模拟深部岩体不同温度影响下的真三轴试验系统的制作方法

本实用新型属于深部岩体工程研究领域，具体涉及一种模拟深部岩体不同温度影响下的真三轴试验系统。

背景技术：

随着社会技术的进步，人类活动逐渐由地面转移到地下，包括煤矿或各种金属矿物的开采、大城市的地铁、铁路公路隧道、地下水电站、地下国防工程，以及地下深度达数千米的非常规油气勘探开采。所有这些深部地下工程，都受到高地应力、高地温、高岩溶水压等复杂力学环境的影响，深部岩体工程灾害频发，最常见的岩体灾害就是岩爆，目前我国有记录的岩爆事故已超过5000次。另外，随着我国非常规油气勘探开采力度逐渐加大，储层的大规模体积压裂作为影响产能的核心科学技术，越来越多的得到重视。但是，储层压裂效果的影响因素、压裂缝网评价及岩体破裂机制等方面的研究工作尚显不足，更缺少室内模拟储层压裂的实验设备及方法。

针对以上问题，开展深部岩体力学研究势在必行。首先是岩爆，从现象上定义岩爆时，室内的单轴压缩试验、间接拉伸试验、双轴加卸载试验、三轴加卸载试验都有可能产生岩爆现象，间接拉伸试验例如巴西劈裂压缩实验，但破坏形态明显有别于深部应变岩爆破坏。其次是储层水力压裂，目前室内研究水力压裂机制多采用常温无围压条件下的模拟实验，而缺少模拟深部岩体真实环境的条件；另外，大多数研究者通过在压裂液中添加色素来查看裂缝扩展路径及形态，缺少实时、定量化的监测与分析，岩体压裂缝网效果评价手段不足。

技术实现要素：

为解决现有技术中多采用常温无围压条件下的模拟实验而缺少模拟深部岩体真实环境的问题，本实用新型提供一种模拟深部岩体不同温度影响下的真三轴试验系统。

本实用新型的目的是以下述方式实现的：

模拟深部岩体不同温度影响下的真三轴试验系统，包括滚动式工作台3，滚动式工作台3上表面设置有相互垂直交叉的x向导轨和y向导轨，x向导轨上活动安装有对称设置的两个x向中主应力加载机构2，y向导轨上活动安装有对称设置的两个y向小主应力加载机构4，两个x向中主应力加载机构2和两个y向小主应力加载机构4的对称中心处设置有内放岩样6的压力容器5，压力容器5的上下侧分别设置有z向大主应力加载机构1，所述x向中主应力加载机构2、y向小主应力加载机构4和z向大主应力加载机构1分别用于通过压力容器5向岩样6施加x向双向、y向双向、z向双向的应力，所述x向中主应力加载机构2、y向小主应力加载机构4和z向大主应力加载机构1的内侧面上均嵌装有温度传感器58、力传感器53和位移传感器54，温度传感器58、力传感器53和位移传感器54的探头均延伸至压力容器5内，所述温度传感器58连接有温度控制器；

所述压力容器5包括其内侧面接触岩样6的加载板52，岩样6上段内设置有竖直的预留孔61，加载板52的z向顶面的中心位置开设有用于与预留孔61相配合的水力压裂孔7，加载板52的内侧面5203上布设有加热电阻丝装置57，加热电阻丝装置57的数据线向外延伸布设在加载板52的外侧面5201上且向外伸出，其伸出端通过传输线路外接有温度控制器。

所述加载板52的内侧面5203上布设有声发射探头59，声发射探头59的数据线向外延伸布设在加载板52的外侧面5201上且向外伸出，其伸出端通过传输线路外接有声发射采集控制器9和显示器8。

所述x向中主应力加载机构2包括x向加载框架22，x向加载框架22的内侧面在x向上安装有x向定位环21，x向定位环21的内侧安装有x向加载液压缸20，x向加载液压缸20的内侧顶紧有传力杆，所述加载板52设置在传力杆的内侧；所述y向小主应力加载机构4和z向大主应力加载机构1的结构与x向中主应力加载机构2结构相同。

所述传力杆由从外侧到内侧依次设置的万向传力杆55和t型传力杆14组成，t型传力杆14的内侧面接触加载板52，万向传力杆55的外侧面接触x向加载液压缸20的内侧面，万向传力杆55的内侧面接触t型传力杆14的外侧面。

所述万向传力杆55包括外压块5503、内压块5502和万向球盘5501，万向球盘5501设置在外压块5503、内压块5502之间，所述外压块5503的内侧面和内压块5502的外侧面上分别开设有用于容纳万向球盘5501的卡槽。

所述x向导轨和y向导轨上分别滑动安装有滑动滚珠，所述x向中主应力加载机构2与y向小主应力加载机构4的底面上均开设有滑槽，滑动滚珠的上段部分安装在滑槽内。

所述压力容器5包括呈四方体形的压力容器框架50，所述加载板52分别安装在压力容器框架50的六个面上，加载板52外包裹有用于密封保温的可膨胀柔性膜组件51，压力容器框架50的棱角处包裹有立方框架橡胶密封圈56。

所述滚动式工作台3包括工作台机架30和工作台控制器31，工作台机架30底部安装有伸缩性支撑柱32，工作台控制器31与伸缩性支撑柱32连接。

所述伸缩性支撑柱32包括固装在工作台机架30上的套筒3201，套筒3201内设置有升降液压缸3202，升降液压缸3202的活塞杆朝下且活塞杆底部安装有滚轮3203，升降液压缸3202顶部固定在工作台机架30上。

还包括plc，plc分别与所述温度传感器58、力传感器53、位移传感器54、温度控制器、声发射采集控制器9、显示器8、工作台控制器31、升降液压缸3202以及x向中主应力加载机构2、y向小主应力加载机构4和z向大主应力加载机构1的液压驱动机构连接。

相对于现有技术，本实用新型的优点如下：

1.通过设置x向中主应力加载机构、y向小主应力加载机构和z向大主应力加载机构，能够实现三向垂直并能独立控制的三向加载系统，还设置有温度传感器和加热电阻丝装置、力传感器和位移传感器，能够真实模拟不同深度岩体所处的高地压、高地温环境，并能实现对试验过程中三向的力、位移以及压力室内部温度的实时、定量化的监测与分析；

2.通过设置x向导轨和y向导轨分别与x向中主应力加载机构、y向小主应力加载机构活动安装，能解决加载偏心问题；

3.本实用新型还能实现保持x向水平荷载不变、增加z向垂直荷载、突然卸载y向水平荷载，模拟深部岩体岩爆过程，压力容器z向预留压裂液注射通道，模拟水力压裂实验并开展压裂效果评价；

4.设置可滚动式工作台，大幅降低仪器搬运难度，节省了成本；为深部岩体力学的发展提供技术支持。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构示意图。

图2是图1的部分剖视图。

图3是加载板内侧面的结构示意图。

图4是加载板外侧面的结构示意图。

图5是本实用新型的岩爆模拟实验和水力压裂模拟实验的流程图。

其中，1、z向大主应力加载机构，2、x向中主应力加载机构，3、滚动式工作台，4、y向小主应力加载机构，5、压力容器，6、岩样，7、水力压裂孔，8、显示器，9、声发射采集控制器；

10、z向定位环，11、z向反力钢框架，12、z向垂直支撑柱，13、z向加载液压缸，14、t型传力杆；20、x向加载液压缸，21、x向定位环，22、x向加载框架，23、x向滑动滚珠；30、工作台机架，31、工作台控制器，32、伸缩型支撑柱，3201、套筒，3202、升降液压缸，3203、滚轮；

50、压力容器框架，51、可膨胀柔性膜组件，52、加载板，5201、外侧面，5202、导槽，5203、内侧面，53、力传感器，54、位移传感器，55、万向传力杆，5501、万向球盘，5502、内压块，5503、外压块，56、立方框架橡胶密封圈，57、加热电阻丝装置，58、温度传感器，59、声发射探头；61、预留孔。

具体实施方式

本实用新型以靠近岩样6的一侧为内，反之为外。

如图1、图2所示，一种模拟深部岩体不同温度影响下的真三轴试验系统，包括滚动式工作台3，滚动式工作台3上表面设置有相互垂直交叉的x向导轨和y向导轨，x向导轨和y向导轨分别为两个平行的x轨道（图中未示出）和两个平行的y轨道（图中未示出），x向导轨上活动安装有对称设置的两个x向中主应力加载机构2，y向导轨上活动安装有对称设置的两个y向小主应力加载机构4，两个x向中主应力加载机构2和两个y向小主应力加载机构4的对称中心处设置有内放岩样6的压力容器5，压力容器5的上下侧分别设置有z向大主应力加载机构1，所述x向中主应力加载机构2、y向小主应力加载机构4和z向大主应力加载机构1分别用于通过压力容器5向岩样6施加x向双向、y向双向、z向双向的应力，此处x向双向、y向双向、z向双向是指岩样6的左右方向、前后方向和上下方向，所述x向中主应力加载机构2、y向小主应力加载机构4和z向大主应力加载机构1的内侧面上均嵌装有温度传感器58、力传感器53和位移传感器54，温度传感器58、力传感器53和位移传感器54的探头均延伸至压力容器5内，，所述温度传感器58连接有温度控制器（图中未示出），用于检测试验过程中三向的力、位移以及压力容器5内的温度。

所述压力容器5包括其内侧面接触岩样6的加载板52，加载板52为6块且分别安装在下述压力容器框架50的六个面上，岩样6上段内设置有竖直的预留孔61，加载板52的z向顶面的中心位置开设有用于与预留孔61相配合的水力压裂孔7，预留孔61与水力压裂孔7位于同一水平线上，加载板52的内侧面5203上布设有加热电阻丝装置57，如图3所示，加热电阻丝装置57的数据线向外延伸布设在加载板52的外侧面5201上且向外伸出，其伸出端通过传输线路外接有温度控制器（图中未示出）。上述加热电阻丝装置57以螺旋状布置在加载板52的内侧面72上，用于给岩样6加热。

如图1所示，上述滚动式工作台3中部安装有四根z向垂直支撑柱12，四根z向垂直支撑柱12布置成矩形框架，上述上下两个z向大主应力加载机构1分别安装在z向垂直支撑柱12上。上述压力容器5吊装在三向加载机构的中心位置，用于开展岩样6的力学实验，压力容器5上部的四周通过绳索吊装在z向大主应力加载机构1的下述z向垂直支撑柱12上。

上述z向大主应力加载机构1的刚度为6gn/m，最大输出应力为1500mpa；x向中主应力加载机构2的刚度均为6gn/m，最大输出应力为1200mpa；y向小主应力加载机构4的刚度均为6gn/m，最大输出应力为800mpa。y向小主应力加载机构4可以实现单面突然卸载，暴露岩体试件侧面，当岩体集聚的大量弹性应变能超过某一临界值，岩屑会在临空面高速弹出，以动能、热能、破碎能的形式释放出集聚在岩体内部的弹性应变能，形成岩爆。

为了实时监测岩样6破裂过程中释放的声波信号，如图3、图4所示，所述加载板52的内侧面5203上布设有声发射探头59，声发射探头59的数据线向外延伸布设在加载板52的外侧面5201上且向外伸出，其伸出端通过传输线路外接有声发射采集控制器9和显示器8。加载板52的每个内侧面5203上均布置有9个探头声发射探头59，共计54个通道，如图3-4所示。加载板52的外侧面5201上布设有导槽5202，每个外侧面5201上设置有3横3竖正交的6个导槽5202，将与声发射探头59连接的数据线嵌装在导槽5202内全部引出到所述传输线路，如图4所示。

进一步地，如图1、图2所示，所述x向中主应力加载机构2包括x向加载框架22，x向加载框架22的内侧面在x向上安装有x向定位环21，x向定位环21的内侧安装有x向加载液压缸20，x向加载液压缸20的内侧顶紧有传力杆（图中未标出），所述加载板52设置在传力杆的内侧；所述y向小主应力加载机构4和z向大主应力加载机构1的结构与x向中主应力加载机构2结构相同。具体地，上述z向大主应力加载机构1包括z向反力钢框架11，z向反力钢框架11中部下方安装有z向定位环10，z向定位环10内侧面安装有z向加载液压缸13，z向加载液压缸13的内侧顶紧有传力杆，上述加载板52设置在传力杆的内侧；上述y向小主应力加载机构4的结构与上述x向中主应力加载机构2相同，在此不再赘述。

更进一步地，所述传力杆由从外侧到内侧依次设置的万向传力杆55和t型传力杆14组成，t型传力杆14的内侧面接触加载板52，万向传力杆55的外侧面接触x向加载液压缸20的内侧面，万向传力杆55的内侧面接触t型传力杆14的外侧面。这样的结构，便于对加载板52施加外力。

更进一步地，所述万向传力杆55包括外压块5503、内压块5502和万向球盘5501，万向球盘5501设置在外压块5503、内压块5502之间，所述外压块5503的内侧面和内压块5502的外侧面上分别开设有用于容纳万向球盘5501的卡槽，便于施加多方向的力。万向球盘5501用于传递荷载并能调整力的传递方向，其结构为现有技术。

为了便于设置加载框架能自由滑动支撑在滚动式工作台3上以克服加载偏心问题，所述x向导轨和y向导轨上分别滑动安装有滑动滚珠，滑动滚珠包括设置在x向中主应力加载机构2下方的x向滑动滚珠23，所述x向中主应力加载机构2与y向小主应力加载机构4的底面上均开设有滑槽（图中未示出），滑动滚珠的上段部分安装在滑槽内。x向中主应力加载机构2与y向小主应力加载机构4分别通过滑动滚珠实现在x向导轨或y向导轨上的自由滑动。上述x向中主应力加载机构2与y向小主应力加载机构4均可以实现单面突然卸载，暴露岩体试件侧面。这样使用可移动加载框架结构的结构，借助反力作用原理实现同步变形补偿，克服了试件在加载过程当中偏心问题，提高了实验测试结果精度。

进一步地，所述压力容器5包括呈四方体形的压力容器框架50，压力容器框架50为金属材质，所述加载板52分别安装在压力容器框架50的六个面上，加载板52外包裹有用于密封保温的可膨胀柔性膜组件51，压力容器框架50的棱角处包裹有立方框架橡胶密封圈56，立方框架橡胶密封圈56用于包裹住岩样6的12个棱。上述温度传感器58、力传感器53和位移传感器54的探头从外到内依次穿过可膨胀柔性膜组件51、加载板52伸入压力容器5内接触岩样6，如图2所示。立方框架橡胶密封圈56耐高温高压，具有隔热、密封的作用。

为了便于控制滚动式工作台3的上下移动，所述滚动式工作台3包括工作台机架30和工作台控制器31，工作台机架30底部安装有伸缩性支撑柱32，工作台控制器31与伸缩性支撑柱32连接，工作台控制器31用于控制伸缩性支撑柱32的上下伸缩。

优选地，如图1所示，所述伸缩性支撑柱32包括固装在工作台机架30上的套筒3201，套筒3201内设置有升降液压缸3202，升降液压缸3202的活塞杆朝下且活塞杆底部安装有滚轮3203，滚轮3203整体位于所述套筒3201内，升降液压缸3202顶部固定在工作台机架30上。升降液压缸3202通过电机控制，电机与上述工作台控制器31电连接，工作台控制器31用于控制升降液压缸3202的升降。当升降液压缸3202进行伸出时，套筒3201远离地面，滚轮3203支撑在地面上。

本实用新型还包括plc，plc分别与所述温度传感器58、力传感器53、位移传感器54、温度控制器、声发射采集控制器9、显示器8、工作台控制器31、升降液压缸3202以及x向中主应力加载机构2、y向小主应力加载机构4和z向大主应力加载机构1的液压驱动机构连接。x向中主应力加载机构2、y向小主应力加载机构4和z向大主应力加载机构1的液压驱动机构为各自对应的加载液压缸，例如z向大主应力加载机构1的液压驱动机构为z向加载液压缸13。

上述压力容器5的安装步骤如下：

①将岩样6放置到压力容器5中心位置，岩样6尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体试件；

②将6块布置了声发射探头59和加热电阻丝装置57的加载板52安装在压力容器5的六个面上；

③加载板52与压力容器5之间的空间布置包裹立方框架橡胶密封圈56，包裹住岩样6的12个棱，该橡胶密封圈耐高温高压，具有隔热、密封的作用；

④将6个面上布置的加载板52上的数据线通过导槽5202引出压力容器5，通过吊装系统将压力容器5吊装到三向加载机构的中心位置；

⑤调整x向、y向、z向加载机构，保证压力容器5在其对称中心位置。

本实用新型还提供了一种所述的模拟深部岩体不同温度影响下的真三轴试验系统的试验方法，如图5所示，包括以下步骤：

①安装岩样6于压力容器5内，并调整x向中主应力加载机构2、y向小主应力加载机构4和z向大主应力加载机构1以确保三向加载顺利进行；

②设置x向中主应力加载机构2、y向小主应力加载机构4和z向大主应力加载机构1的三向初始应力至预设数值；

③保持三向初始应力，并通过温度控制器控制加热电阻丝装置57进行加热，将压力容器5内岩样6加热到预设温度并保持；

④当需要进行岩爆模拟时，使三向加载中的其中一个侧面的y向应力突然卸载形成临空面，并保持z向加载应力逐级增大，如果临空面发生岩爆，实验结束，否则，z向加载应力继续增加，并保持直至发生岩爆，接着记录声发射、力、位移、温度信息，分析岩爆发生机制；

当需要进行水力压裂模拟时，使三向应力加载到预设数值并保持不变，在z向上通过注射井眼泵往水力压裂孔7内注入压裂液，直至井眼压力达到预设压力，并保持，如果岩样6被压裂，实验结束，否则，继续注入压裂液，使井眼压力逐级增加，并保持，直至岩样6被水力压裂，停止实验，记录声发射、力、位移、温度信息，分析水力压裂破裂机制；

⑤通过改变步骤③中的加热温度，使压力容器5内岩样6的温度分别加热到不同温度，重复步骤①-④模拟不同深度的岩爆实验或水力压裂破裂实验。

本实用新型的模拟深部岩体不同温度影响下的真三轴试验系统的试验方法包括真三轴条件下不同温度岩爆实验方案和真三轴条件下不同温度水力压裂实验方案，具体方法如下：

（1）真三轴条件下不同温度岩爆实验方案：

①安装岩样6并调整三向加载框架，三向加载框架分为x向中主应力加载机构2、y向小主应力加载机构4和z向大主应力加载机构1；

②设置三向初始应力分别为1mpa、1mpa、1mpa；

③保持三向初始应力3分钟，并通过温度控制器58，将压力室内岩样6加热到15℃（相当于地下500m）并保持；

④再将x向中主应力加载到60mpa、y向小主应力加载到30mpa、z向大主应力加载到60mpa；

⑤保持x向中主应力60mpa和y向小主应力30mpa不变，突然卸载y向一侧的加载，并保持z向大主应力逐级增大，每级增加15mpa，增大到75mpa，保持3分钟；

⑥如果临空面发生岩爆，实验结束，否则，z向大主应力再增加15mpa，增大到90mpa，保持3分钟；

⑦发生岩爆，记录声发射、力、位移、温度等信息，分析岩爆发生机制；

⑧将压力室内岩样6分别加热到30℃（地下1000m），45℃（地下1500m），60℃（地下2000m），75℃（地下2500m），90℃（地下3000m），重复步骤①-⑦开展不同深度的岩爆实验研究。

（2）真三轴条件下不同温度水力压裂实验方案：

①安装岩样6并调整三向加载框架，通过注射管插入井眼水力压裂孔7内并密封，同压裂液泵注系统连接，用于通过压裂液泵注系统向水力压裂孔7、预留孔61内注射压裂液，压裂液泵注系统为成熟的现有技术，在此不再赘述；

②设置三向初始应力分别到1mpa、1mpa、1mpa；

③保持三向初始应力3分钟，并通过温度控制器58，将压力室内岩样6加热到15℃（地下500m）并保持；

④将x向中主应力加载到60mpa、y向小主应力加载到30mpa、z向大主应力加载到90mpa；

⑤保持x向、y向、z向主应力不变，在z向通过注射井眼水力压裂孔7泵注压裂液，当井眼压力达到10mpa时，保持3分钟；

⑥如果岩样6被压裂，实验结束，否则，继续注入压裂液，每级增加10mpa，增大到20mpa，保持3分钟；

⑦直至岩样6被水力压裂，停止实验。记录声发射、力、位移、温度等信息，分析水力压裂破裂机制；

⑧将压力室内岩样6分别加热到30℃（地下1000m），45℃（地下1500m），60℃（地下2000m），75℃（地下2500m），90℃（地下3000m），重复步骤①-⑦开展不同深度的水力压裂实验研究，进而对岩体压裂缝网效果进行评价。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。