CN204789257U - 各向异性岩石损伤程度测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种各向异性岩石损伤程度测试装置。本实用新型的目的是提供一种结构简单、操作方便、成本较低的各向异性岩石损伤程度测试装置，以直接量测损伤岩石不同方向的气体渗透性。本实用新型的技术方案是：该测试装置用于测试岩样的环向气体渗透系数和轴向气体渗透系数，该装置包括对岩样轴向和环向加压的轴向加压装置和环向加压装置，岩样中间具有中间钻孔，该装置还具有加压盘、密闭套筒、加压泵、储水容器、压力表和量管，岩样上套有与岩样同轴的密闭套筒，岩样的上下两端与轴向加压装置之间垫有加压盘，加压泵经进气管接于岩样下端，岩样上端依次经出气管和量管接至储水容器内，出气管上接有压力表。本实用新型适用于地下工程领域。

Description

各向异性岩石损伤程度测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种各向异性岩石损伤程度测试装置。适用于地下工程领域。

背景技术

地下工程开挖以后由于应力的二次调整围岩会受到损伤，特别是现在深部地下岩石工程不断增多，埋深越来越大，地应力和岩体强度之间的矛盾越来越尖锐，导致围岩的损伤程度也不断加大，损伤的存在将直接影响到岩石本身的力学性能，进而影响地下工程的整体稳定。

在岩石中的应力损伤是不可恢复的，并且会导致岩石的内部结构产生永久性的变化，这些变化将导致岩石的物理力学特性发生变化，这些变化可以被直接量测，如裂纹数量统计、声波测试、声发射监测、CT扫描、渗透试验等。这些测试方法已经在工程实践中得到了推广应用，但是由于岩石普遍具有各向异性特征，导致上述测量只能反映出一个总体损伤程度，尤其是由于应力损伤将加剧岩石的各向异性特征，导致测试成果大多停留在定性的角度，无法准确判断损伤对岩石造成的准确损伤程度。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种结构简单、操作方便、成本较低的各向异性岩石损伤程度测试装置，以直接量测损伤岩石不同方向的气体渗透性。

本实用新型所采用的技术方案是：一种各向异性岩石损伤程度测试装置，用于测试岩样的环向气体渗透系数和轴向气体渗透系数，该装置包括对岩样轴向和环向加压的轴向加压装置和环向加压装置，岩样中间具有中间钻孔，其特征在于：该装置还具有加压盘、密闭套筒、加压泵、储水容器、压力表和量管，所述岩样上套有与岩样同轴的密闭套筒，岩样的上下两端与轴向加压装置之间垫有加压盘，所述加压泵经进气管接于岩样下端，岩样上端依次经出气管和量管接至储水容器内，出气管上接有压力表；

测试环向气体渗透系数时，所述加压盘为密封盘，在岩样上端的密封盘与轴向加压装置之间填充顶部孔隙介质层，密闭套筒与岩样之间填充侧面孔隙介质层，且侧面孔隙介质层顶部与顶部孔隙介质层连成一体；所述进气管的出气口穿过岩样下端的密封盘连通岩样的中间钻孔，所述出气管进气口连通顶部孔隙介质层；

测试轴向气体渗透系数时，所述加压盘为通气压盘，密闭套筒与岩样之间填充硅胶密封层，所述岩样的中间钻孔内充填硅胶；所述进气管的出气口连通岩样下端的通气压盘，所述出气管进气口连通上端的通气压盘。

所述顶部孔隙介质层和侧面孔隙介质层由级配良好的沙粒充填形成。

本实用新型的有益效果是：本实用新型结构简单、操作方便，将测到的气体渗透系数进行汇总，得到不同环向压力、不同轴向压力、不同时间的渗透系数，并分别建立时间-渗透系数、环向压力-环向渗透系数、轴向压力-轴向渗透系数表达关系式，揭示渗透系数随时间的演化关系和压力对渗透系数的影响，为各向异性岩石在不同时间、不同应力条件下的损伤程度判断提供最直接的实验数据。本实用新型直接评价岩石的损伤程度，能够反映出岩石的各向异性特征，实验装置简单、易于操作，只需要对现有的加载设备进行改造，节省实验仪器投资，并且可以进行循环利用和后期其它类型实验。

附图说明

图1为实施例中测试环向气体渗透系数的装置示意图。

图2为实施例中测试轴向气体渗透系数的装置示意图。

具体实施方式

本实施例为一种各向异性岩石损伤程度测试装置，包括轴向加压装置3、环向加压装置2、加压盘、密闭套筒13、加压泵4、进、出气管5、6、储水容器8、压力表9和量管7，该装置可分别用于测试岩样1(具有中间钻孔101)的环向气体渗透系数和轴向气体渗透系数。

图1为用于测试岩样1的环向气体渗透系数的测试装置，岩样1置于环向加压装置2内，环向加压装置对岩样施加环向压力，岩样1上下两端设有轴向加压装置3，为岩样施加轴向压力。本例在岩样下端与轴向加压装置之间设有加压盘，岩样上端与轴向加压装置之间由下而上依次设有加压盘和顶部孔隙介质层11，在环向渗透系数测试装置中加压盘采用密封盘10，防止气体从岩样1两端泄漏。在岩样1上套有一个与岩样同轴布置的密闭套筒13，在密闭套筒13与岩样之间的空隙内设置侧面孔隙介质层12，该侧面孔隙介质层顶部12与顶部孔隙介质层11连成一体。加压泵4连接进气管5，进气管的出气口穿过岩样下端的密封盘10连通岩样的中间钻孔101，顶部孔隙介质层11依次经出气管6和量管7接至储水容器8内，出气管6上设有压力表9。顶部孔隙介质层11和侧面孔隙介质层12由级配良好的沙粒充填形成，有利于受力的传递和气体的流动。顶部孔隙介质层11和侧面孔隙介质层12形成了一个从底部进入，两侧溢出，最终从顶部流出的环向气体流通通道，可以直接测试岩样1的环向气体渗透系数。

图2为用于测试岩样1的轴向气体渗透系数的测试装置，岩样1置于环向加压装置2内，环向加压装置对岩样施加环向压力，岩样1上下两端设有轴向加压装置3，为岩样施加轴向压力。在岩样上、下两端与轴向加压装置3之间设有加压盘，在轴向渗透系数测试装置中加压盘采用通气压盘15，通气压盘15有利于受力的传递和气体的流动。本实施例中在岩样1上套有一个与岩样同轴布置的密闭套筒13，在密闭套筒13与岩样之间的空隙内设置硅胶密封层14(由硅胶充填形成)，防止气体从侧面溢出；在岩样1的中间钻孔101内充填硅胶。该装置中加压泵4连接进气管5，进气管的出气口连通岩样下端的通气压盘15，岩样上端的通气压盘15依次经出气管6和量管7接至储水容器8内，出气管6上设有压力表9。通气压盘15和硅胶密封层14形成一个从岩样底部进入、岩样顶部流出的轴向气体流通通道，可以直接测试岩样1的轴向气体渗透系数。

本实施例的测试方法如下：

1、取芯：在开挖损伤区中取出岩芯，岩芯尺寸要大于100×50mm，建议尺寸为200×100mm，以方便后期的加工。取芯钻孔方向最好与结构面保持垂直，以降低结构面对岩石物理力学特性的影响。将取出的200×100mm岩芯在中间进行钻孔，钻孔尺寸为100×50mm，作为岩样1；

2、环向气体渗透系数测试：

2.1、将岩样1装入环向气体渗透系数的测试装置；

2.2、轴向加压装置3和环向加压装置2对岩样1加压至设定值；

2.3、打开加压泵4往岩样1的中间钻孔101内注入氮气；

2.3、实时记录压力表9和量管7读数；

3、轴向气体渗透系数测试：

3.1、往岩样中间钻孔101内充填硅胶；

3.2、将岩样1装入轴向气体渗透系数的测试装置；

3.3、轴向加压装置3和环向加压装置2对岩样加压至设定值；

3.4、打开加压泵4往岩样的中间钻孔内注入氮气；

3.5、实时记录压力表9和量管7读数；

4、根据所记录数据及渗透系数计算公式计算渗透系数，计算公式如下：

$K=\frac{2\mathrm{Q\μL}{P}_0}{A(P^2-P_0^2)}$

式中，K为渗透系数(m²)，Q为气体流速(m³/s)(由步骤2、3记录的数据计算得到)，μ为气体粘度(Pa·s)，L为试验用岩样长度(m)，A是岩样的截面面积(m²)，P₀为大气压力(Pa)，P为注入气体压力(Pa)。

5、建立时间-渗透系数、环向压力-环向渗透系数、轴向压力-轴向渗透系数表达关系式。

本实施例中注入的氮气压力为0.2MPa，加载环向压力为2～30MPa，轴向压力压不超过单轴抗压强度的60％，一次测试时间为3～4天。

Claims (2)

1.一种各向异性岩石损伤程度测试装置，用于测试岩样(1)的环向气体渗透系数和轴向气体渗透系数，该装置包括对岩样轴向和环向加压的轴向加压装置(3)和环向加压装置(2)，岩样中间具有中间钻孔(101)，其特征在于：该装置还具有加压盘、密闭套筒(13)、加压泵(4)、进、出气管(5、6)、储水容器(8)、压力表(9)和量管(7)，所述岩样(1)上套有与岩样同轴的密闭套筒(13)，岩样的上下两端与轴向加压装置之间垫有加压盘，所述加压泵(4)经进气管(5)接于岩样下端，岩样上端依次经出气管(6)和量管(7)接至储水容器(8)内，出气管上接有压力表(9)；

测试环向气体渗透系数时，所述加压盘为密封盘(10)，在岩样上端的密封盘与轴向加压装置之间填充顶部孔隙介质层(11)，密闭套筒与岩样之间填充侧面孔隙介质层(12)，且侧面孔隙介质层顶部(12)与顶部孔隙介质层(11)连成一体；所述进气管(5)的出气口穿过岩样下端的密封盘(10)连通岩样的中间钻孔，所述出气管(6)进气口连通顶部孔隙介质层(11)；

测试轴向气体渗透系数时，所述加压盘为通气压盘(15)，密闭套筒与岩样之间填充硅胶密封层(14)，所述岩样的中间钻孔(101)内充填硅胶；所述进气管(5)的出气口连通岩样下端的通气压盘(15)，所述出气管(6)进气口连通上端的通气压盘(15)。

2.根据权利要求1所述的各向异性岩石损伤程度测试装置，其特征在于：所述顶部孔隙介质层(11)和侧面孔隙介质层(12)由级配良好的沙粒充填形成。