各向异性岩石损伤程度测试装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种各向异性岩石损伤程度测试装置。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] 本实用新型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，以直接量测损伤岩石不同方向的气体 渗透性。
[0005] 本实用新型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、加压栗、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，所述加压栗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] 本实用新型的有益效果是：本实用新型结构简单、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。本实用新型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】
[0010] 图1为实施例中测试环向气体渗透系数的装置示意图。
[0011] 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】
[0012]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、加压栗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。
[0013] 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。加压栗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。
[0014] 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有利于受力的传递和气体的流动。本实施例中在 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 置硅胶密封层14(由硅胶充填形成），防止气体从侧面溢出；在岩样1的中间钻孔101内充 填硅胶。该装置中加压栗4连接进气管5,进气管的出气口连通岩样下端的通气压盘15,岩 样上端的通气压盘15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。通气压盘15和硅胶密封层14形成一个从岩样底部进入、岩样顶部流出的轴向气体流通 通道，可以直接测试岩样1的轴向气体渗透系数。
[0015]本实施例的测试方法如下：
[0016] 1、取芯：在开挖损伤区中取出岩芯，岩芯尺寸要大于100X50mm，建议尺寸为 200X100mm，以方便后期的加工。取芯钻孔方向最好与结构面保持垂直，以降低结构面 对岩石物理力学特性的影响。将取出的200XIOOmm岩芯在中间进行钻孔，钻孔尺寸为 100X50mm，作为岩样I;
[0017] 2、环向气体渗透系数测试：
[0018] 2. 1、将岩样1装入环向气体渗透系数的测试装置；
[0019] 2. 2、轴向加压装置3和环向加压装置2对岩样1加压至设定值；
[0020] 2. 3、打开加压栗4往岩样1的中间钻孔101内注入氮气；
[0021] 2. 3、实时记录压力表9和量管7读数；
[0022] 3、轴向气体渗透系数测试：
[0023] 3. 1、往岩样中间钻孔101内充填硅胶；
[0024] 3. 2、将岩样1装入轴向气体渗透系数的测试装置；
[0025] 3. 3、轴向加压装置3和环向加压装置2对岩样加压至设定值；
[0026] 3. 4、打开加压栗4往岩样的中间钻孔内注入氮气；
[0027] 3. 5、实时记录压力表9和量管7读数；
[0028] 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：
[0030] 式中，K为渗透系数（m2)，Q为气体流速（m3/s)(由步骤2、3记录的数据计算得到）， 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)，P。为大气压力 (Pa)，P为注入气体压力（Pa)。
[0031] 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。
[0032] 本实施例中注入的氮气压力为0? 2MPa，加载环向压力为2~30MPa，轴向压力压不 超过单轴抗压强度的60%，一次测试时间为3~4天。
【主权项】
1. 一种各向异性岩石损伤程度测试装置，用于测试岩样（1)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（3)和环向加压装置 (2)，岩样中间具有中间钻孔（101)，其特征在于：该装置还具有加压盘、密闭套筒（13)、加 压栗（4)、进、出气管（5、6)、储水容器（8)、压力表（9)和量管（7)，所述岩样（1)上套有与 岩样同轴的密闭套筒（13)，岩样的上下两端与轴向加压装置之间垫有加压盘，所述加压栗 (4)经进气管（5)接于岩样下端，岩样上端依次经出气管（6)和量管（7)接至储水容器（8) 内，出气管上接有压力表（9); 测试环向气体渗透系数时，所述加压盘为密封盘（10)，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（11)，密闭套筒与岩样之间填充侧面孔隙介质层（12)，且 侧面孔隙介质层顶部（12)与顶部孔隙介质层（11)连成一体；所述进气管（5)的出气口穿 过岩样下端的密封盘（10)连通岩样的中间钻孔，所述出气管（6)进气口连通顶部孔隙介质 层（11); 测试轴向气体渗透系数时，所述加压盘为通气压盘（15)，密闭套筒与岩样之间填充硅 胶密封层（14)，所述岩样的中间钻孔（101)内充填硅胶；所述进气管（5)的出气口连通岩 样下端的通气压盘（15)，所述出气管（6)进气口连通上端的通气压盘（15)。2. 根据权利要求1所述的各向异性岩石损伤程度测试装置，其特征在于：所述顶部孔 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。
【专利摘要】本实用新型涉及一种各向异性岩石损伤程度测试装置。本实用新型的目的是提供一种结构简单、操作方便、成本较低的各向异性岩石损伤程度测试装置，以直接量测损伤岩石不同方向的气体渗透性。本实用新型的技术方案是：该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，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，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，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。本实用新型适用于地下工程领域。
【IPC分类】G01N15/08, G01N7/10
【公开号】CN204789257
【申请号】CN201520402801
【发明人】刘宁, 倪绍虎, 房敦敏, 吴关叶, 朱红波, 周晓明, 王恒乐
【申请人】中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年6月11日