岩石样品的密封装置、检测设备及检测方法与流程

1.本发明涉及岩石强度试验技术领域，尤其涉及一种岩石样品的密封装置、用于岩石样品的密封装置的检测设备及检测方法。


背景技术：

2.岩石是一种复杂的非均匀各向异性介质，其内部含有的节理裂隙、天然孔洞等缺陷，使得岩石的强度特征和变形破裂规律变得十分复杂。研究表明，岩体的力学特性与其内部缺陷的大小、几何分布等具有密切的联系。岩体内部存在的不同几何形态裂隙或孔洞等缺陷，使得岩体的结构和力学特征复杂，造成岩体被破坏与失稳，且不同类型的缺陷之间相互作用对岩体力学及损伤演化特征有重要影响。因此，开展含缺陷岩石力学特性与破坏特征研究具有重要意义。
3.为了更好的评估工程的稳定性、安全性和可靠性，需要了解工程中遇到的这些岩石材料的力学性能，通过实验室试验来测试这些含缺陷岩石的基本力学参数。在实验室开展岩石强度试验时，为了还原岩石的真实赋存条件，提高实验测试的准确性，需要给岩石与加载不同程度的围压来模拟岩石在地下真实赋存条件下的应力环境，尤其是随着近年来矿井开采深度越来越大，深部高地应力矿井逐年增加，试验中给岩石样品加载的围压也随之变大。因此，为了研究和解决深部高应力矿井的采掘及支护问题，更加需要在实验室进行相关物理相似模拟试验。为了模拟矿井深部高地应力环境，就需要在实验室进行岩石强度测试时给岩石样品施加高围压，进而得到岩石三向应力条件下的力学性能参数，从而为现场工程提供理论依据和指导。
4.岩石三轴强度试验或其它需要考虑岩石原始应力条件的实验室试验，通常岩石样品的围压是通过将岩石用热缩套等密封薄膜包裹，然后将包裹好的岩石样品放置在承装高压油液的密封容器中来完成对岩石样品的围压加载，围压加载原理是在一个密闭容器内，首先将岩石样品进行密封，然后给其周围空间充满油液，再通过将空间内油液压缩加压，让高油压液作用在岩石样品周侧表面，完成岩石样品的围压加载。
5.但上述试验方式会产生岩石试样的密封问题。如果是完整无缺陷岩石在围压条件下试验，一般采用一层薄热缩套将岩石直接密封，就可以承受所加围压，但是对于有缺陷的岩石，即含孔洞或裂隙岩石，其在围压作用下，特别是高围压作用下，容易在岩石缺陷处在高压油液的挤压下将热缩套击穿，因为热缩套在常温状态下一般为玻璃态，材料弹性差，抗变形能力弱，造成油液进入岩石样品内部，导致试验失败。


技术实现要素：

6.本发明提供一种岩石样品的密封装置、用于岩石样品的密封装置的检测设备及检测方法，旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一，实现解决试验中含孔洞或裂隙等缺陷的岩石在高围压作用下，密封套在岩石缺陷位置容易被高压油液击穿，造成油液进入岩石样品内部，导致岩石试验失败的问题的效果。
7.本发明提供一种岩石样品的密封装置，包括弹性套和承压套，所述弹性套用于套设于岩石样品外侧，所述承压套套设于所述弹性套外侧。
8.根据本发明提供的一种岩石样品的密封装置，还包括封口件，所述封口件包括垫块和紧固件，所述垫块用于抵接所述岩石样品的两端，且所述弹性套和所述承压套的敞口均位于所述垫块与所述紧固件之间，所述紧固件压紧所述垫块，以将所述承压套与所述弹性套的敞口密封。
9.根据本发明提供的一种岩石样品的密封装置，所述垫块包括锥台部，所述锥台部位于所述弹性套的敞口内侧，所述锥台部包括与所述岩石样品接触的抵接面和靠近所述敞口的封闭面，所述锥台部的横截面面积由所述抵接面至所述封闭面的逐渐增大。
10.根据本发明提供的一种岩石样品的密封装置，所述紧固件为套环，所述套环的内周面与所述锥台部的外周面相匹配。
11.根据本发明提供的一种岩石样品的密封装置，所述垫块还包括限位部，所述限位部设置于所述封闭面，所述限位部位于所述弹性套的敞口外侧，所述紧固件与所述限位部抵接。
12.本发明还提供一种用于岩石样品的密封装置的检测设备，包括充油组件、增压组件、围压腔室和如上所述的岩石样品的密封装置，所述充油组件和所述增压组件均与所述围压腔室连通，所述岩石样品的密封装置设置于所述围压腔室内。
13.根据本发明提供的一种用于岩石样品的密封装置的检测设备，所述充油组件包括充油泵和充油阀，所述充油泵与油源连通，所述充油泵通过进油管与所述围压腔室连通，所述进油管上设有所述充油阀。
14.根据本发明提供的一种用于岩石样品的密封装置的检测设备，所述增压组件包括增压阀、增压泵和传感器，所述增压泵通过增压管与所述进油管连通，所述增压阀与所述传感器依次设置于所述增压管上。
15.根据本发明提供的一种用于岩石样品的密封装置的检测设备，所述围压腔室设有进油口和排油口，所述进油口与所述进油管连通，所述排油口设有排油阀，所述进油口的位置高于所述排油口的位置。
16.本发明还提供一种用于岩石样品的密封装置的检测方法，应用如上所述的用于岩石样品的密封装置的检测设备进行，包括：
17.s1，将装有岩石样品的密封放置到密封的围压腔室中；
18.s2，打开充油阀，关闭增压阀，启动充油泵向围压腔室内充油，直至围压腔室内注满油液，关闭充油泵和充油阀；
19.s3，打开增压阀，启动增压泵对围压腔室内的油液进行增压；
20.s4，通过传感器监测岩石样品所受围压达到预设围压值后，对岩石样品进行保压至第一设定时间；
21.s5，关闭增压泵和增压阀，并对岩石样品进行保压至第二设定时间，观察传感器的示数。
22.本发明提供的岩石样品的密封装置，是一种针对含孔洞或裂隙的岩石在高围压作用下的密封装置，用以解决试验中含孔洞或裂隙等缺陷的岩石在高围压作用下，密封套在岩石缺陷位置容易被高压油液击穿，造成油液进入岩石样品内部，导致岩石试验失败的问
题。
23.弹性套套设在岩石样品的表面，再在弹性套外侧包裹一层承压套，弹性套由具有一定厚度且具有很好的弹性的材料制成，具有良好的变形能力，可以在外界压力挤压下发生变形，从而能够在围压作用下将弹性套挤入岩石样品的孔洞或裂隙中，起到填充孔洞或裂隙的作用。特别是在高围压情况下，弹性套内壁被挤压入孔洞或裂隙中，但外壁依然保持平整，且不会破损，从而保证承压套内壁与弹性套外壁紧密贴合。
24.承压套外表面则是直接与提供围压的油液接触，承压套内壁与弹性套外壁紧密贴合，起到承受围压的作用。承压套厚度较小，但强度较高，能够经受高压油液的挤压，起到在岩石样品外侧均匀承压的作用。特别是在岩石样品存在孔洞或裂隙位置，配合填充孔洞或裂隙的弹性套，使此处与高压油液接触的表面较为平滑，不易出现应力集中而将承压套挤压破裂。
25.除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本发明提供的岩石样品的密封装置的结构示意图之一；
28.图2是本发明提供的岩石样品的密封装置的结构示意图之二；
29.图3是本发明提供的岩石样品的密封装置的加压后的结构示意图；
30.图4是本发明提供的岩石样品的密封装置的垫块的结构示意图；
31.图5是本发明提供的用于岩石样品的密封装置的检测设备的结构示意图；
32.附图标记：
33.100、弹性套；200、承压套；
34.300、岩石样品；310、孔洞；320、裂隙；
35.400、封口件；410、垫块；420、紧固件；411、锥台部；412、限位部；4111、抵接面；4112、封闭面；
36.500、充油组件；510、充油泵；520、充油阀；530、油源；540、进油管；
37.600、增压组件；610、增压阀；620、增压泵；630、传感器；640、增压管；
38.700、围压腔室；710、排油阀；720、进油口；730、排油口；
39.800、密封装置。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
41.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
43.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
44.此外，在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
45.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
46.如图1至图3所示，图3中箭头代表围压，本发明实施例提供的岩石样品的密封装置，包括弹性套100和承压套200，弹性套100用于套设于岩石样品300外侧，承压套200套设于弹性套100外侧。
47.本发明实施例的岩石样品的密封装置，是一种针对含孔洞310或裂隙320的岩石在高围压作用下的密封装置，用以解决试验中含孔洞310或裂隙320等缺陷的岩石在高围压作用下，密封套在岩石缺陷位置容易被高压油液击穿，造成油液进入岩石样品300内部，导致岩石试验失败的问题。
48.弹性套100套设在岩石样品300的表面，再在弹性套100外侧包裹一层承压套200，弹性套100由具有一定厚度且具有很好的弹性的材料制成，具有良好的变形能力，可以在外界压力挤压下发生变形，从而能够在围压作用下将弹性套100挤入岩石样品300的孔洞310或裂隙320中，起到填充孔洞310或裂隙320的作用。特别是在高围压情况下，弹性套100内壁被挤压入孔洞310或裂隙320中，但外壁依然保持平整，且不会破损，从而保证承压套200内壁与弹性套100外壁紧密贴合。
49.承压套200外表面则是直接与提供围压的油液接触，承压套200内壁与弹性套100外壁紧密贴合，起到承受围压的作用。承压套200厚度较小，但强度较高，能够经受高压油液
的挤压，起到在岩石样品300外侧均匀承压的作用。特别是在岩石样品300存在孔洞310或裂隙320位置，配合填充孔洞310或裂隙320的弹性套100，使此处与高压油液接触的表面较为平滑，不易出现应力集中而将承压套200挤压破裂。
50.本实施例中，岩石作为组成矿山、隧道、水利水电等工程的主要媒介，其承载力直接影响工程的稳定性。长期的地质作用下，岩体含有许多宏观和微观的孔洞310、裂隙320等缺陷。另外，很多情况下由于赋存条件、施工技术等原因，无法采用真实的岩石进行实验测试，此时需要用物理相似材料制作类岩石，例如用水泥砂浆或混凝土制作的类岩石来模拟含缺陷的岩石。因此，含孔洞310或裂隙320岩石样品300包括天然含孔洞310或裂隙320岩石、水泥砂浆或混凝土制作的用来模拟含孔洞310或裂隙320岩石的类岩石等。
51.弹性套100可采用弹性较好的材料，在外力挤压作用下具有一定变形能力，如乳胶套、硅胶套等。承压套200可采用具有一定强度，抗变形能力较强，如聚烯烃材质热缩套、丁腈橡胶套等。
52.根据本发明提供的一个实施例，岩石样品的密封装置还包括封口件400，封口件400包括垫块410和紧固件420，垫块410用于抵接岩石样品300的两端，且弹性套100和承压套200的敞口均位于垫块410与紧固件420之间，紧固件420压紧垫块410，以将承压套200与弹性套100的敞口密封。本实施例中，岩石样品300的两端为上下端，选取圆柱形的岩石作为进行围压作用下试验测试的含缺陷的岩石样品300，同时要保证岩石样品300的上下端面的平整，从而可以与上下垫块410紧密贴合接触。岩石样品300的上下端所在方向为岩石样品300的高度方向，也即承压套200和弹性套100的长度方向，承压套200的长度与弹性套100的长度相同，且均大于岩石样品300的高度。岩石样品300套上弹性套100后，在岩石样品300的端面至其临近的弹性套100的敞口之间预留垫块410的长度，便于用紧固件420与垫块410配合密封，防止油液在高压作用下从弹性套100和承压套200的上下敞口进入岩石样品300内部，以实现弹性套100和承压套200在岩石样品300的端面处的密封。
53.可以理解的是，封口件400还可以采用其它密封结构，如夹紧结构等，能够保证弹性套100和承压套200对岩石样品300的整体密封效果即可。
54.如图4所示，根据本发明提供的一个实施例，垫块410包括锥台部411，锥台部411位于弹性套100的敞口内侧，锥台部411包括与岩石样品300接触的抵接面4111和靠近敞口的封闭面4112，锥台部411的横截面面积由抵接面4111至封闭面4112的逐渐增大。本实施例中，将被弹性套100和承压套200双层包裹的岩石样品300通过紧固件420固定于上下垫块410的锥台部411上。与岩石样品300的端面抵接的是垫块410的锥台部411，锥台部411的抵接面4111面积小于封闭面4112面积，且锥台部411由抵接面4111至封闭面4112的侧壁为具有一定角度的平滑斜面。
55.具体的，将超过岩石样品300高度部分的弹性套100和承压套200套在上、下垫块410的锥台部411外侧，保证岩石样品300上下端面与上下锥台部411紧密接触，然后将紧固件420对应锥台部411设置在承压套200的外壁上，将弹性套100和承压套200紧紧卡牢在锥台部411的侧壁上，此时弹性套100和承压套200超出岩石样品300高度的部分则在锥台部411与紧固件420之间，并将岩石样品300密封在弹性套100内部。
56.根据本发明提供的一个实施例，紧固件420为套环，套环的内周面与锥台部411的外周面相匹配。本实施例中，紧固件420为环状，且与锥台部411的接触面也是具有一定角度
的平滑斜面，这样的结构可以使锥台部411、弹性套100、承压套200和套环越卡越紧，四者之间可以完全贴合，且贴合面积更大。另外，由于弹性套100筒具有良好的弹性，这样可以保证垫块410、弹性套100、承压套200和紧固件420之间贴合的更加紧密，起到良好密封的效果。
57.具体的，先将上下套环套在弹性套100和承压套200密封包裹在岩石样品300外侧，然后将超过岩石样品300高度部分的弹性套100和承压套200套在垫块410的锥台部411外侧，保证岩石样品300上下端面与上下锥台部411的抵接面4111紧密接触，再将上下套环分别向上和向下移动至上下垫块410的外周面处，直至将弹性套100和承压套200紧紧压紧在锥台部411上。
58.可以理解的是，紧固件420还可为配合锥台部411密封的其它结构，如环绕锁紧结构、粘接结构等，能够保证锥台部411与弹性套100和承压套200的紧密连接即可。
59.根据本发明提供的一个实施例，垫块410还包括限位部412，限位部412设置于封闭面4112，限位部412位于弹性套100的敞口外侧，紧固件420与限位部412抵接。本实施例中，垫块410在远离岩石样品300的一端设置限位部412，即限位部412与锥台部411的封闭面4112连接。当紧固件420为套环时，环套远离岩石样品300的一端面与限位部412抵接，为套环在运动过程中的限位结构，套环运动到限位部412停止运动，实现在套环与锥台部411之间对弹性套100和承压套200的压紧密封，同时也能够防止套环在锥台部411上运动脱离。
60.如图5所示，本发明实施例还提供了用于岩石样品的密封装置的检测设备，包括充油组件500、增压组件600、围压腔室700和如上述实施例的岩石样品的密封装置800，充油组件500和增压组件600均与围压腔室700连通，岩石样品的密封装置800设置于围压腔室700内。
61.本发明实施例的用于岩石样品的密封装置的检测设备，充油组件500与围压腔室700连通，将油液充入围压腔室700内，以对围压腔室700内装有岩石样品300的密封装置800构造出围压环境，增压组件600与围压腔室700连通，使围压腔室700内的油液增压，进而控制密封装置800周围油液压力大小，从而对岩石样品300的密封装置的密封效果进行检测。
62.根据本发明提供的一个实施例，充油组件500包括充油泵510和充油阀520，充油泵510与油源530连通，充油泵510通过进油管540与围压腔室700连通，进油管540上设有充油阀520。本实施例中，充油泵510连通油源530，充油阀520打开，进油管540连通围压腔室700，充油泵510可将油源530泵入围压腔室700内。
63.根据本发明提供的一个实施例，增压组件600包括增压阀610、增压泵620和传感器630，增压泵620通过增压管640与进油管540连通，增压阀610与传感器630依次设置于增压管640上。本实施例中，增压泵620连通进油管540，增压阀610打开，增压泵620可对由进油管540进入的围压腔室700的油液进行增压，传感器630能够实时检测围压腔内的油液压力，以判断围压腔室700的压力是否达到检测所需，进而控制增压泵620和增压阀610的动作。
64.根据本发明提供的一个实施例，围压腔室700设有进油口720和排油口730，进油口720与进油管540连通，排油口730设有排油阀710，进油口720的位置高于排油口730的位置。本实施例中，围压腔室700自身为密封结构，通过进油口720与进油管540连通，确保油液压力环境的构造，试验完成后，可通过排油阀710将围压腔室700内的油液排空，有效维护设备安全。
65.本发明实施例还提供了用于岩石样品的密封装置的检测方法，应用如上述实施例
的用于岩石样品的密封装置的检测设备进行，包括：
66.s1，将装有岩石样品300的密封放置到密封的围压腔室700中；
67.s2，打开充油阀520，关闭增压阀610，启动充油泵510向围压腔室700内充油，直至围压腔室700内注满油液，关闭充油泵510和充油阀520；
68.s3，打开增压阀610，启动增压泵620对围压腔室700内的油液进行增压；
69.s4，通过传感器630监测岩石样品300所受围压达到预设围压值后，对岩石样品300进行保压至第一设定时间；
70.s5，关闭增压泵620和增压阀610，并对岩石样品300进行保压至第二设定时间，观察传感器630的示数。
71.本发明实施例的用于岩石样品的密封装置的检测方法，密封装置对岩石样品300的密封效果可以通过加压之后密闭容器内压力的变化情况来评价。
72.首先将通过密封装置800密封完成的岩石样品300放置到密封的围压腔室700中，打开充油阀520，关闭增压阀610，启动充油泵510给围压腔室700进行充油，待到围压腔室700内注满油液，关闭充油泵510和充油阀520。
73.增压泵620与进油口720之间连接有监测围压腔室700内油压的传感器630和一个增压阀610，首先打开增压阀610，然后启动增压泵620，通过增压泵620给围压腔室700内注入的油液加压，使围压腔室700内油压增高。
74.通过油压作用在承压套200表面，通过承压套200和弹性套100将围压传递到岩石样品300表面，从而为岩石样品300加载上围压。增压过程中通过传感器630监测岩石样品300所受围压的大小，等到达到预设加载的围压值，进行保压一段时间，使油液充分填满围压室腔内的孔隙，同时也使弹性套100在压力挤压下充分填满岩石样品300表面的孔隙，然后关闭增压泵620和增压阀610。
75.这时围压腔室700内处于密闭环境，进行10min的保压操作，观察传感器630的示数。若传感器630示数没有变化，则密封效果为优；若传感器630示数下降幅度不超过10％，则密封效果为良；若传感器630示数下降幅度小于10％～20％，则密封效果为合格；若传感器630示数下降幅度超过20％，则密封效果为不合格。
76.使用时，不限定上述充油阀520和增压阀610是截止阀、电动阀、电磁阀或其他形式可通断的阀类。
77.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。