各向异性岩石损伤程度测试装置及其测试方法

文档序号:9215561阅读:349来源:国知局
各向异性岩石损伤程度测试装置及其测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种各向异性岩石损伤程度测试装置及其测试方法。适用于地下工程 领域。
【背景技术】
[0002] 地下工程开挖以后由于应力的二次调整围岩会受到损伤,特别是现在深部地下岩 石工程不断增多,埋深越来越大,地应力和岩体强度之间的矛盾越来越尖锐,导致围岩的损 伤程度也不断加大,损伤的存在将直接影响到岩石本身的力学性能,进而影响地下工程的 整体稳定。
[0003] 在岩石中的应力损伤是不可恢复的,并且会导致岩石的内部结构产生永久性的变 化,这些变化将导致岩石的物理力学特性发生变化,这些变化可以被直接量测,如裂纹数量 统计、声波测试、声发射监测、CT扫描、渗透试验等。这些测试方法已经在工程实践中得到 了推广应用,但是由于岩石普遍具有各向异性特征,导致上述测量只能反映出一个总体损 伤程度,尤其是由于应力损伤将加剧岩石的各向异性特征,导致测试成果大多停留在定性 的角度,无法准确判断损伤对岩石造成的准确损伤程度。

【发明内容】

[0004] 本发明要解决的技术问题是:针对上述存在的问题,提供一种结构简单、操作方 便、成本较低的各向异性岩石损伤程度测试装置及其测试方法,以直接量测损伤岩石不同 方向的气体渗透性。
[0005] 本发明所采用的技术方案是:一种各向异性岩石损伤程度测试装置,用于测试岩 样的环向气体渗透系数和轴向气体渗透系数,该装置包括对岩样轴向和环向加压的轴向加 压装置和环向加压装置,岩样中间具有中间钻孔,其特征在于:该装置还具有加压盘、密闭 套筒、加压泵、储水容器、压力表和量管,所述岩样上套有与岩样同轴的密闭套筒,岩样的上 下两端与轴向加压装置之间垫有加压盘,所述加压泵经进气管接于岩样下端,岩样上端依 次经出气管和量管接至储水容器内,出气管上接有压力表;
[0006] 测试环向气体渗透系数时,所述加压盘为密封盘,在岩样上端的密封盘与轴向加 压装置之间填充顶部孔隙介质层,密闭套筒与岩样之间填充侧面孔隙介质层,且侧面孔隙 介质层顶部与顶部孔隙介质层连成一体;所述进气管的出气口穿过岩样下端的密封盘连通 岩样的中间钻孔,所述出气管进气口连通顶部孔隙介质层;
[0007] 测试轴向气体渗透系数时,所述加压盘为通气压盘,密闭套筒与岩样之间填充硅 胶密封层,所述岩样的中间钻孔内充填硅胶;所述进气管的出气口连通岩样下端的通气压 盘,所述出气管进气口连通上端的通气压盘。
[0008] 所述顶部孔隙介质层和侧面孔隙介质层由级配良好的沙粒充填形成。
[0009] 一种应用装置进行测试的方法,其特征在于步骤如下:
[0010] 1、取芯:在开挖损伤区中取出岩芯,并在其中间钻孔,作为岩样;
[0011] 2、环向气体渗透系数测试:
[0012] 2. 1、将岩样装入对应装置;
[0013] 2. 2、轴向加压装置和环向加压装置对岩样加压至设定值;
[0014] 2. 3、打开加压泵往岩样的中间钻孔内通入氮气;
[0015] 2. 3、实时记录压力表和量管读数;
[0016] 3、轴向气体渗透系数测试:
[0017] 3. 1、岩样中间钻孔内充填硅胶;
[0018]3. 2、将岩样装入对应装置;
[0019] 3. 3、轴向加压装置和环向加压装置对岩样加压至设定值;
[0020] 3. 4、打开加压泵往岩样的中间钻孔内注入氮气;
[0021] 3. 5、实时记录压力表和量管读数;
[0022] 4、根据所记录数据及渗透系数计算公式计算渗透系数,计算公式如下:
[0024] 式中,K为渗透系数(m2),Q为气体流速(m 3/s),y为气体粘度(Pa ? s),L为试验 用岩样长度(m),A是岩样的截面面积(m2),PQ为大气压力(Pa),P为注入气体压力(Pa)。
[0025] 5、建立时间-渗透系数、环向压力-环向渗透系数、轴向压力-轴向渗透系数表达 关系式。
[0026] 注入的氮气压力为0? 2MPa,加载环向压力为2~30MPa,轴向压力压小于单轴抗压 强度的60%,一次测试时间为3~4天。
[0027] 取芯钻孔方向与结构面垂直。
[0028] 所述岩样尺寸为200 X 100mm,钻孔尺寸为100 X 50mm。
[0029] 本发明的有益效果是:本发明结构简单、操作方便,将测到的气体渗透系数进行汇 总,得到不同环向压力、不同轴向压力、不同时间的渗透系数,并分别建立时间-渗透系数、 环向压力-环向渗透系数、轴向压力-轴向渗透系数表达关系式,揭示渗透系数随时间的演 化关系和压力对渗透系数的影响,为各向异性岩石在不同时间、不同应力条件下的损伤程 度判断提供最直接的实验数据。本发明直接评价岩石的损伤程度,能够反映出岩石的各向 异性特征,实验装置简单、易于操作,只需要对现有的加载设备进行改造,节省实验仪器投 资,并且可以进行循环利用和后期其它类型实验。
【附图说明】
[0030] 图1为实施例中测试环向气体渗透系数的装置示意图。
[0031] 图2为实施例中测试轴向气体渗透系数的装置示意图。
【具体实施方式】
[0032] 本实施例为一种各向异性岩石损伤程度测试装置,包括轴向加压装置3、环向加压 装置2、加压盘、密闭套筒13、加压泵4、进、出气管5、6、储水容器8、压力表9和量管7,该装 置可分别用于测试岩样1 (具有中间钻孔101)的环向气体渗透系数和轴向气体渗透系数。
[0033] 图1为用于测试岩样1的环向气体渗透系数的测试装置,岩样1置于环向加压装 置2内,环向加压装置对岩样施加环向压力,岩样1上下两端设有轴向加压装置3,为岩样施 加轴向压力。本例在岩样下端与轴向加压装置之间设有加压盘,岩样上端与轴向加压装置 之间由下而上依次设有加压盘和顶部孔隙介质层11,在环向渗透系数测试装置中加压盘采 用密封盘10,防止气体从岩样1两端泄漏。在岩样1上套有一个与岩样同轴布置的密闭套 筒13,在密闭套筒13与岩样之间的空隙内设置侧面孔隙介质层12,该侧面孔隙介质层顶部 12与顶部孔隙介质层11连成一体。加压泵4连接进气管5,进气管的出气口穿过岩样下端 的密封盘10连通岩样的中间钻孔101,顶部孔隙介质层11依次经出气管6和量管7接至储 水容器8内,出气管6上设有压力表9。顶部孔隙介质层11和侧面孔隙介质层12由级配良 好的沙粒充填形成,有利于受力的传递和气体的流动。顶部孔隙介质层11和侧面孔隙介质 层12形成了一个从底部进入,两侧溢出,最终从顶部流出的环向气体流通通道,可以直接 测试岩样1的环向气体渗透系数。
[0034] 图2为用于测试岩样1的轴向气体渗透系数的测试装置,岩样1置于环向加压装 置2内,环向加压装置对岩样施加环向压力,岩样1上下两端设有轴向加压装置3,为岩样施 加轴向压力。在岩样上、下两端与轴向加压装置3之间设有加压盘,在轴向渗透系数测试装 置中加压盘采用通气压盘15,通气压盘15有
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