大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置及测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及层状承压岩石力学特性与渗透特性试验领域，特别涉及一种大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置及测试方法。
【背景技术】
[0002]我国煤炭资源丰富，但水文地质条件复杂，使得煤矿开采中地质灾害时有发生。其中，煤层开采过程中的底板突水严重威胁着煤矿的安全生产，特别是随着开采深度、开采强度的增大，采掘工作面底板承受的水压、地压越来越大，地质构造环境越来越复杂，使得底板突水问题更为普遍且突出。底板突水在造成经济损失和人员伤亡的同时，也对矿区(地下)水资源与环境造成了严重的破坏和污染。因此，加强地下水资源管理，合理利用矿井(地下)水资源，有效遏制底板水害的发生，已成为众多矿井所共同面对的热点问题和技术难题。
[0003]承压水体上带压开采不仅具有生产成本低的优点，而且可以有效降低对矿区水资源与环境的污染和破坏，符合科学开采的理念。但其在技术上难度较大，能否安全带压开采，关键取决于煤层底板隔水层的阻水能力。由于地质构造的作用，底板隔水层内部存在大量尺度、方向和性质均不相同、纵横交错的不连续结构面(如节理、裂隙、断层和其它软弱面)。工作面回采过程中会对隔水层中的应力状态产生较大的扰动和影响，在采动应力、承压水渗透力和地应力耦合作用下，底板隔水层内不连续结构面会进一步扩展、贯通直至屈服破坏，使得底板隔水层的渗透性明显改变，进而形成突水通道，诱发工作面底板突水。因此，要弄清楚承压底板隔水层的变形、破坏与渗透性演化的相关关系，就必须开展承压岩石力学特性、破坏机理及其渗透性演化规律方面的试验研究，这将有助于揭示底板突水机理，为突水预测和防治提供重要的理论依据和工程价值。
[0004]大量研究表明，底板隔水层的渗透特性与岩层裂隙萌生、扩展、贯通过程密切相关。目前，在岩石力学特性和岩石裂隙扩展、贯通、破坏机理以及岩石渗流应力耦合特性的理论、数值和试验研究方面均取得了丰富的研究成果，所涉及的岩石主要有砂岩、泥岩、煤岩、盐岩、大理岩、花岗岩等。但由于受实验设备及试验岩样尺寸的限制，在反映岩石破坏过程与渗透性演化相关关系的试验研究方面多采用单一岩性的标准岩石试样。而煤系地层属于沉积岩层，具有典型的层状结构特点，组成煤层底板的各层岩层的物理力学性质差别较大，其破坏机理十分复杂。专利“承压岩石破坏失稳过程与动态渗透特性试验装置及方法(201510350657.5)”，通过承压岩石破坏失稳过程中应力应变信号、声发射信号和视电阻率信号的采集与处理，得到大尺寸承压岩石破坏失稳过程中的应力应变关系、声发射事件数量、位置及承压水渗透导升引起的岩石视电阻率变化规律，获得水-力耦合作用下岩石破坏过程中裂隙扩展、贯通与失稳的动态演化规律及其与之相对应的动态渗透特性，在实现承压水上安全带压开采方面具有重要的工程价值。但该试验装置是一种常规三轴承压岩石试验加载装置，其围压为环形液压加载方式，圆柱形岩石试样周围的应力状态完全一致，是一种理想的轴对称状态，不能真实地反映承压水上煤层底板岩层处于三向不等压的受力状态，无法模拟承压岩石的真实三向受力状态，也不能研究中间主应力、层状岩石的各向异性对其渗透特性的影响规律。因此，迫切需要构建全新试验装置及测试方法深入开展真三轴条件下层状承压岩石破坏机理与渗透特性相关方面的研究工作，阐明三向不等压条件下层状岩石水-力耦合变形破坏过程与渗透性演化规律的关系，为预测和防治煤层底板突水提供重要的理论和实验依据，实现承压水上煤层安全带压开采。
【发明内容】
[0005]为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置及测试方法。
[0006]为达到上述目的，本发明的技术方案为:
[0007]一种大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置，其由围压加载模块、试样存放及出水模块、承压水加载模块、载荷加载模块及信号采集与处理系统组成，围压加载模块由两套相互独立、相互垂直的水平加卸载系统构成，其能在两个相互垂直的方向上对所包裹的试样存放及出水模块进行水平方向上载荷的加载与卸载，承压水加载模块位于试样存放及出水模块底部，对层状岩石底部进行承压水的加载与卸载，载荷加载模块位于试样存放及出水模块顶部，对层状岩石顶部进行垂直方向上载荷的加载与卸载，信号采集与处理系统在整个实验过程中进行信号的采集与分析；
[0008]其中，围压加载模块由圆形围压缸、方形橡胶筒、圆形端盖、圆形端盖密封环、内六角螺钉、方形下密封环、方形限位卡环、限位卡环螺钉、方形上密封环、方形密封定位压钣、压钣固定螺钉、液压控制系统、第一液压油管、第一液压阀门、第一稳压装置、第一三通阀、第一左液压油缸、第一左活塞杆、第一左球头、第一左垫块、第一左压板、第一左位移传感器、第一左载荷传感器、第一右液压油缸、第一右活塞杆、第一右球头、第一右垫块、第一右压板、第一右位移传感器、第一右载荷传感器、第二液压油管、第二液压阀门、第二稳压装置、第二三通阀、第二前液压油缸、第二前活塞杆、第二前球头、第二前垫块、第二前压板、第二前位移传感器、第二前载荷传感器、第二后液压油缸、第二后活塞杆、第二后球头、第二后垫块、第二后压板、第二后位移传感器、第二后载荷传感器、第一排气阀组成;所述方形橡胶筒与所述圆形围压缸构成内方外圆的围压腔，利用方形下密封环、方形限位卡环、限位卡环螺钉、方形上密封环、方形密封定位压钣、压钣固定螺钉对内方外圆的围压腔进行密封处理;所述圆形端盖与圆形围压缸相匹配，并利用圆形端盖、圆形端盖密封环、内六角螺钉对圆形围压缸进行密封;所述第一左液压油缸与第一右液压油缸关于圆形围压缸对称布置，构成第一套水平加卸载系统;所述第一左活塞杆一端内置于所述第一左液压油缸内、第一右活塞杆一端内置于所述第一右液压油缸内，所述第一左活塞杆与第一右活塞杆的另一端均穿过所述圆形围压缸侧壁，在围压腔内第一左活塞杆通过所述第一左球头、第一左垫块与所述第一左压板相连，第一右活塞杆通过所述第一右球头、第一右垫块与所述第一右压板相连;所述第一左位移传感器与第一右位移传感器分别布置在第一左液压油缸与第一右液压油缸上，所述第一左载荷传感器与第一右载荷传感器分别布置在第一左活塞杆与第一右活塞杆上，采集第一套水平加卸载系统的位移与载荷;所述第二前液压油缸与第二后液压油缸关于圆形围压缸对称布置，构成第二套水平加卸载系统，且第二套水平加卸载系统与第一套水平加卸载系统在同一个平面内相互垂直，关于圆形围压缸对称分布;所述第二前活塞杆一端内置于所述第二前液压油缸内、第二后活塞杆一端内置于所述第二后液压油缸内，所述第二前活塞杆与第二后活塞杆的另一端均穿过所述圆形围压缸侧壁，在围压腔内第二前活塞杆通过所述第二前球头、第二前垫块与所述第二前压板相连，第二后活塞杆通过所述第二后球头、第二后垫块与所述第二后压板相连;所述第二前位移传感器与第二后位移传感器分别布置在第二前液压油缸与第二后液压油缸上，所述第二前载荷传感器与第二后载荷传感器分别布置在第二前活塞杆与第二后活塞杆上，采集第二套水平加卸载系统的位移与载荷;所述第一液压油管一端依次通过第一液压阀门、第一稳压装置、第一三通阀后，分别与所述第一左液压油缸与第一右液压油缸相连，另一端与所述液压控制系统相连，控制第一套水平加卸载系统;所述第二液压油管一端依次通过第二液压阀门、第二稳压装置、第二三通阀后，分别与所述第二前液压油缸与第二后液压油缸相连，另一端与所述液压控制系统相连，控制第二套水平加卸载系统;所述液压控制系统通过所述第一液压油管同步控制所述第一左活塞杆与第一右活塞杆的伸入与伸出，实现第一套水平加卸载系统对方形橡胶筒内层状承压岩石的水平加载与卸载;所述液压控制系统通过所述第二液压油管同步控制所述第二前活塞杆与第二后活塞杆的伸入与伸出，实现第二套水平加卸载系统对方形橡胶筒内层状承压岩石的水平加载与卸载，且所述液压控制系统控制的第一套水平加卸载系统与第二套水平加卸载系统相互独立，可以实现层状承压岩石两个相互垂直方向上不等压侧向载荷的加载与卸载;所述第一排气阀与所述围压腔内部连接，围压加载过程中，通过第一排气阀排出围压腔内残存气体，保持围压腔内气压平衡；
[0009]试样存放及出水模块由方形试样存放腔、方形承压多孔透水钢篦、承压轴、方形压头、方形密封圈、出水管、流量传感器、贮水槽组成;将加工好的大尺寸层状岩石试样放置在方形试样存放腔内，方形试样存放腔的底部设有方形承压多孔透水钢篦、方形试样存放腔的顶部为方形压头；所述方形承压多孔透水钢篦放置在圆形围压缸底部的方形凸台肩部上，其尺寸与方形凸台肩部、突起高度相匹配;所述方形压头与所述承压轴为一整体，承压轴穿过圆形端盖深入方形试样存放腔中，并通过方形压头压住层状岩石试样顶部，岩石电液伺服压力试验机通过承压轴传递载荷对层状岩石试样进行加卸载，方形压头与方形试样存放腔之间的径向间隙利用方形密封圈进行密封处理；
[0010]承压水加载模块由方形承压水存贮槽、高压水管、高压水表、承压稳压装置、注水阀、柱塞计量式高压水栗、水箱、第三三通阀、排水卸压阀、第二排气阀组成;所述方形承压水存贮槽内的承压水通过方形承压多孔透水钢篦作用在方形试样存放腔内的层状岩石试样底部，对其施加一定的承压水压;所述高压水管一端与所述方形承压水存贮槽内部连接，管路上依次设置有高压水表、承压稳压装置、注水阀、柱塞计量式高压水栗、水箱;所述承压稳压装置与所述注水阀之间，通过第三三通阀连接所述排水卸压阀，并与所述水箱连接，通过排水卸压阀排出方形承压水存贮槽内高压水体以卸载承压水;所述第二排气阀与所述方形承压水存贮槽内部连接，承压水加载过程中，通过第二排气阀排出方形承压水存贮槽内残存气体；
[0011]载荷加载模块由岩石液压伺服加载与控制系统构成，包括YAW型岩石电液伺服压力试验机、带有PowerTestV3.3加载与控制及应力应变数据采集与处理的PC机；
[0012]信号采集与处理系统由应变采集与处理系统、声发射信号采集与处理系统、视电阻率信号采集与处理系统三部分组成;应变采集与处理系统包括电阻应变片、第一弹性橡胶圈、数据传输导线、LB-1V型多通道数字应变仪、带有应力应变数据采集与处理的PC机;电阻应变片利用数据传输导线与试验装置上部侧面的电阻应变片导线转接口相连，并通过相应的导线转接口连接到应变数据采集与处理系统，从而获得层状承压岩石破坏失稳过程中应力应变演化规律;声发射信号采集与处理系统包括耐压声发射接收探头、探头抗压防护罩、第二弹性橡胶圈、信号传输导线、DS5-16B型全信息声发射信号分析仪、声发射信号采集与处理的PC机;声发射接收探头利用信号传输导线与试验装置上部侧面的声发射探头导线转接口相连，并通过相应的导线转接口连接到声发射信号采集与处理系统，从而获得层状承压岩石破坏失稳过程中声发射事件数量、位置，确定层状承压岩石破坏失稳过程的演化规律;视电阻率信号采集与处理系统包括铜片电极、电极抗压防护罩、第三弹性橡胶圈、铜质漆包信号传输导线、W3D型网络并行电法仪、surfer或illustrator软件辅助绘图的PC机，铜片电极利用铜质漆包信号传输导线与试验装置上部侧面的铜片电极导线转接口相连，并通过相应的导线转接口连接到视电阻率信号采集与处理系统，从而获得层状承压岩石破坏失稳过程中视电阻率信号，确定层状承压岩石破坏失稳过程中渗透性演化规律。
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