深部高应力高渗环境模拟实验系统及其实验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种深部高应力高渗环境模拟实验系统及其实验方法，实验系统包括围压系统、岩石试样夹持机构、轴压系统、渗透压系统、岩石试样体积变化测试系统和声速实时测试系统；围压系统、轴压系统和渗透压系统上均安装有稳压机构，岩石试样夹持机构大部分安装于围压系统的围压缸中，小部分位于轴压系统的轴压缸中；渗透压系统分为两部分，在岩石试样上端和下端均设置有。本方案采用稳压机构进行荷载施加，能克服长时测试过程中的荷载波动问题，使得测试结果更加精确；本方案还提供了一种模拟深部高应力高渗环境条件下的岩石浸水试验及三轴流变测试方法，该方法能够还原深部赋存特征，从而更真实地揭示深部岩体的长时力学行为与渗透特性。

Simulation experiment system and method of deep high stress and high permeability environment

【技术实现步骤摘要】
深部高应力高渗环境模拟实验系统及其实验方法
本专利技术涉及岩土工程
，具体涉及一种深部高应力高渗环境模拟实验系统及其实验方法。
技术介绍
为满足人类生存发展需要和探索地球内部未知奥秘，深地空间资源开发与利用已成为人类活动的未来趋势，也是人类可持续发展的主要途径。同时，世界经济迅速发展需要消耗巨量资源，使得地球浅部资源逐渐枯竭，油气、地热、煤矿、金属矿等资源开采不断走向地球深部，深部资源开采将在未来成为常态。因此，向地球深部进军已成为人类未来发展所必须解决的战略科技问题。然而，深部岩体工程实践常面临高应力、高渗透压的复杂赋存环境条件，在高压水体作用下岩体发生水软化的概率持续增高，导致岩体产生显著的性状改变，使得岩体的微细观结构及宏观力学性质发生明显变化，从而难以准确描述岩体的长时力学行为与渗透特性，严重影响深部洞室围岩的长期安全稳定运营。目前，人们对深部岩体在高应力高渗透压作用下的长时力学行为和渗透特性鲜有研究，所积累的知识和经验都很少，一个重要原因是现有实验装置难以真实还原深部原位赋存特征。此外，高应力高渗透压的长时稳定控制也是一个关键难点问题。现有MTS三轴实验机主要靠电力驱动压力泵，向缸内注入油液实时动态调节加压控制加载力。在长期测试过程中，实验室在用电高峰期易出现电压不稳定的情况，影响压力泵的功率从而影响其注入油液的量，致使围压缸、轴压缸及渗压通道内的油液压力产生波动，即围压、轴压和渗透压不能保持稳定，导致实验结果不准确。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的深部高应力高渗环境模拟实验系统及其实验方法能够长时稳定模拟深部高应力高渗透压环境的原位实验。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：第一方面，提供一种深部高应力高渗环境模拟实验系统，其包括：围压系统，其包括下端为开端的围压缸，围压缸的顶部密封连接有两根与其连通的围压管道，其中一根围压管道通过围压泵与围压油箱连通，并在该围压管道上安装围压压力表和控制阀门；另一根围压管道的末端安装有稳压机构；岩石试样夹持机构，其包括下夹持座和固定于油压缸内顶部的上夹持座，下夹持座的上端直径大于下端直径；上夹持座和下夹持座轴向开设有贯穿其的进水孔；轴压系统，其包括轴压缸，轴压缸的顶部密封连接有两根与其连通的轴压管道，其中一根轴压管道通过轴压泵与轴压油箱连通，并在该轴压管道上安装有轴压压力表和控制阀门；另一个轴压管道的末端安装有稳压机构；渗透压系统，其包括分别穿入围压缸和轴压缸、与对应进水孔密封连接的渗压管道，两根渗压管道的一端均通过渗压泵与渗压水箱连通，并在渗压管道上安装渗压压力表和控制阀门；两根渗压管道的另一端的末端安装有稳压机构；轴压缸的顶端开设有供下夹持座的下端进入的安装孔，下夹持座的下端活动且密封安装于安装孔中，围压缸安装在轴压缸顶端，两者密封连接；所有的泵、控制阀门及压力表均与处理器连接。第二方面，提供一种深部高应力高渗环境模拟实验系统测试不同深度岩石浸水的方法，其包括：获取岩石试样模拟的赋存深度对应的第一设定轴向预紧力、第一预设渗透压和第一预设围压；之后采用热缩膜紧密包裹岩石试样的圆柱面，并放置于下夹持座上；通过轴压系统的施力部施加第一设定轴向预紧力，打开轴压泵向轴压缸内加入油液，当轴压压力表的压力等于第一设定轴向预紧力时，关闭轴压泵；通过围压系统的施力部施加第一预设围压，打开围压泵向围压缸内加入油液，当围压压力表的压力等于第一预设围压时，关闭围压泵；采用渗透压系统的两个施力部分别施加第一预设压力和第二预设压力，打开两个渗压泵向渗压管道和进水孔输水，当两个渗压压力表的压力均等于其对应的施力部施加的压力时，关闭两个渗压泵；当浸水时间未达到目标实验天数时，若轴压压力表、围压压力表或渗压压力表的数值波动不等于设定阈值时，开启轴压泵、围压泵或渗压泵补充液体，直至轴压压力表、围压压力表或渗压压力表的值恢复原压力；当浸水时间达到目标实验天数时，打开轴压系统、围压系统和渗透压系统的控制阀门，启动轴压泵、围压泵和渗压泵抽回液体，取出岩石试样。第三方面，提供一种深部高应力高渗环境模拟实验系统测试深部高应力高渗环境三轴流变的方法，其包括：S1、将浸水实验得到的岩石试样放置于下夹持座上，通过轴压系统的施力部施加第二设定轴向预紧力，打开轴压泵向轴压缸内加入油液，当轴压压力表的压力等于第二设定轴向预紧力时，关闭轴压泵；S2、将轴向位移传感器和环向位移传感器安装到岩石试样上，环向位移传感器需与岩石试样底面保持水平，轴向位移传感器需与岩石试样轴线平行，并调整轴向位移和环向位移测量系统至初始值；S3、通过围压系统的施力部施加第二预设围压，打开围压泵向围压缸内加入油液，当围压压力表的压力等于第二预设围压时，关闭围压泵；S4、采用渗透压系统的两个施力部分别施加第三预设压力和第四预设压力，打开两个渗压泵向渗压管道和进水孔输水，当两个渗压压力表的压力均等于其对应的施力部施加的压力时，关闭两个渗压泵；S5、当轴压压力表、围压压力表或渗压压力表的数值稳定后，启动声速实时测试系统，测岩石试样在长时蠕变过程中的动态声速信息；S6、通过轴压系统的施力部施加预设轴压，打开轴压泵向轴压缸内加入油液，直至轴向位移传感器和环向位移传感器采集的数据稳定；S7、观察岩石试样是否发生破坏，若未破坏，令预设轴压＝预设轴压+设定轴向荷载，返回步骤S6，否则进入步骤S8；S8、打开轴压系统、围压系统和渗透压系统的控制阀门，启动轴压泵、围压泵和渗压泵抽回液体，取出岩石试样，观察岩石试样的破坏形态。本专利技术的有益效果为：本方案采用稳压机构进行荷载施加，在三种类型压力表的压力达到施加的荷载时，就可以关闭控制阀门和对应的泵，这样在长时间试验时，不需要一直启动用电设备，所以即便外界电压波动也不会影响本系统实验的正常进行。本系统在长时测试过程中通过克服荷载波动问题，使得测试结果更加精确；渗透压施加分为上下两部分，将上下两部分所施加的压力差作为渗透压，这样不仅可实现正向渗透实验，还可开展逆向渗透实验。此外，还可使岩石试样所受渗透压力更均匀，更全面。本方案提供的实验系统相对现有的MTS三轴实验机而言，具有结构简单，成本低、便于实现小型化等优点。本方案加入声速实时测试系统后，能第一时间反映岩石试样的损伤劣化情况，并为后续分析提供有力支持；本方案的系统在模拟高应力高渗压(即高围压高渗压)环境时，轴压系统仅作为给下夹持座提供向上的力以加紧岩石试样，并不提供轴向压力，通过该种环境的模拟，可以研究岩石试样在此环境下的劣化机制。本方案采用提供的系统对岩石试样进行浸水实验后，再进行三轴流变实验，能够还原深部特征，从而使实验得到的数据更加接近真实值。附图说明图1为深部高应力高渗环境模拟实验系统的结构示意图。图2为岩石试样放置在围压缸内，并装上岩石试样体积变化测试系统和声速实时测试系统的示意图。...

【技术保护点】
1.深部高应力高渗环境模拟实验系统，其特征在于，包括：/n围压系统，其包括下端为开端的围压缸，围压缸的顶部密封连接有两根与其连通的围压管道，其中一根围压管道通过围压泵与围压油箱连通，并在该围压管道上安装有围压压力表和控制阀门；另一根围压管道的末端安装有稳压机构；/n岩石试样夹持机构，其包括下夹持座和固定于油压缸内顶部的上夹持座，所述下夹持座的上端直径大于下端直径；上夹持座和下夹持座轴向开设有贯穿其的进水孔；/n轴压系统，其包括轴压缸，所述轴压缸的顶部密封连接有两根与其连通的轴压管道，其中一根轴压管道通过轴压泵与轴压油箱连通，并在该轴压管道上安装有轴压压力表和控制阀门；另一个轴压管道的末端安装有稳压机构；/n渗透压系统，其包括分别穿入围压缸和轴压缸、与对应进水孔密封连接的渗压管道，两根渗压管道的一端均通过渗压泵与渗压水箱连通，并在渗压管道上安装渗压压力表和控制阀门；两根渗压管道的另一端的末端安装有稳压机构；/n所述轴压缸的顶端开设有供下夹持座的下端进入的安装孔，所述下夹持座的下端活动且密封安装于所述安装孔中，所述围压缸安装在所述轴压缸顶端，两者密封连接；所有的泵、控制阀门及压力表均与处理器连接。/n...

【技术特征摘要】
1.深部高应力高渗环境模拟实验系统，其特征在于，包括：
围压系统，其包括下端为开端的围压缸，围压缸的顶部密封连接有两根与其连通的围压管道，其中一根围压管道通过围压泵与围压油箱连通，并在该围压管道上安装有围压压力表和控制阀门；另一根围压管道的末端安装有稳压机构；
岩石试样夹持机构，其包括下夹持座和固定于油压缸内顶部的上夹持座，所述下夹持座的上端直径大于下端直径；上夹持座和下夹持座轴向开设有贯穿其的进水孔；
轴压系统，其包括轴压缸，所述轴压缸的顶部密封连接有两根与其连通的轴压管道，其中一根轴压管道通过轴压泵与轴压油箱连通，并在该轴压管道上安装有轴压压力表和控制阀门；另一个轴压管道的末端安装有稳压机构；
渗透压系统，其包括分别穿入围压缸和轴压缸、与对应进水孔密封连接的渗压管道，两根渗压管道的一端均通过渗压泵与渗压水箱连通，并在渗压管道上安装渗压压力表和控制阀门；两根渗压管道的另一端的末端安装有稳压机构；
所述轴压缸的顶端开设有供下夹持座的下端进入的安装孔，所述下夹持座的下端活动且密封安装于所述安装孔中，所述围压缸安装在所述轴压缸顶端，两者密封连接；所有的泵、控制阀门及压力表均与处理器连接。


2.根据权利要求1所述的深部高应力高渗环境模拟实验系统，其特征在于，还包括岩石试样体积变化测试系统，其包括用于采集岩石试样径向位移的环向位移传感器和用于采集岩石试样轴向位移的轴向位移传感器，所述环向位移传感器和轴向位移传感器均与处理器连接。


3.根据权利要求1所述的深部高应力高渗环境模拟实验系统，其特征在于，还包括声速实时测试系统，其包括分别安装于岩石试样两端的超声信号发射器和超声信号接收器；超声信号接收器通过数字荧光示波器分别与数据采集器和脉冲接收控制器连接，脉冲接收控制器与超声信号发射器和数据采集器连接；所述脉冲接收控制器和数据采集器均与处理器连接。


4.根据权利要求3所述的深部高应力高渗环境模拟实验系统，其特征在于，所述超声信号发射器和超声信号接收器外表面涂有防锈层。


5.根据权利要求1所述的深部高应力高渗环境模拟实验系统，其特征在于，所述稳压机构包括放置在管道上的压杆及放置在管道内、在管道液体压力作用下给压杆施加向上的力的活塞；所述压杆一端铰接在底座上，另一端设有施力部。


6.根据权利要求5所述的深部高应力高渗环境模拟实验系统，其特征在于，所述施力部为砝码。


7.根据权利要求1-5任一所述的深部高应力高渗环境模拟实验系统，其特征在于，所述围压缸的下端外表面设置有法兰盘，轴压缸的顶端开设有包围安装孔的安装槽；围压缸下端安装在安装槽内，并通过多根穿过法兰盘的螺纹连接件固定在轴压缸的顶部。


8.一种采用权利要求1-7任一所述的深部高应力高渗环境模拟实验系统测试不同深度岩石浸水的方法，其特征在于，包括：
获取岩石试样模拟的赋存深度对...

【专利技术属性】
技术研发人员：任利，李小鹏，张茹，张泽天，谢晶，张朝鹏，刘洋，艾婷，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51