CN205139139U - 多场耦合状态下岩样电性特征测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多场耦合状态下岩样电性特征测试装置，包括电阻率测试模块、应力测试模块、渗流测试模块和上、下测试探头；电阻率测试模块包括直流电法仪和若干分层缠绕在待测试岩样上的环形电极，若干环形电极通过直流电法仪光缆连接至直流电法仪；待测试岩样上、下端面上分别设置有绝缘保护层，且绝缘保护层中分别设置有供上、下测试探头伸入的空隙，待测试岩样外圆周面上设置有绝缘固定板；应力测试模块包括加压装置和应力采集装置；渗流测试模块包括高压水进水系统，高压进水系统与上测试探头中的进水孔连通，下测试探头中设置有出水孔，出水孔中设置有水量流量计。本实用新型结构简单，操作方便。

Description

多场耦合状态下岩样电性特征测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种岩样电性特征测试装置，特别涉及应力-渗流状态下岩样电性特征测试装置。

背景技术

以石炭-二叠系为主的华北型煤田经过半个多世纪的开采，开采深度已经进入深部，工作面深受高承压水、薄隔水层危险威胁，工作面底板突水时有发生。基于高承压水、薄隔水层突水机理层出不穷，但是，多数突水机理只是建立在单一影响因素、理想模型基础上，与实际工作面底板突水现场相差甚远。如何准确探查工作面底板水情的赋存状态和运移规律，是当前解决底板突水的核心问题。当前，要准确探查工作面底板水情，必须解决岩层在多场耦合状态下电性变化规律，掌握应力和渗流对岩层电阻率变化的影响，因此，测试多场耦合状态下岩样电性特征成为当前亟需解决的问题。

当前没有专门测试岩样在多场耦合状态下的电性特征装置，只有测试大地的电阻率装置和测试岩样单轴应力状态下电阻率仪器，因此，设计一种能测试岩样渗流-应力多场耦合状态下电性特征装置和测试方法，成为当前探查底板水情变化规律的必然。

中国专利申请201410400335.2公开了一种力磁电多场耦合测量系统，包括：力加载模块，力加载模块包括连接杆、固定基座、亥姆赫兹线圈、铝架和力传感器；磁加载模块，磁加载模块包括：处理模块，处理模块包括信号发生器、力显示器、锁相放大器和特斯拉计；其中，信号发生器与亥姆赫兹线圈相连，力显示器与力传感器相连，锁相放大器与待测试件上下表面相连，力加载模块嵌套在磁加载系统中，并通过固定基座来固定其相对位置，固定基座与铝架通过紧固件固定，力传感器固定在铝架上。该专利可实现不同力场、不同磁场的耦合时复合材料磁电性能的测量。但是该专利主要是针对磁电复合材料的测量系统，并不是针对岩石的测量系统，和本实用新型的测量对象不同，且研究对象性质相差太大。

中国专利ZL201310261472.8公开了一种渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验装置与测试方法，该实验装置包括三轴压力室、多相流体混合控制装置、出口流体收集与测量装置。多相流体混合控制装置包括气体计量泵、液体计量泵、气体压缩瓶、储液箱、混合容器、控制箱、真空泵。通过控制箱的电平信号来控制计量泵的工作状态，保证恒定的渗透压力以及混合流体的气液成分比例。渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验的测试方法是在上述实验装置的基础上进行的测试方法，该专利主要是用来研究岩石试件在不同相态混合流体渗透作用下的热流固耦合蠕变实验，和本实用新型研究岩石的性质和目的都不同，因此，与本实用新型没有关联性。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种多场耦合状态下岩样电性特征测试装置，该测试装置结构简单、原理科学、数据准确、便于操作。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种多场耦合状态下岩样电性特征测试装置，包括电阻率测试模块、应力测试模块、渗流测试模块和上、下测试探头；

所述电阻率测试模块包括直流电法仪和四个分层缠绕在待测试岩样上的环形电极，四个环形电极通过环形电极导线与电法仪光缆在上测试探头处相连接，经电法仪器光缆连接至直流电法仪；待测试岩样上、下端面上分别设置有绝缘保护层，且绝缘保护层中分别设置有供上、下测试探头伸入的空隙，待测试岩样外圆周面上设置有绝缘固定板；

所述环形电极与岩样接触面积大，便于供电电极对岩样供电，防止供电电极开路；

所述应力测试模块包括用于对待测试岩样顶部及侧边加压的加压装置和用于采集待测试岩样应力变化的应力采集装置；

所述渗流测试模块包括高压水进水系统，高压进水系统与上测试探头中的进水孔连通，下测试探头中设置有出水孔，出水孔中设置有水量流量计。

所述加压装置包括液压伺服控制系统，液压伺服控制系统分别控制位于待测试岩样顶部和侧面的顶板加压器和侧向加压器，所述侧向加压器与紧靠在所述绝缘固定板外部的侧向固定板连接。

所述待测试岩样和侧向加压器均设置底座平台上。

所述顶板加压器和侧向加压器均为液压千斤顶。

所述应力采集装置包括应力采集系统，应力采集系统通过导线与上测试探头中的应力采集探头连接。

所述上测试探头包括设置于探头壳体内的液压伺服探头、直流电法仪光缆、应力采集探头和进水孔，液压伺服探头与液压伺服控制系统相连，所述液压伺服探头和应力采集探头均与待测试岩样接触。

所述下测试探头包括壳体，壳体中设置一个上下贯通的出水孔，出水孔中设置水量流量计，壳体顶部出水孔上端口处呈凹坑状，便于水留出。

利用多场耦合状态下岩样电性特征测试装置的测试方法，包括：

(1)各模块连接工作

首先将相同岩性的岩芯制成同样的多份，同时保证各待测试岩样长度相同，上下截面平整,上、下测试探头与待测试岩样充分接触；用铜丝环绕岩样一周，制成的环形电极并将其固定好，使环形电极与待测试岩样接触完好，防止供电电极A、B开路；在待测试岩样放在底座平台上之前，首先将绝缘保护层分别放在待测试岩样的上下底面，在上、下测试探头处留下探头形状的空隙，便于上、下测试探头与待测试岩样接触；将岩样与环形电极连接好，再将环形电极导线（包括环形电极导线A、环形电极导线B、环形电极导线M、环形电极导线N）分别与各自对应环形电极连接在一起，再将所有环形电极导线与上探头内的电阻率光缆连接好，将电阻率主机与光缆连接；最后，利用绝缘保护层将待测试岩样与侧向固定板和加压器隔离，防止待测试岩样与其它导体接触，导致测量结果出现误差。

其次将液压伺服控制系统与液压探头及应力测试系统及顶板和侧向加压器连接好，完成应力测试模块连接完毕，便于应力采集；

最后，将高压进水系统、上测试探头内的进水孔、测试下探头内的出水孔及水量流量计连接好，完成渗流测试模块连接，便于渗流测量；各模块连接完成后，将待测试岩样密闭，检测密闭完好后，方可进行试验数据采集；

（2）单因素变量数据采集

a）应力状态下电性特征

首先在不加应力的情况下，打开直流电法仪，采用对称四极装置，根据绑定的环形电极位置，设定采集参数，开始测试岩样电阻率值，随后，打开应力测试模块，通过控制液压伺服控制系统控制液压伺服探头和顶部或侧向加压器共同作用，不断给待测试岩样加压，随着压力的变化，记录岩样电阻率变化特征及岩石裂隙发育情况，直到待测试岩样破裂；待测试岩样破裂后，然后通过应力测试模块，不断给待测试岩样卸压，再次观测待测试岩样电阻率变化情况；

b）渗流状态下电性特征

首先在不加渗流的情况下，打开直流电法仪，采用对称四极装置，根据绑定的环形电极位置，设定采集参数，开始测试待测试岩样电阻率值，随后，打开渗流测试模块，通过高压进水系统从上探头进水孔进水，测试下探头出水孔水量变化，根据时间和流量的变化测量渗流大小，同时测出待测试岩样电阻率变化情况，然后不断调节渗流的变化，记录待测试岩样电阻率值；

（3）多场耦合数据采集

a）待测试岩样破碎前应力-渗流同时增大，待测试岩样电性特征；待测试岩样破碎后应力-渗流岩样电性特征；

打开应力测试模块和渗流测试模块，同时增大应力和渗流，记录待测试岩样电阻率变化特征及岩石裂隙发育情况，直到待测试岩样破裂；待测试岩样破裂后，分三种情况观测，一是渗流不变，不断的给待测试岩样卸压，再次观测待测试岩样电阻率特征；二是增大渗流，减小应力，观测待测试岩样电阻率变化特征；三是减小渗流，减小应力，观测待测试岩样电阻率变化特征；

b）待测试岩样破碎前应力增大，渗流减小，岩样电性特征；待测试岩样破碎后应力-渗流岩样电性特征；

打开应力测试模块和渗流测试模块，增大应力，减小渗流，记录待测试岩样电阻率变化特征及岩石裂隙发育情况，直到岩样破裂；待测试岩样破裂后，分三种情况观测，一是渗流不变，不断的给待测试岩样卸压，再次观测待测试岩样电阻率特征；二是增大渗流，减小应力，观测待测试岩样电阻率变化特征；三是减小渗流，减小应力，观测待测试岩样电阻率变化特征；

c)待测试岩样破碎前应力减小，渗流增大，岩样电性特征

打开应力测试模块和渗流测试模块，不断减小应力，增大渗流，记录岩样电阻率变化特征及岩石裂隙发育情况。

（4）建立基于电阻率的底板富水性演化模型

a）分析应力和渗流单一影响因素下岩样电阻率之间的变化规律；

b）分析在应力-渗流多场状态下岩样电阻率之间的变化规律；

c）根据以上分析，结合岩石岩性、含水性、破坏性等影响因素条件，对岩石电阻率进行富水情况分级，确定岩石富水性级别划分的电阻率指标和参数，为准确探查工作面底板水情的赋存状态和运移规律奠定基础。

本实用新型的测试装置由电阻率测试模块、应力测试模块、渗流测试模块、测试岩样、上测试探头、下测试探头等部分组成。其中电阻率测试模块包括直流电法仪，环形电极A、环形电极B、环形电极M、环形电极N、绝缘固定板、绝缘保护层、环形电极导线A、环形电极导线B环形电极导线M、环形电极导线A等。直流电法仪只要能采用对称四级装置测量岩样电阻率即可。对岩样测量时，电极采用环形电极。环形电极用铜丝围绕岩芯一周，将其拧紧固定在岩样上，与岩样充分接触。环形电极与普通电极相比，具有接触面积多，容易固定，便于操作等特点。绝缘固定板和绝缘保护层主要作用防止对岩样测试过程中，岩样与其它导体连接，引起电阻率测量误差。绝缘保护层在上、下探头处留探头形状的空隙，便于探头与岩样接触。

应力测试模块由液压伺服控制系统、液压伺服探头、应力采集系统、侧向加压固定器、侧向固定板、应力采集系统、顶部加压器、底座平台等组成。其中液压伺服控制系统控制液压伺服探头，与顶部加压器及侧向加压器共同作用，实现对岩样施加不同的应力，由应力采集系统对岩石收到的应力变化、应变进行数据采集、成图等。

渗流测试模块由高压进水系统、进水孔、出水孔、水量流量计等部分组成。高压进水系统将水由进水孔进入岩样中开始计时，通过出水孔中的水量流量计计量流量，算出岩样的渗流值。

上探头包括液压伺服探头、直流电法仪光缆、应力采集探头、进水孔等组成。下探头包括出水孔、水量流量计等组成。上下探头要求抗压绝缘材料制成，下探头顶部制成凹型，便于水可以顺利流入下探头。

岩样主要从井下钻孔中取出的岩芯，岩芯不宜太长，横截面积不宜太大，岩芯从钻孔取出不易放入室外时间太长，防止岩芯过于干燥，不易导电，造成电法仪器开路。

本实用新型结构简单，操作方便，仪器设备费用低、试验环境好，能实现多场耦合状态下岩样电性特征测试，为研究矿井底板水情分布提供试验数据，指导现场生产。

本实用新型分别利用应力测试模块和渗流模块作为研究岩样电性特征单一变量因素，测试同一岩样在不同应力状态下岩样裂隙发育规律和电性特征，建立不同应力状态下岩样裂隙发育规律与电性对应模型；在不同渗流条件下，测试岩样电性特征，建立岩样渗流-电性对应模型；基于应力模块和渗流模块多因素共同作用下，测试同一岩样在不同应力-渗流下电性特征，分析多场耦合状态下岩样电阻率测试结果，结合岩石岩性、含水性、破坏程度、等因素，建立岩石电阻率富水性演化模型，确定岩层富水性级别划分的电阻率指标和参数，为准确探查工作面底板水情的赋存状态和运移规律奠定基础。该试验装置结构简单、原理科学、数据准确、便于操作。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的测试装置结构示意图；

图2是上测试探头结构示意图；

图3是下测试探头结构示意图；

其中，1.直流电法仪，2.液压伺服控制系统，3.侧向加压器，4.应力采集系统，5.高压进水系统，6.上测试探头，7.底座平台，8.下测试探头，9.待测试岩样，10.绝缘保护层，11.侧向固定板，12.绝缘固定板，13.环形电极A，14.环形电极B，15.环形电极M，16.环形电极N，17.顶板加压器，601.液压伺服探头，602.直流电法仪器光缆，603.应力采集探头，604.进水孔，605.环形电极导线A，606.环形电极导线M，607.环形电极导线N，608.环形电极导线B，801.出水孔，802.水量流量计。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1-图3所示，多场耦合状态下岩样电性特征测试装置，包括电阻率测试模块、应力测试模块、渗流测试模块和上、下测试探头6、8；

电阻率测试模块包括直流电法仪1，环形电极A13、环形电极B14、环形电极M15、环形电极N16、绝缘固定板12、绝缘保护层10、环形电极导线A605、环形电极导线B608、环形电极导线M606、环形电极导线N607等。直流电法仪1只要能采用对称四级装置测量岩样电阻率即可。环形电极分别通过直流电法仪光缆602连接至直流电法仪1。对岩样测量时，电极采用环形电极。环形电极用铜丝围绕岩芯一周，将其拧紧固定在待测试岩样上，与岩样充分接触。环形电极与普通电极相比，具有接触面积多，容易固定，便于操作等特点。待测试岩样9上、下端面上分别设置有绝缘保护层10，待测试岩样9外圆周面上设置有绝缘固定板12；绝缘固定板12和绝缘保护层10主要作用防止对待测试岩样9测试过程中，待测试岩样9与其它导体连接，引起电阻率测量误差。绝缘保护层在上、下测试探头6、8处留探头形状的空隙，便于探头与待测试岩样9接触。

应力测试模块由液压伺服控制系统2、液压伺服探头601、应力采集系统4、侧向加压器3、侧向固定板11、应力采集探头603、顶板加压器17、底座平台7等组成。其中液压伺服控制系统2控制液压伺服探头601、位于待测试岩样顶部和侧边的顶板加压器17和侧向加压器3，与顶板加压器17及侧向加压器3共同作用，实现对待测试岩样施加不同的应力，由应力采集系统4对岩石收到的应力变化、应变进行数据采集、成图等。所述侧向加压器3与紧靠在所述绝缘固定板12外部的侧向固定板11连接。

待测试岩样9和侧向加压器3均设置底座平台7上。顶板加压器17和侧向加压器3均为液压千斤顶。

应力采集系统4通过导线与上测试探头中的应力采集探头连接。渗流测试模块包括高压水进水系统5，高压进水系统5与上测试探头6中的进水孔604连通，下测试探头8中设置有出水孔801，出水孔801中设置有水量流量计802。高压进水系统5将水由进水孔604进入待测试岩样中开始计时，通过出水孔801中的水量流量计802计量流量，算出岩样的渗流值。

上测试探头6包括设置于探头壳体内的液压伺服探头601、直流电法仪光缆602、应力采集探头603和进水孔604，液压伺服探头601与液压伺服控制系统2相连，所述液压伺服探头601和应力采集探头603均与待测试岩样9接触。

下测试探头8包括壳体，壳体中设置一个上下贯通的出水孔801，出水孔801中设置水量流量计802，壳体顶部出水孔801上端口处呈凹坑状。

上、下测试探头6、8要求抗压绝缘材料制成，下测试探头801顶部制成凹型，便于水可以顺利流入下测试探头8。

岩样主要从井下钻孔中取出的岩芯，岩芯不宜太长，横截面积不宜太大，岩芯从钻孔取出不易放入室外时间太长，防止岩芯过于干燥，不易导电，造成电法仪器开路。

利用多场耦合状态下岩样电性特征测试装置的测试方法，包括：

(1)各模块连接工作

首先将相同岩性的岩芯制成同样的多份，同时保证各待测试岩样长度相同，上下截面平整,上、下测试探头6、8与待测试岩样9充分接触；用铜丝环绕岩样一周，制成的环形电极并将其固定好，使环形电极与待测试岩样9接触完好，防止供电电极A、B开路；在待测试岩样9放在底座平台7上之前，首先将绝缘保护层10分别放在待测试岩样9的上下底面，在上、下测试探头6、9处留下探头形状的空隙，便于上、下测试探头6、9与待测试岩样9接触；将待测试岩样9与环形电极连接好，再将环形电极导线（包括环形电极导线A605、环形电极导线B608、环形电极导线M606、环形电极导线N607）分别与各自对环形电极连接在一起，再将所有环形电极导线与上探头内的电阻率光缆连接好，将电阻率主机与光缆连接；最后，利用绝缘保护层10将待测试岩样9与侧向固定板11和侧向加压器3隔离，防止待测试岩样与其它导体接触，导致测量结果出现误差。

其次将液压伺服控制系统与液压探头及应力测试系统及顶板和侧向加压器连接好，完成应力测试模块连接完毕，便于应力采集；

最后，将高压进水系统5、上测试探头6内的进水孔604、测试下探头8内的出水孔801及水量流量计802连接好，完成渗流测试模块连接，便于渗流测量；各模块连接完成后，将待测试岩样密闭，检测密闭完好后，方可进行试验数据采集；

（2）单因素变量数据采集

a）应力状态下电性特征

首先在不加应力的情况下，打开直流电法仪，采用对称四极装置，根据绑定的环形电极位置，设定采集参数，开始测试岩样电阻率值，随后，打开应力测试模块，通过控制液压伺服控制系统控制液压伺服探头和顶部或侧向加压器共同作用，不断给待测试岩样加压，随着压力的变化，记录岩样电阻率变化特征及岩石裂隙发育情况，直到待测试岩样破裂；待测试岩样破裂后，然后通过应力测试模块，不断的给待测试岩样卸压，再次观测待测试岩样电阻率变化情况；

b）渗流状态下电性特征

首先在不加渗流的情况下，打开直流电法仪，采用对称四极装置，根据绑定的环形电极位置，设定采集参数，开始测试待测试岩样电阻率值，随后，打开渗流测试模块，通过高压进水系统从上探头进水孔进水，测试下探头出水孔水量变化，根据时间和流量的变化测量渗流大小，同时测出待测试岩样电阻率变化情况，然后不断调节渗流的变化，记录待测试岩样电阻率值；

（3）多场耦合数据采集

a）待测试岩样破碎前应力-渗流同时增大，待测试岩样电性特征；待测试岩样破碎后应力-渗流岩样电性特征；

打开应力测试模块和渗流测试模块，同时增大应力和渗流，记录待测试岩样电阻率变化特征及岩石裂隙发育情况，直到待测试岩样破裂；待测试岩样破裂后，分三种情况观测，一是渗流不变，不断的给待测试岩样卸压，再次观测待测试岩样电阻率特征；二是增大渗流，减小应力，观测待测试岩样电阻率变化特征；三是减小渗流，减小应力，观测待测试岩样电阻率变化特征；

b）待测试岩样破碎前应力增大，渗流减小，岩样电性特征；待测试岩样破碎后应力-渗流岩样电性特征；

打开应力测试模块和渗流测试模块，增大应力，减小渗流，记录待测试岩样电阻率变化特征及岩石裂隙发育情况，直到岩样破裂；待测试岩样破裂后，分三种情况观测，一是渗流不变，不断的给待测试岩样卸压，再次观测待测试岩样电阻率特征；二是增大渗流，减小应力，观测待测试岩样电阻率变化特征；三是减小渗流，减小应力，观测待测试岩样电阻率变化特征；

c)待测试岩样破碎前应力减小，渗流增大，岩样电性特征

打开应力测试模块和渗流测试模块，不断减小应力，增大渗流，记录岩样电阻率变化特征及岩石裂隙发育情况。

(4)建立基于电阻率的底板富水性演化模型

a)分析应力和渗流单一影响因素下岩样电阻率之间的变化规律。

b)分析在应力-渗流多场状态下岩样电阻率之间的变化规律。

c)根据以上分析，结合岩石岩性、含水性、破坏性等影响因素条件，对岩石电阻率进行富水情况分级，确定岩石富水性级别划分的电阻率指标和参数，为准确探查工作面底板水情的赋存状态和运移规律奠定基础。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型保护范围以内。

Claims (7)

1.多场耦合状态下岩样电性特征测试装置，其特征是，包括电阻率测试模块、应力测试模块、渗流测试模块和上、下测试探头；

所述电阻率测试模块包括直流电法仪和四个分层缠绕在待测试岩样上的环形电极，四个环形电极分别通过环形电极导线与直流电法仪光缆在上测试探头处相连接，经电法仪器光缆连接至直流电法仪；待测试岩样上、下端面上分别设置有绝缘保护层，且绝缘保护层中分别设置有供上、下测试探头伸入的空隙，待测试岩样外圆周面上设置有绝缘固定板；

所述应力测试模块包括用于对待测试岩样顶部及侧边加压的加压装置和用于采集待测试岩样应力变化的应力采集装置；

所述渗流测试模块包括高压水进水系统，高压进水系统与上测试探头中的进水孔连通，下测试探头中设置有出水孔，出水孔中设置有水量流量计。

2.如权利要求1所述的多场耦合状态下岩样电性特征测试装置，其特征是，所述加压装置包括液压伺服控制系统，液压伺服控制系统分别控制位于待测试岩样顶部和侧边的顶板加压器和侧向加压器，所述侧向加压器与紧靠在所述绝缘固定板外部的侧向固定板连接。

3.如权利要求2所述的多场耦合状态下岩样电性特征测试装置，其特征是，所述待测试岩样和侧向加压器均设置底座平台上。

4.如权利要求2所述的多场耦合状态下岩样电性特征测试装置，其特征是，所述顶板加压器和侧向加压器均为液压千斤顶。

5.如权利要求1所述的多场耦合状态下岩样电性特征测试装置，其特征是，所述应力采集装置包括应力采集系统，应力采集系统通过导线与上测试探头中的应力采集探头连接。

6.如权利要求1所述的多场耦合状态下岩样电性特征测试装置，其特征是，所述上测试探头包括设置于探头壳体内的液压伺服探头、直流电法仪光缆、应力采集探头和进水孔，液压伺服探头与液压伺服控制系统相连，所述液压伺服探头和应力采集探头均与待测试岩样接触。

7.如权利要求1所述的多场耦合状态下岩样电性特征测试装置，其特征是，所述下测试探头包括壳体，壳体中设置一个上下贯通的出水孔，出水孔中设置水量流量计，壳体顶部出水孔上端口处呈凹坑状。