[发明专利]微机控制电液伺服岩石三轴动态剪切渗流耦合试验方法

摘要

一种微机控制电液伺服岩石三轴动态剪切渗流耦合试验方法，属于岩石力学与工程技术领域范畴，其特征在于所采用的试验装置由加载系统、密封系统、流体注入系统、声发射监测系统、变形监测系统和数据采集系统组成，本发明的用途及优点在于：不仅能够解决现有三轴压力室无法进行高围压及高渗透压下岩石大位移剪切渗流耦合的技术问题，能实现以该技术为基础的多种扩展功能。能实现剪切方向的力、位移和应变率的伺服控制加载，以及动态剪切过程中的多相流体的注入渗流。此外，本装置还配有温度控制系统，能对三轴压力室实施0~200℃间的恒温控制，进开展在温度作用下的岩石动态剪切渗流耦合特性等一系列扩展试验。

主权项

微机控制电液伺服岩石三轴动态剪切渗流耦合多功能试验方法，其特征在于所采用装置是一种主要用于不同温度作用及不同流体注入下的岩石的动态剪切渗流耦合特性试验研究的装置，试验对象为φ50×50~100mm或φ100×100~200mm的圆柱形的完整或单裂隙煤岩体试件，该方法首先采用半圆柱形磨具浇注φ50×20mm的半圆柱形硅橡胶（10），然后将两个由45#钢（34）和硅橡胶（10）所拼成的φ50×20mm的圆柱体剪切压头按相对的方位对齐放在试件（12）的两端，接着将两个直径为50mm的内凹压头（11）对齐放在剪切压头的两端，然后利用特氟龙胶带（31）将试件（12）、剪切压头和内凹压头（11）三者自上而下螺旋缠绕数圈成为一个整体，然后将该整体套入热缩套管（62）中，并用热风机反复吹烤，然后将其放入恒温箱中保持温度200℃进行2h的烘烤并拿出，待冷却至室温后，将试件（12）放入橡胶套（36）内，并将橡胶套插入支撑架内，接着将两个内径为50mm，厚度为2mm的铝环放入试件（12）的外壁和橡胶套（36）的内壁之间，使得二者间没有空隙，其中上部铝环（32）分布在上剪切压头顶部与超过试件（12）的上端面10mm之间，而下部铝环（35）则分布在下剪切压头的底部和超过试件的下端面10mm间，然后，将装有试件（12）和橡胶套（36）的支撑架放在转换垫块（15）间，并用U型卡环（63）连接支撑架和支撑架定位环（62），使支撑架在三轴压力室（42）内的位置固定，之后，在支撑杆（64）上安装声发射探头（47）、径向LVDT（65）、温度传感器（68）等监测设备，并在支撑架的上圆环板（52）上放置承压板（66），然后连接三轴压力室的下腔体（30）与三轴压力室底座（16），两者用凹形环状卡套（38）卡紧，接着在外加载杆（8）上接上外接杆（27），手动移动外加载杆（27），使加载杆下端与橡胶套（36）上部的承压板（66）相接触，实现橡胶套（36）的全段密封，然后将外接杆（27）卸下并接在内加载杆（7）上，调节轴向LVDT（3）的位置，使轴向LVDT（3）的指针与外接杆（2）相接触，然后在三轴压力室（42）的外侧安装三轴室温度控制外壳（57），至此，三轴釜装配完毕，然后开启围压加载系统中的充液油缸控制系统（24），将储油罐（59）中的油首先抽入油浴升温系统（58）中按指定的温度对油体加热，然后打开充液相关阀门及增压室（22）上的溢流阀（46），接着采用充液油缸控制系统（24）往三轴压力室（42）内充油，待溢流口（20）处有油流出时，关闭溢流阀（46）、充液油缸控制系统（24）和相应的针阀（18）等，接着开启围压加载系统中的伺服油缸控制系统（23），其配合增压室（22）可将三轴压力室（42）内的油压按恒定的加载速率升至试验所需值，然后开启三轴室温度控制外壳（57），保持三轴压力室（42）内的温度的波动范围在1~2℃，进而可实现对试件（12）的不同围压及温度的控制，并实时采集温度传感器（68）、压力传感器（17）、LVDT（5）、LVDT（3）等所有传感器的读数变化，待围压稳定在预设的试验压力后，微机控制电液伺服加载系统（1），通过加载内加载杆（7）可将剪切力施加到试件（12）的上端面，在对岩体试件（12）实施剪切力同时，开启流体注入系统中的液体注入系统（40）和气体注入系统（41），按恒定和压力或恒定的流量将液体储存罐（60）和气体存储罐（55）中的气液两相流体注入三轴压力室（42）内的试件（12）的下端面，两种流体可独立注入，也可混合注入，另外，还可通过调节气体增压增温系统（56）和背压阀（69），使注入的气体处于超临界状态，然后开启液体收集瓶（25）和气体计量计（26），实现气体和液体的分离和称量，在剪切渗流耦合试验的全过程中实时采集并记录试件（12）的法向和剪切力的大小，法向和剪切变形的大小，并记录剪切全过程的声发射信号，同时测量气体和液体的压力值和流量值，进而绘制曲线分析岩体的剪切渗流耦合特性，重复上述步骤即可进行不同温度、不同围压及不同渗透压条件下岩石剪切渗流耦合试验分析，下面以尺寸为φ50×100mm的圆柱形完整岩石细砂岩试件为例，并选取纯净水做为渗透介质，对本试验方法的具体实施进行详述：1） 取样：在大块原岩上钻取尺寸为φ50×100mm的圆柱形大尺寸完整细砂岩岩石，并打磨岩石两端面，使其不平整度误差不超过0.01mm；2） 硅橡胶半圆柱型压头（10）制作：将高度为20mm的45#钢半圆柱形压头（34）置于直径为50mm，高度同样为20mm的圆柱形有机玻璃磨具内，接着用南大705硅橡胶填充另一半，待膏体液面与45#钢半圆柱形压头（34）上端面相平时停止浇注，之后将磨具置于通风处凝固24h，最后将浇注好的硅橡胶半圆柱形压头（10）取出以留做试验用；这里的45#钢半圆柱压头（34）的高度即为岩石最大的剪切错动量；3） 装配试件：将45#钢半圆柱形压头（34）和硅橡胶半圆柱形压头（10）配合在一起形成拼合压头，之后将两个拼合压头按相反的方向置于试件（12）的上下端面，然后分别在两端的拼合压头外装上内凹压头（11）和圆柱形压头（9）和（15），之后用特氟龙胶带（31）自上而下螺旋式缠绕一圈，使试件和各个压头形成一个整体；然后将该整体装入橡胶套（36）内，之后将两个形状和尺寸均相同的、外径为50mm的铝环（36）放入试件外壁和胶套内壁的空腔内，使试件和胶套没有空隙，其中上铝环（32）从试件（12）上压头（9）顶部开始，超过试件（12）上端面10mm，而下铝环（36）从试件下压头（15）底部开始，超过试件（12）下端面10mm，而试件（12）中部剩余的80mm则完全由橡胶套（36）贴紧；然后在胶套（36）周围安装支撑架，使支撑架的上下两块圆环板（9）和（14）贴紧橡胶套（36），然后在上下圆环板间接上支撑杆（64），之后将试件连通支撑架整体放入转换压块（15）间，再将定位环（62）放入三轴室内，并在支撑架与支撑架定位环（62）之间用U型卡环（63）连接，之后，在试件表面接上声发射探头（47），在支撑杆上接上径向LVDT（65）和温度传感器（68）等监测设备；4） 装配三轴压力室（42）：将三轴压力室腔体（30）通过凹形环状卡套（38）与三轴压力室底座（16）相连接，并配套O型圈实现密封，然后在三轴压力室外部套上三轴室温度控制外壳（57），之后在外加载杆（8）上接上外接杆（27），然后手动移动外加载杆（8），使外加载杆（8）的下端与橡胶套（36）的上部相接触，进而实现胶套的全段密封；然后将外接杆（27）卸下并接在内加载杆（7）上，并调节LVDT（3）的位置，使LVDT（3）的指针与外接杆（27）相接触，此时，三轴压力室（42）装配完毕；5） 三轴压力室充液：开启储油罐（59），油浴升温系统（58），充液控制系统（24），并打开充液相应阀门（18）和（46）等，给三轴压力室（42）内充油，待液压油从承压室的溢流阀（46）流出时，说明液压油已充满整个腔体，此时关闭充液控制系统（24）、充液阀门（18）和溢流阀（46）等；6） 施加三轴围压并保持：开启所有的数据监测设备，调“0”开始监测；开启围压伺服控制系统（23）将三轴压力室内的压力加至试验所需值并保持，待室内压力稳定后调整承压室上部的LVDT（5）指针，使其与承压室（22）上端接触；在试验全过程中都保持恒定的围压值不变；7） 施加孔隙压力P0：开启背压阀，将其调至试验所需孔隙压力值P0；随后开启液体储存罐（60）及液体注入系统（41）；设置注入系统以恒定注入压力P0值向试件底部注入流体，待注入系统提示不再有流体注入时，说明试件内部整体已达到恒定的孔隙压力P0；8） 施加渗透压差并保持：当试件内部达到恒定孔隙压力P0时，增加入口端的注入压力至P1，使液体注入系统（41）以△P=P1‑P0的渗透压差向试件（12）底部注入流体，开启液体采集瓶（25），进行液体渗透率的测定；在试验全过程中保持恒定的渗透压差△P不变；9） 施加剪切应力：开启微机控制电液伺服轴压控制系统（1），通过加载内加载杆（7）来将剪切力施加到试件端面；本试验采用0.0001mm/s的恒位移控制来施加剪应力，并进行20mm的剪切压缩；在试件（12）剪切的全过程，维持试件两端的渗透压差△P不变；10）记录试验数据： 在试件剪切的全过程，实时记录并分析各项数据的变化，包括：出口液体流量变化、法向和剪切力、法向和剪切变形、声发射信号等；11） 拆卸试件：通过各控制系统依次卸除轴向压力、围压以及排油，用外接杆（27）将外加载杆（8）拉出，并拆除三轴室温度控制外壳（57），采用升降机将三轴室的上腔体（30）抬起，依次拆除胶套（36），铝环（32）和（36），特氟龙胶带（31）及各压头，最后拍照记录破裂的试件，至此试验完毕；12） 分析数据：处理试验数据，绘制试件剪切位移‑渗透率曲线，剪切位移‑剪切力曲线，剪切位移‑法向变形曲线，剪切位移‑声发射曲线等。