测量岩石节理面剪切过程中裂隙变化的实验方法及其系统技术方案

本发明专利技术提供的测量岩石节理面剪切过程中裂隙变化的实验方法，包括步骤：S1.提供被裂隙划分为上岩块和下岩块的岩石试样，并对上岩块和下岩块分别进行三维扫描，得到上岩块和下岩块节理面处各点的高度Z；S2.将上岩块和下岩块的节理面完全贴合，施加剪切力驱使上岩块和下岩块沿节理面发生相对位移；S3.上岩块的上侧面和下岩块的下侧面中一者设置有阵列声波发射装置，上岩块的上侧面和下岩块的下侧面中另一者对应设置有阵列声波接收装置；阵列声波发射装置发出的声波被与之正对的阵列声波接收装置接收，得到纵向声波传送时间t；S4.计算获得位移后上岩块和下岩块间节理面的裂隙尺寸。本发明专利技术还提供了一种用于实现上述实验方法的实验系统。

【技术实现步骤摘要】
测量岩石节理面剪切过程中裂隙变化的实验方法及其系统
本专利技术涉及地热开采的岩石力学试验
，特别涉及一种基于地热开采的真三轴岩石渗流试验加载装置及具有其的试验系统。
技术介绍
节理是岩体受力断裂后两侧岩块没有显著位移的小型断裂构造。岩石节理面剪切特性对于众多工程(地下空间开挖、边坡设计、页岩气开采、地热开采、核废料地下存贮等)意义重大。目前大多数测试方法和测试技术主要针对测量岩石节理面的剪切强度，对于岩石节理面在剪切过程中裂隙空腔大小的测试较少。岩石节理面在剪切过程中裂隙空腔大小对地热、页岩气开采中流体的流动、溶质的运移的研究具有重要的意义。由于岩石节理面粗糙，且岩石节理面在剪切过程中伴随着粗糙度的破坏和变形，现有常规的测试手段很难准确测量上下节理面的分离程度，阻碍了对于岩石节理面剪切渗流的进一步研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种测量岩石节理面剪切过程中裂隙空腔大小的实验方法，以测量岩石节理面剪切过程中裂隙空腔大小，从而便于对于岩石节理面剪切渗流进行进一步的研究。本专利技术的另一目的是提供一种可以实现测量岩石节理面剪切过程中裂隙空腔大小的实验方法的系统。为了实现上述目的，本专利技术提供的一种测量岩石节理面剪切过程中裂隙变化的实验方法，包括步骤：S1.提供被裂隙划分为上岩块和下岩块的岩石试样，并对上岩块和下岩块分别进行三维扫描，得到上岩块和下岩块间节理面各点的高度Z；S2.将上岩块和下岩块的节理面完全贴合，施加剪切力驱使上岩块和下岩块沿节理面发生相对位移；S3.上岩块的上侧面和下岩块的下侧面中一者设置有阵列声波发射装置，上岩块的上侧面和下岩块的下侧面中另一者对应设置有阵列声波接收装置；阵列声波发射装置发出的纵向声波被与之正对的阵列声波接收装置接收，得到纵向声波传送时间t；S4.计算获得位移后上岩块和下岩块的节理面间的裂隙尺寸。本专利技术提供的测量岩石节理面剪切过程中裂隙变化的实验方法，基于声波在不同介质中的传播速度不同的原理来测量测量岩石节理面剪切过程中裂隙变化，其中先对被裂隙划分为相互独立的上岩块和下岩块分别进行三维扫描，得到上岩块和下岩块包括节理面处各点的高度Z的三维数据，随后在上岩块和下岩块沿节理面发生相对位移后，通过分别设置于上岩块的上侧面和下岩块的下侧面的阵列声波发射装置和阵列声波接收装置进行纵向声波的发送和接收，根据纵向声波传送时间t，计算获得位移后上岩块和下岩块间节理面的裂隙尺寸。本专利技术提供的测量岩石节理面剪切过程中裂隙变化的实验方法，可以测量岩石节理面剪切过程中裂隙空腔大小，从而便于对于岩石节理面剪切渗流等进行进一步的研究。较佳的，阵列声波发射装置和阵列声波接收装置分别呈矩阵状对应设置，定义于X方向对应设置有n个声波发射装置和声波接收装置、于Y方向对应设置有m个声波发射装置和声波接收装置；定义处于X方向第i个、Y方向第j个的发射装置和对应的接收装置于水平面上的位置为(Xi，Yj)，其中i＝1,2,3...,n，j＝1,2,3....,m；步骤S2中上岩块和下岩块沿节理面发生相对位移时，声波发射装置相对声波接收装置于X方向发生剪切位移Δx、Y方向发生剪切位移Δy；择取位移后相正对的部分声波发射装置和声波接收装置间的纵向声波传送时间数据t，作为步骤S4中计算位移后上岩块和下岩块间节理面间的裂隙尺寸的数据基础。具体地，步骤S3中经由声波发射装置发出的纵向声波被与之正对的阵列声波接收装置接收的过程中，纵向声波穿过岩石厚度：H＝H0-zi-Δx，j-Δy+zi，j；其中H0为剪切前、上岩块和下岩块的节理面完全贴合状态下的岩石试样高度，可以在步骤S2中上岩块和下岩块的节理面完全贴合之后、上岩块和下岩块沿节理面发生相对位移之前经过测量获得；zi-Δx，j-Δy、zi，j分别为水平面内(Xi-Δx，Yj-Δv)、(Xi，Yj)处对应节理面的高度。进一步的，所述步骤S4中“计算获得上岩块和下岩块间节理的裂隙尺寸”具体为：纵向声波在岩石试样中的传播速度：纵向声波在岩石裂隙介质中的传播速度：裂隙分离高度：代入公式(1)(2)得裂隙分离高度h的计算公式：其中K为裂隙中介质的体积弹性模量、E为岩石试样的杨氏模量、ρ1为岩石试样的密度、ρ2裂隙中介质的密度，均为已知量。较佳的，步骤S2中，在上岩块和下岩块的节理面完全贴合后，对下岩块进行固定，剪切力驱使上岩块相对下岩块沿节理面发生相对位移。可以理解地，为保证实验结果准确，上岩块和下岩块沿节理面发生相对位移的过程中，节理面不能发生破坏。为了实现上述目的，本专利技术还提供了一种用于实现上述测量岩石节理面剪切过程中裂隙变化的实验方法的系统，包括：三维扫描装置，所述三维扫描装置用于对上岩块和下岩块分别进行三维扫描，以得到上岩块和下岩块间节理面各点的高度Z；剪切位移传感器，所述剪切位移传感器用于在上岩块和下岩块沿节理面发生剪切位移的过程中检测位移数据Δx和Δy；阵列声波发射装置和阵列声波接收装置，所述阵列声波发射装置和阵列声波接收装置分别设置于上岩块的上侧面或下岩块的下侧面，阵列声波接收装置用于接收正对的阵列声波发射装置发出的纵向声波，以得到纵向声波传送时间t；数据采集装置，所述数据采集装置三维扫描数据、纵向声波传送时间t、上岩块和下岩块相对位移数据Δx和Δy、已知的裂隙中介质的体积弹性模量K、已知的岩石试样的杨氏模量E、已知的岩石试样的密度ρ1及已知的裂隙中介质的密度ρ2；以及计算装置，所述计算装置根据数据采集装置采集的数据进行计算，获得位移后上岩块和下岩块间节理面间的裂隙尺寸。本专利技术提供的用于实现上述测量岩石节理面剪切过程中裂隙变化的实验方法的系统，包括：三维扫描装置、剪切位移传感器、阵列声波发射装置和阵列声波接收装置、数据采集装置、及计算装置，可以对被裂隙划分为相互独立的上岩块和下岩块进行三维扫描、获取声波在经沿节理面发生相对位移后的上岩块和下岩块的纵向声波传送时间t等，从而实现上述测量岩石节理面剪切过程中裂隙变化的实验方法、经由计算装置获得位移后上岩块和下岩块间的节理面间的裂隙尺寸，从而便于对于岩石节理面剪切渗流等进行进一步的研究。较佳的，所述测量岩石节理面剪切过程中裂隙变化的实验方法的系统还包括用于驱动上岩块和下岩块沿节理面发生剪切位移的剪切驱动装置。附图说明图1为岩石试样的结构示意图。图2为阵列声波发射装置310/阵列声波接收装置320设置于岩石试样表面的排布示意图。图3为岩石试样沿节理面发生相对位移的过程示意图。图4为实验流程示意图。具体实施方式下面将结合附图，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，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明，若本专利技术实施例中有涉及方向性指示(诸如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量岩石节理面剪切过程中裂隙变化的实验方法，其特征在于，包括步骤：/nS1.提供被裂隙划分为上岩块和下岩块的岩石试样，并对上岩块和下岩块分别进行三维扫描，得到上岩块和下岩块间节理面各点的高度Z；/nS2.将上岩块和下岩块的节理面完全贴合，施加剪切力驱使上岩块和下岩块沿节理面发生相对位移；/nS3.上岩块的上侧面和下岩块的下侧面中一者设置有阵列声波发射装置，上岩块的上侧面和下岩块的下侧面中另一者对应设置有阵列声波接收装置；阵列声波发射装置发出的纵向声波被与之正对的阵列声波接收装置接收，得到纵向声波传送时间t；/nS4.计算获得位移后上岩块和下岩块的节理面间的裂隙尺寸。/n

【技术特征摘要】
1.一种测量岩石节理面剪切过程中裂隙变化的实验方法，其特征在于，包括步骤：
S1.提供被裂隙划分为上岩块和下岩块的岩石试样，并对上岩块和下岩块分别进行三维扫描，得到上岩块和下岩块间节理面各点的高度Z；
S2.将上岩块和下岩块的节理面完全贴合，施加剪切力驱使上岩块和下岩块沿节理面发生相对位移；
S3.上岩块的上侧面和下岩块的下侧面中一者设置有阵列声波发射装置，上岩块的上侧面和下岩块的下侧面中另一者对应设置有阵列声波接收装置；阵列声波发射装置发出的纵向声波被与之正对的阵列声波接收装置接收，得到纵向声波传送时间t；
S4.计算获得位移后上岩块和下岩块的节理面间的裂隙尺寸。


2.如权利要求1所述的测量岩石节理面剪切过程中裂隙变化的实验方法，其特征在于，阵列声波发射装置和阵列声波接收装置分别呈矩阵状对应设置，定义于X方向对应设置有n个声波发射装置和声波接收装置、于Y方向对应设置有m个声波发射装置和声波接收装置；定义处于X方向第i个、Y方向第j个的发射装置和对应的接收装置于水平面上的位置为(Xi，Yj)，其中i＝1，2，3...，n，j＝1，2，3....，m；步骤S2中上岩块和下岩块沿节理面发生相对位移时，声波发射装置相对声波接收装置于X方向发生剪切位移Δx、Y方向发生剪切位移Δy；择取位移后相正对的部分声波发射装置和声波接收装置间的纵向声波传送时间数据t，作为步骤S4中计算位移后上岩块和下岩块间节理面间的裂隙尺寸的数据基础。


3.如权利要求2所述的测量岩石节理面剪切过程中裂隙变化的实验方法，其特征在于，步骤S3中经由声波发射装置发出的纵向声波被与之正对的阵列声波接收装置接收的过程中，纵向声波穿过岩石厚度：
H＝H0-zi-Δx，j-Δy+zi，j；
其中H0为剪切前、上岩块和下岩块的节理面完全贴合状态下的岩石试样高度，可以在步骤S2中上岩块和下岩块的节理面完全贴合之后、上岩块和下岩块沿节理面发生相对位移之前经过测量获得；zi-Δx，j-Δy、zi，j分别为水平面内(Xi-Δx，Yj-Δy)、(Xi，Yj)处对应节理面的高度。


4.如权利要求3所述的测量岩石节理面剪切过程中裂隙变化的实验方法，其特征在于，所述步骤S4中“计算获...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶皆显，党文刚，黄林冲，刘建坤，马建军，陈俊鹏，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44