一种岩土体材料气体突破/渗透特性双模块控制测试系统技术方案

一种岩土体材料气体突破/渗透特性双模块控制测试系统，包括气源、增压泵、高压致裂/突破测试模块①、低压渗透测试模块②和质谱仪，高压致裂/突破测试模块①包括依次连接的阀门A、第一钢瓶、上排气管路、阀门C、测试表M1、阀门E、第一压力室、测试表M3和上末端排气口，低气压模拟支路包括依次连接的调压阀、阀门B、第二钢瓶、下排气管路、阀门D、测试表M2、阀门F、第二压力室和下末端排气口，M1、M2和M3都内置压力及温度模块并分别连接第一电脑和第二电脑，气源连接一个增压泵之后分流为测试模块①、测试模块②两路再最终连接至质谱仪。本发明专利技术能准确测试出在该条件下岩土体材料的气体突破特性或气体渗透特性以及岩土体材料对不同流体的阻隔/吸附特性。

A Double Module Control and Testing System for Gas Breakthrough/Permeability Characteristics of Geotechnical Materials

A dual-module control test system for gas breakthrough/permeability characteristics of geotechnical materials includes gas source, booster pump, high pressure cracking/breakthrough test module, low pressure permeability test module and mass spectrometer. High pressure cracking/breakthrough test module includes valve A, first cylinder, upper exhaust pipeline, valve C, test table M1, valve E, first pressure chamber, test table M3 and upper in turn. The low pressure analog branch includes the pressure regulating valve, valve B, second cylinder, lower exhaust pipe, valve D, test table M2, valve F, second pressure chamber and lower end exhaust port connected in turn. M1, M2 and M3 all have built-in pressure and temperature modules and are connected to the first computer and the second computer separately. After the gas source is connected to a booster pump, it is divided into test module and test module. (2) Two routes are finally connected to the mass spectrometer. The invention can accurately test the gas breakthrough characteristics or gas permeability characteristics of geotechnical materials under the conditions and the barrier/adsorption characteristics of geotechnical materials to different fluids.

【技术实现步骤摘要】
一种岩土体材料气体突破/渗透特性双模块控制测试系统
本专利技术涉及一种岩土体的气体渗透试验装置，尤其是一种岩土体材料气体突破/渗透特性双模块控制测试系统。
技术介绍
在岩土工程、页岩气开采、核废料深埋地质存储及二氧化碳地质封存等领域，存在流体运移问题。以核废料处理为例(但不仅限于此方面)，在长期演化过程中，储存库会产生大量的气体，因此，如何评价及测试缓冲材料(如膨润土)与围岩的气密性是一个非常重要的问题。目前常用的研究方法是在实际工程现场取得岩土体样本，在实验室模拟现场实际的条件和环境，然后获取相关的气体渗透/突破实验数据，来指导工程实践。这里有两个不同的概念要介绍一下：(1)高气压致裂/突破；(2)低气压缓慢渗透。同样还是以核废料深埋地质存储为例，随着时间的演化，在处置库内由于复杂的物理化学反应气体将会逐渐产生，主要为处置罐腐蚀产生的氢气、甲烷等。随着气体的不断产生，处置库内的气压将逐渐升高，积聚的气体将会通过缓冲材料向外界逃逸，而且积聚的气压将对整个处置库的稳定性和安全性产生较大的影响。在膨润土吸水和气体通过膨润土向外迁移的过程中，对于这种岩土体材料的气体渗透特性是评价其气密性的重要指标，关系到整个高放核废料处置库的密封性和安全性。气体一开始产生时，气压较低，这时属于低气压缓慢渗透问题。气体通过岩土体材料内部的微米级孔隙缓慢扩散和渗透，通过测定该岩土体材料的气体渗透率即可指导工程实践。随着内部气压越来越高，这时高气压对岩土体材料内部的孔隙结构产生破坏，甚至出现微裂纹扩展。到达某一气压值时，岩土体材料会形成贯穿的气流通道，造成岩体的致裂，气体突破该岩土体材料，快速逃逸而出。并且不同的岩土体材料对不同的气体阻隔能力不同，有些岩土体材料对气体有吸附能力，比如煤体能吸附大量甲烷，这是不能忽略的一点。有些岩土体材料在地下水的影响下，其力学性质和内部孔隙结构会发生显著地改变，比如用于核废料处置的缓冲屏障材料膨润土，能够吸收大量的地下水，并且吸水后会膨胀，显著地提高了材料的气密性。以上例子显示了不同的岩土体材料在不同气压，不同环境因素下，各不相同且复杂的气体渗透特性，需要根据实际情况进行实验测试。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述不足，本专利技术提供一种岩土体材料气体突破/渗透特性双模块控制测试系统，能有效的模拟各种地质条件下的环境和力学情况，准确测试出在该条件下岩土体材料的气体突破特性或气体渗透特性，用以来指导工程实践。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：包括气源、增压泵、高压致裂/突破测试模块①、低压渗透测试模块②和质谱仪，所述的高压致裂/突破测试模块①包括依次连接的阀门A、第一钢瓶、上排气管路、阀门C、测试表M1、阀门E、第一压力室、测试表M3和上末端排气口，低气压模拟支路包括依次连接的调压阀、阀门B、第二钢瓶、下排气管路、阀门D、测试表M2、阀门F、第二压力室和下末端排气口，测试表M1、测试表M2和测试表M3都内置测试流体压力及温度变化的压力及温度模块，测试表M1和测试表M3分别连接第一电脑，测试表M2连接第二电脑，气源通过高压管连接一个增压泵，连接增压泵之后的高压管分流为两路，上路为高压致裂/突破测试模块①，下路为低压渗透测试模块②，第一压力室和第二压力室共同连接至质谱仪。相比现有技术，本专利技术的一种岩土体材料气体突破/渗透特性双模块控制测试系统，主要拥有上下两个测试模块：上路的高压致裂/突破测试模块①用于测试岩土体材料高气压下致裂/突破特性，下路的低压渗透测试模块②用于测试岩土体材料低气压下缓慢渗透特性，最终能够准确测试得到各种岩土体材料在高气压下的致裂/突破压力和低气压下的岩土体材料有效渗透率，且能够判断出岩土体材料对不同流体的吸附和阻隔能力，用于指导实际工程实践。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是本专利技术实施例的结构示意图。图2是本专利技术实施例中第一压力室/第二压力室的结构示意图。图3(a)和图3(b)分别是本专利技术实施例中第一压力室出口端测量表M3记录的压力变化情况，以及当入口端的压力到达10MPa时，出口端压力的变化情况。图4是本专利技术实施例中根据第二压力室入口端的测量表M2记录的流体压力及温度的变化情况，所得到的气压及温度随时间的变化曲线。图5是本专利技术实施例气体渗透率随时间的变化曲线图。图中，1、阀门A，2、第一钢瓶，3、上排气管路，4、阀门E，5、第一电脑，6、阀门C，7、下排气管路，8、阀门F，9、阀门D，10、第二钢瓶，11、阀门B，12、调压阀，13、上末端排气口，14、第一压力室，15、下末端排气口，16、第二压力室，17、第二电脑，18、压力室主体，19、待测的岩土体材料，20、氟橡胶套，21、油泵。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。图1和图2示出了本专利技术一个较佳的实施例的结构示意图，图中的一种岩土体材料气体突破/渗透特性双模块控制测试系统，包括气源、增压泵、高压致裂/突破测试模块①、低压渗透测试模块②和质谱仪，所述的高压致裂/突破测试模块①包括依次连接的阀门A1、第一钢瓶2、上排气管路3、阀门C6、测试表M1、阀门E4、第一压力室14、测试表M3和上末端排气口13，低气压模拟支路包括依次连接的调压阀12、阀门B11、第二钢瓶10、下排气管路7、阀门D9、测试表M2、阀门F8、第二压力室16和下末端排气口15，测试表M1、测试表M2和测试表M3都内置测试流体压力及温度变化的压力及温度模块，测试表M1和测试表M3分别连接第一电脑5，测试表M2连接第二电脑17，气源通过高压管连接一个增压泵，连接增压泵之后的高压管分流为两路，上路为高压致裂/突破测试模块①，下路为低压渗透测试模块②，第一压力室14和第二压力室16共同连接至质谱仪。本专利技术能有效的控制气体压力，用于高低气压下不同的测试要求，操作简单，结构设计合理，造价低。所述的第一压力室14/第二压力室16包括压力室主体18，待测的岩土体材料19用氟橡胶套20包裹密闭放入压力室主体18内，压力室主体18下方连通油泵21，待测的岩土体材料19的上方与上末端排气口13或下末端排气口15相连，其下方与上排气管路3或下排气管路7连接。该系统的构造形成过程具体如下：1、首先由一个装满符合现场实际，实验需要模拟的单一气体或混合气体(以膨润土为例，就需要氢气和甲烷等混合气体)为气源，来为实验模拟注气供气；2、连接气源的高压管紧接着连接一个增压泵，该增压泵可以将气源提供的气体压力增加到高压状态(按照实验需要模拟的实际情况来确定)；3、接着增压泵连通的高压管分流为两路：(1)上路直接连接到模拟高气压致裂或突破的高压致裂或突破测试模块①中，紧接着连接着一个阀门A1和一个300ml的第一钢瓶2(钢瓶内部可承受最大气压为35MPa)，打开管路中间的阀门A1，使其内部的气压与增压泵增加到的气压平衡，300ml钢瓶内部达到高气压，关闭阀门A1，此时的高气压瓶作为模拟高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种岩土体材料气体突破/渗透特性双模块控制测试系统，其特征是：包括气源、增压泵、高压致裂/突破测试模块①、低压渗透测试模块②和质谱仪，所述的高压致裂/突破测试模块①包括依次连接的阀门A(1)、第一钢瓶(2)、上排气管路(3)、阀门C(6)、测试表M1、阀门E(4)、第一压力室(14)、测试表M3和上末端排气口(13)，低气压模拟支路包括依次连接的调压阀(12)、阀门B(11)、第二钢瓶(10)、下排气管路(7)、阀门D(9)、测试表M2、阀门F(8)、第二压力室(16)和下末端排气口(15)，测试表M1、测试表M2和测试表M3都内置测试流体压力及温度变化的压力及温度模块，测试表M1和测试表M3分别连接第一电脑(5)，测试表M2连接第二电脑(17)，气源通过高压管连接一个增压泵，连接增压泵之后的高压管分流为两路，上路为高压致裂/突破测试模块①，下路为低压渗透测试模块②，第一压力室(14)和第二压力室(16)共同连接至质谱仪。

【技术特征摘要】
1.一种岩土体材料气体突破/渗透特性双模块控制测试系统，其特征是：包括气源、增压泵、高压致裂/突破测试模块①、低压渗透测试模块②和质谱仪，所述的高压致裂/突破测试模块①包括依次连接的阀门A(1)、第一钢瓶(2)、上排气管路(3)、阀门C(6)、测试表M1、阀门E(4)、第一压力室(14)、测试表M3和上末端排气口(13)，低气压模拟支路包括依次连接的调压阀(12)、阀门B(11)、第二钢瓶(10)、下排气管路(7)、阀门D(9)、测试表M2、阀门F(8)、第二压力室(16)和下末端排气口(15)，测试表M1、测试表M2和测试表M3都内置测试流体压力及温度变化的压力及温度模块，测试表M1和测试表M3分别连接第一电脑(5)，测试表M2连接第二电脑(17)，气源通过高压管连接一个增压泵，连接增压泵之后的高压管分流为两路，上路为高压致裂/突破测试模块①，下路为低压渗透测试模块②，第一压...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘江峰，曹栩楼，黄炳香，陈树亮，倪宏阳，郭静娜，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32