大尺寸層狀承壓巖石真三軸加卸載試驗(yàn)裝置及測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及層狀承壓巖石力學(xué)特性與滲透特性試驗(yàn)領(lǐng)域，特別涉及一種大尺寸層狀承壓巖石真三軸加卸載試驗(yàn)裝置及測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國煤炭資源豐富，但水文地質(zhì)條件復(fù)雜，使得煤礦開采中地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。其中，煤層開采過程中的底板突水嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)，特別是隨著開采深度、開采強(qiáng)度的增大，采掘工作面底板承受的水壓、地壓越來越大，地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境越來越復(fù)雜，使得底板突水問題更為普遍且突出。底板突水在造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡的同時(shí)，也對礦區(qū)(地下)水資源與環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞和污染。因此，加強(qiáng)地下水資源管理，合理利用礦井(地下)水資源，有效遏制底板水害的發(fā)生，已成為眾多礦井所共同面對的熱點(diǎn)問題和技術(shù)難題。
[0003]承壓水體上帶壓開采不僅具有生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)，而且可以有效降低對礦區(qū)水資源與環(huán)境的污染和破壞，符合科學(xué)開采的理念。但其在技術(shù)上難度較大，能否安全帶壓開采，關(guān)鍵取決于煤層底板隔水層的阻水能力。由于地質(zhì)構(gòu)造的作用，底板隔水層內(nèi)部存在大量尺度、方向和性質(zhì)均不相同、縱橫交錯(cuò)的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面(如節(jié)理、裂隙、斷層和其它軟弱面)。工作面回采過程中會對隔水層中的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生較大的擾動和影響，在采動應(yīng)力、承壓水滲透力和地應(yīng)力耦合作用下，底板隔水層內(nèi)不連續(xù)結(jié)構(gòu)面會進(jìn)一步擴(kuò)展、貫通直至屈服破壞，使得底板隔水層的滲透性明顯改變，進(jìn)而形成突水通道，誘發(fā)工作面底板突水。因此，要弄清楚承壓底板隔水層的變形、破壞與滲透性演化的相關(guān)關(guān)系，就必須開展承壓巖石力學(xué)特性、破壞機(jī)理及其滲透性演化規(guī)律方面的試驗(yàn)研究，這將有助于揭示底板突水機(jī)理，為突水預(yù)測和防治提供重要的理論依據(jù)和工程價(jià)值。
[0004]大量研究表明，底板隔水層的滲透特性與巖層裂隙萌生、擴(kuò)展、貫通過程密切相關(guān)。目前，在巖石力學(xué)特性和巖石裂隙擴(kuò)展、貫通、破壞機(jī)理以及巖石滲流應(yīng)力耦合特性的理論、數(shù)值和試驗(yàn)研究方面均取得了豐富的研究成果，所涉及的巖石主要有砂巖、泥巖、煤巖、鹽巖、大理巖、花崗巖等。但由于受實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)巖樣尺寸的限制，在反映巖石破壞過程與滲透性演化相關(guān)關(guān)系的試驗(yàn)研究方面多采用單一巖性的標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣。而煤系地層屬于沉積巖層，具有典型的層狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，組成煤層底板的各層巖層的物理力學(xué)性質(zhì)差別較大，其破壞機(jī)理十分復(fù)雜。專利“承壓巖石破壞失穩(wěn)過程與動態(tài)滲透特性試驗(yàn)裝置及方法(201510350657.5)”，通過承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中應(yīng)力應(yīng)變信號、聲發(fā)射信號和視電阻率信號的采集與處理，得到大尺寸承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、聲發(fā)射事件數(shù)量、位置及承壓水滲透導(dǎo)升引起的巖石視電阻率變化規(guī)律，獲得水-力耦合作用下巖石破壞過程中裂隙擴(kuò)展、貫通與失穩(wěn)的動態(tài)演化規(guī)律及其與之相對應(yīng)的動態(tài)滲透特性，在實(shí)現(xiàn)承壓水上安全帶壓開采方面具有重要的工程價(jià)值。但該試驗(yàn)裝置是一種常規(guī)三軸承壓巖石試驗(yàn)加載裝置，其圍壓為環(huán)形液壓加載方式，圓柱形巖石試樣周圍的應(yīng)力狀態(tài)完全一致，是一種理想的軸對稱狀態(tài)，不能真實(shí)地反映承壓水上煤層底板巖層處于三向不等壓的受力狀態(tài)，無法模擬承壓巖石的真實(shí)三向受力狀態(tài)，也不能研究中間主應(yīng)力、層狀巖石的各向異性對其滲透特性的影響規(guī)律。因此，迫切需要構(gòu)建全新試驗(yàn)裝置及測試方法深入開展真三軸條件下層狀承壓巖石破壞機(jī)理與滲透特性相關(guān)方面的研究工作，闡明三向不等壓條件下層狀巖石水-力耦合變形破壞過程與滲透性演化規(guī)律的關(guān)系，為預(yù)測和防治煤層底板突水提供重要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)承壓水上煤層安全帶壓開采。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種大尺寸層狀承壓巖石真三軸加卸載試驗(yàn)裝置及測試方法。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0007]一種大尺寸層狀承壓巖石真三軸加卸載試驗(yàn)裝置，其由圍壓加載模塊、試樣存放及出水模塊、承壓水加載模塊、載荷加載模塊及信號采集與處理系統(tǒng)組成，圍壓加載模塊由兩套相互獨(dú)立、相互垂直的水平加卸載系統(tǒng)構(gòu)成，其能在兩個(gè)相互垂直的方向上對所包裹的試樣存放及出水模塊進(jìn)行水平方向上載荷的加載與卸載，承壓水加載模塊位于試樣存放及出水模塊底部，對層狀巖石底部進(jìn)行承壓水的加載與卸載，載荷加載模塊位于試樣存放及出水模塊頂部，對層狀巖石頂部進(jìn)行垂直方向上載荷的加載與卸載，信號采集與處理系統(tǒng)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行信號的采集與分析；
[0008]其中，圍壓加載模塊由圓形圍壓缸、方形橡膠筒、圓形端蓋、圓形端蓋密封環(huán)、內(nèi)六角螺釘、方形下密封環(huán)、方形限位卡環(huán)、限位卡環(huán)螺釘、方形上密封環(huán)、方形密封定位壓鈑、壓鈑固定螺釘、液壓控制系統(tǒng)、第一液壓油管、第一液壓閥門、第一穩(wěn)壓裝置、第一三通閥、第一左液壓油缸、第一左活塞桿、第一左球頭、第一左墊塊、第一左壓板、第一左位移傳感器、第一左載荷傳感器、第一右液壓油缸、第一右活塞桿、第一右球頭、第一右墊塊、第一右壓板、第一右位移傳感器、第一右載荷傳感器、第二液壓油管、第二液壓閥門、第二穩(wěn)壓裝置、第二三通閥、第二前液壓油缸、第二前活塞桿、第二前球頭、第二前墊塊、第二前壓板、第二前位移傳感器、第二前載荷傳感器、第二后液壓油缸、第二后活塞桿、第二后球頭、第二后墊塊、第二后壓板、第二后位移傳感器、第二后載荷傳感器、第一排氣閥組成;所述方形橡膠筒與所述圓形圍壓缸構(gòu)成內(nèi)方外圓的圍壓腔，利用方形下密封環(huán)、方形限位卡環(huán)、限位卡環(huán)螺釘、方形上密封環(huán)、方形密封定位壓鈑、壓鈑固定螺釘對內(nèi)方外圓的圍壓腔進(jìn)行密封處理;所述圓形端蓋與圓形圍壓缸相匹配，并利用圓形端蓋、圓形端蓋密封環(huán)、內(nèi)六角螺釘對圓形圍壓缸進(jìn)行密封;所述第一左液壓油缸與第一右液壓油缸關(guān)于圓形圍壓缸對稱布置，構(gòu)成第一套水平加卸載系統(tǒng);所述第一左活塞桿一端內(nèi)置于所述第一左液壓油缸內(nèi)、第一右活塞桿一端內(nèi)置于所述第一右液壓油缸內(nèi)，所述第一左活塞桿與第一右活塞桿的另一端均穿過所述圓形圍壓缸側(cè)壁，在圍壓腔內(nèi)第一左活塞桿通過所述第一左球頭、第一左墊塊與所述第一左壓板相連，第一右活塞桿通過所述第一右球頭、第一右墊塊與所述第一右壓板相連;所述第一左位移傳感器與第一右位移傳感器分別布置在第一左液壓油缸與第一右液壓油缸上，所述第一左載荷傳感器與第一右載荷傳感器分別布置在第一左活塞桿與第一右活塞桿上，采集第一套水平加卸載系統(tǒng)的位移與載荷;所述第二前液壓油缸與第二后液壓油缸關(guān)于圓形圍壓缸對稱布置，構(gòu)成第二套水平加卸載系統(tǒng)，且第二套水平加卸載系統(tǒng)與第一套水平加卸載系統(tǒng)在同一個(gè)平面內(nèi)相互垂直，關(guān)于圓形圍壓缸對稱分布;所述第二前活塞桿一端內(nèi)置于所述第二前液壓油缸內(nèi)、第二后活塞桿一端內(nèi)置于所述第二后液壓油缸內(nèi)，所述第二前活塞桿與第二后活塞桿的另一端均穿過所述圓形圍壓缸側(cè)壁，在圍壓腔內(nèi)第二前活塞桿通過所述第二前球頭、第二前墊塊與所述第二前壓板相連，第二后活塞桿通過所述第二后球頭、第二后墊塊與所述第二后壓板相連;所述第二前位移傳感器與第二后位移傳感器分別布置在第二前液壓油缸與第二后液壓油缸上，所述第二前載荷傳感器與第二后載荷傳感器分別布置在第二前活塞桿與第二后活塞桿上，采集第二套水平加卸載系統(tǒng)的位移與載荷;所述第一液壓油管一端依次通過第一液壓閥門、第一穩(wěn)壓裝置、第一三通閥后，分別與所述第一左液壓油缸與第一右液壓油缸相連，另一端與所述液壓控制系統(tǒng)相連，控制第一套水平加卸載系統(tǒng);所述第二液壓油管一端依次通過第二液壓閥門、第二穩(wěn)壓裝置、第二三通閥后，分別與所述第二前液壓油缸與第二后液壓油缸相連，另一端與所述液壓控制系統(tǒng)相連，控制第二套水平加卸載系統(tǒng);所述液壓控制系統(tǒng)通過所述第一液壓油管同步控制所述第一左活塞桿與第一右活塞桿的伸入與伸出，實(shí)現(xiàn)第一套水平加卸載系統(tǒng)對方形橡膠筒內(nèi)層狀承壓巖石的水平加載與卸載;所述液壓控制系統(tǒng)通過所述第二液壓油管同步控制所述第二前活塞桿與第二后活塞桿的伸入與伸出，實(shí)現(xiàn)第二套水平加卸載系統(tǒng)對方形橡膠筒內(nèi)層狀承壓巖石的水平加載與卸載，且所述液壓控制系統(tǒng)控制的第一套水平加卸載系統(tǒng)與第二套水平加卸載系統(tǒng)相互獨(dú)立，可以實(shí)現(xiàn)層狀承壓巖石兩個(gè)相互垂直方向上不等壓側(cè)向載荷的加載與卸載;所述第一排氣閥與所述圍壓腔內(nèi)部連接，圍壓加載過程中，通過第一排氣閥排出圍壓腔內(nèi)殘存氣體，保持圍壓腔內(nèi)氣壓平衡；
[0009]試樣存放及出水模塊由方形試樣存放腔、方形承壓多孔透水鋼篦、承壓軸、方形壓頭、方形密封圈、出水管、流量傳感器、貯水槽組成;將加工好的大尺寸層狀巖石試樣放置在方形試樣存放腔內(nèi)，方形試樣存放腔的底部設(shè)有方形承壓多孔透水鋼篦、方形試樣存放腔的頂部為方形壓頭；所述方形承壓多孔透水鋼篦放置在圓形圍壓缸底部的方形凸臺肩部上，其尺寸與方形凸臺肩部、突起高度相匹配;所述方形壓頭與所述承壓軸為一整體，承壓軸穿過圓形端蓋深入方形試樣存放腔中，并通過方形壓頭壓住層狀巖石試樣頂部，巖石電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)通過承壓軸傳遞載荷對層狀巖石試樣進(jìn)行加卸載，方形壓頭與方形試樣存放腔之間的徑向間隙利用方形密封圈進(jìn)行密封處理；
[0010]承壓水加載模塊由方形承壓水存貯槽、高壓水管、高壓水表、承壓穩(wěn)壓裝置、注水閥、柱塞計(jì)量式高壓水栗、水箱、第三三通閥、排水卸壓閥、第二排氣閥組成;所述方形承壓水存貯槽內(nèi)的承壓水通過方形承壓多孔透水鋼篦作用在方形試樣存放腔內(nèi)的層狀巖石試樣底部，對其施加一定的承壓水壓;所述高壓水管一端與所述方形承壓水存貯槽內(nèi)部連接，管路上依次設(shè)置有高壓水表、承壓穩(wěn)壓裝置、注水閥、柱塞計(jì)量式高壓水栗、水箱;所述承壓穩(wěn)壓裝置與所述注水閥之間，通過第三三通閥連接所述排水卸壓閥，并與所述水箱連接，通過排水卸壓閥排出方形承壓水存貯槽內(nèi)高壓水體以卸載承壓水;所述第二排氣閥與所述方形承壓水存貯槽內(nèi)部連接，承壓水加載過程中，通過第二排氣閥排出方形承壓水存貯槽內(nèi)殘存氣體；
[0011]載荷加載模塊由巖石液壓伺服加載與控制系統(tǒng)構(gòu)成，包括YAW型巖石電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)、帶有PowerTestV3.3加載與控制及應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集與處理的PC機(jī)；
[0012]信號采集與處理系統(tǒng)由應(yīng)變采集與處理系統(tǒng)、聲發(fā)射信號采集與處理系統(tǒng)、視電阻率信號采集與處理系統(tǒng)三部分組成;應(yīng)變采集與處理系統(tǒng)包括電阻應(yīng)變片、第一彈性橡膠圈、數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)線、LB-1V型多通道數(shù)字應(yīng)變儀、帶有應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集與處理的PC機(jī);電阻應(yīng)變片利用數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)線與試驗(yàn)裝置上部側(cè)面的電阻應(yīng)變片導(dǎo)線轉(zhuǎn)接口相連，并通過相應(yīng)的導(dǎo)線轉(zhuǎn)接口連接到應(yīng)變數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，從而獲得層狀承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中應(yīng)力應(yīng)變演化規(guī)律;聲發(fā)射信號采集與處理系統(tǒng)包括耐壓聲發(fā)射接收探頭、探頭抗壓防護(hù)罩、第二彈性橡膠圈、信號傳輸導(dǎo)線、DS5-16B型全信息聲發(fā)射信號分析儀、聲發(fā)射信號采集與處理的PC機(jī);聲發(fā)射接收探頭利用信號傳輸導(dǎo)線與試驗(yàn)裝置上部側(cè)面的聲發(fā)射探頭導(dǎo)線轉(zhuǎn)接口相連，并通過相應(yīng)的導(dǎo)線轉(zhuǎn)接口連接到聲發(fā)射信號采集與處理系統(tǒng)，從而獲得層狀承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中聲發(fā)射事件數(shù)量、位置，確定層狀承壓巖石破壞失穩(wěn)過程的演化規(guī)律;視電阻率信號采集與處理系統(tǒng)包括銅片電極、電極抗壓防護(hù)罩、第三彈性橡膠圈、銅質(zhì)漆包信號傳輸導(dǎo)線、W3D型網(wǎng)絡(luò)并行電法儀、surfer或illustrator軟件輔助繪圖的PC機(jī)，銅片電極利用銅質(zhì)漆包信號傳輸導(dǎo)線與試驗(yàn)裝置上部側(cè)面的銅片電極導(dǎo)線轉(zhuǎn)接口相連，并通過相應(yīng)的導(dǎo)線轉(zhuǎn)接口連接到視電阻率信號采集與處理系統(tǒng)，從而獲得層狀承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中視電阻率信號，確定層狀承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中滲透性演化規(guī)律。
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