CN109613119A - 一种声电渗综合监测的拟三轴压力室及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声电渗综合监测的拟三轴压力室及试验方法，涉及岩石力学技术领域，包括密封装置、轴压筒、围压筒、位移监测装置、声电监测装置和渗流装置，密封装置包括轴压上压盖、轴压压盖、封胶上压盖、封胶下压盖和试验体底座，形成密闭空间并保证装置的密封性，轴压筒包括轴压活塞、柱塞、万向阀和应力传感器，能够控制轴压有效传递，围压筒包括围压室、围压入口和围压出口，方便围压的监测和调节，位移监测装置包括轴向引伸计、径向引伸计和数据采集仪，实时监测位移变化，声电监测装置包括声波探头套、传导体和接收器，渗流装置包括进水管和出水管，实现渗透率监测，解决了煤岩体渗流试验监测不精确的技术问题，还具有操作简便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学技术领域，尤其是一种声波、导电率和渗透率综合监测的拟三轴压力室，以及利用压力室进行岩石力学试验的方法。
背景技术
影响煤岩体的强度特征和渗透特性的主要因素是裂隙煤岩体中存在的节理裂隙等缺陷，并且煤岩体渗流特性的研究在各种地质工程应用中占有重要的地位，比如水利水电工程、采矿和石油工程、核废料储存工程。目前煤岩体强度监测的方法主要分为声波监测和电导率监测。其中，声波监测利用材料及其缺陷的声学性能差异原理，对声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验材料内部缺陷，声波监测具有检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低并且对试样无损害，能对缺陷进行定位和定量的特点。煤岩体的电导率表征了煤传导电流的能力，煤岩体的导电性质可分为两种：电子导电和离子导电。煤岩体的电子导电是依靠组成煤的基本物质中的自由电子导电；而离子导电是依靠煤的孔隙中水溶液的离子导电。监测煤岩体电导率的变化可以从侧面反映出煤岩体内部的变化。要研究煤岩体的强度特征需要从物理、化学两方面入手，采用声波和电导率同时监测对试样进行监测，可以得到更为准确的变化数据，可以更好的分析岩石试件强度的变化规律。
渗流主要研究裂隙岩体的渗流场和受应力环境的影响关系，而渗流场的变化反过来又对应力场产生影响，这种相互影响称之为应力渗流耦合。渗流场与应力场相互耦合是岩体力学中的一个重要研究内容，在岩体工程实践中，节理变形影响节理开度及其渗流性质，从而使煤岩体的渗透和变形性质也发生了变化。因此研究煤岩体的渗流特性及压力环境下的器官损伤具有重要意义。而渗透率从侧面量化的反映了试样的渗流特性，渗透率是指在一定压差下，煤岩体允许流体通过的能力，是表征煤岩体本身传导液体能力的参数。其大小与孔隙度、液体渗透方向上孔隙的几何形状、颗粒大小以及排列方向等因素有关，渗透率用来表示渗透性的大小。研究煤岩体的渗透特性就是研究煤岩体的渗透率，将渗透率检测添加进三轴压力室，检测煤岩体在压力条件下的渗透率，对研究试样的渗透特性有着重要意义。为提供一种利用声波监测岩石试件强度，同时监测岩石试件的导电率和渗透率的试验装置，本发明对现有的三轴压力室及试验方法做了进一步的改进。
发明内容
为解决煤岩体三轴试验时裂隙发育、渗透率和电导率计算不精确的技术问题，本发明提供了一种声电渗综合监测的拟三轴压力室及试验方法，具体技术方案如下。
一种声电渗综合监测的拟三轴压力室，包括密封装置、轴压筒、围压筒、位移监测装置、声电监测装置和渗流装置；所述密封装置包括轴压上压盖、轴压压盖、封胶上压盖、封胶下压盖和试验体底座，所述轴压筒包括轴压筒体、轴压活塞、柱塞、万向阀和应力传感器，所述围压筒包括围压室、围压入口和围压出口，所述位移监测装置包括轴向引伸计、径向引伸计和数据采集仪，所述声电监测装置包括声波探头、声波探头套、传导体和接收器；所述轴压上压盖和轴压压盖设置在轴压筒的上方，轴压上压盖和轴压压盖配合安装；所述封胶上压盖和封胶下压盖设置在围压室的下方，封胶上压盖和封胶下压盖配合安装；所述轴压活塞设置在轴压筒体内，所述应力传感器和轴压活塞相连，所述柱塞连接万向阀和应力传感器；所述柱塞和声波探头套之间通过万向阀连接；所述围压室呈筒状设置在轴压筒体的下方，围压室上设置有围压入口和围压出口；所述轴向引伸计和径向引伸计设置在围压室内；所述声波探头套和传导体相连，所述传导体和接收器分别设置在岩石试件的两端。
优选的是，轴压上压盖和轴压压盖与轴压筒通过螺栓固定密封；封胶上压盖和封胶下压盖与围压室通过螺栓固定密封；轴压筒和围压室之间通过螺栓固定密封。
进一步优选的是，围压室和轴压筒体之间设置有传压通道，围压室内设置有试验腔。
还优选的是，轴向引伸计连接声波探头套和接收器，径向引伸计连接接收器和试验腔上的螺栓；数据采集仪与轴向引伸计和径向引伸计相连。
还优选的是，声波探头套和声波探头相连，声波探头套和声波探头设置在上压头内；传导体设置在岩石试件上，用于传导声波并导电；接收器设置在下压头中，用于接收声波和测量电导率。
还优选的是，封胶上压盖上设置有进水口，进水口通过进水管将水送入试验腔下端，出水管连接试验腔上端和出水口，用于测量渗透率。
还进一步优选的是，试验腔使用热缩管制作而成，试验腔两端设置有密封圈。
一种使用声电渗综合监测的拟三轴压力室的试验方法，利用上述的一种声电渗综合监测的拟三轴压力室，试验步骤包括：
步骤一.将岩石试件放置在下压头上，连接固定声波探头套和柱塞并放置在岩石试件上方，调整上压头压紧岩石试件；
步骤二.在试验腔两端固定密封圈，使用吹风机吹热试验腔，保证试验腔贴紧岩石试件；
步骤三.整体抬升轴压筒和围压室，设置轴向引伸计和径向引伸计，将试验腔上的螺栓拧至恰好接触岩石试件；
步骤四.连接轴向引伸计和径向引伸计与数据采集仪，从进水口注水；
步骤五.整体下放轴压筒和围压室，使围压室和封胶上压盖连接，固定封胶上压盖和封胶下压盖；
步骤六.通过上压头对试验腔内的岩石试件施加轴压，通过围压入口向围压室内注入液压油，施加围压开始试验；
步骤七.打开声波探头，传导体接通电源，接收器接收声波信号测量岩石试件损伤，接收器接收电信号测量电导率；通过进水口注水，测量渗透率；
步骤八.试验结束，打开围压出口，从围压入口吹气使液压油回流，整体抬升轴压筒和围压室，拆卸岩石试件和位移监测装置。
优选的是，接收器接收声波信号，根据声波的波形判断岩石试件处于稳定阶段或破裂阶段；根据达西定律计算渗透率；根据电导率计算公式：
其中K为电导率，ρ0为空隙水电阻率，为孔隙度，sn为含水饱和度，a为比例系数；计算电导率。
本发明的有益效果包括：
(1)本发明提供的声电渗综合监测的拟三轴压力室，实现了不同围压和轴压条件下进行渗流试验的目的，并且通过声电监测装置测量电导率并监控岩石试件的损伤情况，从而为研究煤岩体渗流特征和不同应力环境下的煤岩体损伤提供理论依据。
(2)本发明通过设置密封装置保证了压力室结构良好的气密性，从而方便进行三轴压缩试验，保证对岩石试件围压的调节，声电监测装置能够实时监测岩石试件的损伤情况，传压通道以及围压室的设计使得围压调节更加精确，轴向引伸计和径向引伸计实时监测位移大小，并且通过柱塞直接加压减小了试验误差。
(3)利用声电渗综合监测的拟三轴压力室进行试验的方法，实现了不同围压条件下根据声波波形分析岩石试件的损伤，使用热缩管制作试验腔并实现对岩石试件的密封包裹，同时在轴压室内施加围压，在试验腔内通水测试渗透率，该方法实现了对渗流实验及煤岩体器官损伤的实时监控，渗流和岩石损伤提供了理论研究的工具，另外还具有操作简便，试验精度高等优点。
附图说明
图1是声电渗综合监测的拟三轴压力室结构示意图；
图2是声电渗综合监测的拟三轴压力室侧视结构示意图；
图3是图1的A-A截面示意图；
图4是图1的B-B截面示意图；
图5是稳定阶段的波形示意图；
图6是破裂阶段的波形示意图；
图中：1-密封装置；11-轴压上压盖；12-轴压压盖；13-封胶上压盖；14-封胶下压盖；15-试验体底座；2-轴压筒；21-轴压筒体；22-轴压活塞；23-柱塞；24-万向阀；25-应力传感器；3-围压筒；31-围压室；32-围压入口；33-围压出口；34-试验腔；4-位移监测装置；41-轴向引伸计；42-径向引伸计；43-数据采集仪；44-螺栓；5-声电监测装置；51-声波探头；52-声波探头套；53-传导体；54-接收器；6-渗流装置；61-进水口；62-进水管；63-出水口。
具体实施方式
结合图1至图6所示，本发明提供的一种声电渗综合监测的拟三轴压力室及试验方法具体实施方式如下。
一种声电渗综合监测的拟三轴压力室具体的结构包括密封装置1、轴压筒2、围压筒3、位移监测装置4、声电监测装置5和渗流装置6。密封装置1为压力室提供密封的环境，轴压筒2用于测量轴压并保证轴压的有效传递，围压筒3为岩石试件提供围压，位移监测装置4实时监测位移，声电监测装置5实时监测岩石试件的损伤情况和电导率，渗流装置6用于监测岩石试件的渗透率。
其中，密封装置1包括轴压上压盖11、轴压压盖12、封胶上压盖13、封胶下压盖14和试验体底座15，轴压筒2包括轴压筒体21、轴压活塞22、柱塞23、万向阀24和应力传感器25，围压筒3包括围压室31、围压入口32和围压出口33，位移监测装置4包括轴向引伸计41、径向引伸计42和数据采集仪43，声电监测装置5包括声波探头51、声波探头套52、传导体53和接收器54。
轴压上压盖11和轴压压盖12设置在轴压筒的上方，轴压上压盖11和轴压压盖12配合安装，并紧密贴合。封胶上压盖13和封胶下压盖14设置在围压室31的下方，封胶上压盖13和封胶下压盖14配合安装，共同形成密闭空间，从而方便施加围压。
轴压活塞22设置在轴压筒体21内，沿轴压筒体21内部伸缩，应力传感器25和轴压活塞22相连，柱塞23连接万向阀24和应力传感器25，柱塞23和声波探头套52之间通过万向阀24连接，使用万向阀24从而保证轴向施加的力有效均匀传递。另外，轴压上压盖11和轴压压盖12与轴压筒体21通过螺栓固定密封，封胶上压盖13和封胶下压盖14与围压室31通过螺栓固定密封；轴压筒2和围压室31之间通过螺栓固定密封。围压室31和轴压筒体21之间设置有传压通道，保证的了围压室和装置的自平衡。
围压室31呈筒状设置在轴压筒体21的下方，围压室31上设置有围压入口32和围压出口33，合理的设置围压入口31和围压出口32，从而方便围压的施加，并实时监测围压大小。
轴向引伸计41和径向引伸计42设置在围压室31内，声波探头套52设置和传导体53相连，传导体53和接收器54分别设置在岩石试件的两端。轴向引伸计41连接声波探头套52和接收器54，具体是轴向引伸计41的一端固定在声波探头套52的侧面，另一端固定在接收器54的侧面上；径向引伸计42连接接收器54和试验腔34上的螺栓44，具体是径向引伸计42的一端设置在接收器54的侧面，另一端和试验腔34上的螺栓44固定连接；另外轴向引伸计41和径向引伸计42对称布置在试验腔的两侧，并和试验腔的轴向平行。数据采集仪43与轴向引伸计41和径向引伸计42相连，数据采集仪43实时传输轴向引伸计41和径向引伸计42的位移量。
声波探头套52和声波探头相连，声波探头套52和声波探头51设置在上压头内，传导体53设置在岩石试件上，用于传导声波并导电；接收器54设置在下压头中，用于接收声波和测量电导率。
封胶上压盖13上设置有进水口61，进水口61通过进水管63将水送入试验腔下端，出水管连接试验腔上端和出水口63，用于测量渗透率。试验腔34使用热缩管制作而成，制作和使用方便，试验腔两端设置有密封圈，进一步的保证渗透率测量的准确性。
一种使用声电渗综合监测的拟三轴压力室的试验方法，利用上述的一种声电渗综合监测的拟三轴压力室，试验步骤包括：
步骤一.将岩石试件放置在下压头上，连接固定声波探头套和柱塞，声波探头套和柱塞通过螺纹配合，并将其放置在岩石试件上方，调整上压头压紧岩石试件。
步骤二.在试验腔两端固定密封圈，使用吹风机吹热试验腔，保证试验腔贴紧岩石试件。
步骤三.整体抬升轴压筒和围压室，设置轴向引伸计和径向引伸计，将试验腔上的螺栓拧至恰好接触岩石试件。
步骤四.连接轴向引伸计和径向引伸计与数据采集仪，从进水口注水。
步骤五.整体下放轴压筒和围压室，使围压室和封胶上压盖连接，固定封胶上压盖和封胶下压盖。
步骤六.通过上压头对试验腔内的岩石试件施加轴压，通过围压入口向围压室内注入液压油，施加围压开始试验。
步骤七.打开声波探头，传导体接通电源，接收器接收声波信号测量岩石试件损伤，接收器接收电信号测量电导率；通过进水口注水，测量渗透率。
步骤八.试验结束，打开围压出口，从围压入口吹气使液压油回流，整体抬升轴压筒和围压室，拆卸岩石试件和位移监测装置。
接收器接收声波信号，根据声波的波形判断岩石试件处于稳定阶段或破裂阶段，其中稳定阶段的波形如图5所示，稳定阶段的波形显示出稳态岩体的声波是一种比较平稳的随机信号，此时声发射主频较低，说明该状态试样内部暂时没有新的损伤扩展，试样承受的压力还没有超过试样的极限承载力。破裂阶段的波形如图6所示，破裂阶段振幅逐渐增加，波形在时间轴相对延迟，随着时间轴伸展，波形振幅逐渐增大到最大后降低，此时声发射主频较高，说明该状态试样内部已经破裂，试样承受的压力已经超过试样的极限承载力。
根据达西定律计算渗透率，由于饱和土中水的渗流速度与水力坡降之间的线性关系，渗流量与上下游水头差和垂直于水流方向的截面积成正比，而与渗流长度成反比。
根据电导率计算公式：
其中K为电导率，ρ0为空隙水电阻率，为孔隙度，sn为含水饱和度，a为比例系数；计算电导率。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种声电渗综合监测的拟三轴压力室，其特征在于，
包括密封装置、轴压筒、围压筒、位移监测装置、声电监测装置和渗流装置；所述密封装置包括轴压上压盖、轴压压盖、封胶上压盖、封胶下压盖和试验体底座，所述轴压筒包括轴压筒体、轴压活塞、柱塞、万向阀和应力传感器，所述围压筒包括围压室、围压入口和围压出口，所述位移监测装置包括轴向引伸计、径向引伸计和数据采集仪，所述声电监测装置包括声波探头、声波探头套、传导体和接收器；
所述轴压上压盖和轴压压盖设置在轴压筒的上方，轴压上压盖和轴压压盖配合安装；所述封胶上压盖和封胶下压盖设置在围压室的下方，封胶上压盖和封胶下压盖配合安装；
所述轴压活塞设置在轴压筒体内，所述应力传感器和轴压活塞相连，所述柱塞连接万向阀和应力传感器；所述柱塞和声波探头套之间通过万向阀连接；
所述围压室呈筒状设置在轴压筒体的下方，围压室上设置有围压入口和围压出口；所述轴向引伸计和径向引伸计设置在围压室内；所述声波探头套和传导体相连，所述传导体和接收器分别设置在岩石试件的两端。
2.根据权利要求1所述的一种声电渗综合监测的拟三轴压力室，其特征在于，所述轴压上压盖和轴压压盖与轴压筒通过螺栓固定密封；所述封胶上压盖和封胶下压盖与围压室通过螺栓固定密封；所述轴压筒和围压室之间通过螺栓固定密封。
3.根据权利要求1所述的一种声电渗综合监测的拟三轴压力室，其特征在于，所述围压室和轴压筒体之间设置有传压通道；所述围压室内设置有试验腔。
4.根据权利要求3所述的一种声电渗综合监测的拟三轴压力室，其特征在于，所述轴向引伸计连接声波探头套和接收器；所述径向引伸计连接接收器和试验腔上的螺栓；所述数据采集仪与轴向引伸计和径向引伸计相连。
5.根据权利要求3所述的一种声电渗综合监测的拟三轴压力室，其特征在于，所述声波探头套和声波探头相连，声波探头套和声波探头设置在上压头内；所述传导体设置在岩石试件上，用于传导声波并导电；所述接收器设置在下压头中，用于接收声波和测量电导率。
6.根据权利要求3所述的一种声电渗综合监测的拟三轴压力室，其特征在于，所述封胶上压盖上设置有进水口，进水口通过进水管将水送入试验腔下端，出水管连接试验腔上端和出水口，用于测量渗透率。
7.根据权利要求6所述的一种声电渗综合监测的拟三轴压力室，其特征在于，所述试验腔使用热缩管制作而成，试验腔两端设置有密封圈。
8.一种使用声电渗综合监测的拟三轴压力室的试验方法，其特征在于，利用权利要求1至7任一项所述的一种声电渗综合监测的拟三轴压力室，试验步骤包括：
步骤一.将岩石试件放置在下压头上，连接固定声波探头套和柱塞并放置在岩石试件上方，调整上压头压紧岩石试件；
步骤二.在试验腔两端固定密封圈，使用吹风机吹热试验腔，保证试验腔贴紧岩石试件；
步骤三.整体抬升轴压筒和围压室，设置轴向引伸计和径向引伸计，将试验腔上的螺栓拧至恰好接触岩石试件；
步骤四.连接轴向引伸计和径向引伸计与数据采集仪，从进水口注水；
步骤五.整体下放轴压筒和围压室，使围压室和封胶上压盖连接，固定封胶上压盖和封胶下压盖；
步骤六.通过上压头对试验腔内的岩石试件施加轴压，通过围压入口向围压室内注入液压油，施加围压开始试验；
步骤七.打开声波探头，传导体接通电源，接收器接收声波信号测量岩石试件损伤，接收器接收电信号测量电导率；通过进水口注水，测量渗透率；
步骤八.试验结束，打开围压出口，从围压入口吹气使液压油回流，整体抬升轴压筒和围压室，拆卸岩石试件和位移监测装置。
9.根据权利要求8所述的一种使用声电渗综合监测的拟三轴压力室的试验方法，其特征在于，所述接收器接收声波信号，根据声波的波形判断岩石试件处于稳定阶段或破裂阶段；根据达西定律计算渗透率；根据电导率计算公式：
其中K为电导率，ρ0为空隙水电阻率，为孔隙度，sn为含水饱和度，a为比例系数；计算电导率。
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