用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置及方法

本发明涉及围岩微观结构分析，尤其涉及一种用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置及方法。

背景技术：

1、深部煤岩、页岩及泥质砂岩等软岩地层矿井、隧道开挖，工作面温度高达35℃～40℃，相对湿度高达95%以上。高温高湿环境下开挖作业，会引起孔隙吸附气体（甲烷、二氧化碳及含硫气体等）异常运移，加剧深部湿热灾害。研究表明，深部软岩“毒气”运移在开挖、卸荷、高温以及多相渗流等地质环境下极为复杂。深部工程中的高温高湿气体不仅严重影响现场工人身心健康，还会导致围岩强度软化、诱发大变形灾害及次生灾害。目前，关于高温高湿气体对围岩软化的影响，主要侧重于宏观力学性质方面的研究，缺乏对围岩微观结构变化方面的研究，同时缺少可视化的研究手段。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了如下技术方案。

2、本发明第一方面提供了一种用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置，包括：岩样夹持器、温控装置、加压装置、气体混合注入装置、ct扫描装置和低温氮气吸附装置；

3、所述岩样夹持器用于放置夹持岩样，所述岩样包括模拟隧道开挖形成的碎块和围岩，在碎块和围岩之间形成有模拟隧道，在模拟开挖形成的围岩上形成有模拟开挖进刀线；

4、所述温控装置用于为所述岩样提供原位温度；所述加压装置用于为所述岩样提供原位压力；所述气体混合注入装置用于为所述岩样提供原位气体；

5、所述ct扫描装置用于对注气前后的岩样结构进行扫描，以对气体运移路径和孔隙结构变化进行可视化监测和分析，进而对围岩在高温高湿气体作用下的孔隙结构损伤进行定性评价；

6、所述低温氮气吸附装置用于对注气前后的模拟开挖形成的围岩进行低温氮气吸附测试，以利用测试数据与分形理论结合，得到用于定量评价围岩在高温高湿气体作用下的孔隙结构损伤度指标：孔隙复杂度变化率和孔隙体积变化率，进而进行定量评价。

7、优选地，所述装置还包括：尾端气体分离装置、气相色谱仪和电导率仪，所述尾端气体分离装置用于对尾端气体进行气液分离，所述气相色谱仪用于对气液分离得到的气体成分进行检测，所述电导率仪用于对气液分离得到的液体的电导率进行检测。

8、本发明第二方面提供了一种评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的方法，利用第一方面所述的装置，所述方法包括：

9、制作岩样；

10、将所述岩样固定在岩样夹持器中；

11、对所述岩样施加原位温度和压力，并注入原位气体以使气体与所述岩样发生气岩反应；

12、利用ct扫描装置对气岩反应中的气体运移路径和反应前后的孔隙结构变化进行可视化监测和分析，进而对围岩在高温高湿气体作用下的孔隙结构损伤进行定性评价；

13、对气岩反应前后的围岩分别进行低温氮气吸附测试，得到孔隙结构相关参数的变化；

14、根据孔隙结构相关参数的变化计算孔隙复杂度变化率和孔隙体积变化率，以根据孔隙复杂度变化率和/或孔隙体积变化率定量评价围岩孔隙结构损伤。

15、优选地，所述方法还包括：

16、对尾端气体进行气液分离得到气体和液体，

17、对气体成分进行检测和对液体的电导率进行检测。

18、优选地，所述制作岩样包括：

19、在标准岩心的中心切割出柱塞样，剩余部分作为围岩样；其中，所述柱塞样用于模拟隧道开挖中的整体碎块结构，所述围岩样用于模拟隧道开挖中的围岩，所述柱塞样和所述围岩样之间的截面用于模拟隧道开挖中的破碎岩体与围岩之间的截面。

20、优选地，所述利用ct扫描装置对气岩反应中的气体运移路径和反应前后的孔隙结构变化进行可视化监测和分析，进而对围岩在高温高湿气体作用下的孔隙结构损伤进行定性评价包括：

21、利用ct扫描装置分别对气岩反应前后的岩样进行扫描，得到岩样沿程不同位置横断面的ct扫描图；

22、对比气岩反应前后岩样同一位置横断面的ct扫描图，得到气岩反应中的气体运移路径；

23、根据所述气体运移路径分析得到反应前后的孔隙结构变化；

24、根据孔隙结构变化对围岩在高温高湿气体作用下的孔隙结构损伤进行定性评价。

25、优选地，所述根据孔隙结构相关参数的变化计算孔隙复杂度变化率，采用的计算公式包括：

26、

27、式中，v为平衡压p下的气体吸附体积，vm为一层气体吸附体积，v和vm均通过低温氮气吸附测试获得，k为特征常数，r为气体常数，t为绝对温度，p0为氮气在液氮温度下的饱和蒸气压，d为分形维数，σ1为孔隙复杂度变化率，di为气岩反应前的分形维数，de为气岩反应后的分形维数，p0/p为损伤系数。

28、优选地，所述根据孔隙结构相关参数的变化计算孔隙体积变化率，采用的计算公式包括：

29、

30、式中，k1为孔隙体积变化率，vp1为气岩反应前的孔隙体积，vp2为气岩反应后的孔隙体积，vp1和vp2均通过低温氮气吸附测试获得。

31、优选地，所述方法还包括：

32、利用低温氮气吸附测试得到气岩反应前后的气体吸附-脱附曲线；

33、根据气体吸附-脱附曲线的形态判断孔隙类型；

34、根据孔隙类型判断气岩反应前后孔隙形状的变化；

35、根据孔隙形状的变化评价围岩孔隙结构损伤情况。

36、本发明的有益效果是：本发明提供的用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置和方法，通过模拟现场原位温度、压力和气体条件下的气岩反应，利用ct扫描设备可视化监测并分析气体与岩样的反应情况以及孔隙结构的变化情况，利用低温氮气吸附测试获取气体与隧道围岩反应前后的孔隙结构参数变化情况，建立孔隙结构的损伤评价指标，实现了隧道开挖过程中高温高湿气体对隧道围岩孔隙结构的损伤评价，同时能够有效地获取不同隧道断面的含气饱和度特征，有效补充了气体导致的岩石力学强度、结构软化方面的研究。

技术特征：

1.一种用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置，其特征在于，包括：岩样夹持器、温控装置、加压装置、气体混合注入装置、ct扫描装置和低温氮气吸附装置；

2.如权利要求1所述的用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置，其特征在于，所述装置还包括：尾端气体分离装置、气相色谱仪和电导率仪，所述尾端气体分离装置用于对尾端气体进行气液分离，所述气相色谱仪用于对气液分离得到的气体成分进行检测，所述电导率仪用于对气液分离得到的液体的电导率进行检测。

3.一种评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的方法，其特征在于，利用如权利要求1或2所述的用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置，所述方法包括：

4.如权利要求3所述的评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的方法，其特征在于，所述方法还包括：

5.如权利要求3所述的评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的方法，其特征在于，所述制作岩样包括：

6.如权利要求3所述的评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的方法，其特征在于，所述利用ct扫描装置对气岩反应中的气体运移路径和反应前后的孔隙结构变化进行可视化监测和分析，进而对围岩在高温高湿气体作用下的孔隙结构损伤进行定性评价包括：

7.如权利要求3所述的评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的方法，其特征在于，所述根据孔隙结构相关参数的变化计算孔隙复杂度变化率，采用的计算公式包括：

8.如权利要求3所述的评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的方法，其特征在于，所述根据孔隙结构相关参数的变化计算孔隙体积变化率，采用的计算公式包括：

9.如权利要求3所述的评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的方法，其特征在于，所述方法还包括：

技术总结
本发明公开了用于评价高温高湿气体对围岩孔隙结构损伤的装置及方法，属于围岩微观结构分析技术领域。所述装置包括：岩样夹持器、温控装置、加压装置、气体混合注入装置、CT扫描装置和低温氮气吸附装置。通过模拟现场原位温度、压力和气体条件下的气岩反应，利用CT扫描设备可视化监测并分析气体与隧道围岩的反应情况及孔隙结构的变化情况，以及利用低温氮气吸附测试获取气体与隧道围岩反应前后的孔隙结构参数变化情况，建立孔隙结构的损伤评价指标，实现了隧道开挖过程中高温高湿气体对隧道围岩孔隙结构的损伤评价，同时能有效地获取不同隧道断面的含气饱和度特征，有效填补了由高温高湿气体导致的岩石力学强度变化、结构软化方面的研究空白。

技术研发人员：杨柳,王硕,刘合
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13