CN116296867A - 深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统，包括实验舱和渗流系统，实验舱包括箱体、6个对接压头和置于箱体内的弹性压力盒；6个对接压头分别装于箱体的六个方向并可相对于箱体轴向活动；弹性压力盒包括6个用于与试样接触的压头，6个压头分别与其中一个对接压头对接；每个压头前端布置有若干渗透孔，渗流系统与渗透孔连接；压头上有温度传感器、热流传感器、声发射探头和超声探头，同一轴向的两个压头之间设有位移检测机构。本申请可实现试样变形+声发射+超声波+温度场+渗流场+热流场的三向多参数同步监测与采集，对深部地下工程科学新理论的构建、深部资源评价、开采和应用等基础理论和技术的研发等具有重大意义。

Description

深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统

技术领域

本发明涉及岩石力学行为测试技术领域，尤其涉及深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统。

背景技术

我国正处于工业化、城镇化加速发展阶段，对资源的需求量日益增加，地球浅部资源已逐渐枯竭。而深地、深海、深空领域赋存着大量的资源、能源，因此目前正逐渐向深部进军。由于对深地领域的未知性和科学理论的缺失，相关的工程实施面临巨大的考验。在深地资源开采利用方面：开采环境面临“高应力、高地温、高渗透压”以及更加剧烈的工程扰动，导致深部资源开发难度高、成本高，并且灾害事故频率高、量级大、预测难，严重影响着深部资源的安全高效开采。因此，开展相关的深部岩体物理力学试验具有重大的理论、工程和战略意义。目前，关于地壳浅部常规资源探勘开发的相关理论、技术已较为成熟，但是对于深地资源开发利用理论、技术还较为缺乏，而理论、技术体系的建立都离不开配套的物理力学实验系统。

对于深部矿产资源开采、二氧化碳地质封存、地下空间开发、地热开发工程来说，由于构造应力、开采扰动、赋存环境、地层应力、储层水环境等的作用，其应力环境为真三轴应力状态，尤其进入深部以后，应力呈现出高压特点。缺乏一套在高温、高压、高渗透压等复杂环境条件下可进行多物理场、多尺度、三维多参数实时同步监测的实验系统。

发明内容

本申请为了解决上述技术问题提供深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统。

本申请通过下述技术方案实现：

本申请提供的深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统，包括实验舱和渗流系统，所述实验舱包括箱体、6个对接压头和弹性压力盒；所述6个对接压头两两位于X轴、Y轴、Z轴方向上，6个对接压头分别装于箱体的六个方向的通孔中并可相对于箱体轴向活动，对接压头前端伸入箱体内部，后端外露于箱体；

所述弹性压力盒可操作地置于箱体内，弹性压力盒包括6个压头，6个压头两两位于X轴、Y轴、Z轴方向上，6个压头的后端分别与其中一个对接压头的前端对接，6个压头的前端用于与试样接触；每个压头前端布置有若干渗透孔，每个压头内设有渗流介质通道，渗流介质通道一端与若干渗透孔连通，渗流介质通道另一端与渗流系统连接；压头前端装有温度传感器、热流传感器、声发射探头和超声探头，同一轴向方向的两个压头之间设或者不设位移检测机构。

可选的，渗流系统包括三条渗流进管、三条渗流出管和置于箱体外部的柱塞泵，三条渗流进管和三条渗流出管上分别装有阀门，三条渗流进管一端与柱塞泵连接，三条渗流出管的出口分别设有流量计；

三条渗流进管的另一端分别与X轴方向的其中一个压头、Y轴方向的其中一个压头、Z轴方向的其中一个压头的渗流介质通道连接；三条渗流出管的入口端分别连接X轴方向的另一个压头、Y轴方向的另一个压头、Z轴方向的另一个压头的渗流介质通道。

特别的，深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统：还包括试样夹具和液压密封系统，所述压头的前端有环形凹槽，环形凹槽中嵌装有环向密封条，压头内设有密封介质注入通道，密封介质注入通道一端与环形凹槽贯通，密封介质注入通道另一端与液压密封系统连接；

所述试样夹具包括刚性外立方体框架和柔性内立方体框架，刚性外立方体框架和柔性内立方体框架均有12条框边，刚性外立方体框架和柔性内立方体框架的6个面均为矩形框，柔性内立方体框架的12条外棱角位置与刚性外立方体框架的12条内棱角贴合；

柔性内立方体框架的每个面均有一体制造的环形凸缘，环形凸缘与环向密封条的环形密封槽适配；柔性内立方体框架内可装入试样，6个压头可操作地分别穿过刚性外立方体框架、柔性内立方体框架的6个方向的框口，柔性内立方体框架的6个面的环形凸缘对应装入6个压头上的环向密封条的环形密封槽内。

特别的，所述压头包括压头本体和渗透块，压头本体的前端有环形凹槽和矩形凸块，环形凹槽位于压头本体前端边缘，矩形凸块位于环形凹槽内围；所述矩形凸块前端面有一体制造的嵌槽，渗透块嵌装于嵌槽内，若干渗透孔设于渗透块上，渗透孔前后贯通渗透块；所述渗流介质通道和密封介质注入通道设于压头本体内，所述渗流介质通道一端贯通嵌槽，密封介质注入通道和渗流介质通道的另一端贯通压头本体外表面。

可选的，所述液压密封系统包括一条密封进管、6条密封支管、分流组件以及置于箱体外部的高压柱塞泵；所述分流组件为1个进路、6条出路，6个出路分别与其中一条密封支管连接，1条进路通过密封进管与高压柱塞泵连接；密封主管通过6条密封支管分别与6个压头51的密封介质注入通道连接。

可选的，箱体的侧面设有航空插头区，航空插头区有与6个压头适配的温度航空插头、温流航空插头、声发射航空插头、声波航空插头和变形航空插头，温度航空插头与温度传感器连接，温流航空插头与热流传感器连接，声发射航空插头与声发射探头连接，声波航空插头与超声探头连接，变形航空插头与位移检测机构连接。

可选的，用弹性片将6个压头连接在一起。

可选的，所述箱体顶部设有进风口、出风口和冷源口。

特别的，深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统还包括三轴六向加载系统，三轴六向加载系统包括六个液压作动器，六个液压作动器两两位于X、Y、Z轴方向上；

液压作动器括缸筒、活塞和作动压头，作动压头与活塞的自由端连接，6个液压作动器的作动压头用于分别与其中一个对接压头的后端对接，作动压头端部设有应变片；缸筒与活塞之间装有第一位移传感器，和/或作动压头与活塞之间设有力传感器。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

1，本申请可实现变形+声发射+超声波+温度场+渗流场+热流场的三向多参数同步监测与采集，对深部地下工程科学新理论的构建、深部资源评价、开采和应用等基础理论和技术的研发等具有重大意义；

2，本申请的实验舱的箱体可与三轴六向应力加载系统对接，也可与弹性压力盒对接，可将加载系统力传递给试样，同时又能为试样提供环境温度，可实现实时环境下储层岩石力学行为测试；

3，本申请通过进风口向箱体内部通入热风来可试样提供高温环境；通过冷源口可向箱体内注入冷源，可为试样提供低温环境，可开展实时高温、低温环境下岩石物理力学实验。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请实施方式的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施方式的限定。

图1是实施例中实验舱的三维图；

图2是实施例中实验舱的剖视图；

图3是实施例中航空插头区的主视图；

图4是实施例中箱体的顶部壁板的三维图；

图5是实施例中弹性板的三维图；

图6是实施例中每对压头之间设有位移检测机构时弹性压力盒的三维图；

图7是实施例中弹性压力盒的主视图；

图8是图7中A-A处的剖视图；

图9是图7中B-B处的剖视图；

图10是实施例中压头的三维图；

图11是实施例中压头在第一剖面的剖视图；

图12是实施例中压头在第二剖面的剖视图；

图13是实施例中试样夹具的三维图；

图14是实施例中试样夹具的剖视图；

图15是实施例中柔性内立方体框架的三维图；

图16是实施例中柔性内立方体框架的剖视图；

图17是实施例中渗流系统、液压密封系统与弹性压力盒的连接示意图；

图18是实施例中对接压头装有加热板时实验舱的剖视图；

图19是实施例中装有加热板的对接压头装于壁板上时的三维图；

图20是实施例中三轴六向加载系统的三维图；

图21是实施例中三轴六向加载系统在拉紧气缸处的主视图；

图22是实施例中液压作动器的结构示意图；

图23是实施例中实验舱置于三轴六向加载系统的加载框架中时的示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式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方式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方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，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，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例公开的深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统，包括实验舱，实验舱包括箱体1、对接压头2和弹性压力盒5，箱体1具有容纳弹性压力盒5的空间，弹性压力盒5可操作地置于箱体1内。

对接压头2有6个，6个对接压头2分别位于X轴、Y轴、Z轴方向上。箱体1为六面体结构，每面装有一个对接压头2，6个对接压头2分别装于箱体1的六个面的通孔中，对接压头2可相对于箱体1轴向活动，其前端伸进箱体1内，后端外露于箱体1。6个对接压头2前端分别用于与弹性压力盒5的6个压头51的后端对接， 6个压头51的前端分别用于与试样10的6个面接触，对接压头2后端分别用于作动器对接。

在箱体1上设有温度介质口，通过温度介质口可注入不同温度的介质，来构造环境温度。在一种可能的设计中，温度介质口包括进风口31、出风口32和冷源口33，将风源连接进风口31，可向箱体1内注入不同温度的风，从而控制内部的温度，送入的风再从出风口32送出。例如，进风口31连接热风源，向内部送入热风，可对内部空间进行加热。将冷源口33与冷源连接，可向箱体1内注入冷源，从而控制内部的温度。例如，利用液氮供给系统，通过冷源口33向箱体1内注入液氮，可对内部空间进行降温；注入的液氮一部分变成气体从可进风口31、出风口32排出。

值得说明的是，进风口31和出风口32的数量根据需要合理设置。

在一种可能的设计中，箱体1由一个高刚度的外立方体框架11进行整体安装，外立方体框架11一体制造，可保证整体系统稳定；箱体1的6个方向分别有壁板12与外立方体框架11螺钉连接，6个对接压头2分别装于其中一个壁板12的中央。壁板12最好是保温隔热材质。

在一种可能的设计中，进风口31、出风口32和冷源口33均设于箱体1顶部的壁板12上。特别的，箱体1顶部的壁板12的两侧分别设有一排进风口31、一排出风口32。

在一种可能的设计中，每一块壁板12的外侧均设有弹性板13，弹性板13的两端与外立方体框架11活动连接，弹性板13和壁板12上有同轴的通孔，对接压头2装于通孔中，对接压头2通过螺钉与弹性板13固接在一起，弹性板13与壁板12外表面之间有间隔，使得弹性板13、对接压头2可相对于壁板12轴向向内活动一端距离。

可选的，如图2、图4所示，在外立方体框架11的六个方向的框口边缘分别设有沉槽，壁板12外表面的边缘有与沉槽适配的凸缘121，凸缘121与沉槽贴合并采用螺钉固定连接。特别的，凸缘121在对应弹性板13的位置断开，从而形成避让缺口122。

可选的，如图5所示，弹性板13两端有至少两个条形缺口131，外立方体框架11对应条形缺口131的位置装有适配的卡销，弹性板13两端分别通过条形缺口131卡在卡销上，实现弹性板13与外立方体框架11的活动连接，在轴向外力作用下，卡销可在条形缺口131内滑动。特别的，卡销为螺钉。

如图2、图6所示，弹性压力盒5包括6个压头51，6个压头51分别用于与6个对接压头2对接。

在一种可能的设计中，如图8-图12所示，压头51包括压头本体511和渗透块512。压头本体511的前端有环形凹槽和矩形凸块513，环形凹槽位于压头本体511前端边缘，矩形凸块513位于环形凹槽内围，环向密封条57嵌装在环形凹槽中。其中，环形凹槽和矩形凸块513与压头本体511一体制造。

在压头本体511内设有渗流介质通道514和密封介质注入通道515，密封介质注入通道515一端与压头本体511的环形凹槽贯通，另一端贯穿压头本体511外表面。

矩形凸块513前端面有一体制造的嵌槽，渗透块512通过螺钉嵌装于嵌槽内，渗透块512上均匀布置有若干渗透孔516，渗透孔516前后贯通渗透块512。渗流介质通道514一端贯通嵌槽，另一端贯通压头本体511外表面。通过渗流介质通道514可根据实验需求注入不同温度、压力的渗流介质，渗流介质流入嵌槽再通过若干渗透孔516均匀流向试样。而通过密封介质注入通道515可向环形凹槽注入高压密封介质，可防止渗流介质从试样边缘流出，可用于岩体渗流测试。

在一种可能的设计中，如图11、图12所示，压头51的前端设有声发射探头58和超声探头59。

在一种可能的设计中，如图3-图5所示，声发射探头58装在压头51前端的声发射探头安装孔中，声发射探头58与压头51之间有密封圈。特别的，压头51前端设有三个声发射探头58，三个声发射探头58以压头51的中心为圆心在圆周方向等间隔布置。

在一种可能的设计中，压头51上装有两个耐高温高压的超声探头59，其中一个为P波，另一个为S波。超声探头59装在压头51前端的超声波探头安装孔中，超声探头59与压头51之间有密封圈。

在一种可能的设计中，每个压头51前端预置3组高温高压声发射探头，20~1200kHz，采样频率10Hz，可实现岩体破裂过程中微震信号实时监测。可选的，其中2组高温高压声发射探头集成了超声波探测功能P、S波各一个，可实现实验过程中超声波的实时监测。

在一种可能的设计中，每个压头51前端中间位置装配有耐高温高压的温度传感器和热流传感器，可实现实验过程中试样表面温度的实时监测，以及测量热流量。

特别的，每个压头51的中心孔内嵌装有温度、热流一体探头。压头51中心孔前端装有导热垫53，通过导热垫53将试样温度传递给中心孔内部的温度、热流一体探头。导热垫53与压头51之间有密封圈。

可选的，压头51中央有与对接压头2适配的对接口54。

在一种可能的设计中，压头51和渗透块512采用高刚度合金材料制成，具备足够的刚度满足12 GN/m。

在一种可能的设计中，深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统还包括试样夹具7。如图13、图14所示，试样夹具7用于固定立方体状的试样10，同时又需要在6个方向预留有与6个压头51适配的口。

在一种可能的设计中，试样夹具7包括刚性外立方体框架71和柔性内立方体框架72，刚性外立方体框架71和柔性内立方体框架72均有12条框边721，刚性外立方体框架71和柔性内立方体框架72的6个面均为矩形框。

柔性内立方体框架72内可装入试样10。柔性内立方体框架72的12条外棱角位置723与刚性外立方体框架71的12条内棱角贴合。

在一种可能的设计中，柔性内立方体框架72的12条内棱角位置有与试样10的棱角适配的直角边结构724。

可选的，柔性内立方体框架72采用耐磨耐压高强度的橡胶框一体制造，刚性外立方体框架71为金属框架。

在一种可能的设计中，如图15、图16所示，柔性内立方体框架72的每个面均有一体制造的环形凸缘722，环形凸缘722与压头本体511的环形凹槽适配。如图11所示，环向密封条57有与环形凸缘722适配的环形密封槽，环形凸缘722可装在环向密封条57的环形密封槽内。可选的，环向密封条57的横截面为开口朝外的U型结构。特别的，环向密封条57采用高强度橡胶制成。

在一种可能的设计中，压头51为矩形，压头51与刚性外立方体框架71的矩形框口适配，二者之间可依靠摩擦力保持相对固定。矩形凸块513与柔性内立方体框架72的矩形框口适配。

在一种可能的设计中，如图6所示，用至少8个弹性片52将6个压头51连接在一起。其中，弹性片52的数量根据需要合理设置。特别的，用12个弹性片52将6个压头51连接在一起为例，每个压头51的四周分别通过一个弹性片52与四周的4个压头51连接。通过12个弹性片52可将6个压头51组装在一起从而实现压头与立方体试样的紧密固定、贴合。

可选的，弹性片52的两端分别用螺钉与两个压头51连接。可选的，弹性片52为高弹性金属片。

值得说明的是，压头51、试样夹具7的尺寸根据需要合理设置。可选的，试样夹具7内可放入边长100mm的立方体试样。

在一种可能的设计中，如图17所示，深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统还包括渗流系统和液压液压密封系统。渗流系统与压头51的渗流介质通道514连接，用于注入渗流介质；液压液压密封系统与压头51的密封介质注入通道515连接，用于注入密封介质。

在一种可能的设计中，渗流系统包括三条渗流进管41和三条渗流出管42、流量计（图中未示出）以及置于箱体1外部的柱塞泵（图中未示出），三条渗流进管41通过4通阀门（图中未示出）与柱塞泵连接，形成1进3出效果。三条渗流进管41和三条渗流出管42上分别装有阀门44。

三条渗流出管42的出口分别设有流量计，通过流量计可实时监测流体流出流量。三条渗流进管41分别与X轴方向的其中一个压头51、Y轴方向的其中一个压头51、Z轴方向的其中一个压头51的渗流介质通道514连接；三条渗流出管42的进口端分别连接X轴方向的另一个压头51、Y轴方向的另一个压头51、Z轴方向的另一个压头51的渗流介质通道514。通过渗流介质通道514可根据实验需求注入不同温度、压力的流体，流体可通过渗透孔516均匀流向试样10。

在一种可能的设计中，液压液压密封系统包括一条密封进管43、6条密封支管45、分流组件46以及置于箱体1外部的高压柱塞泵（图中未示出），分流组件46为1个进路、6条出路，6个出路分别与其中一条密封支管45连接，1条进路通过密封进管43与高压柱塞泵连接，高压柱塞泵可提供60MPa密封压力。密封进管43上装有阀门44。密封主管43通过6条密封支管45分别与6个压头51的密封介质注入通道515连接。通过密封介质注入通道515可向压头51的环形凹槽注入密封介质，可防止渗流介质从试样10的边缘流出。

三条渗流进管41和三条渗流出管42、一条密封进管43均伸出至箱体1外部，以便于与外部的柱塞泵、流量计等连接。

在一种可能的设计中，如图6所示，X轴方向的两个压头51之间、Y轴方向的两个压头51之间以及Z轴方向的两个压头51之间均设有至少一个位移检测机构6，这样可以对试样10进行X、Y、Z三个方向的变形监测。

在一种可能的设计中，第二位移传感器66为LVDT传感器。

可选的，X轴方向、Y轴方向的两个压头51之间均设有两个位移检测机构6，两个位移检测机构6装于两个压头51的对角位置，可实现X轴、Y轴方向试样变形的精确测量。Z轴方向的两个压头51之间设有3个位移检测机构6，分别在两个压头51的三个角位置，可实现Z轴方向试样变形的精确测量。

在一种可能的设计中，位移检测机构6包括第一连接臂61、第二连接臂62、第二位移传感器66、引伸计杆67，第一连接臂61、第二连接臂62分别固定在同一轴向方向的两个压头51的侧部，第二位移传感器66的一端与第一连接臂61连接，引伸计杆67的一端与第二连接臂62连接，第二位移传感器66的另一端与引伸计杆67的另一端连接或者接触。当试样10发生变形，两个压头51相向移动，引伸计杆67推动第二位移传感器66使其收缩，从而通过第二位移传感器66检测出试样10的变形量。

在一种可能的设计中，如图18、图19所示，在至少其中一个对接压头2的前端装有电加热板8，电加热板8内装有电加热棒。

在一种可能的设计中，只在一个对接压头2的前端装有电加热板8，可用于产生对向温差。

在一种可能的设计中，在每个对接压头2的前端均装有电加热板8。

在一种可能的设计中，如图20-图23所示，深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统还包括三轴六向加载系统9，三轴六向加载系统9用于对试样提供真三轴应力。三轴六向加载系统9包括泵站（图中未示出）、横梁组件、升降液压缸94、加载框架和六个液压作动器97。六个液压作动器97两两位于X、Y、Z轴方向上。

在一种可能的设计中，横梁组件包括移动横梁91、承载柱96和横梁锁紧机构，Z轴方向的上部液压作动器97装在移动横梁91的中央。

加载框架包括加载框梁92和底座93。加载框梁92为一体浇筑的高刚度结构，加载框梁92与底座93之间设有多个支撑腿，多个地坦克均匀装于底座93的底部。

加载框梁92中央有用于容纳实验舱的实验舱容腔，实验舱容腔贯通加载框梁92的顶面，可从上往下将实验舱放入容腔内，同时也作为上部的液压作动器97施加垂向应力的加载口用。

加载框梁92的前侧、后侧、左侧、右侧、下侧分别有加载口，加载口与实验舱容腔相通。X轴方向的两个液压作动器97、Y轴方向的两个液压作动器97以及Z轴方向的下部液压作动器97分别装于加载框梁92的前侧、后侧、左侧、右侧、下侧的加载口处。

承载柱96下端通过承载螺母与加载框梁92固定，移动横梁91装于多个承载柱96上，升降液压缸94支撑在加载框梁92与移动横梁91之间，升降液压缸94用于实现移动横梁91沿承载柱96上下移动，横梁锁紧机构可将移动横梁91与多个承载柱96固定，在一种可能的设计中，承载柱96竖直设有四个，移动横梁91上有与承载柱96适配的四个夹持口，承载柱96上端装在夹持口中。横梁锁紧机构用于实现移动横梁91的夹持口夹紧或松开承载柱96。

在一种可能的设计中，横梁锁紧机构包括两组夹紧液压缸95，每一夹持口外侧有一延长的夹持臂911，夹持臂911与移动横梁91一体制造，两两夹持口的夹持臂911分别通过一组夹紧液压缸95拉紧从而同时将对应的两根承载柱96与移动横梁91夹紧固定。

在一种可能的设计中，如图21所示，夹紧液压缸95包括拉杆951、液压锁紧缸952、锁紧螺母953和推力关节轴承954，液压锁紧缸952、锁紧螺母953和推力关节轴承954均装在拉杆951上。夹持臂911上有与横梁锁紧机构适配的孔洞，拉杆951两端分别装在对应两个夹持臂911的孔洞中，拉杆951的两端装有锁紧螺母953，其中一端的锁紧螺母953与夹持臂911之间有推力关节轴承954，另一端的锁紧螺母953与另一夹持臂911之间装有液压锁紧缸952，液压锁紧缸952与另一夹持臂911之间有推力关节轴承954。本实施例中的移动横梁91的可移动空间无级可调，通过液压锁紧缸952可自动锁紧，通过锁紧螺母953可手动调整，试验空间的调节操作便捷，锁定快速，操作方便快捷。

在一种可能的设计中，如图22所示，液压作动器97均包括缸筒971、活塞972和作动压头973，缸筒971与活塞972之间装有第一位移传感器974，作动压头973与活塞972的自由端连接。缸筒971上装有伺服阀，作动压头973与活塞972之间设有力传感器975。上部的液压作动器97的缸筒971通过法兰孔、螺钉与移动横梁91固接，其余5个液压作动器97的缸筒971通过法兰孔、螺钉与加载框梁92固接，Z轴方向的下部液压作动器97的加载油缸下端通过螺钉与底座93连接。

可选的，液压作动器97的作动压头973内有两个冷却通道，作动压头973上装有水冷管子96。

可选的，作动压头973为球窝压头，相对应的实验舱的对接压头2的后端为球头，便于压头接触、均匀加载，可避免试样、构件有一定倾斜而加载不均匀。

本申请通过第一位移传感器974，可满足作动器量程的监测和控制；在一种可能的设计中，第一位移传感器974采用磁致伸缩位移传感器。作动器变形传感器采用磁致伸缩位移传感器，可满足作动器量程。

其中，将应变片焊接在压头端部，通过应变片可监测液压作动器给力情况。

本申请的三轴六向加载系统9具有力、位移等控制方式，可实现六个压缸的独立工作和联动协调工作双模式，能够实现加卸载过程三轴六向精确联动追踪，可对中同步控制。

如图3所示，箱体1的侧面设有航空插头区14，航空插头区14有与6个压头51适配的温度航空插头、温流航空插头、声发射航空插头、声波航空插头和变形航空插头，温度航空插头与压头51前端的温度传感器连接，温流航空插头与压头51前端的热流传感器连接，声发射航空插头与声发射探头58连接，声波航空插头与超声探头59连接，变形航空插头与位移检测机构6连接。

三轴六向加载系统9、液压密封系统、渗流系统、航空插头均与外部EDC控制器连接。

本实施例的工作原理：

使用时，将试样10置于柔性内立方体框架72内，柔性内立方体框架72的12条外棱角位置723与刚性外立方体框架71的12条内棱角贴合；

6个压头51分别穿过刚性外立方体框架71、柔性内立方体框架72的6个方向的框口，柔性内立方体框架72的6个面的环形凸缘722对应装入6个压头51的环向密封条57的环形密封槽内，用12个弹性片52将6个压头51连接在一起；

将装有试样10的弹性压力盒5可操作者地置于箱体1的内部空腔内，安装6个对接压头2至箱体1上，箱体1上6个方向的对接压头2的内端分别与6个压头51的外端对接；

将实验舱置于三轴六向加载系统9的加载框架内，加载框架六个方向的液压作动器97的作动压头973分别与6个对接压头2的外端对接；

根据实验需求，如需要构造高温环境，则向箱体1内送入热风，对内部的试样10进行加热；如果需要低温环境，则通过冷源口33向箱体1内注入液氮，对内部的试样10进行降温；通过压头51前端的温度传感器、热流传感器监测温度；

6个液压作动器97动作，通过对接压头2、压头51将轴向力均匀传递给试样10，实现真三轴应力的预加载，通过位移检测机构6监测试样10在力作用下的变形量；

密封主管43连接外部高压柱塞泵，通过高压柱塞泵注入密封介质到6个压头51的密封介质注入通道515，进而使试样10的12条棱边与柔性内立方体框架72紧密贴合，达到三向密封效果；

通过三条渗流进管41注入渗流介质，流经试样10的渗流介质最后经三条渗流出管42流出，可实现三向同步渗流试验。

本申请可实现试样变形+声发射+超声波+温度场+渗流场+热流场的三向多参数同步监测与采集，对深部地下工程科学新理论的构建、深部资源评价、开采和应用等基础理论和技术的研发等具有重大意义。

以上的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统，其特征在于：包括实验舱和渗流系统，所述实验舱包括箱体（1）、6个对接压头（2）和弹性压力盒（5）:

所述6个对接压头（2），两两位于X轴、Y轴、Z轴方向上，6个对接压头（2）分别装于箱体（1）的六个方向的通孔中并可相对于箱体（1）轴向活动，对接压头（2）前端伸入箱体（1）内部，后端外露于箱体（1）；

所述弹性压力盒（5）可操作地置于箱体（1）内，弹性压力盒（5）包括6个压头（51），6个压头（51）两两位于X轴、Y轴、Z轴方向上，6个压头（51）的后端分别与其中一个对接压头（2）的前端对接，6个压头（51）的前端用于与试样（10）接触；

每个压头（51）前端布置有若干渗透孔（516），每个压头（51）内设有渗流介质通道（514），渗流介质通道（514）一端与若干渗透孔（516）连通，渗流介质通道（514）另一端与渗流系统连接；

压头（51）前端装有温度传感器、热流传感器、声发射探头（58）和超声探头（59），同一轴向方向的两个压头（51）之间设或者不设位移检测机构（6）。

2.根据权利要求1所述的深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统，其特征在于：渗流系统包括三条渗流进管（41）、三条渗流出管（42）和置于箱体（1）外部的柱塞泵，三条渗流进管（41）和三条渗流出管（42）上分别装有阀门（44），三条渗流进管（41）一端与柱塞泵连接，三条渗流出管（42）的出口分别设有流量计；

三条渗流进管（41）的另一端分别与X轴方向的其中一个压头（51）、Y轴方向的其中一个压头（51）、Z轴方向的其中一个压头（51）的渗流介质通道（514）连接；三条渗流出管（42）的入口端分别连接X轴方向的另一个压头（51）、Y轴方向的另一个压头（51）、Z轴方向的另一个压头（51）的渗流介质通道（514）。

3.根据权利要求1或2所述的深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统，其特征在于：还包括试样夹具（7）和液压密封系统；

所述压头（51）的前端有环形凹槽，环形凹槽中嵌装有环向密封条（57），压头（51）内设有密封介质注入通道（515），密封介质注入通道（515）一端与环形凹槽贯通，密封介质注入通道（515）另一端与液压密封系统连接；

所述试样夹具（7）包括刚性外立方体框架（71）和柔性内立方体框架（72），刚性外立方体框架（71）和柔性内立方体框架（72）均有12条框边（721），刚性外立方体框架（71）和柔性内立方体框架（72）的6个面均为矩形框，柔性内立方体框架（72）的12条外棱角位置（723）与刚性外立方体框架（71）的12条内棱角贴合；

柔性内立方体框架（72）的每个面均有一体制造的环形凸缘（722），环形凸缘（722）与环向密封条（57）的环形密封槽适配；

柔性内立方体框架（72）内可装入试样（10），6个压头（51）可操作地分别穿过刚性外立方体框架（71）、柔性内立方体框架（72）的6个方向的框口，柔性内立方体框架（72）的6个面的环形凸缘（722）对应装入6个压头（51）上的环向密封条（57）的环形密封槽内。

4.根据权利要求3所述的深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统，其特征在于：所述压头（51）包括压头本体（511）和渗透块（512），压头本体（511）的前端有环形凹槽和矩形凸块（513），环形凹槽位于压头本体（511）前端边缘，矩形凸块（513）位于环形凹槽内围；

所述矩形凸块（513）前端面有一体制造的嵌槽，渗透块（512）嵌装于嵌槽内，若干渗透孔（516）设于渗透块（512）上，渗透孔（516）前后贯通渗透块（512）；

所述渗流介质通道（514）和密封介质注入通道（515）设于压头本体（511）内，所述渗流介质通道（514）一端贯通嵌槽，密封介质注入通道（515）和渗流介质通道（514）的另一端贯通压头本体（511）外表面。

5.根据权利要求3所述的深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统，其特征在于：所述液压密封系统包括一条密封进管（43）、6条密封支管（45）、分流组件（46）以及置于箱体（1）外部的高压柱塞泵；

所述分流组件（46）为1个进路、6条出路，6个出路分别与其中一条密封支管（45）连接，1条进路通过密封进管（43）与高压柱塞泵连接；密封主管（43）通过6条密封支管（45）分别与6个压头51的密封介质注入通道（515）连接。

6.根据权利要求1所述的深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统，其特征在于：箱体（1）的侧面设有航空插头区（14），航空插头区（14）有与6个压头（51）适配的温度航空插头、温流航空插头、声发射航空插头、声波航空插头和变形航空插头，温度航空插头与温度传感器连接，温流航空插头与热流传感器连接，声发射航空插头与声发射探头（58）连接，声波航空插头与超声探头（59）连接，变形航空插头与位移检测机构（6）连接。

7.根据权利要求1所述的深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统，其特征在于：用弹性片（52）将6个压头（51）连接在一起。

8.根据权利要求1所述的深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统，其特征在于：所述箱体（1）顶部设有进风口（31）、出风口（32）和冷源口（33）。

9.根据权利要求1、2、4-8中任一项所述的深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统，其特征在于：还包括三轴六向加载系统（9），三轴六向加载系统（9）包括六个液压作动器（97），六个液压作动器（97）两两位于X、Y、Z轴方向上；

液压作动器（97）括缸筒（971）、活塞（972）和作动压头（973），作动压头（973）与活塞（972）的自由端连接，6个液压作动器（97）的作动压头（973）用于分别与其中一个对接压头（2）的后端对接，作动压头（973）端部设有应变片；

缸筒（971）与活塞（972）之间装有第一位移传感器（974）和/或作动压头（973）与活塞（972）之间设有力传感器（975）。

10.根据权利要求9所述的深部岩石原位环境重构与三维力热声震流多场测试系统，其特征在于：三轴六向加载系统（9）还包括泵站、横梁组件、升降液压缸（94）和加载框梁（92）；

横梁组件包括移动横梁（91）、承载柱（96）和横梁锁紧机构，Z轴方向的上部液压作动器（97）装在移动横梁（91）的中央；

承载柱（96）下端与加载框梁（92）固定，移动横梁（91）装于多个承载柱（96）上，升降液压缸（94）支撑在加载框梁（92）与移动横梁（91）之间用于实现移动横梁（91）沿承载柱（96）上下移动，横梁锁紧机构可将移动横梁（91）与多个承载柱（96）固定；

加载框梁（92）中央有用于容纳所述实验舱的实验舱容腔，实验舱容腔贯通加载框梁（92）的顶面，加载框梁（92）的前侧、后侧、左侧、右侧、下侧分别有加载口，加载口与实验舱容腔相通；X轴方向的两个液压作动器（97）、Y轴方向的两个液压作动器（97）以及Z轴方向的下部液压作动器（97）分别装于加载框梁（92）的前侧、后侧、左侧、右侧、下侧的加载口处。

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