一种岩石三轴试验设备及方法与流程

本发明涉及试验设备技术领域，尤其是指一种岩石三轴试验设备及方法。

背景技术：

《煤的甲烷吸附量测定方法mt/t752-1997》、《工程岩体试验方法标准gb/t50266》、《铁路工程岩石试验规程tb101115》、《公路工程岩石试验规程jtge41-2005》是现行的主要涉及煤岩或岩石的测试标准。煤岩以及岩石的单轴、三轴压缩，以及渗气渗水高温耦合试验，是对煤岩和岩石进行测试的重要试验方式，能够准确测量煤岩和岩石的各项指标对基建领域来说非常重要。现有的岩石试验设备有很多种，但是都存在着设计缺陷，导致最终测量结果不够准确。

技术实现要素：

针对现有技术中的岩石试验设备结构不合理导致最终试验结果不够准确的问题，本发明实施例要解决的技术问题是提出一种结构合理且试验结果更为精确地岩石三轴试验设备及方法。

为了解决上述问题，本发明实施例提出了一种岩石三轴试验设备，包括主框架和压力室；其中主框架为口字形框架，中央设有用于容置压力室的空间；该压力室包括筒体和底座，该筒体余底座可拆卸的通过分体式卡箍固定在一起以形成密封的内腔；在筒体内设有上压头和下压头，上压头和下压头的位置相对应以对试件施压轴向压力；且所述底座上设有围压进出口以对试件施加径向压力；且所述筒体内设有轴向引伸计和径向引伸计；在筒体的顶部设有排气口，且在下压头上设有进气口；

还包括压力室围压伺服加载机构，以为压力室提供试验所需的动力。如图所示的压力室围压伺服加载机构包括液压油罐、油泵、活塞、压力室、空压机；其中压力室可以为如图所示的压力室。液压油罐通过油泵连接压力室，且空压机也连接压力室。其中液压油罐内用于存储液压油，以通过油泵的活塞的作用将液压油输入到压力室内以提供围压；并在试验完毕后通过空压机向压力室内加压以使液压油回到液压油罐。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：上述技术方案提出了一种岩石三轴试验设备及方法，能够更为精确的对岩石(尤其是煤岩)进行试验。

附图说明

图1为本发明实施例的主框架的侧视结构示意图；

图2为图1的主视结构示意图；

图3为压力室剖视结构示意图；

图4为压力室围压伺服加载机构示意图；

图5为气体吸附量测试装置的结构示意图；

图6和图7为高压驱替模型管结构示意图；

图8为环压跟踪与测量机构结构示意图；

图9为压力室工作状态图；

附图标记说明：

1：主框架；

2：电机；

3：压力室；

31：定位销孔；

32：挂耳；

33：升降导轨；

34：筒体；

35：排气口；

36：进气口；

37：围压进出口；

38：底座；

39：分体式卡箍；

301：上压头；

302：下压头；

303：轴向引伸计；

304：径向引伸计；

4：试件；

5：提升机构；

6：导轨升降机构；

71：液压油罐；

72：油泵；

73：活塞；

74：压力室；

75：空压机；

81：真空泵；

82：管路定标量管；

83：气体成分检测仪；84：流量计；

85：高压气瓶；

86：充气罐定标量管；87：液浴池；

88：充气罐；

89：围压增压器；

90：压力传感器；

91：管路体积标定夹具；

92：轮辐式力传感器；

93：温度传感器；

101：排气孔；

102：上压头；

103：轴向引伸计；

104：外壳；

105：内壳；

106：气体出口管；

107：热缩套管；

108：下压头；

109：驱离气体入口；

110：驱离气体出口；

111：夹层压力入口；

201：出口气体参考罐；

202：入口气体参考罐；

203：高压气罐。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明实施例的岩石三轴试验设备包括：主框架1、电机2、压力室3、电液伺服加载系统、功能性装置、测量控制部分、计算机控制和数据处理系统组成各部分构成与功能说明。

如图1、图2所示的，其中主框架1为口字形框架，中央设有用于容置压力室3的空间；在主框架1一侧设有提升机构5和导轨升降机构32。如图2所示的，该压力室3包括筒体34和底座38，该筒体34余底座38可拆卸的通过分体式卡箍39固定在一起以形成密封的内腔；在筒体34内设有上压头301和下压头302，上压头301和下压头302的位置相对应以对试件4施压轴向压力；且所述底座38上设有围压进出口37以对试件4施加径向压力；且所述筒体34内设有轴向引伸计303和径向引伸计304。如图3所示的，在筒体34的顶部设有排气口35，且在下压头302上设有进气口36。如图3所示的，在筒体34顶部设有挂耳32，在底座38底部设有定位销孔31。

如图1所示的，该提升机构5包括支架、提升油缸、活塞杆；其中支架侧部固定在主框架1的侧面上，且提升油缸固定在支架上，所述提升油缸底部设有延伸出支架的活塞杆，活塞杆底部设有卡扣以与压力室3的筒体34顶部的挂耳32可拆卸的固定连接，以驱动压力室3移动。

还包括如图4所示的压力室围压伺服加载机构，以为压力室3提供试验所需的动力。如图4所示的压力室围压伺服加载机构包括液压油罐71、油泵72、活塞73、压力室74、空压机75；其中压力室74可以为如图3所示的压力室3。液压油罐71通过油泵72连接压力室74，且空压机74也连接压力室74。其中液压油罐71内用于存储液压油，以通过油泵72的活塞73的作用将液压油输入到压力室74内以提供围压；并在试验完毕后通过空压机75向压力室74内加压以使液压油回到液压油罐71。由于试验中可能出现试件4产生碎屑的问题，因此在液压油罐71内可以设有底部用于放出含泥沙水的阀门和废液池。

还包括如图5所示的气体吸附量测量机构，用于测量样品的等温吸附曲线。如图5所示的，该气体吸附量测量机构包括：管路定标量管82、气体成分检测仪83、流量计84、高压气瓶85、充气罐定标量管86、液浴池87、充气罐88、围压增压器89、压力传感器90、管路体积标定夹具91、轮辐式力传感器92、温度传感器93。其中围压增压器89通过压力传感器90连接压力室3以对压力室增压，且压力室3内设有温度传感器93和轮辐式力传感器92。其中压力室3连接有充气管路和放气管路，充气管路上设有充气罐88、充气罐定标量管86、高压气瓶85；且放气管路上设有管路定标量管82、气体成分检测仪83、流量计84；还包括连接可开合的连接充气管路和放气管路的真空泵81。如图5所示的，该充气罐设置于液浴池87内，该液浴池87可以为水浴或油浴。如图5所示的，还包括管路体积标定夹具91。

还包括如图6和图7所示的高压驱替模型管机构，高压驱替模型管用于高压驱替试验和吸附自由膨胀体变试验。高压驱替模型管用于高压驱替实验和吸附自由膨胀体变实验，为保证在压力变化时试件周围的液体容积不发生变化(模型管的直径和长度不变)，从而影响测量结果的精度，本发明实施例的模型管采用了双层结构，内层耐压部分与夹层部分压力相等，理论上因压力变化引起的模型管内(测体变部分)的液体容积变化量为零。试件膨胀造成模型管内的压力升高，计量泵为了维持内部的压力不变，需将模型管内的液体抽出，计量泵抽出的液体体积即为自由膨胀体变量。轴向引伸计(100℃以下适用)可测量轴向变形量，通过体变量和轴向变形量可计算出试件的平均径向变形量。模型管和导热油会随着温度的会产生膨胀现象，在每一温度段的实验时，需对初始体积进行记录或相对初始体积清零。为了减小因温度升高，造成膨胀过大，模型管内筒、支撑架和试件两端的压头可采用殷瓦钢制造，其线性膨胀系数在0-200℃时平均值仅为1.8x10-6，是普通碳钢(12.1-13.5x10-6)的1/7左右，使得测量精度更高。高精度计量泵为试件围压提供稳压和体变测量。

如图5所示的，该高压驱替模型管机构包括外壳104和内壳105组成的双层壳体，且所述双层壳体设有为夹层加压的夹层压力入口111；如图5所示，该双层壳体内设有用于容置试件4的热缩套管107；在热缩套管107的顶部和底部分别设有上压头102和下压头108。如图5所示的，在内壳105内设有气体出口管106，该气体出口管106连接驱离气体入口109，且所述驱离气体入口109设置于双层壳体底部，所述气体出口管106一端连接驱离气体入口109，另一端延伸到双层壳体顶部。如图5所示，在双层壳体顶部设有排气孔101，底部设有驱离气体出口110。

还包括如图8所述的环压跟踪与测量机构，其包括高精度压差计、围压伺服加载装置、高精度位移传感器。环压跟踪系统可实现反应室热缩管内煤样气体与围压液体同步升压，通过高精度的位移传感器测量孔压伺服加载装置的位移变化量进而计算煤样吸附的体积自由膨胀量。如图7所示的，包括：储油罐201、高压驱替模型管202、围压伺服加载装置203、压差计dp2；气体收集器204、气液分离器205、气相色谱仪206；其中围压伺服加载装置203连接高压驱替模型管202，压差计dp2连接高压驱替模型管202；其中高压驱替模型管202连接气液分离器205和气液收集器204，还连接气相色谱仪206以对分理处的气体成分进行分析。

如图9所示的，本发明实施例的设备的岩渗气原理为：

1、将试件4放在压力室3中，用保护套将上压头301、下压头302与试件封好，煤样的试件4包裹热缩套管(或其他材料)以隔离气路与油路；

2、然后将试样4、进口气体参考罐202、出口气体参考罐201及管路抽真空并标定体积；然后再抽真空后将co2从高压钢瓶203通过三轴渗透装置底部渗入试件4的孔隙中，高压气体先进入进气口参考罐202，关闭进气阀门，读出压差计cp2压差值；再打开试件进气阀门，co2经试件4进入出气口参考罐201，压力平衡后通过进出口气体参考罐201的压差及体积计算出试件的渗透系数，具体计算公式如下:

如图5所示的，煤岩吸附性实验原理为：

1、测定方法：将处理好的干燥煤样装入到压力室，加一定围压，真空脱气，测定吸附罐剩余体积，向压力室内充入一定体积的甲烷，使得保护套内的压力达到平衡，部分气体被吸附，部分气体仍以游离态处于剩余体积中，已知充入气体体积，扣除剩余体积的游离体积，即为吸附体积。

2、自由空间体积测定：设置并调节系统温度，使压力室和参考缸温度达到所需值.打开氦气瓶向系统充入氦气，调节参考缸压力值到2-30mpa，关闭参考缸阀门.打开压力室和参考缸连接阀门，待压力平衡后采集一组数据。

重复以上步骤两次，求得煤样的体积，并计算样品缸内的自由空间体积。自由空间体积需重复测量3次。

煤样的体积计算公式：

vs:煤样的体积，单位为立方厘米(cm³)；p1:平衡后压力，单位为兆帕(mpa)；p2:参考缸初始压力，单位为兆帕(mpa)；p3:样品缸初始压力，单位为兆帕(mpa)；t1:平衡后温度，单位为开(k)；t2:参考缸初始温度，单位为开(k)；t3:样品缸初始温度，单位为开(k)；vl:系统总体积，单位为立方厘米(cm³)；v2:参考缸体积，单位为立方厘米(cm³)；v3:样品缸体积，单位为立方厘米(cm³)；z1:平衡条件下气体的压缩因子；z2:参考缸初始气体的压缩因子；z3:样品缸初始气体的压缩因子。

求得煤样的体积，计算出样品缸内自由空间体积。

计算公式如式下所示：

vf-v0-vs

式中:vf:自由空间体积，单位为立方厘米(cm³)；v0:样品缸总体积，单位为立方厘米(cm³)；vs:煤样的体积，单位为立方厘米(cm³)。

根据参考缸、压力室的平衡压力及温度，计算不同平衡压力点的吸附量，计算公式为

pv＝nzrt

式中：

p:气体压力，单位为兆帕(mpa)；v:气体体积，单位为立方厘米(cm³)；n:气体的摩尔数，单位为摩(mol)；z:气体的压缩因子；r:摩尔气体常数，单位为焦每摩开(mol)；t:平衡温度，单位为开(k)。

分别求出各压力点平衡前压力室内气体摩尔数n1和平衡后压力室内气体摩尔数n2，则煤样吸附气体的摩尔数ni为：

ni＝n1-n2

式中：ni:气体的摩尔数，单位为摩(mol)；n1:平衡前样品缸内气体的摩尔数，单位为摩(mol)；n2:平衡后样品缸内气体的摩尔数，单位为摩(mol)。

各压力点的吸附气体的总体积(vi)见如下公式：

vi＝ni×22.4×1000

各压力点的吸附量(v吸附量)见如下公式：

v吸付量＝vi/gc

式中：v吸付量:吸付量，单位为立方厘米每克(cm³.g^-1)；vi:平衡前样品缸内气体的摩尔数，单位为摩(mol)；gc:煤样质量，单位为克(g)。

3、计算vl和pl

根据langmuir方程：

p/v＝p/vl+pl/vl

式中：p:气体压力，单位为兆帕(mpa)；v:在压力p条件下吸付量，单位为立方厘米每克(cm³.g^-1)；vl:最大吸付容量，又称langmuir体积，单位为立方厘米每克(cm³.g^-1)；pl:langmuir压力，单位为兆帕(mpa)。

若令a＝1/vl和b＝pl/vl,可以将方程推导为p/v与p的函数：

p/v＝p/vl+pl/vl或p/v＝ap+b

依据方程，可将实测的各压力平衡点的压力与吸付量数据绘制以p为横坐标、以p/v比值为纵坐标的散点图，利用最小二乘法求出这些散点图的回归直线方程及相关系数(r)，进百求出直线的斜率(a)和截距(b)，根据斜率和截距求出langmuir体积(vl)和langmuir压力(pl)，即：

vl＝1/a

pl＝b/a或pl＝vlb

根据各压力点的吸附量v和压力p绘制等温吸附曲线。

实验时如果气瓶压力限制参考缸压力不能满足实验要求时，可通过气体增压器将参考缸压力压缩到所需值再进行实验。

将连接到压力室的管路从接头处拆下与驱替管的进出气口相连接，进行co2驱替实验。此时在气瓶出口端有流量计(10mpa,5sccm)，在试件出口处有气体成分检测仪及流量计(10mpa,5sccm)。

煤岩在吸附气体后体积会发生膨胀现象，在压力时轴向载荷不添加并保持围压不变的情况下，试件会产生轴向变形及径向变形，在试件上、中、下三个位置安装有三个径向变形引伸计，通过计算机控制系统读取三引伸计变形量并求平均值即为试件的径向变形量，轴向变形量通过读取轴向引伸计数据获得。

试件上方的压头部位安装有力传感器，将传感器部位与设备机架连接并保持位置不动，煤岩在膨胀时对压头产生的反力传递到力传感器，计算机控制系统读取传感器数据，并除以试件面积得到因膨胀产生的轴向应力。

本发明实施例可以总结如下：

1压力室提升装置

压力室提升装置用于试件拆装时将压力室筒体提升到上方，以便于安装试件和夹持引伸计等，有液压提升油缸，支架和吊装零件等组成。

2导轨升降装置

导轨升降装置用于压力室小车在实验时将其降落到底部加载板上，进出时将导轨抬升到与外部导轨平齐。主要由固定导轨、移动小车、升降导轨、气缸、气缸支架和手动换向阀等组成。

3气体吸附量测试装置

用于测量样品的等温吸附曲线，主要由管路体积标定夹具、真空泵、管路定标量管、充气罐、充气罐定标量管、气体增压器、高压气瓶、恒温油浴、温控仪表、压力传感器、管路和阀门组成。

4压力室围压伺服加载系统

用于压力室围压的加载、卸载和保载，伺服电机滚珠丝杆结构，围压波动量小、加载温度可靠，由电气伺服增压器、围压进回油装置及管路、阀门等组成。

围压进油时将截止阀打开，伺服围压作动器将油箱内的增压油抽进高压油腔，然后关闭截止阀，伺服作动器将增压油注入到压力室内。排油时，伺服作动器先卸载，将空压机阀门打开，压缩空气气通过压力室进气口进入压力室将增压油从围压排油口压出，增压油回流至油箱沉淀、过滤，下次实验需要时通过作动器注入到压力室。

5驱替模型管单元部分

由耐高压驱替模型管、恒温系统、参照缸等组成。模拟地层高温、高压(围压)、密封环境。

高压驱替模型管用于高压驱替实验和吸附自由膨胀体变实验，为保证在压力变化时试件周围的液体容积不发生变化(模型管的直径和长度不变)，从而影响测量结果的精度，本模型管采用了双层结构，内层耐压部分与夹层部分压力相等，理论上因压力变化引起的模型管内(测体变部分)的液体容积变化量为零。试件膨胀造成模型管内的压力升高，计量泵为了维持内部的压力不变，需将模型管内的液体抽出，计量泵抽出的液体体积即为自由膨胀体变量。轴向引伸计(100℃以下适用)可测量轴向变形量，通过体变量和轴向变形量可计算出试件的平均径向变形量。

模型管和导热油会随着温度的会产生膨胀现象，在每一温度段的实验时，需对初始体积进行记录或相对初始体积清零。为了减小因温度升高，造成膨胀过大，模型管内筒、支撑架和试件两端的压头可采用殷瓦钢制造，其线性膨胀系数在0-200℃时平均值仅为1.8x10-6,是普通碳钢(12.1-13.5x10-6)的1/7左右，使得测量精度更高。

高精度计量泵为试件围压提供稳压和体变测量。

6环压跟踪与测量装置单元部分

由高精度压差计、围压伺服加载装置、高精度计量泵等组成。环压跟踪系统可实现反应室热缩管内煤样气体与围压液体同步升压，通过高精度计量泵测量围压因保持不变而排出的导热油的体积从而得到煤样吸附的体积自由膨胀量。

实验过程中环压(夹层内导热油压力)p1需略大于气体压力p0，并随时气体压力升高或降低而调整，围压伺服加载装置对环压施加载荷，保证压差计dp2在一定值内，一般设定在0.1mpa，以保证气体在驱替过程中不会泄漏到试件周围的导热油中，压差计与伺服加载装置为伺服闭环控制。

计量泵保证对试件周围的压力p2与夹层压力p1一致，并实时显示围压流量的变化，压差计dp1的设定值为0，与计量泵行程伺服闭环控制。计量泵旋转isco-100dm，最高耐压可达到10000psi(68.966mpa)。

测量控制部分

测量控制系统由全数字多通道闭环控制器一台、液压传感器、负荷传感器、位移传感器和变形传感器组成；

(1)全数字多通道闭环控制器

采用先进的自适应的模糊的pid控制算法，可实现系统参数的控制量在线精密的闭环控制，实现等速加卸荷、恒力、恒位移等功能。同时，提供用户系统参数的控制接口，用户可以对系统控制参数进行设置以适应不同的控制环境，有着具有很好的灵活性。

控制系统有2个独立的电液伺服阀控制通道，在试验过程中各种控制速率及控制功能均可互相切换，每个作动器能根据试验要求同时或分别闭环控制伺服阀工作，保证了整个加载系统的同步或异步控制，大大提高试验系统的稳定性。

数据采集系统共有9路高精度24位a/d转换压力、位移、变形采集通道，可以达到示值精确度：±0.1％以内。数据的采样速度达到了10khz，可以快速地采集当前的传感器信号，以便闭环控制模块更好的进行实时闭环控制。

全数字多通道闭环测控仪能够根据用户提出的要求进行仪表升级。当仪表出现故障时，能够及时方便地进行维修处理。

(2)传感器：

传感器对试验机精度影响较大，通过多年实践，位移采用磁致式位移传感器，其特点是：高精度、高稳定性、高可靠性，抗干扰能力极强，功耗低，是目前位移最佳测试传感器。

轴向承压采用轮辐式负荷传感器，采用液压传感器测围压。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。