一种岩石渗透系数测量装置和方法
【专利摘要】本发明涉及一种岩石横向渗流测量岩石渗透系数的渗流装置，包括试件装置系统、轴向加载系统、围压系统、气体压力加载系统、伺服控制系统和电脑控制器。所述试件装置系统包括岩石试件、上和下刚性压盘、橡胶套、环形纽扣；所述橡胶套左、右俩侧分别有三个空心触角且其呈正相对位置；所述气体压力加载系统设置有可插入橡胶套俩侧空心触角的空心钢管，进气口的三个钢管均设有控制气体是否从钢管流过的控制阀门，钢管插入橡胶套的空心触角后用环形纽扣扣紧，防止气体从钢管和橡胶套的接触处逃逸；试验采用稳态法测量岩石渗透系数。
【专利说明】
一种岩石渗透系数测量装置和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及岩土、采矿等工程地质技术领域，特别涉及一种岩石横向渗流测量岩 石渗透系数的渗流装置和试验方法。
【背景技术】
[0002] 裂隙岩体是水利水电工程、采矿工程、铁路和公路建设工程、土木建设工程、石油 工程、海洋勘探与开发工程等各种工程中经常遇到的复杂介质，岩石裂隙的渗流系数测定 始终是岩石力学工作者研究的前沿与热门课题。
[0003] 现有技术和装置无论是通过稳态法还是瞬态法测量岩石渗透系数均是在岩石试 件上、下俩端形成渗透压差，流体从压力高的一端通过岩石介质渗透到压力低的一端，计算 岩石渗透系数。但是岩石不是一种均匀介质，其渗透系数不仅与岩石组成成分、结构相关， 并且渗透方向不同，所得岩石渗透系数也会不同。其次大多数试验中所用的流体均为液体 (水），液体通过孔道时，孔道中心的液体分子比靠近孔道壁表面的分子流速要高，越靠近孔 道壁表面，分子流速越低产生滑脱效应，即克林肯伯格效应。对于岩石渗透系数测量装置中 的流体选择和渗流方向方面，现有技术大多针对的是采用水作为渗流介质，同时从岩石水 压高的一个端面流向水压低的另一个端面，即轴向渗透，对采用气体进行岩石侧向渗流测 量岩石渗透系数的渗流装置和试验方法尚未见。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种岩石测向渗流测量岩石渗透系数的渗流 装置和试验方法，同时采用气体(氮气)作为渗流介质，在避免克林肯伯格效应的情况下侧 向渗流测量岩石渗透系数。
[0005] 为实现上述目的，本发明专利采用如下解决方案：一种岩石侧向渗流测量岩石渗 透系数的渗流装置，包括试件装置系统、轴向加载系统、围压系统、气体压力加载系统、伺服 控制系统和电脑控制器，所述试件装置系统包括岩石试件、上和下刚性压盘以及俩侧分别 有三个空心触角、透明状且具有良好弹性的橡胶套、环形纽扣、所述上、下刚性压盘呈正相 对位置且形状相同；上刚性压盘底部朝上、顶部向下倒扣在岩石试件顶部，下刚性压盘的底 部向下、顶部向上支撑在岩石试件的底部;所述橡胶套俩侧的空心触角亦呈正相对位置;所 述气体压力加载系统设置有可插入橡胶套俩侧空心触角的空心钢管，进气口的三个钢管均 设有控制阀门，用来控制气体是否从钢管流过;钢管插入橡胶套的空心触角后用环形纽扣 扣紧，防止气体从钢管和橡胶套的接触处逃逸，进、出气钢管处均设有气压表;试验采用稳 态法测量岩石渗透系数。
[0006] 本发明相对现有技术产生的有益效果是：
[0007] 1、采用气体(氮气）作为渗流介质，避免采用液体作为渗流介质所产生的滑脱效 应。
[0008] 2、渗透方向为侧向渗流即从岩石的一个侧面流至另一侧面，以往渗流方向均是从 岩石一个端面流向另一个端面，本发明所测岩石渗透系数也从另一个角度说明了岩石的各 向异性。
[0009] 3、制作简单、安装方便，为科研提供便利。
[0010] 简言之，本发明的技术方案在于：（1)采用气体作为渗流介质，避免了采用液体(如 纯水)作为渗流介质而产生的滑脱效应。（2)本发明所用的渗流方向为从岩石的一个侧面渗 流至另一个侧面。在相同应力状态下由俩个不同渗流方向所测的不同岩石渗透系数从另一 个角度说明了岩石渗透系数的各向异性。这是本发明的突出的优点和优势所在，也是其主 要创新点。
[0011]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明一种岩石侧向渗流测量岩石渗透系数的渗透装置结构示意图
[0013] 图2为本发明的试件系统剖面图
[0014] 图3为不同渗透压差与渗透系数的关系
[0015] 图中：1、加载油缸，2、伺服电机，3、减速器，4、螺旋传动副，5、活塞，6、围压传感器， 7、橡胶套，8、橡胶套左侧空心触角，9、左侧环形纽扣，10、橡胶套右侧空心触角，11、径向位 移引伸计，12、轴向位移引伸计，13、上刚性压盘，14、下刚性压盘，15、承压板，16、底座，17、 气压缸，18、流量传感器I，19、气压表1，20、气压表1I，21、流量传感器II，22、储气缸，23、轴 力传感器，24、加载轴，25、岩石试件，26、三轴腔，27、数据线1，28、数据线II，29、数据线III， 30、数据线IV，31、数据线V，32、数据线VI，33、阀门I，34、阀门II，35、阀门III，36、阀门IV， 37、阀门V，38、阀门VI，39、阀门VII，40、右侧环形纽扣，41、电脑控制器，42、加热圈，43、温 度传感器，44、数据线VII，45、刚性垫块，46、层状节理面。
【具体实施方式】
[0016] 参见附图1，一种岩石横向渗流测量岩石渗透系数试验装置，包括试件装置系统、 轴力加载系统、围压系统、气体压力加载系统、伺服控制系统和电脑控制器，所述试件装置 系统包括岩石试件25、上刚性压盘13、下刚性压盘14、透明状且具有良好弹性的橡胶套7、橡 胶套左侧三个空心触角8、橡胶套右侧三个空心触角10、左侧环形纽扣9、右侧环形纽扣40、 所述上刚性压盘13与下刚性压盘14呈正相对位置且形状相同；上刚性压盘13底部朝上、顶 部向下倒扣在岩石试件25顶部，下刚性压盘14的底部向下、顶部向上支撑在岩石试件25的 底部;所述橡胶套7俩侧的空心触角8和10亦呈正相对位置;所述气体压力加载系统设置有 可插入橡胶套7的俩侧空心触角8和10的空心钢管，进气口的三个钢管均设有控制阀门34、 35、36,用来控制气体是否从钢管流过;钢管插入橡胶套7的空心触角8和10后用环形纽扣9 和40扣紧，防止气体从钢管和橡胶套7的接触处逃逸，进、出气钢管处均设有气压表119,气 压表1120以及流量传感器118和流量传感器1121;插入橡胶套左侧空心触角8的钢管端面为 弧形，保证钢管和岩石试件25完美贴合。试验采用稳态法测量岩石渗透系数。
[0017] 试件装置系统包括圆柱状的带有透明空心触角的橡胶套7、岩石试件25、环形纽扣 9和40、刚性垫块45，岩石试件25是水平层状岩石且其层状节理面为46。如附图1所示，用橡 胶套7套好岩石试件25后将其置于上刚性压盘13和下刚性压盘14之间，再将其整体置于刚 性垫块45上。
[0018] 轴压加载系统包括轴力传感器23、加载轴24、三轴腔26、承压板15、底座16。通过加 载轴24的上下运动对岩石试件25进行加载和卸载轴向应力，加载轴24上的轴力传感器23将 轴力的大小检测出来并传送到电脑控制器41内，加载轴24作用于上刚性压盘13,通过上刚 性压盘13施加轴力给岩石试件25。
[0019] 围压系统包括三轴自平衡压力室与围压加载系统。试件装置系统置于三轴自平衡 压力室，三轴自平衡压力室与围压加载系统通过油管相连，其作用是给岩石试件25施加围 压，围压的加载是通过加载油缸1来实现，伺服电机2根据试验软件发出的指令转动通过减 速机3带动螺旋传动副4的运动带动活塞5直线运动来调整油缸内的压力，安装在加载油缸1 出油端的围压传感器6检测油压，传送到电脑控制器41内，电脑控制器41把压力的测量信号 进行处理，并与设置的压力数据进行比较，然后给出纠偏信号，使施加的压力值与设置的压 力值趋于一致。
[0020] 气体压力系统中气压缸17可随时改变气体压力大小，流量传感器118可实时记录 气体流量大小，通过气压缸17可调节渗流进气口气压大小。气体通过插入试件装置系统的 橡胶套7的左侧三个空心触角8的钢管渗流进入岩石试件25的层状节理面46,并通过插入试 件装置系统的橡胶套7的右侧三个空心触角10的钢管进入储气缸22。气压表119和气压表 1120实时监测进气口和出气口气体压力大小，气体流量传感器118和气体流量传感器1121 实时记录进、出气口气体流量大小，并将其反馈至电脑控制器41。
[0021] 温度系统包括加热圈42，温度传感器43。加热圈42通过加热三轴腔26的壁面，利用 热传导加热三轴腔内硅油（施加围压所用的液体)温度，从而对试件加热。通过温度传感器 43实时检测三轴腔26内温度，并将其反馈至电脑控制器41对软件作出下一步指示。
[0022] 数据采集系统包括气体流量和压力、岩石试件25的轴向变形和径向变形、围压和 轴压、围压温度等数据的采集，通过气体压力加载系统的流量传感器118与电脑控制器41相 连，实时采集气体流量数据;通过轴向位移引伸计12和径向位移引伸计11与电脑控制器41 相连，实时采集岩石试件25的轴向变形数据和径向变形数据;通过轴压加载系统的轴力传 感器23与电脑控制器41相连，实时采集轴压数据;通过围压系统的围压传感器6与电脑控制 器41相连，实时采集围压数据;通过温度传感器43与电脑控制器41相连，实时采集试验过程 中温度变化数据。在试验过程中，电脑实时记录气体流量、岩石试件25的轴向变形和径向变 形、围压和轴压。
[0023] 本发明一种岩石横向渗流测量岩石渗透系数的实验装置实施例：
[0024] (1)将岩块加工打磨制成岩样试件25,岩石试件25的尺寸为直径50mm，高度100mm， 用直径为45mm、长度为110mm的橡胶套7将试件25套住，将套上橡胶套7的岩石试件25至于下 刚性压盘14的上部，再将上刚性压盘13倒扣在岩石试件25的上端面，最后整体至于刚性垫 块45上，在岩样试件25外套的橡胶套7的左右俩侧空心触角8和10插入钢管，并用环形纽扣9 和40扣紧，中部安装径向位移传感器11，以测量岩样试件25的径向变形，在上、下刚性压盘 13和14设置轴向位移传感器12,以测量岩样试件25的轴向变形，将径向位移引伸计11和轴 向位移引伸计12分别通过数据线127、数据线1128和电脑控制器41连接。
[0025] (2)将围压系统、气体压力加载系统和围压温度控制系统的管线连接好，出气口的 气体存储于储气缸22，将轴力传感器23、温度传感器43、流量传感器118、流量传感器1121、 轴向位移引伸计12、径向位移引伸计11、围压传感器6分别和电脑控制器41相连。
[0026] (3)通过加载轴24的上下运动对岩石试件25进行加载和卸载轴向应力，加载轴24 上的轴力传感器23将轴力的大小检测出来并传送到电脑控制器41内，加载轴24作用于上刚 性压盘13,施加轴力给岩石试件25。当围压加载系统在加载油缸1油源充足时，打开阀门 VII39，通过活塞5直线运动对岩石试件25施加围压。
[0027] (4)完成上述步骤后关闭阀门VII39,气压缸17内气体充足时，关闭阀门133通过温 度传感器43测得三轴腔26内温度，当腔内压力和温度达到设计值时，且当气压表119的数值 达到预设值时打开阀门133和阀门V37，选择性打开阀门II34、阀门II135、阀门IV36，实现 气体渗流，气体渗入岩石试件25的层状节理面46，并渗出气体进入储气缸22，气压表119和 气压表1120分别检测进出气口气体压力P进、P出，电脑控制器41记录流过岩石试件25的流量 Q，由以下公式计算岩石渗透系数
，.其中L取50mm，A取0.005mm2。
[0028] 下面通过一实例进行进一步说明：
[0029] 选取试样为湖南宁乡煤炭坝茅口灰岩，试样重为423.89g，直径为49.95mm，长度为 101.03mm，渗流介质为氮气，在保持围压〇2和轴压〇1不变的情况下，研究不同渗透压差p对岩 石渗透系数k的影响（见表1)，所得试验结果用Origin处理(见图3)。
[0030]由图3可知：当试件所处的应力状态不变即轴压〇1和围压〇2保持不变时，岩石的渗 透系数k随着渗透压差p的增大而增大。
[0031 ]表1:不同渗透压差p对岩石渗透系数k的影响
【主权项】
1. 一种岩石横向渗流测量岩石渗透系数试验装置，其特征在于，包括试件装置系统、轴 力加载系统、围压系统、气体压力加载系统、伺服控制系统和电脑控制器。2. 根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述试件装置系统包括岩石试件 (25)、上刚性压盘（13)、下刚性压盘（14)、透明状且具有良好弹性的橡胶套(7)、橡胶套(7) 的左侧空心触角（8 )、橡胶套（7)的右侧空心触角（10 )、左侧环形纽扣（9 )、右侧环形纽扣 (40)、所述上刚性压盘（13)与下刚性压盘（14)呈正相对位置且形状相同；上刚性压盘（13) 底部朝上、顶部向下倒扣在岩石试件(25)顶部，下刚性压盘(14)的底部向下、顶部向上支撑 在岩石试件(25)的底部;所述橡胶套(7)俩侧的空心触角(8)和(10)亦呈正相对位置。3. 根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述气体压力加载系统设置有可插入 橡胶套(7)两侧空心触角的空心钢管，进气口的钢管均设有控制阀门，用来控制气体是否从 钢管流过;钢管插入橡胶套(7)的空心触角后用环形纽扣(9)和(40)扣紧，防止气体从钢管 和橡胶套(7)的接触处逃逸，进、出气钢管处均设有气压表1 (19 )，气压表1I (20)以及流量传 感器1(18)和流量传感器11(21);插入橡胶套(7)的空心触角的钢管端面为弧形，保证钢管 和岩石试件(25)完美贴合。4. 根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，采用稳态法测量岩石渗透系数。5. 根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，圆柱形岩石试件(25)的尺寸为50mmX 100mm，且具有水平层状节理面(46)。6. 根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所用的渗流气体介质为氮气。
【文档编号】G01N7/10GK105866004SQ201610333058
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】赵延林, 罗世林, 唐劲舟, 万文, 付成成
【申请人】湖南科技大学