一种单裂隙微米级隙宽测量结构及其安装方法、测量方法技术

本发明专利技术公开了一种单裂隙微米级隙宽测量结构及其安装方法、测量方法，该测量方法包括如下步骤：先测量连接部底部与岩石试样之间的胶套层因受力的变形量：然后测量岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量：最后注水孔外接高精度恒流恒压泵，用恒流模式将围压腔注满水并排尽空气，关闭出水孔，用恒压模式加载一定围压，并记录该位移杆测出的位移，继而可以得到，在某种围压条件下的裂隙隙宽变化量。该测量结构精度高，可靠性强，测量准确，该测量结构的安装方法的安装精度高，有助于提高测量精度；该测量方法可以精确测量出标定后的某种围压条件下的裂隙隙宽变化量。

A Measuring Structure of Micron Fracture Width for Single Fracture and Its Installation Method and Measuring Method

【技术实现步骤摘要】
一种单裂隙微米级隙宽测量结构及其安装方法、测量方法
本专利技术涉及裂隙介质水动力学领域，尤其涉及一种单裂隙微米级隙宽测量结构及其安装方法、测量方法。
技术介绍
裂隙介质水动力学主要研究地下水在裂隙介质中运动规律，究其实质最终可以归结为三个方面的问题：其一是介质，其二是水，其三是水与介质的相互关系，而介质研究的核心是其透水性，苏联学者早在1951年就通过平行板裂隙渗流试验证明了立方定律的成立，表明裂隙过流流量和隙宽的三次方成正比，如下式，可见，隙宽的微小变化会导致裂隙透水性能的改变，学者为了方便研究，通过试验测得某种水力工况下的流量Q和压力降反算得到裂隙隙宽b，此时的隙宽称为水力隙宽，这种方法极大方便了裂隙渗流规律的研究，但后来越来越多工程现场及实验室试验表明，裂隙表面的几何特征复杂导致立方定律并不完全成立，并且流量Q和压力降逐渐偏离了线性关系，这样导致“以末求本”的方法不再合适，所以在试验过程中实时测量裂隙机械隙宽的变化成为该领域的研究难点，目前常用的一种方法是通过环向引伸计来测量，虽然精度可以达到微米级，但存在较大误差，原因为：①环向引伸计测量的是一个圆柱型试样加围压后周长的变化量，并不是裂隙隙宽在垂直平面方向的变化量，②环向引伸计放置在胶套外部，由于胶套较厚且弹性变形较大，引伸计测量值偏差较大，并无太多参考意义。为了解决单裂隙渗流过程中裂隙试样微米级隙宽的实时测量，专利技术了配套的测量结构和测量方法。
技术实现思路
本专利技术旨在解决上述现有技术存在的问题之一，本专利技术的一个目的在于提出一种单裂隙微米级隙宽测量结构，该测量结构精度高，可靠性强，测量准确。根据本专利技术第一方面的一种单裂隙微米级隙宽测量结构，包括：筒体，其内部限定出两端端敞开的筒腔，且其上设置注水孔和所述出水孔；胶套，其置于所述筒腔内，且与所述筒腔的内壁之间共同形成围压腔，所述注水孔与所述出水孔分别与所述围压腔相连通；锥度套，其分别设于所述套筒的敞开端，且所述锥度套支撑在所述胶套内并与所述筒体的两端进行密封连接，使得所述围压腔的两端密封；带有岩石裂缝的裂隙试样，其置于所述胶套内，且所述裂缝处于水平位置；测量结构，为两个，分别对称设置于所述筒体的两侧，且每个测量结构包括：焊接接头、位移杆、盖帽组件、齿轮、角度传感器和数据采集与处理模块，其中，所述焊接接头固定连在所述筒体上，其内部限定出容纳腔，所述容纳腔与所述围压腔相连通，且所述容纳腔的中轴线与水平位置垂直设置；所述位移杆可活动地插接至所述容纳腔内，且其第一连接端与所述胶套相连接，其第二连接端伸出所述筒体并形成有齿条；所述盖帽组件连接在所述焊接接头上以密封所述容纳腔，且所述位移杆适于穿过所述盖帽组件；所述齿轮与所述齿条相配合；所述角度传感器用于采集所述齿轮所转动的角度信号；所述数据采集与处理模块与所述角度传感器电连接，用于接收所述角度信号，并将所述角度信号转化成位移信号。在该技术方案中，由注入孔相围压腔内注入介质，介质逐渐充满围压腔，当围压腔内的空气完全排除后，封堵出水孔并继续向围压腔内注入恒压介质；胶套在介质作用下发生向其中心轴线方向运动趋势的变形，从而在裂隙试样的周围产生稳定的围压，挤压裂隙试样的裂缝使裂隙试样发生收缩变形，从而带动与胶套相连的位移杆向下移动，位移杆第二连接端的齿条同步向下运动，带动与之相啮合的齿轮转动，由角度传感器测量齿轮所转动的角度信号，并由与之相连接的数据采集与处理模块接收角度信号并将其转化成位移信号，得到位移杆的位移量；该测量结构通过稳定的机械结构将直线运动转化成角位移，并将角度位移经过放大处理得到准确直线位移量，而且该结构精度高，可靠性强，测量准确。另外，根据本专利技术的单裂隙微米级隙宽测量结构，还可以具有如下技术特征：进一步地，所述盖帽组件包括：上接头，所述上接头设于所述焊接接头的上端，且其内部限定出上下贯通的第一连通腔；接管压帽，所述接管压帽连接于所述上接头的上端，且其内部限定出上下贯通的第二连通腔，所述第一连通腔、所述第二连通腔和所述筒腔同轴设置，所述位移杆由下至上依次贯穿所述第一连通腔和所述第二连通腔；和外压帽，其套设于所述上接头上，且与所述焊接接头相连接以将所述上接头固定在所述焊接头上。进一步地，所述位移杆与所述第一连通腔之间设置密封组件。优选地，所述密封组件包括由下至上依次布置的聚酰亚胺垫圈、四氟垫圈和聚酰亚胺垫圈。优选地，所述胶套包括橡胶部分的胶套本体和金属部分的连接部，所述位移杆与所述连接部之间通过螺纹连接。优选地，所述胶套通过嵌件注塑成型。优选地，还包括定位销，所述橡胶本体上设有第一定位孔，所述裂隙试样上设有与所述第一定位孔相对应的第二定位孔，所述定位销依次穿过所述第一定位孔和所述第二定位孔，且所述第一定位孔，所述第二定位孔均与水平设置的裂缝垂直设置。优选地，还包括滚链式环向引申计，其套设于所述胶套上，且至少套设在与所述裂隙试样相对重合的位置。本专利技术的第二个目的在于提出一种具有上述单裂隙微米级隙宽测量结构的安装方法。根据本专利技术第二方面的一种单裂隙微米级隙宽测量结构的安装方法，包括如下步骤：S1：取裂隙试样，在裂隙试样中间位置安装300um厚度的紫铜片，将两部分岩心试样重新拼合在一起，并使用高温结构胶将两侧裂缝封堵，待胶体凝固后将其磨平，并使用水平仪检查裂隙试样两端的裂缝是否能保持水平，若能，则进行下一步骤，否则重新取样；S2：将胶套套设在裂隙试样的外周壁，将滚链式环向引申计套设在胶套与裂隙试样重合的部分上，且裂隙试样的裂缝与胶套的连接部的中轴线相垂直；S3：通过定位销将裂隙试样和胶套进行固定，使得裂隙试样与胶套相对位置固定；S4：在筒体敞开端的其中一端先安装一个锥度套，将上述步骤S3中固定胶套和滚链式环向引申计的裂隙试样由另一敞开端安装在筒体的筒腔内，且胶套的一端套设在锥度套上，并使得胶套上的连接部正对所述焊接接头的容纳腔，然后在另一敞开端安装另一个锥度套，且胶套的另一端套设在该锥度套上，以使围压腔两侧在锥度套的作用下被密封；S5：在焊接接头上安装第二密封圈，将上接头设于焊接接头上，并使用外压帽将上接头与焊接接头进行连接，将位移杆沿着上接头、焊接接头插入围压腔内，使其第一连接端与胶套的连接部进行螺纹连接，沿着其第二连接端套设密封组件并安装在上接头内，然后将接管压帽套设在位移杆上且与上接头进行螺纹连接；S6：安装齿轮，使得齿轮与位移杆上端的齿条相啮合，并安装角度传感器使其能够精确检测齿轮中心轴线转动的角度，最后将角度传感器与数据采集与处理模块进行电连接。本专利技术的第三个目的在于提出一种具有上述单裂隙微米级隙宽测量结构的测量方法。根据本专利技术第三方面的一种单裂隙微米级隙宽测量结构的测量方法，包括如下步骤：S10：测量连接部(21)底部与岩石试样之间的胶套(2)层因受力的变形量l3：用刚体假岩心(特征为无裂隙无孔隙变形为零)替换裂隙试样(4)试验，记录位移杆(52)数据，得到不同围压工况下的连接部(21)与岩心之间胶套(2)层变形量和l3为：l3＝l3上+l3下其中，l3上为上面测量结构测量的不同围压工况下的连接部(21)与岩心之间胶套(2)层变形量；l3下为下面测量结构测量不同围压工况下的连接部(21)与岩心之间胶套(2)层变形量；S20：测量岩石孔隙压缩导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单裂隙微米级隙宽测量结构，其特征在于，包括：筒体(1)，其内部限定出两端敞开的筒腔，且其上设置注水孔(11)和所述出水孔(12)；胶套(2)，其置于所述筒腔内，且与所述筒腔的内壁之间共同形成围压腔(A)，所述注水孔(11)与所述出水孔(12)分别与所述围压腔(A)相连通；锥度套(3)，其分别设于所述套筒的敞开端，且所述锥度套(3)支撑在所述胶套(2)内并与所述筒体(1)的两端进行密封连接，使得所述围压腔(A)的两端密封；带有岩石裂缝(41)的裂隙试样(4)，其置于所述胶套(2)内，且所述裂缝(41)处于水平位置；测量结构(5)，为两个，分别对称设置于所述筒体(1)的两侧，使得其分别与所述裂隙(41)相垂直；且每个测量结构(5)包括：焊接接头(51)、位移杆(52)、盖帽组件(53)、齿轮(54)、角度传感器(55)和数据采集与处理模块(56)，其中，所述焊接接头(51)固定连在所述筒体(1)上，其内部限定出容纳腔(511)，所述容纳腔(511)与所述围压腔(A)相连通，且所述容纳腔(511)的中轴线与水平位置垂直设置；所述位移杆(52)可活动地插接至所述容纳腔(511)内，且其第一连接端(521)与所述胶套(2)相连接，其第二连接端(522)伸出所述筒体(1)并形成有齿条(5221)；所述盖帽组件(53)连接在所述焊接接头(51)上以密封所述容纳腔(511)，且所述位移杆(52)适于穿过所述盖帽组件(53)；所述齿轮(54)与所述齿条(5221)相啮合；所述角度传感器(55)用于采集所述齿轮(54)所转动的角度信号；所述数据采集与处理模块(56)与所述角度传感器(55)电连接，用于接收所述角度信号，并将所述角度信号转化成位移信号。...

【技术特征摘要】
1.一种单裂隙微米级隙宽测量结构，其特征在于，包括：筒体(1)，其内部限定出两端敞开的筒腔，且其上设置注水孔(11)和所述出水孔(12)；胶套(2)，其置于所述筒腔内，且与所述筒腔的内壁之间共同形成围压腔(A)，所述注水孔(11)与所述出水孔(12)分别与所述围压腔(A)相连通；锥度套(3)，其分别设于所述套筒的敞开端，且所述锥度套(3)支撑在所述胶套(2)内并与所述筒体(1)的两端进行密封连接，使得所述围压腔(A)的两端密封；带有岩石裂缝(41)的裂隙试样(4)，其置于所述胶套(2)内，且所述裂缝(41)处于水平位置；测量结构(5)，为两个，分别对称设置于所述筒体(1)的两侧，使得其分别与所述裂隙(41)相垂直；且每个测量结构(5)包括：焊接接头(51)、位移杆(52)、盖帽组件(53)、齿轮(54)、角度传感器(55)和数据采集与处理模块(56)，其中，所述焊接接头(51)固定连在所述筒体(1)上，其内部限定出容纳腔(511)，所述容纳腔(511)与所述围压腔(A)相连通，且所述容纳腔(511)的中轴线与水平位置垂直设置；所述位移杆(52)可活动地插接至所述容纳腔(511)内，且其第一连接端(521)与所述胶套(2)相连接，其第二连接端(522)伸出所述筒体(1)并形成有齿条(5221)；所述盖帽组件(53)连接在所述焊接接头(51)上以密封所述容纳腔(511)，且所述位移杆(52)适于穿过所述盖帽组件(53)；所述齿轮(54)与所述齿条(5221)相啮合；所述角度传感器(55)用于采集所述齿轮(54)所转动的角度信号；所述数据采集与处理模块(56)与所述角度传感器(55)电连接，用于接收所述角度信号，并将所述角度信号转化成位移信号。2.根据权利要求1所述的单裂隙微米级隙宽测量结构，其特征在于，所述盖帽组件(53)包括：上接头(531)，所述上接头(531)设于所述焊接接头(51)的上端，且其内部限定出上下贯通的第一连通腔(5311)；接管压帽(532)，所述接管压帽(532)连接于所述上接头(531)的上端，且其内部限定出上下贯通的第二连通腔(5321)，所述第一连通腔(5311)、所述第二连通腔(5321)和所述筒腔同轴设置，所述位移杆(52)由下至上依次贯穿所述第一连通腔(5311)和所述第二连通腔(5321)；外压帽(533)，其套设于所述上接头(531)上，且与所述焊接接头(51)相连接以将所述上接头(531)固定在所述焊接头上。3.根据权利要求2所述的单裂隙微米级隙宽测量结构，其特征在于，所述位移杆(52)与所述第一连通腔(5311)之间设置密封组件(57)。4.根据权利要求3所述的单裂隙微米级隙宽测量结构，其特征在于，所述密封组件(57)包括由下至上依次套设布置的聚酰亚胺垫圈(571)、四氟垫圈(572)和聚酰亚胺垫圈(571)。5.根据权利要求1所述的单裂隙微米级隙宽测量结构，其特征在于，所述胶套(2)包括橡胶部分的胶套(2)本体和金属部分的连接部(21)，所述位移杆(52)与所述连接部(21)之间通过螺纹连接。6.根据权利要求5所述的单裂隙微米级隙宽测量结构，其特征在于，所述胶套(2)通过嵌件注塑成型。7.根据权利要求5所述的单裂隙微米级隙宽测量结构，其特征在于，还包括定位销(22)，所述橡胶本体上设有第一定位孔，所述裂隙试样(4)上设有与所述第一定位孔相对应的第二定位孔，所述定位销(22)依次穿过所述第一定位孔和所述第二定位孔，且所述第一定位孔，所述第二定位孔均与水平设置的裂缝(41)垂直设置。8.根据权利要求1所述的单裂隙微米级隙宽测量结构，其特征在于，还包括滚链式环向引申计(6)，其套设于所述胶套(2)上，且至少套设在与所述裂隙试样(4)相对重合的位置。9.一种单裂隙微米级隙宽测量结构的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：取裂隙试样(4)，在裂隙试样(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：万志军，王骏辉，程敬义，张源，熊路长，刘泗斐，张洪伟，顾斌，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32