一種巖石滲透系數(shù)測量裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種巖石橫向滲流測量巖石滲透系數(shù)的滲流裝置，包括試件裝置系統(tǒng)、軸向加載系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、氣體壓力加載系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)和電腦控制器。所述試件裝置系統(tǒng)包括巖石試件、上和下剛性壓盤、橡膠套、環(huán)形紐扣；所述橡膠套左、右倆側(cè)分別有三個空心觸角且其呈正相對位置；所述氣體壓力加載系統(tǒng)設置有可插入橡膠套倆側(cè)空心觸角的空心鋼管，進氣口的三個鋼管均設有控制氣體是否從鋼管流過的控制閥門，鋼管插入橡膠套的空心觸角后用環(huán)形紐扣扣緊，防止氣體從鋼管和橡膠套的接觸處逃逸；試驗采用穩(wěn)態(tài)法測量巖石滲透系數(shù)。
【專利說明】
一種巖石滲透系數(shù)測量裝置和方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及巖土、采礦等工程地質(zhì)技術領域，特別涉及一種巖石橫向滲流測量巖 石滲透系數(shù)的滲流裝置和試驗方法。
【背景技術】
[0002] 裂隙巖體是水利水電工程、采礦工程、鐵路和公路建設工程、土木建設工程、石油 工程、海洋勘探與開發(fā)工程等各種工程中經(jīng)常遇到的復雜介質(zhì)，巖石裂隙的滲流系數(shù)測定 始終是巖石力學工作者研究的前沿與熱門課題。
[0003] 現(xiàn)有技術和裝置無論是通過穩(wěn)態(tài)法還是瞬態(tài)法測量巖石滲透系數(shù)均是在巖石試 件上、下倆端形成滲透壓差，流體從壓力高的一端通過巖石介質(zhì)滲透到壓力低的一端，計算 巖石滲透系數(shù)。但是巖石不是一種均勻介質(zhì)，其滲透系數(shù)不僅與巖石組成成分、結構相關， 并且滲透方向不同，所得巖石滲透系數(shù)也會不同。其次大多數(shù)試驗中所用的流體均為液體 (水），液體通過孔道時，孔道中心的液體分子比靠近孔道壁表面的分子流速要高，越靠近孔 道壁表面，分子流速越低產(chǎn)生滑脫效應，即克林肯伯格效應。對于巖石滲透系數(shù)測量裝置中 的流體選擇和滲流方向方面，現(xiàn)有技術大多針對的是采用水作為滲流介質(zhì)，同時從巖石水 壓高的一個端面流向水壓低的另一個端面，即軸向滲透，對采用氣體進行巖石側(cè)向滲流測 量巖石滲透系數(shù)的滲流裝置和試驗方法尚未見。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種巖石測向滲流測量巖石滲透系數(shù)的滲流 裝置和試驗方法，同時采用氣體(氮氣)作為滲流介質(zhì)，在避免克林肯伯格效應的情況下側(cè) 向滲流測量巖石滲透系數(shù)。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明專利采用如下解決方案：一種巖石側(cè)向滲流測量巖石滲 透系數(shù)的滲流裝置，包括試件裝置系統(tǒng)、軸向加載系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、氣體壓力加載系統(tǒng)、伺服 控制系統(tǒng)和電腦控制器，所述試件裝置系統(tǒng)包括巖石試件、上和下剛性壓盤以及倆側(cè)分別 有三個空心觸角、透明狀且具有良好彈性的橡膠套、環(huán)形紐扣、所述上、下剛性壓盤呈正相 對位置且形狀相同；上剛性壓盤底部朝上、頂部向下倒扣在巖石試件頂部，下剛性壓盤的底 部向下、頂部向上支撐在巖石試件的底部;所述橡膠套倆側(cè)的空心觸角亦呈正相對位置;所 述氣體壓力加載系統(tǒng)設置有可插入橡膠套倆側(cè)空心觸角的空心鋼管，進氣口的三個鋼管均 設有控制閥門，用來控制氣體是否從鋼管流過;鋼管插入橡膠套的空心觸角后用環(huán)形紐扣 扣緊，防止氣體從鋼管和橡膠套的接觸處逃逸，進、出氣鋼管處均設有氣壓表;試驗采用穩(wěn) 態(tài)法測量巖石滲透系數(shù)。
[0006] 本發(fā)明相對現(xiàn)有技術產(chǎn)生的有益效果是：
[0007] 1、采用氣體(氮氣）作為滲流介質(zhì)，避免采用液體作為滲流介質(zhì)所產(chǎn)生的滑脫效 應。
[0008] 2、滲透方向為側(cè)向滲流即從巖石的一個側(cè)面流至另一側(cè)面，以往滲流方向均是從 巖石一個端面流向另一個端面，本發(fā)明所測巖石滲透系數(shù)也從另一個角度說明了巖石的各 向異性。
[0009] 3、制作簡單、安裝方便，為科研提供便利。
[0010] 簡言之，本發(fā)明的技術方案在于：（1)采用氣體作為滲流介質(zhì)，避免了采用液體(如 純水)作為滲流介質(zhì)而產(chǎn)生的滑脫效應。（2)本發(fā)明所用的滲流方向為從巖石的一個側(cè)面滲 流至另一個側(cè)面。在相同應力狀態(tài)下由倆個不同滲流方向所測的不同巖石滲透系數(shù)從另一 個角度說明了巖石滲透系數(shù)的各向異性。這是本發(fā)明的突出的優(yōu)點和優(yōu)勢所在，也是其主 要創(chuàng)新點。
[0011]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明一種巖石側(cè)向滲流測量巖石滲透系數(shù)的滲透裝置結構示意圖
[0013] 圖2為本發(fā)明的試件系統(tǒng)剖面圖
[0014] 圖3為不同滲透壓差與滲透系數(shù)的關系
[0015] 圖中：1、加載油缸，2、伺服電機，3、減速器，4、螺旋傳動副，5、活塞，6、圍壓傳感器， 7、橡膠套，8、橡膠套左側(cè)空心觸角，9、左側(cè)環(huán)形紐扣，10、橡膠套右側(cè)空心觸角，11、徑向位 移引伸計，12、軸向位移引伸計，13、上剛性壓盤，14、下剛性壓盤，15、承壓板，16、底座，17、 氣壓缸，18、流量傳感器I，19、氣壓表1，20、氣壓表1I，21、流量傳感器II，22、儲氣缸，23、軸 力傳感器，24、加載軸，25、巖石試件，26、三軸腔，27、數(shù)據(jù)線1，28、數(shù)據(jù)線II，29、數(shù)據(jù)線III， 30、數(shù)據(jù)線IV，31、數(shù)據(jù)線V，32、數(shù)據(jù)線VI，33、閥門I，34、閥門II，35、閥門III，36、閥門IV， 37、閥門V，38、閥門VI，39、閥門VII，40、右側(cè)環(huán)形紐扣，41、電腦控制器，42、加熱圈，43、溫 度傳感器，44、數(shù)據(jù)線VII，45、剛性墊塊，46、層狀節(jié)理面。
【具體實施方式】
[0016] 參見附圖1，一種巖石橫向滲流測量巖石滲透系數(shù)試驗裝置，包括試件裝置系統(tǒng)、 軸力加載系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、氣體壓力加載系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)和電腦控制器，所述試件裝置 系統(tǒng)包括巖石試件25、上剛性壓盤13、下剛性壓盤14、透明狀且具有良好彈性的橡膠套7、橡 膠套左側(cè)三個空心觸角8、橡膠套右側(cè)三個空心觸角10、左側(cè)環(huán)形紐扣9、右側(cè)環(huán)形紐扣40、 所述上剛性壓盤13與下剛性壓盤14呈正相對位置且形狀相同；上剛性壓盤13底部朝上、頂 部向下倒扣在巖石試件25頂部，下剛性壓盤14的底部向下、頂部向上支撐在巖石試件25的 底部;所述橡膠套7倆側(cè)的空心觸角8和10亦呈正相對位置;所述氣體壓力加載系統(tǒng)設置有 可插入橡膠套7的倆側(cè)空心觸角8和10的空心鋼管，進氣口的三個鋼管均設有控制閥門34、 35、36,用來控制氣體是否從鋼管流過;鋼管插入橡膠套7的空心觸角8和10后用環(huán)形紐扣9 和40扣緊，防止氣體從鋼管和橡膠套7的接觸處逃逸，進、出氣鋼管處均設有氣壓表119,氣 壓表1120以及流量傳感器118和流量傳感器1121;插入橡膠套左側(cè)空心觸角8的鋼管端面為 弧形，保證鋼管和巖石試件25完美貼合。試驗采用穩(wěn)態(tài)法測量巖石滲透系數(shù)。
[0017] 試件裝置系統(tǒng)包括圓柱狀的帶有透明空心觸角的橡膠套7、巖石試件25、環(huán)形紐扣 9和40、剛性墊塊45，巖石試件25是水平層狀巖石且其層狀節(jié)理面為46。如附圖1所示，用橡 膠套7套好巖石試件25后將其置于上剛性壓盤13和下剛性壓盤14之間，再將其整體置于剛 性墊塊45上。
[0018] 軸壓加載系統(tǒng)包括軸力傳感器23、加載軸24、三軸腔26、承壓板15、底座16。通過加 載軸24的上下運動對巖石試件25進行加載和卸載軸向應力，加載軸24上的軸力傳感器23將 軸力的大小檢測出來并傳送到電腦控制器41內(nèi)，加載軸24作用于上剛性壓盤13,通過上剛 性壓盤13施加軸力給巖石試件25。
[0019] 圍壓系統(tǒng)包括三軸自平衡壓力室與圍壓加載系統(tǒng)。試件裝置系統(tǒng)置于三軸自平衡 壓力室，三軸自平衡壓力室與圍壓加載系統(tǒng)通過油管相連，其作用是給巖石試件25施加圍 壓，圍壓的加載是通過加載油缸1來實現(xiàn)，伺服電機2根據(jù)試驗軟件發(fā)出的指令轉(zhuǎn)動通過減 速機3帶動螺旋傳動副4的運動帶動活塞5直線運動來調(diào)整油缸內(nèi)的壓力，安裝在加載油缸1 出油端的圍壓傳感器6檢測油壓，傳送到電腦控制器41內(nèi)，電腦控制器41把壓力的測量信號 進行處理，并與設置的壓力數(shù)據(jù)進行比較，然后給出糾偏信號，使施加的壓力值與設置的壓 力值趨于一致。
[0020] 氣體壓力系統(tǒng)中氣壓缸17可隨時改變氣體壓力大小，流量傳感器118可實時記錄 氣體流量大小，通過氣壓缸17可調(diào)節(jié)滲流進氣口氣壓大小。氣體通過插入試件裝置系統(tǒng)的 橡膠套7的左側(cè)三個空心觸角8的鋼管滲流進入巖石試件25的層狀節(jié)理面46,并通過插入試 件裝置系統(tǒng)的橡膠套7的右側(cè)三個空心觸角10的鋼管進入儲氣缸22。氣壓表119和氣壓表 1120實時監(jiān)測進氣口和出氣口氣體壓力大小，氣體流量傳感器118和氣體流量傳感器1121 實時記錄進、出氣口氣體流量大小，并將其反饋至電腦控制器41。
[0021] 溫度系統(tǒng)包括加熱圈42，溫度傳感器43。加熱圈42通過加熱三軸腔26的壁面，利用 熱傳導加熱三軸腔內(nèi)硅油（施加圍壓所用的液體)溫度，從而對試件加熱。通過溫度傳感器 43實時檢測三軸腔26內(nèi)溫度，并將其反饋至電腦控制器41對軟件作出下一步指示。
[0022] 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括氣體流量和壓力、巖石試件25的軸向變形和徑向變形、圍壓和 軸壓、圍壓溫度等數(shù)據(jù)的采集，通過氣體壓力加載系統(tǒng)的流量傳感器118與電腦控制器41相 連，實時采集氣體流量數(shù)據(jù);通過軸向位移引伸計12和徑向位移引伸計11與電腦控制器41 相連，實時采集巖石試件25的軸向變形數(shù)據(jù)和徑向變形數(shù)據(jù);通過軸壓加載系統(tǒng)的軸力傳 感器23與電腦控制器41相連，實時采集軸壓數(shù)據(jù);通過圍壓系統(tǒng)的圍壓傳感器6與電腦控制 器41相連，實時采集圍壓數(shù)據(jù);通過溫度傳感器43與電腦控制器41相連，實時采集試驗過程 中溫度變化數(shù)據(jù)。在試驗過程中，電腦實時記錄氣體流量、巖石試件25的軸向變形和徑向變 形、圍壓和軸壓。
[0023] 本發(fā)明一種巖石橫向滲流測量巖石滲透系數(shù)的實驗裝置實施例：
[0024] (1)將巖塊加工打磨制成巖樣試件25,巖石試件25的尺寸為直徑50mm，高度100mm， 用直徑為45mm、長度為110mm的橡膠套7將試件25套住，將套上橡膠套7的巖石試件25至于下 剛性壓盤14的上部，再將上剛性壓盤13倒扣在巖石試件25的上端面，最后整體至于剛性墊 塊45上，在巖樣試件25外套的橡膠套7的左右倆側(cè)空心觸角8和10插入鋼管，并用環(huán)形紐扣9 和40扣緊，中部安裝徑向位移傳感器11，以測量巖樣試件25的徑向變形，在上、下剛性壓盤 13和14設置軸向位移傳感器12,以測量巖樣試件25的軸向變形，將徑向位移引伸計11和軸 向位移引伸計12分別通過數(shù)據(jù)線127、數(shù)據(jù)線1128和電腦控制器41連接。
[0025] (2)將圍壓系統(tǒng)、氣體壓力加載系統(tǒng)和圍壓溫度控制系統(tǒng)的管線連接好，出氣口的 氣體存儲于儲氣缸22，將軸力傳感器23、溫度傳感器43、流量傳感器118、流量傳感器1121、 軸向位移引伸計12、徑向位移引伸計11、圍壓傳感器6分別和電腦控制器41相連。
[0026] (3)通過加載軸24的上下運動對巖石試件25進行加載和卸載軸向應力，加載軸24 上的軸力傳感器23將軸力的大小檢測出來并傳送到電腦控制器41內(nèi)，加載軸24作用于上剛 性壓盤13,施加軸力給巖石試件25。當圍壓加載系統(tǒng)在加載油缸1油源充足時，打開閥門 VII39，通過活塞5直線運動對巖石試件25施加圍壓。
[0027] (4)完成上述步驟后關閉閥門VII39,氣壓缸17內(nèi)氣體充足時，關閉閥門133通過溫 度傳感器43測得三軸腔26內(nèi)溫度，當腔內(nèi)壓力和溫度達到設計值時，且當氣壓表119的數(shù)值 達到預設值時打開閥門133和閥門V37，選擇性打開閥門II34、閥門II135、閥門IV36，實現(xiàn) 氣體滲流，氣體滲入巖石試件25的層狀節(jié)理面46，并滲出氣體進入儲氣缸22，氣壓表119和 氣壓表1120分別檢測進出氣口氣體壓力P進、P出，電腦控制器41記錄流過巖石試件25的流量 Q，由以下公式計算巖石滲透系數(shù)
，.其中L取50mm，A取0.005mm2。
[0028] 下面通過一實例進行進一步說明：
[0029] 選取試樣為湖南寧鄉(xiāng)煤炭壩茅口灰?guī)r，試樣重為423.89g，直徑為49.95mm，長度為 101.03mm，滲流介質(zhì)為氮氣，在保持圍壓〇2和軸壓〇1不變的情況下，研究不同滲透壓差p對巖 石滲透系數(shù)k的影響（見表1)，所得試驗結果用Origin處理(見圖3)。
[0030]由圖3可知：當試件所處的應力狀態(tài)不變即軸壓〇1和圍壓〇2保持不變時，巖石的滲 透系數(shù)k隨著滲透壓差p的增大而增大。
[0031 ]表1:不同滲透壓差p對巖石滲透系數(shù)k的影響
【主權項】
1. 一種巖石橫向滲流測量巖石滲透系數(shù)試驗裝置，其特征在于，包括試件裝置系統(tǒng)、軸 力加載系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、氣體壓力加載系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)和電腦控制器。2. 根據(jù)權利要求1所述的試驗裝置，其特征在于，所述試件裝置系統(tǒng)包括巖石試件 (25)、上剛性壓盤（13)、下剛性壓盤（14)、透明狀且具有良好彈性的橡膠套(7)、橡膠套(7) 的左側(cè)空心觸角（8 )、橡膠套（7)的右側(cè)空心觸角（10 )、左側(cè)環(huán)形紐扣（9 )、右側(cè)環(huán)形紐扣 (40)、所述上剛性壓盤（13)與下剛性壓盤（14)呈正相對位置且形狀相同；上剛性壓盤（13) 底部朝上、頂部向下倒扣在巖石試件(25)頂部，下剛性壓盤(14)的底部向下、頂部向上支撐 在巖石試件(25)的底部;所述橡膠套(7)倆側(cè)的空心觸角(8)和(10)亦呈正相對位置。3. 根據(jù)權利要求1所述的試驗裝置，其特征在于，所述氣體壓力加載系統(tǒng)設置有可插入 橡膠套(7)兩側(cè)空心觸角的空心鋼管，進氣口的鋼管均設有控制閥門，用來控制氣體是否從 鋼管流過;鋼管插入橡膠套(7)的空心觸角后用環(huán)形紐扣(9)和(40)扣緊，防止氣體從鋼管 和橡膠套(7)的接觸處逃逸，進、出氣鋼管處均設有氣壓表1 (19 )，氣壓表1I (20)以及流量傳 感器1(18)和流量傳感器11(21);插入橡膠套(7)的空心觸角的鋼管端面為弧形，保證鋼管 和巖石試件(25)完美貼合。4. 根據(jù)權利要求1所述的試驗裝置，其特征在于，采用穩(wěn)態(tài)法測量巖石滲透系數(shù)。5. 根據(jù)權利要求1所述的試驗裝置，其特征在于，圓柱形巖石試件(25)的尺寸為50mmX 100mm，且具有水平層狀節(jié)理面(46)。6. 根據(jù)權利要求1所述的試驗裝置，其特征在于，所用的滲流氣體介質(zhì)為氮氣。
【文檔編號】G01N7/10GK105866004SQ201610333058
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】趙延林, 羅世林, 唐勁舟, 萬文, 付成成
【申請人】湖南科技大學