力桶8均为市售产品，本发明注水系统和注气系统仅仅是利用气动压力桶的不同功能。
在另一可选实施例中，浸泡筒包括：底座1、主筒2和筒盖3，主筒2为圆柱状，凸台12对应分布在底座1上，凸台12关于底座1所对应的圆心呈环形阵列分布，具体，凸台12对应分布在底座1的上表面，且底座1的下表面设有与凸台12相对应的支脚，位于凸台12上的穿孔14沿轴向贯穿凸台12和支脚；主筒2为两端开口的筒状体，在主筒2的两端设有法兰13；筒盖3上设有对应注气系统的注气孔31和对应注水系统的注水孔32，注水孔32有多个，多个注水孔32在轴向上与凸台12相互对应；筒盖3和底座1分别通过法兰13连接在主筒2的两端。
在主筒2两端的法兰13上，均设有8个安装孔21，筒盖3和底座1上设有对应主筒2的安装孔21，并通过螺栓对筒盖3与主筒2、底座1与主筒2进行连接，在筒盖3与主筒2、底座1与主筒2之间均设置密封垫，以此保证浸泡筒的密封性。
在本实施例中，筒盖3、主筒2、底座1均为金属材料，优选为不锈钢。
在本实施例中，凸台12底部支脚上的穿孔14通过螺纹接头或者螺纹直通连接在连接管上，注气系统和注水系统的连接管通过螺纹接头或者螺纹直通连接筒盖3。
在另一可选实施例中，底座1、凸台12和支脚一体成型。
在另一可选实施例中，在橡胶套的外部设有卡箍，以使橡胶套贴紧试样盖11、煤岩体试样4和凸台12进行密封，通过卡箍收紧对橡胶套与煤岩体试样4、凸台12、试样盖11保证密封性，使浸泡液无法自煤岩体试样4与凸台12之间的缝隙、煤岩体试样4与试样盖11之间的缝隙进入，从而保证试验结果的精度。
在本实施例中，煤岩体试样4、试样盖11和凸台12均为柱状体，三者直径相同，以与卡箍保持紧密贴合。
卡箍有两个，两个卡箍分别套接在试样盖11和凸台12上。卡箍优选为不锈钢材质。
在另一可选实施例中，还提供一种损伤岩样长期浸蚀试验方法，包括以下步骤：
步骤S1，将煤岩体试样4放置在凸台12上，并密封浸泡筒；
步骤S2，向浸泡筒内注入浸泡液，待浸泡液没过岩石试样后，以水深超过煤岩体试样4为佳，开启注气系统对浸泡筒进行加压，以模拟围压环境；
步骤S3，浸泡液流经煤岩体试样4内部后自凸台12中部穿孔14渗出，随后开启注水系统，并由弱至强调节注气系统的加压强度；
步骤S4，观察量筒6内不少于两个相邻气泡的间隔时间，在相邻气泡间隔时间相同时煤岩体试样4内部达到稳定渗流临界值，保持注气系统的加压强度不变进行长期循环浸泡试验。
通过分析在不同溶液中浸泡不同时间的煤岩体试样4蠕变损伤特性，总结溶液浓度和浸泡时间对煤岩蠕变失稳的影响规律，并结合浸水煤岩体力学性能演化规律，建立应力-渗透压耦合作用下浸水煤岩体蠕变模型。
在一些实施例中，在步骤S1中，将多个煤岩体试样4与凸台12一一对应，并在煤岩体试样4上方放置试样盖11，通过使橡胶套套紧试样盖11、煤岩体试样4和凸台12，并通过卡箍在橡胶套外部卡紧，以此使浸泡液自试样盖11导向煤岩体试样4，并在煤岩体试样4内部进行渗透后自凸台12中部的穿孔14导出。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种损伤岩样长期浸蚀试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，将煤岩体试样放置在凸台上，并密封浸泡筒；
步骤S2，向浸泡筒内注入浸泡液，待浸泡液没过岩石试样后，开启注气系统对浸泡筒进行加压，以模拟围压环境；
步骤S3，浸泡液流经煤岩体试样内部后自凸台中部穿孔渗出，随后开启注水系统，并由弱至强调节注气系统的加压强度；
步骤S4，观察量筒内不少于两个气泡的间隔时间，在相邻气泡间隔时间相同时煤岩体试样内部达到稳定渗流临界值，保持注气系统的加压强度不变进行长期循环浸泡试验；
在交换筒上盖上预留两个连接孔，其中一个连接孔通过连接管对应连接在凸台底部的穿孔，另一个连接孔通过排气管连接通量筒，当注入在煤岩体试样内部进行渗透后的浸泡液后，交换筒内部空间对应减小，以排出与导入浸泡液相同体积的空气；在量筒内部盛满水，排气管连通在量筒对应水的液面下方的侧壁上，可以对量筒内的气泡进行观察。
2.根据权利要求1所述的损伤岩样长期浸蚀试验方法，其特征在于，在步骤S1中，将多个煤岩体试样与凸台一一对应，并在煤岩体试样上方放置试样盖，将橡胶套对应套紧试样盖、煤岩体试样和凸台，并通过卡箍在橡胶套外部卡紧，以使浸泡液自所述试样盖导向煤岩体试样，并在煤岩体试样内部进行渗透后自所述凸台中部的穿孔导出。
3.根据权利要求1所述的损伤岩样长期浸蚀试验方法，其特征在于，所述浸泡筒包括：
底座，所述凸台对应分布在所述底座的上表面，且所述底座的下表面设有与所述凸台相对应的支脚，位于所述凸台上的穿孔沿轴向贯穿所述凸台和所述支脚；
主筒，所述主筒为两端开口的筒状体，在所述主筒的两端设有法兰；
筒盖，所述筒盖上设有对应注气系统的注气孔和对应注水系统的注水孔，所述注水孔有多个，多个所述注水孔在轴向上与所述凸台相互对应；
所述筒盖和所述底座分别通过法兰连接在所述主筒的两端。
4.根据权利要求3所述的损伤岩样长期浸蚀试验方法，其特征在于，所述底座、所述凸台和所述支脚一体成型。
5.根据权利要求1所述的损伤岩样长期浸蚀试验方法，其特征在于，所述注水系统包括依次连通的第一空气压缩机和第一气动压力桶，所述第一气动压力桶内盛放有浸泡液，所述第一气动压力桶的出水端通过连接管连接在浸泡筒上。
6.根据权利要求2所述的损伤岩样长期浸蚀试验方法，其特征在于，在所述橡胶套的外部设有卡箍，以使所述橡胶套贴紧所述试样盖、煤岩体试样和所述凸台进行密封。
7.根据权利要求6所述的损伤岩样长期浸蚀试验方法，其特征在于，所述卡箍有两个，两个卡箍分别套接在所述试样盖和所述凸台上。
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