专利名称：一种节理岩石透水性检测方法
技术领域：
本发明涉及岩石性能检测技术领域，特别是涉及一种节理岩石透水性检 测方法。
背景技术：
在矿山、油田开釆以及边坡检测等技术领域中，都需要对自然节理岩石 的膨胀性与渗透性做出较准确地检测。目前，对自然节理岩石的膨胀性与渗 透性进行检测时，大多釆用以下两种试验方法进行检测，即人工岩石节理试 验方法和分次单独试验方法。这两种节理岩石实验试验方法，在检测方法的 设计、检测方法的结构上均存在着一些明显不合理的地方，严重影响试验检 测的过程及其结果，降低了实验分析的可靠性，拉大了实验与实际的差距。 例如釆用人工节理试验方法进行检测时，首先必须采用相似材料模拟节理和 岩芯并进行人工切割节理，再釆用粘合剂胶合模仿节理，该试验方法由于从 一开始就拉大了试验节理与自然节理之间的距离，降低了理论检测结果的实 际意义，其检测结果不能满足施工要求。而分次单独试验方法，虽然其试验 结果有足够的可靠性，但由于自然界中很难找到两块完全一致的试件，从而 影响独立试验结果对自然节理性质的检测质量，达不到对自然节理岩石膨胀 与渗透性检测的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一 种节理岩石透水性检测方法，该方法步骤简单，操作简便且适用范围广，能 准确检测自然节理膨胀和渗透性的相关参数而且检测精度高。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是 一种节理岩石透水性检
测方法，包括以下步骤
(a) 制作自然节理岩石试件钻取自然节理岩石岩芯并按剪切机8 机芯尺寸制作自然节理岩石试件；
(b) 将试件置于包括上剪切盒15和下剪切盒16的剪切盒1内腔中 的剪切机8机芯内部，由控制系统4控制加载系统3通过加载台从外部作 用于剪切盒l,给试件施加正应力与剪应力，并控制液压系统7给试件提 供检测所需的液压环境，最终给试件提供一个模拟节理岩石天然裂隙含水 和液压应力状态的检测环境；
(c) 由控制系统4启动检测系统5检测并收集初始状态下试件所受 的应力、试件的位移以及试件外围液体的流量、进水压与出水压数值，检 测系统5同时向控制系统4反馈检测并收集到的相关数据；
(d) 按试件的釆动裂隙动作情况，由控制系统4控制加载系统3、检
测系统5与液压系统7动作，检测系统5实时检测并收集试件的裂隙变形
以及应力、流量、水压的动变化数据，同时将检测数据同步反馈给控制系 统4并显示检测数据结果；
(e) 控制系统4分析并处理检测数据结果，并按处理后得出的应力 变形曲线、应力渗流曲线、渗流量变形曲线与膨胀渗流曲线，分析计算试 件的膨胀性和渗透性相关参数；
在整个检测过程中，由平衡系统6控制试件所处的检测装置始终保持 整体结构平衡，检测系统5实时向控制系统4反馈其检测到的与剪切盒1 相连接的平衡系统6的平衡状态信号，由控制系统4相应控制调整加载系 统3对剪切盒1施加的正应力与剪应力，以保持平衡系统6平衡。
作为本发明的一种优选方案，步骤(a)中所述制作的自然节理岩石试件 形状为长方体或圆柱体。
步骤(a)中制作的所述自然节理岩石试件为100mmx 200mm的长方体或 底面的直径为50mm、长为100mm的圆柱体。
作为本发明的另一种优选方案，步骤(b)中所述给试件施加正应力与剪应力时，首先应将试件放置在剪切机8的机芯内部，再将剪切机8放置在剪
切盒1的内部空腔中；其次控制加载系统3通过加载台对剪切盒1施加正应 力与剪应力；之后控制与剪切机8机芯内部相通的液压系统7给试件提供排
水与不排水的液压环境。
作为本发明的又一种优选方案，所述加载台为门式加载台2,加载系统3 通过传力板进行分配载荷，门式加载台2和剪切盒1控制剪切机8运行，使 剪切机8始终处于剪切盒1内部的载荷中心交点。
作为本发明的进一步优选方案，所述液压系统7包括进液系统9、回液 系统10与辅助回液系统11,回液系统10与辅助回液系统11分别与进液系 统9相连通。
作为本发明的更进一步优选方案，所述检测系统5包括监测器12、收集 瓶13与储存器14,其中监测器12与剪切机8机芯内部相接，回液系统10 与收集瓶13相接，辅助回液系统11依次与储存器14、进液系统9相通，监 测器12与收集瓶13分别向控制系统4反馈监测、收集的信号。
作为本发明的再一种优选方案，所述监测器12为力传感器、位移传感器 和流量传感器，对试件所受的应力、试件的位移、平衡系统6的平衡状态以 及试件外围液体的流量、进水压、出水压进行检测。
综上，釆用本发明一种节理岩石透水性检测方法，具有以下优点1、 步骤简单、搡作方便，无需对自然节理岩石作任何加工处理，即能测出被测 岩石的膨胀性与渗透性相关参数；2、适用范围广，适用于普氏硬度系数为 0.5 — 10范围内的不同硬度自然节理岩石的检测；3、节理空隙水压差可调范 围大，水压差可达到1Mpa左右；4、检测精度高，膨胀系数检测精度达10—4， 渗透性检测精度达10—"达西；5、适用性强，适应节理倾角在0—45。之间所 有自然节理岩石的膨胀性与渗透性检测；6、智能化指令反馈、自动平衡控 制，在平衡状态检测的同时进行动态分析并储存相关数据。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明一种节理岩石透水性检测方法所采用的检测装置的结构框
图2为本发明所用检测装置的优选实施方式的结构框图。 图3为本发明一种节理岩石透水性检测方法进行检测的整体流程图, 附图标记说明
l一剪切盒； 4一控制系统； 7 —液压系统； IO—回液系统; 13—收集瓶； 16 —下剪切盒(
2 —门式加载台； 5—检测系统； 8 —剪切机； ll一辅助回液系统； 14一储存器；
3—加载系统； 6—平衡系统； 9一进液系统； 12 —监测器； 15 —上剪切盒;
具体实施例方式
结合图1、图2,所述节理岩石透水性检测装置包括由上剪切盒15和 下剪切盒16组成的剪切盒1、控制系统4、由控制系统4控制并通过加载 台对剪切盒1施加正应力和剪应力的加载系统3、置于剪切盒1内部空腔 的剪切机8以及由控制系统4进行控制的检测系统5、平衡系统6与液压 系统7。由控制系统4控制加载系统3给试件施加正应力与剪应力，并控 制液压系统7给试件提供检测所需的液压环境。加载系统3通过加载台对 剪切盒1施加正应力和剪应力，而剪切机8放置在上剪切盒15和下剪切 盒16之间所形成的空腔内，剪切机8机芯内部的空腔中放置被测试件。 在检测过程中，检测系统5、平衡系统6与液压系统7同时向控制系统4 反馈控制信号。
如图3所示，釆用所述节理岩石透水性检测方法进行检测时，主要包括 以下步骤第一步、制作自然节理岩石试件钻取自然节理岩石岩芯并按 剪切机8机芯尺寸制作试件。在检测前，首先，应采用钻机钻取自然节理
岩石岩芯并按剪切机8机芯尺寸制作自然节理岩石试件。制作的试件形状
为长方体或圆柱体，具体为100mmx 200mm的长方体或底面的直径为50mm、 长为100mm的圆柱体。在制作试件时，无需对试件再作其他处理，制作工 艺较简单，保持自然节理岩石的原始状态即可。
第二步、将试件置于包括上剪切盒15和下剪切盒16的剪切盒1内腔 中的剪切机8机芯内部，由控制系统4控制加载系统3通过加载台从外部 作用于剪切盒l，给试件施加正应力与剪应力，并控制液压系统7给试件 提供检测所需的液压环境，最终给试件提供一个模拟节理岩石天然裂隙含 水和液压应力状态的检测环境。此步骤主要是将之前所制作的自然节理岩 石试件放入检测装置中，并给被测试件提供一个模拟状态的检测环境。
首先，由控制系统4控制加载系统3动作，向加载系统3发出操作加 载台指令，加载台按照指令开始动作，此时从剪切盒l中取出剪切机8的 内部机芯，在其内部空腔中装入自然节理岩石试件并将剪切机机芯放回于 加载系统3中，之后由控制系统4控制加载系统3启动给试件施加正应力 和剪应力。所述加载台为门式加载台2，加载系统3通过传力板进行分配 载荷，门式加载台2和剪切盒1控制剪切机8运行，使剪切机8始终处于 剪切盒1内部载荷中心交点。试验过程中根据需要由控制系统4相应控制 门式加载台2，满足本节理岩石透水性检测装置在不同正应力和剪应力条 件下的进行试验。
在启动加载系统3的同时由控制系统4启动液压系统7,所述液压系 统7与剪切机8的机芯内部相通，其包括进液系统9、回液系统10与辅助 回液系统11，回液系统IO与辅助回液系统ll各自独立工作，二者分别与 进液系统9相连通。最终通过控制系统4控制加载系统3与液压系统7, 给试件施加正应力与剪应力，最终给被测试件提供一个模拟天然裂隙含水 和液压应力状态的检测环境。
第三步、由控制系统4启动检测系统5检测并收集初始状态下试件所 受的应力、试件的位移以及试件外围液体的流量、进水压与出水压数值，
检测系统5同时向控制系统4反馈检测并收集到的相关数据。所述检测系
统5分别与液压系统7、剪切机8的机芯内部相接，其包括监测器12、收 集瓶13与储存器14,其中监测器12与剪切机8机芯内部相接，回液系统 10与收集瓶13相接，辅助回液系统11依次与储存器14、进液系统9相 通，监测器12与收集瓶13分别向控制系统4反馈监测、收集的信号。而 监测器12为力传感器、位移传感器和流量传感器，采用力传感器、位移 传感器和流量传感器对初始状态下剪切机8机芯内部的试件所受的应力、 试件的位移、平衡系统6的平衡状态以及试件外围液体的流量、进水压、 出水压进行检测。总之通过监测器12与收集瓶13将检测并收集到的初始 状态下试件所受的应力、试件的位移以及试件外围液体的流量、进水压、 出水压数值反馈到控制系统4。此系列检测到的初始状态下的相关数据作 为检测分析数据的基础相当重要。
第四步、按试件的釆动裂隙动作情况，由控制系统4控制加载系统3、 检测系统5与液压系统7动作，检测系统5实时检测并收集试件的裂隙变 形以及应力、流量、水压的动变化数据，同时将检测数据同步反馈给控制 系统4并显示检测数据结果。按试件的采动裂隙动作情况，通过控制编程 实现控制系统4对加载系统3、检测系统5与液压系统7的综合控制。具 体是控制系统4控制加载系统3按试件的采动裂隙动作情况给试件施加检 测过程中相应所需的正应力与剪应力。同时控制液压系统7始终保持给被 测试件提供一个模拟节理岩石天然裂隙含水和液压应力状态，与此同时各 系统向控制系统4反馈检测并收集到的相关数据，并通过计算机显示屏幕 将各系统反馈给控制系统4的相应检测数据结果显示出来。
在检测过程中，液压系统7中的进液系统9给被测试件两端形成渗透 压差，回液系统IO直接与检测系统5中的收集瓶13相接用来测定被测试 件的渗透量，收集瓶13中安装的电子称进行称量并将结果反馈给控制系 统4,之后控制系统4根据传入的数据文件进行分析、处理并储存。同时 监测器12中的流量传感器对进液系统9与回液系统10的流量实时进行检
测并反馈各自流量信号，辅助回液系统11主要起辅助作用，控制系统4 对反馈信号进行分析处理后，发出相应的控制指令。当上剪切盒15和下 剪切盒16间所形成的空腔内即被测试件两端液体的压差超出预定范围时， 控制系统4及时向辅助回液系统11发出相应控制指令，启动辅助回液系 统11;否则在流量平衡的状态下，辅助回液系统ll不工作。当辅助回液 系统ll工作时，将多余的液体排入储存器14进行暂时储存，之后控制系 统4控制储存器14将其内储存的液体又返回进液系统9，进行循环再次利 用。与此同时储存器14向控制系统4反馈控制信号。另外回液系统10通 过收集瓶13与进液系统9相接，将液体返回进行循环再次利用。
在检测过程中，始终保持被测试件处于模拟节理岩石天然裂隙含水和液 压应力状态的检测环境中，按试件的釆动裂隙动作情况由控制系统4进行综 合控制。检测系统5实时对试件进行检测并将检测数据及时反馈给控制系统 4,其中监测器12与剪切机8的机芯内部相接，用来监测机芯内部的被测试 件在相应正应力和剪应力条件下所发生的应力和位移的变化，同时监测器l2 向控制系统4反馈所监测到的信号。控制系统4对所传入的数据进行分析、 处理、储存并显示检测数据结果，同时控制系统4相应地向监测器12发出控 制指令。
第五步、控制系统4分析并处理检测数据结果，并按处理后得出的应 力变形曲线、应力渗流曲线、渗流量变形曲线与膨胀渗流曲线计算试件的 膨胀性和渗透性相关参数。在上述检测过程中，检测系统5将检测到的测 试过程中的试件受力、位移、孔隙水压等数据反馈给控制系统4，控制系 统4对传入的数据进行分析、处理并储存，同时通过计算机显示屏幕反映 给用户。根据岩石力学原理，控制系统4即可相应绘制得出被测试件在检 测过程中检测到的应力变形曲线、应力渗流曲线、渗流量变形曲线与膨胀 渗流曲线，并将各检测结果反映到计算机显示屏幕，由用户选择存储或打 印，根据上述检测数据处理结果即可计算得出试件的膨胀性和渗透性相关 参数。 具体是检测系统5中的收集瓶13与回液系统IO相连，收集瓶13中 安装的电子称对回液系统10的流量等数值进行称量并将结果反馈给控制
系统4,同时监测器12中的流量传感器对进液系统9与回液系统10的流 量实时进行检测并反馈各自流量信号；而监测器12中的力传感器和位移 传感器对试件所受的应力、试件的位移以及试件外围液体的进水压、出水 压进行检测，并将检测到的相应数据反馈给控制系统4。对上述测试过程 中检测并收集到的试件裂隙变形以及应力、流量、水压的动变化数据进行 分析计算，相应绘制得出被测试件在检测过程中检测到的应力变形曲线、
应力渗流曲线、渗流量变形曲线与膨胀渗流曲线。根据试件裂隙变形以及 应力、水压的动变化数据即应力变形曲线，即可计算得出被测试件膨胀性 的相关参数；而根据试件外围液体的流量、水压的动变化数据即应力渗流 曲线、渗流量变形曲线与膨胀渗流曲线，即可计算得出被测试件渗透性的 相关参数。
在整个检测过程中，启动加载系统3与液压系统7的同时也启动平衡 系统6，平衡系统6与剪切盒1相连接，用以控制整个检测装置的整体结 构平衡，以防剪切盒1在正应力和剪应力的作用下发生翻转。检测系统5 实时向控制系统4反馈其检测到的与剪切盒1相连接的平衡系统6的平衡 状态信号，由控制系统4相应控制调整加载系统3对剪切盒1施加的正应 力与剪应力，以保持平衡系统6平衡。检测系统5中的位移传感器对平衡 系统6的位置状态作出检测，并同时向控制系统4反馈相应平衡系统6的 平衡状态信号，控制系统4根据传入的平衡状态信号进一步分析平衡系统 6的平衡状态以及不平衡程度并对加载系统3作出相应控制，调节并改变 加载台2施加在剪切盒1上的正应力和剪应力，保持平衡系统6平衡，从 而保证本节理岩石透水性检测装置在试验过程中始终处于平衡状态。总之， 通过平衡系统6始终保持试件所处的检测装置整体结构平衡，同时通过检 测系统5将检测装置的状态是否平衡以及不平衡程度等及时反馈给控制系 统4,而控制系统4根据传入的相应数据进行分析处理后向加载系统3发
出相应地调节控制指令。
综上所述，平衡系统6和检测系统5均通过控制系统4发挥作用，控制
系统4控制检测装置在不同正应力和剪应力的进行试验。加载系统3通过门 式加载台2对上剪切盒15和下剪切盒16施加正应力和剪应力。而门式加载 台2和剪切盒1控制剪切机8运行，使剪切机8始终处于载荷中心交点。而 剪切机8机芯内部的圆柱腔中放置被测试件，上剪切盒15和下剪切盒16在 正应力和剪应力作用下错动，并在控制系统4的控制下，形成对自然节理岩 石加载、液压、平衡与检测的联合动作，同时检测系统5向控制系统4反馈 检测到的被测试件的载荷、位移、水压和流量等检测信号。与此同时，通过 控制系统4控制平衡系统6、检测系统5,并相应控制进液系统9与回液系统 10、辅助回液系统ll各自独立工作，同时各个系统向控制系统4反馈控制信 号。在检测过程中使得被测试件始终置于处于平衡状态的剪切机8内部的圆 柱腔中，同时其始终处于孔隙压平衡和流量平衡的状态，即就是说在初始状 态下进行增压，且在检测过程中始终保持自然岩石节理面的自然平衡，包括 动平衡、渗流平衡和加载平衡。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当 理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技 术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种节理岩石透水性检测方法，其特征在于包括以下步骤(a)制作自然节理岩石试件钻取自然节理岩石岩芯并按剪切机(8)机芯尺寸制作自然节理岩石试件；(b)将试件置于包括上剪切盒(15)和下剪切盒(16)的剪切盒(1)内腔中的剪切机(8)机芯内部，由控制系统(4)控制加载系统(3)通过加载台从外部作用于剪切盒(1)，给试件施加正应力与剪应力，并控制液压系统(7)给试件提供检测所需的液压环境，最终给试件提供一个模拟节理岩石天然裂隙含水和液压应力状态的检测环境；(c)由控制系统(4)启动检测系统(5)检测并收集初始状态下试件所受的应力、试件的位移以及试件外围液体的流量、进水压与出水压数值，检测系统(5)同时向控制系统(4)反馈检测并收集到的相关数据；(d)按试件的采动裂隙动作情况，由控制系统(4)控制加载系统(3)、检测系统(5)与液压系统(7)动作，检测系统(5)实时检测并收集试件的裂隙变形以及应力、流量、水压的动变化数据，同时将检测数据同步反馈给控制系统(4)并显示检测数据结果；(e)控制系统(4)分析并处理检测数据结果，并按处理后得出的应力变形曲线、应力渗流曲线、渗流量变形曲线与膨胀渗流曲线，分析计算试件的膨胀性和渗透性相关参数；在整个检测过程中，由平衡系统(6)控制试件所处的检测装置始终保持整体结构平衡，检测系统(5)实时向控制系统(4)反馈其检测到的与剪切盒(1)相连接的平衡系统(6)的平衡状态信号，由控制系统(4)相应控制调整加载系统(3)对剪切盒(1)施加的正应力与剪应力，以保持平衡系统(6)平衡。
2. 按照权利要求1所述的一种节理岩石透水性检测方法，其特征在于 步骤(a)中制作的所述自然节理岩石试件形状为长方体或圆柱体。
3. 按照权利要求1或2所述的一种节理岩石透水性检测方法，其特征 在于步骤(a)中制作的所述自然节理岩石试件为100mmx 200mm的长方 体或底面的直径为50mm、长为100mm的圆柱体。
4. 按照权利要求1或2所述的一种节理岩石透水性检测方法，其特征 在于步骤(b)中所述给试件施加正应力与剪应力时，首先应将试件放置 在剪切机(8)的机芯内部，再将剪切机(8)放置在剪切盒(1)的内部 空腔中；其次控制加载系统(3)通过加载台对剪切盒(1)施加正应力与 剪应力；之后控制与剪切机(8)机芯内部相通的液压系统(7)给试件提 供排水与不排水的液压环境。
5. 按照权利要求4所述的一种节理岩石透水性检测方法，其特征在于 所述加载台为门式加载台(2 )，加载系统(3 )通过传力板进行分配载荷， 门式加载台(2)和剪切盒(1)控制剪切机(8)运行，使剪切机8始终 处于剪切盒(1)内部的载荷中心交点。
6. 按照权利要求4所述的 一种节理岩石透水性检测方法，其特征在于 所述液压系统(7)包括进液系统(9)、回液系统(10)与辅助回液系统(11),回液系统(10)与辅助回液系统(11)分别与进液系统(9)相 连通。
7. 按照权利要求6所述的一种节理岩石透水性检测方法，其特征在于 所述检测系统(5)包括监测器(12)、收集瓶(13)与储存器(14), 其中监测器(12)与剪切机(8)的机芯内部相接，回液系统(10)与收 集瓶U3)相接，辅助回液系统(ll)依次与储存器(14)、进液系统(9) 相通，监测器(12)与收集瓶(13)分别向控制系统(4)反馈监测、收 集的信号。
8. 按照权利要求7所述的一种节理岩石透水性检测方法，其特征在于 所述监测器(12)为力传感器、位移传感器和流量传感器，对试件所受的 应力、试件的位移、平衡系统(6)的平衡状态以及试件外围液体的流量、 进水压、出水压进行检测。
全文摘要
本发明公开了一种节理岩石透水性检测方法，包括以下步骤制作自然节理岩石试件；将试件置于剪切盒内腔中的剪切机机芯内部，给试件提供一个模拟节理岩石天然裂隙含水和液压应力状态的检测环境；检测并收集初始状态下试件所受的应力、位移以及试件外围液体的流量、进水压与出水压数值；按试件的采动裂隙动作情况，控制加载系统、检测系统与液压系统动作，实时检测并收集试件的裂隙变形以及应力、流量、水压的动变化数据；分析并处理检测数据结果，在检测过程中，通过平衡系统始终保持试件所处的检测装置整体结构平衡。本发明步骤简单，操作方便且适用范围广、适用性强，能准确检测自然节理膨胀性和渗透性的相关参数而且检测精度高。
文档编号G01N7/10GK101169359SQ20071018841
公开日2008年4月30日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者邓广哲 申请人:西安科技大学