碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统及测试方法技术方案

本发明专利技术涉及一种碳酸盐岩单裂隙的溶蚀试验装置及测试方法，步骤为：通过氮气加压装置、碳酸水溶液制备系统、加热装置制备，获得具有设定pH值，且恒定流速的碳酸水溶液；获得的碳酸水溶液流入剪切盒内部的试件裂隙上进行溶蚀反应；经过溶蚀反应后的碳酸盐岩试件依次经滑动槽移动至落锤冲击试验机进行冲剪试验；反应后的碳酸水溶液流入接液盘，对接液盘中水溶液成分进行分析，测得水溶液中钙离子浓度，求得表征溶蚀效应的灰岩裂隙溶解速率。本发明专利技术将溶蚀装置与冲剪装置进行组合，考虑地下工程建设中裂隙岩石受到动力扰动时对裂隙岩石溶蚀特性的影响。其目的在于解决现有的岩石溶蚀特性研究的试验装置存在不能准确的反应岩石溶蚀特性，导致试验误差较大的问题。

【技术实现步骤摘要】
碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统及测试方法
本专利技术涉及深部岩石与地下工程领域，具体涉及一种碳酸盐岩单裂隙的溶蚀试验装置及测试方法。
技术介绍
在我国北方地区及西南地区，碳酸盐岩分布广泛。尤其在北方地区，碳酸盐岩分布面积近46.94万km2，这些地区多为岩溶含水层，在其地下工程建设中，如煤炭开采，地下二氧化碳储存、油井致裂等，爆破、钻井等工程活动产生的动力扰动对裂隙岩体的力学性质及渗流特性都会产生影响；同时由于该区岩溶发育，碳酸盐岩中的裂隙与地下水导通，地下水就会在裂隙中流动，对碳酸盐岩裂隙产生溶解作用，从而进一步使裂隙开度增大，诱发应力调整，产生新的破坏。此外，由于地下环境的复杂，在其地下工程的建设中，常常会受到地应力的影响，工程岩体处于复杂的应力状态下，其应变分布的不均匀性更难控制。剪破裂和拉伸断裂构成了目前岩体静态破坏准则的主要判据。鉴于裂隙岩石赋存的复杂性，对碳酸盐岩在溶蚀—冲剪交互作用下的溶蚀特性研究具有重要的基础意义。目前，对于岩石溶蚀特性研究的试验装置主要考虑不同温度、不同流速、不同ph值对溶蚀的影响，对于实际环境中，岩石所处的环境通常还受到水压的影响以及一些人为因素造成的开挖扰动对岩体力学特性及渗流特性的影响，此外，岩石实际所处的应力状态不仅仅只有正应力的影响，岩石也会因为剪切变形而导致破坏。即现有的岩石溶蚀特性研究的试验装置存在不能准确的反应岩石溶蚀特性，导致试验误差较大的问题。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供了一种碳酸盐岩溶蚀—冲剪交互作用系统及测试方法，将溶蚀装置与冲剪装置进行组合，考虑地下工程建设中裂隙岩石受到动力扰动时对裂隙岩石溶蚀特性的影响。其目的在于解决现有的岩石溶蚀特性研究的试验装置存在不能准确的反应岩石溶蚀特性，导致试验误差较大的问题。技术方案：一种碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统的测试方法，步骤为：步骤1：通过氮气加压装置、碳酸水溶液制备系统、加热装置制备，获得具有设定pH值，且恒定流速的碳酸水溶液；步骤2：步骤1中获得的碳酸水溶液流入剪切盒内部的试件裂隙上进行溶蚀反应；步骤3：步骤2中经过溶蚀反应后的碳酸盐岩试件依次经滑动槽移动至落锤冲击试验机进行冲剪试验；步骤4：反应后的碳酸水溶液流入接液盘，对接液盘中水溶液成分进行分析，测得水溶液中钙离子浓度，求得表征溶蚀效应的灰岩裂隙溶解速率。步骤4中钙离子浓度的表达式为：式中，mc为无量纲浓度限值；Ceq为钙离子的平衡浓度，mol/L；n为无量纲反应级数；Kc反应速率常数；L为裂隙的长度，m；d为裂隙高度，m；Q为裂隙中溶液的流量，m3/s。步骤4中灰岩裂隙溶解速率公式为：式中，Kc反应速率常数；mc为无量纲浓度限值；Ceq为钙离子的平衡浓度，mol/L；n为无量纲反应级数；Kc反应速率常数；L为裂隙的长度，m；d为裂隙高度，m；Q为裂隙中溶液的流量，m3/s。一种碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统，该系统包括氮气加压装置、碳酸水溶液制备系统、加热装置、溶蚀-冲剪系统，氮气加压装置与碳酸水溶液制备系统相连，碳酸水溶液制备系统与加热装置相连，加热装置与溶蚀-冲剪系统相连；溶蚀-冲剪系统包括溶蚀反应装置和落锤冲击系统，溶蚀反应装置通过滑动装置与落锤冲击系统连接；所述溶蚀反应装置包括上压板、下压板、夹具、剪切盒、上液压杆和下液压杆，上压板下方固定设置有上液压杆，上液压杆下方固定设置有夹具的一侧，下压板上固定设置有下液压杆，下液压杆的上方固定设置有夹具的另一侧，夹具中间夹持有剪切盒，碳酸盐岩试件放置在剪切盒中，下压板固定在滑动装置上；上液压杆和下液压杆相互平行，且上液压杆和下液压杆倾斜设置。进一步的，剪切盒左右两侧与碳酸盐岩试件左右两端之间均设有与试件裂隙同等尺寸的线流槽。进一步的，溶蚀反应装置还包括液体减压器、针阀、接液盘，针阀通过液体减压器与剪切盒接通，接液盘置于针阀下方。进一步的，滑动装置包括滑移块和滑动槽，滑移块与滑动槽滑动连接，滑移块上固定连接有溶蚀反应装置的下压板，滑动槽的一端为环形滑槽，另一端汇聚为条形滑槽，条形滑槽穿入落锤冲击系统内。本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术在溶蚀装置的基础上加入落锤冲击试验机，针对裂隙岩石实际所存在的受动力扰动，地下水环境的影响，可真实模拟在不同浓度化学溶液、不同温度、不同压力、不同加载路径条件作用下裂隙岩石力学特性、渗透特性、溶蚀特性演变试验研究。(2)加压方式：舍弃传统压力水罐加压方式，提供一种不用压力溶液的氮气加压压力水罐，密封效果好，最高压力2MPa，用于输出不同压力值的溶液，以保证溶蚀试验对于水压的要求。(3)6个楔形剪切盒底部设有滑移块，可以同时对6个试件进行溶蚀—冲剪，大大提高了试验效率。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为环形滑槽的俯视图；图3为落锤冲击试验机的主视图；图4为溶蚀反应装置的主视图；图5为混合反应水罐主视图；图6为剪切盒内部结构示意图；图7为丝杠与锤体及锤头连接示意图：其中，1、CO2高压气瓶；2、CO2气瓶角阀；3、二氧化碳双表减压器；4、气管；5、油水分离器过滤器；6、水管；7、空气流量计；8、压力开关；9、混合反应水罐；10、上压力表；11、三通连接截止阀；12、气囊；13、压装法兰；14、三通；15、防爆阀；16、负压阀；17、进气截止阀；18、下压力表；19、排污阀；20、进水截止阀；21、截止阀；22、电磁阀；23、压力表；24、减压器；25、氮气瓶角阀；26、输气钢管；27、N2高压气瓶；28、进水表；29、直通阀；30、储水桶；31、出液截止阀；32、三通；33、四分对丝；34、水龙头；35、四分内外丝；36、过滤器；37、四分内丝；38、出水表；39、水管；40、中压恒流泵；41、长白钢管；42、电热恒温水浴箱；43、碳酸盐岩试件；43-1、未进行冲剪试验的碳酸盐岩试件；43-2、已完成冲剪试验的碳酸盐岩试件；44、分流器；45、下压板；46、上压板；47、夹具；48、滑动槽；48-1、环形滑槽，48-2、条形滑槽，49、液体减压器；50、针阀；51、接液盘；52、落锤冲击试验机；53、提升横梁；54、导向立柱；55、机架；56、锤体及锤头；57、计算机系统；58、线流槽；59、剪切盒角度；60、水管连接口；61、滑移块；62、剪切盒；63、丝杠、64、304不锈钢接头；65、双头外牙直通接头；66、ph取液处；67、挂钩68、不锈钢外丝宝塔接头；69、下液压杆；70、上液压杆；71、反应槽。具体实施方式以下结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术专利的结构及测试方法进行完整清晰的描述。本专利技术提供了一种碳酸盐岩溶蚀—冲剪交互作用系统及测试方法，测试裂隙岩石在不同浓度化学溶液、不同温度、不同压力、水溶液不同流速下、不同加载路径单独或共同作用下应力、应变、溶蚀率、动力特本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统的测试方法，其特征在于：步骤为：/n步骤1：通过氮气加压装置、碳酸水溶液制备系统、加热装置制备，获得具有设定pH值，且恒定流速的碳酸水溶液；/n步骤2：步骤1中获得的碳酸水溶液流入剪切盒(6)内部的试件裂隙上进行溶蚀反应；/n步骤3：步骤2中经过溶蚀反应后的碳酸盐岩试件依次经滑动槽(48)移动至落锤冲击试验机进行冲剪试验；/n步骤4：反应后的碳酸水溶液流入接液盘(51)，对接液盘(51)中水溶液成分进行分析，测得水溶液中钙离子浓度，求得表征溶蚀效应的灰岩裂隙溶解速率。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统的测试方法，其特征在于：步骤为：
步骤1：通过氮气加压装置、碳酸水溶液制备系统、加热装置制备，获得具有设定pH值，且恒定流速的碳酸水溶液；
步骤2：步骤1中获得的碳酸水溶液流入剪切盒(6)内部的试件裂隙上进行溶蚀反应；
步骤3：步骤2中经过溶蚀反应后的碳酸盐岩试件依次经滑动槽(48)移动至落锤冲击试验机进行冲剪试验；
步骤4：反应后的碳酸水溶液流入接液盘(51)，对接液盘(51)中水溶液成分进行分析，测得水溶液中钙离子浓度，求得表征溶蚀效应的灰岩裂隙溶解速率。


2.根据权利要求1所述的碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统的测试方法，其特征在于：钙离子浓度的表达式为：



式中，mc为无量纲浓度限值；Ceq为钙离子的平衡浓度，mol/L；n为无量纲反应级数；Kc反应速率常数；L为裂隙的长度，m；d为裂隙高度，m；Q为裂隙中溶液的流量，m3/s。


3.根据权利要求1所述的碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统的测试方法，其特征在于：灰岩裂隙溶解速率公式为：



式中，Kc反应速率常数；mc为无量纲浓度限值；Ceq为钙离子的平衡浓度，mol/L；n为无量纲反应级数；Kc反应速率常数；L为裂隙的长度，m；d为裂隙高度，m；Q为裂隙中溶液的流量，m3/s。


4.一种如权利要求1所述碳酸盐岩溶蚀-冲剪交互作用试验系统，其特征在于：该系统包括氮气加压装置、碳酸水溶液制备系统、加热装置、溶蚀—冲剪系统，氮气加压装置与碳酸水溶液制备系统相连，碳酸水溶液制备系统与加热装置相连，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军祥，孙港，陈四利，孟津竹，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21