深部高应力高渗环境模拟实验系统的制作方法

本实用新型涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种深部高应力高渗环境模拟实验系统。

背景技术：

为满足人类生存发展需要和探索地球内部未知奥秘，深地空间资源开发与利用已成为人类活动的未来趋势，也是人类可持续发展的主要途径。同时，世界经济迅速发展需要消耗巨量资源，使得地球浅部资源逐渐枯竭，油气、地热、煤矿、金属矿等资源开采不断走向地球深部，深部资源开采将在未来成为常态。因此，向地球深部进军已成为人类未来发展所必须解决的战略科技问题。然而，深部岩体工程实践常面临高应力、高渗透压的复杂赋存环境条件，在高压水体作用下岩体发生水软化的概率持续增高，导致岩体产生显著的性状改变，使得岩体的微细观结构及宏观力学性质发生明显变化，从而难以准确描述岩体的长时力学行为与渗透特性，严重影响深部洞室围岩的长期安全稳定运营。

目前，人们对深部岩体在高应力高渗透压作用下的长时力学行为和渗透特性鲜有研究，所积累的知识和经验都很少，一个重要原因是现有实验装置难以真实还原深部原位赋存特征。此外，高应力高渗透压的长时稳定控制也是一个关键难点问题。现有mts三轴实验机主要靠电力驱动压力泵，向缸内注入油液实时动态调节加压控制加载力。在长期测试过程中，实验室在用电高峰期易出现电压不稳定的情况，影响压力泵的功率从而影响其注入油液的量，致使围压缸、轴压缸及渗压通道内的油液压力产生波动，即围压、轴压和渗透压不能保持稳定，导致实验结果不准确。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本实用新型提供的深部高应力高渗环境模拟实验系统及其实验方法能够长时稳定模拟深部高应力高渗透压环境的原位实验。

为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为：

提供一种深部高应力高渗环境模拟实验系统，其包括：

围压系统，其包括下端为开端的围压缸，围压缸的顶部密封连接有两根与其连通的围压管道，其中一根围压管道通过围压泵与围压油箱连通，并在该围压管道上安装围压压力表和控制阀门；另一根围压管道的末端安装有稳压机构；

岩石试样夹持机构，其包括下夹持座和固定于油压缸内顶部的上夹持座，下夹持座的上端直径大于下端直径；上夹持座和下夹持座轴向开设有贯穿其的进水孔；

轴压系统，其包括轴压缸，轴压缸的顶部密封连接有两根与其连通的轴压管道，其中一根轴压管道通过轴压泵与轴压油箱连通，并在该轴压管道上安装有轴压压力表和控制阀门；另一个轴压管道的末端安装有稳压机构；

渗透压系统，其包括分别穿入围压缸和轴压缸、与对应进水孔密封连接的渗压管道，两根渗压管道的一端均通过渗压泵与渗压水箱连通，并在渗压管道上安装渗压压力表和控制阀门；两根渗压管道的另一端的末端安装有稳压机构；

轴压缸的顶端开设有供下夹持座的下端进入的安装孔，下夹持座的下端活动且密封安装于安装孔中，围压缸安装在轴压缸顶端，两者密封连接；所有的泵、控制阀门及压力表均与处理器连接。

本实用新型的有益效果为：本方案采用稳压机构进行荷载施加，在三种类型压力表的压力达到施加的荷载时，就可以关闭控制阀门和对应的泵，这样在长时间试验时，不需要一直启动用电设备，所以即便外界电压波动也不会影响本系统实验的正常进行。本系统在长时测试过程中通过克服荷载波动问题，使得测试结果更加精确；

渗透压施加分为上下两部分，将上下两部分所施加的压力差作为渗透压，这样不仅可实现正向渗透实验，还可开展逆向渗透实验。此外，还可使岩石试样所受渗透压力更均匀，更全面。

本方案提供的实验系统相对现有的mts三轴实验机而言，具有结构简单，成本低、便于实现小型化等优点。

本方案加入声速实时测试系统后，能第一时间反映岩石试样的损伤劣化情况，并为后续分析提供有力支持；本方案的系统在模拟高应力高渗压(即高围压高渗压)环境时，轴压系统仅作为给下夹持座提供向上的力以加紧岩石试样，并不提供轴向压力，通过该种环境的模拟，可以研究岩石试样在此环境下的劣化机制。

附图说明

图1为深部高应力高渗环境模拟实验系统的结构示意图。

图2为岩石试样放置在围压缸内，并装上岩石试样体积变化测试系统和声速实时测试系统的示意图。

图3为轴压缸和围压缸密封安装在一起的结构示意图。

图4为100m深度岩石蠕变测试声速变化曲线。

图5为100m深度岩石试样蠕变全过程曲线。

其中，1、围压系统；11、围压缸；12、围压管道；13、围压泵；14、围压油箱；15、围压压力表；16、控制阀门；17、稳压机构；171、压杆；172、活塞；173、底座；174、施力部；2、岩石试样夹持机构；21、上夹持座；211、进水孔；22、下夹持座；3、轴压系统；

31、轴压缸；311、安装孔；32、轴压管道；33、轴压泵；34、轴压油箱；35、轴压压力表；4、渗透压系统；41、渗压管道；42、渗压泵；43、渗压水箱；44、渗压压力表；5、岩石试样体积变化测试系统；51、环向位移传感器；52、轴向位移传感器；61、超声信号发射器；62、超声信号接收器。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的实用新型创造均在保护之列。

如图1所示，该深部高应力高渗环境模拟实验系统包括围压系统1、岩石试样夹持机构2、轴压系统3、渗透压系统4、岩石试样体积变化测试系统5和声速实时测试系统。

围压系统1包括下端为开端的围压缸11，围压缸11的顶部密封连接(螺纹连接)有两根与其连通的围压管道12，其中一根围压管道12通过围压泵13与围压油箱14连通，并在该围压管道12上安装围压压力表15和控制阀门16；另一根围压管道12的末端安装有稳压机构17。

在开启围压泵13后，首先会将围压缸11的油液灌满，之后另一根围压管道12内才会存储油液，通过围压管道12内的油液可以给稳压机构17一个向上的力。

岩石试样夹持机构2包括下夹持座22和固定于油压缸内顶部的上夹持座21，下夹持座22的上端直径大于下端直径；上夹持座21为圆柱体结构，上夹持座21和下夹持座22的轴向均开设有贯穿其的进水孔211。两个进水孔211都呈漏斗形，岩石试样的两端均密封安装于进水孔211的大孔端。

轴压系统3包括轴压缸31，轴压缸31的顶部密封连接有两根与其连通的轴压管道32，其中一根轴压管道32通过轴压泵33与轴压油箱34连通，并在该轴压管道32上安装有轴压压力表35和控制阀门16；另一个轴压管道32的末端安装有稳压机构17。

在开启轴压泵33后，首先会将轴压缸31的油液灌满，轴压缸31的油液达到一定压力时，其会带动下夹持座22向上运动，以实现对岩石试样的稳定夹持；轴压缸31的油液灌满后，另一根轴压管道32内才会存储油液，通过轴压管道32内的油液可以给其对应的稳压机构17一个向上的力。

渗透压系统4包括分别穿入围压缸11和轴压缸31、与对应进水孔211密封连接的渗压管道41，两根渗压管道41的一端均通过渗压泵42与渗压水箱43连通，并在渗压管道41上安装渗压压力表44和控制阀门16；两根渗压管道41的另一端的末端安装有稳压机构17；

同理，渗透压系统4在注水时，其也是先将进水孔211内的水灌满，之后渗压管道41邻近稳压机构17才会有水进入，通过渗压管道41内的油液可以给其对应的稳压机构17一个向上的力。

当渗透压系统4位于岩石试样上部分施加的荷载大于岩石试样下部分施加的荷载时，则岩石试样受到正向渗压作用；反之，则岩石试样受到逆向渗压的作用。

轴压缸31的顶端开设有供下夹持座22的下端进入的安装孔311，下夹持座22的下端活动且密封安装于安装孔311中，围压缸11安装在轴压缸31顶端，两者密封连接；所有的泵(围压泵13、轴压泵和渗透泵)、控制阀门及压力表(围压压力表、轴压压力表和渗透压压力表)均与处理器连接。

采用本方案进行实验时，放入岩石试样后，首先需要启动轴压系统3，通过轴压系统3的油液提供的压力才能实现岩石试样的夹紧，之后才能实现其他模拟实验的开展。

岩石试样体积变化测试系统5包括用于采集岩石试样径向位移的环向位移传感器51和用于采集岩石试样轴向位移的轴向位移传感器52，环向位移传感器51和轴向位移传感器52均与处理器连接。

岩石试样体积变化测试系统5主要用于轴压系统3施加多级轴压时，用于采集岩石试样的轴向和径向位移变化情况。

如图2所示，声速实时测试系统包括分别安装于岩石试样两端的超声信号发射器61和超声信号接收器62；超声信号接收器62通过数字荧光示波器分别与数据采集器和脉冲接收控制器连接，脉冲接收控制器与超声信号发射器61和数据采集器连接；脉冲接收控制器和数据采集器均与处理器连接。

超声信号发射器61和超声信号接收器62外表面涂有防锈层，其中的防锈层可以为镀在发射器和接收器外表面的锌；围压管道12、轴压管道32和渗压管道41可以采用软管制成；三种类型的压力表及所有的控制阀门16均可以采用高强度不锈钢制成。

实施时，本方案优选稳压机构17包括放置在管道上的压杆171及放置在管道(围压管道、渗压管道和轴压管道)内、在管道液体压力作用下给压杆171施加向上的力的活塞172；压杆171一端铰接在底座173上，另一端设有施力部174。优选施力部174为砝码。

如图3所示，围压缸11的下端外表面设置有法兰盘，轴压缸31的顶端开设有包围安装孔311的安装槽；围压缸11下端安装在安装槽内，并通过多根穿过法兰盘的螺纹连接件固定在轴压缸31的顶部。为了保证两缸的密封连接，可以在安装槽内设置密封圈。

本方案还提供一种深部高应力高渗环境模拟实验系统测试不同深度岩石浸水的方法包括步骤101至步骤106。

在步骤101中，获取岩石试样模拟的赋存深度对应的第一设定轴向预紧力、第一预设渗透压和第一预设围压；之后采用热缩膜紧密包裹岩石试样的圆柱面，并放置于下夹持座22上。

其中的赋存深度可以根据具体模拟的环境进行选取，比如100m、1000m、1400m、1800m、2400m，不过每选取一个不同的赋存深度，其在实验时都需要执行步骤101至步骤106，才能完成一个赋存深度下的岩石试样浸泡。

在步骤102中，通过轴压系统3的施力部174施加第一设定轴向预紧力，打开轴压泵33向轴压缸31内加入油液，当轴压压力表35的压力等于第一设定轴向预紧力时，关闭轴压泵33。

当施力部174为砝码时，将第一设定轴向预紧力转换为砝码重量的公式为：

f1＝2x1a1/l1，其中，f1为施加在轴压系统3的压杆171右端部的力，l1为轴压系统3的压杆171的长度，x1为轴压系统3的活塞172与底座173的距离，a1为轴压系统3的活塞172的底面积。

在步骤103中，通过围压系统1的施力部174施加第一预设围压，打开围压泵13向围压缸11内加入油液，当围压压力表15的压力等于第一预设围压时，关闭围压泵13；

当施力部174为砝码时，将第一预设围压转换为砝码重量的公式为：

f2＝σ2x2a2/l2，其中，f2为施加在围压系统1的压杆171右端部的力，σ2为岩石试样的围压，l2为围压系统1的压杆171的长度，x2为围压系统1的活塞172与底座173的距离，a2为围压系统1的活塞172的底面积。

在步骤104中，通过渗透压系统4的两个施力部174分别施加第一预设压力和第二预设压力，打开两个渗压泵42向渗压管道41和进水孔211输水，当两个渗压压力表44的压力均等于其对应的施力部施加的压力时，关闭两个渗压泵42；其中，第一预设压力和第二预设压力之间的压差为渗透压。

当施力部174为砝码时，将第一设定轴向预紧力转换为砝码重量的公式为：

f3＝σ3x3a3/l3，f4＝σ4x4a4/l4，σ5＝|σ3-σ4|，其中，f3、f4分别为施加在渗透压系统4两根压杆171右端部的力，σ3、σ4分别为岩石试样上部和下部的压力，σ5为岩石试样的渗透压，l3、l4分别为渗透压系统4两根压杆171的长度，x3、x4分别为渗透压系统4两个活塞172与底座173的距离，a3、a4分别为渗透压系统4的两个活塞172的底面积。

在步骤105中，当浸水时间未达到目标实验天数时，若轴压压力表35、围压压力表15或渗压压力表44的数值波动不等于设定阈值时，开启轴压泵33、围压泵13或渗压泵42补充液体，直至轴压压力表35、围压压力表15或渗压压力表44的值恢复原压力(波动前的压力)；

在步骤106中，当浸水时间达到目标实验天数时，打开轴压系统3、围压系统1和渗透压系统4的控制阀门16，启动轴压泵33、围压泵13和渗压泵42抽回液体，取出岩石试样。

渗水实验完成后，可以吸取少量渗压缸中的液体，开展浸水溶液化学成份、矿物(xrd)、元素(xrf)分析，揭示不同赋存深度真实应力和渗透压力组合条件下的矿物成份溶解过程及物性成份演化规律，探明高应力高渗压条件下水渗透过程中对岩石微细观结构的物理影响机制，揭示高应力环境、高压水体作用下岩石矿物膨胀及润滑作用。

为还原深部特征，基于前述五个不同赋存深度(100m、1000m、1400m、1800m、2400m)浸水试验的岩石试样，开展深部高应力高渗环境三轴流变测试，其实现方法包括步骤s1至步骤s8。三轴流变试验是基于不同赋存深度浸水试验得到的岩石试样开展的。

在步骤s1中，将浸水实验得到的岩石试样放置于下夹持座22上，通过轴压系统3的施力部174施加第二设定轴向预紧力，打开轴压泵33向轴压缸31内加入油液，当轴压压力表35的压力等于第二设定轴向预紧力时，关闭轴压泵33；

在步骤s2中，将轴向位移传感器52和环向位移传感器51安装到岩石试样上，环向位移传感器51需与岩石试样底面保持水平，轴向位移传感器52需与岩石试样轴线平行，并调整轴向位移和环向位移测量系统至初始值；

基于上述操作，完成岩石试样竖直方向的固定，以便于后续试验。

在步骤s3中，通过围压系统1的施力部174施加第二预设围压，打开围压泵13向围压缸11内加入油液，当围压压力表15的压力等于第二预设围压时，关闭围压泵13；

在步骤s4中，采用渗透压系统4的两个施力部174分别施加第三预设压力和第四预设压力，打开两个渗压泵42向渗压管道41和进水孔211输水，当两个渗压压力表44的压力均等于其对应的施力部施加的压力时，关闭两个渗压泵42；其中，第三预设压力和第四预设压力之间的压差为渗透压。

在步骤s5中，当轴压压力表35、围压压力表15或渗压压力表44的数值稳定后，启动声速实时测试系统，测岩石试样在长时蠕变过程中的动态声速信息，其实现原理为：

超声信号发射传感器经脉冲接收控制器发出脉冲信号，在岩石试样中传播至超声信号接收传感器，所用时间被数据采集器所记录，根据速度＝路程/时间计算得出声波速度，在数字荧光示波器中显示。以100m赋存深度为例，将所得岩石蠕变测试声速变化数据绘制于图4。声波的波速随介质裂隙发育、密度降低、声阻抗增大而降低，随应力增大、密度增大而增加。因此，获取岩石蠕变全过程的声波实时数据，可以反映岩石的损伤劣化性质，从而更好地揭示岩石长时蠕变渗流力学行为特性。

在步骤s6中，通过轴压系统3的施力部174施加预设轴压，打开轴压泵33向轴压缸31内加入油液，直至轴向位移传感器52和环向位移传感器51采集的数据稳定；

在步骤s7中，观察岩石试样是否发生破坏，若未破坏，令预设轴压＝预设轴压+设定轴向荷载，返回步骤s6，否则进入步骤s8；

优选设定轴向荷载为10mp；在轴压系统3施加轴向力过程中，需要记录实验全过程中轴向应变和环向应变随时间的变化情况，并基于此计算岩石试样全程体积应变随时间的变化情况，其中，体积应变＝轴向应变+2×环向应变，轴向应变为正值，环向应变为负值。

在步骤s8中，打开轴压系统3、围压系统1和渗透压系统4的控制阀门16，启动轴压泵33、围压泵13和渗压泵42抽回液体，取出岩石试样，观察岩石试样的破坏形态。

以100m赋存深度为例，将该赋存深度的岩石试样蠕变全过程所得数据绘制于图5，分析曲线特征，确定岩石的长期强度，探究不同赋存深度围岩应力-渗流-裂隙-蠕变耦合机制，揭示高应力高渗透压条件下岩石损伤破坏特征及蠕变渗流力学行为特性，从而服务于深部地下工程的长时安全稳定运营。

实施时，本方案优选启动声速实时测试系统后，还包括观察轴压压力表35、围压压力表15或渗压压力表44的数值波动是否不等于设定阈值；若否，则继续实验；

若是，开启轴压泵33、围压泵13或渗压泵42补充液体，直至轴压压力表35、围压压力表15或渗压压力表44的值恢复原压力。