三通閥、排水卸壓閥、承壓水存貯槽排氣閥組成；所述承壓水存 貯槽內(nèi)的承壓水通過承壓多孔透水鋼篦作用在試樣存放腔內(nèi)的巖石試樣底部，對其施加一 定的承壓水壓；所述高壓水管一端與所述承壓水存貯槽內(nèi)部連接，管路上依次設置有高壓 水表、承壓穩(wěn)壓裝置、注水閥、柱塞計量式高壓水泵、水箱；所述承壓穩(wěn)壓裝置與所述注水閥 之間，通過第二三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承壓 水存貯槽內(nèi)高壓水體以卸載承壓水；所述承壓水存貯槽排氣閥與所述承壓水存貯槽內(nèi)部連 接，承壓水加載過程中，通過承壓水存貯槽排氣閥排出承壓水存貯槽內(nèi)殘存氣體； 信號采集與處理系統(tǒng)由巖石壓力加載與控制系統(tǒng)、應變采集與處理系統(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)四部分組成；巖石壓力加載與控制系統(tǒng)包 括YAW型電液伺服壓力試驗機、帶有PowerTestV3. 3加載與控制的PC機；應變采集與處理 系統(tǒng)包括電阻應變片、第一彈性橡膠圈、數(shù)據(jù)傳輸導線、LB-IV型多通道數(shù)字應變儀、帶有應 力應變數(shù)據(jù)采集與處理的PC機；電阻應變片利用數(shù)據(jù)傳輸導線與試驗裝置上部側(cè)面的電 阻應變片導線轉(zhuǎn)接口相連，并通過相應的導線轉(zhuǎn)接口連接到應變數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，從 而獲得承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中應力應變演化規(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、探頭抗壓防護罩、第二彈性橡膠圈、信號傳輸導線、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；聲發(fā)射接收探頭利用信號傳輸導線與試驗 裝置上部側(cè)面的聲發(fā)射探頭導線轉(zhuǎn)接口相連，并通過相應的導線轉(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、電極抗壓防護罩、 第三彈性橡膠圈、銅質(zhì)漆包信號傳輸導線、WBD型網(wǎng)絡并行電法儀、surfer或illustrator 軟件輔助繪圖的PC機，銅片電極利用銅質(zhì)漆包信號傳輸導線與試驗裝置上部側(cè)面的銅片 電極導線轉(zhuǎn)接口相連，并通過相應的導線轉(zhuǎn)接口連接到視電阻率信號采集與處理系統(tǒng)，從 而獲得承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中視電阻率信號，確定承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中滲透性演化 規(guī)律。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述試驗裝置，除高壓油管、高壓水管、出 水管、密封圈，均由具有一定剛度和強度的45號鋼鑄造加工而成，且其內(nèi)外表層均鍍有一 定厚度的聚四氟乙烯絕緣層。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述承壓多孔透水鋼篦為圓板形，其中心 設有中心通孔，周邊設有以中心通孔為中心的直徑相同、多圈環(huán)形分布通孔；所述承壓多孔 透水鋼篦上表面設有多圈環(huán)形溝槽，其與環(huán)形分布通孔相互連通，所述環(huán)形溝槽寬度與通 孔直徑相同。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述壓頭為圓柱形，所述壓頭與承壓軸中 部設有出水孔，出水孔通過出水管依次與流量傳感器、貯水槽連接；所述壓頭下表面設有以 出水孔為中心的十字型與環(huán)形狀導水溝槽，且十字型與環(huán)形狀導水溝槽相互連通。5. 利用權(quán)利要求1-4任一裝置的一種承壓巖石破壞失穩(wěn)過程與滲透特性試驗方法，利 用承壓巖石滲透性試驗裝置，通過承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中應力應變信號、聲發(fā)射信號和 視電阻率信號的采集與處理系統(tǒng)，得到大尺寸承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中的應力應變關(guān)系、 聲發(fā)射事件數(shù)量、位置及承壓水滲透導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展、貫通與失穩(wěn)的動態(tài)演化規(guī)律及其與之相對應的動態(tài)滲透 特性。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法的具體操作步驟如下： 步驟一、巖石試樣制備：從煤礦深部承壓含水層上方的煤層底板巖層鉆取完整的不同 巖性巖芯，在實驗室內(nèi)加工成:0100 mm X 200 mm的不同巖性的大尺寸巖石試樣； 步驟二、固定電阻應變片：在巖石試樣的側(cè)面布置、固定電阻應變片，在巖石試樣的軸 向和徑向各一個，在電阻應變片與巖石試樣的接觸位置涂抹快干膠保證接觸的良好，并利 用第一彈性橡膠圈固定電阻應變片，以防止試驗加載過程中電阻應變片滑動，所述電阻應 變片利用數(shù)據(jù)傳輸導線與試驗裝置上部側(cè)面的電阻應變片導線轉(zhuǎn)接口相連，并通過相應的 導線轉(zhuǎn)接口連接到應變數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，采集應變變化數(shù)據(jù)，從而獲得承壓巖石破壞 失穩(wěn)過程中應力應變演化規(guī)律； 步驟三、固定聲發(fā)射接收探頭：在巖石試樣的側(cè)面布置耐壓聲發(fā)射接收探頭，在聲發(fā)射 接收探頭與巖石試樣的接觸位置涂抹耦合劑，保證接觸的良好，利用探頭抗壓防護罩罩在 聲發(fā)射接收探頭上，并利用第二彈性橡膠圈固定抗壓防護罩，以避免聲發(fā)射探頭受到巖石 試樣高圍壓的影響，同時防止試驗加載過程中發(fā)射探頭滑動，且能實現(xiàn)聲發(fā)射接收探頭的 三維空間分布；聲發(fā)射接收探頭利用信號傳輸導線與試驗裝置上部側(cè)面的聲發(fā)射探頭導線 轉(zhuǎn)接口相連，并通過相應的導線轉(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，確定承壓巖石破壞失穩(wěn)過程的演化規(guī)律； 步驟四、固定網(wǎng)絡并行電路銅片電極：用手持鉆機在巖石試樣側(cè)面鉆出一定數(shù)目、一定 間距和深度的小孔，埋設、固定網(wǎng)絡并行電路銅片電極，利用導電膠密封小孔以保證銅片電 極與巖石試樣耦合接觸良好，利用電極抗壓防護罩罩在銅片電極上，并利用第三彈性橡膠 圈固定防護罩，以避免銅片電極損傷圍壓腔的橡膠筒，同時防止試驗加載過程中銅片電極 滑動，且能實現(xiàn)網(wǎng)絡并行電路銅片電極的三維空間分布；網(wǎng)絡并行電路銅片電極利用銅質(zhì) 漆包信號傳輸導線與試驗裝置上部側(cè)面的銅片電極導線轉(zhuǎn)接口相連，并通過相應的導線轉(zhuǎn) 接口連接到視電阻率信號采集與處理系統(tǒng)，從而獲得承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中視電阻率信 號，確定承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中滲透性演化規(guī)律； 步驟五、施加巖石試樣圍壓與承壓水壓：將巖石試樣放置在試樣存放腔內(nèi)，利用巖石壓 力試驗機通過承壓軸上的壓頭壓住巖石試樣頂部，壓頭與試樣存放腔之間的徑向間隙利用 密封圈進行密封，圍壓缸利用端蓋進行密封；利用圍壓加載模塊對巖石試樣施加一定的側(cè) 向圍壓，并利用承壓水加載模塊通過承壓多孔透水鋼篦在巖石試樣底部施加一定的穩(wěn)壓承 壓水，且施加的側(cè)向圍壓大于底部的承壓水壓； 步驟六、巖石試樣加載及信號采集：啟動應變采集系統(tǒng)、聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)、視電阻 率信號采集系統(tǒng)，啟動YAW型電液伺服壓力試驗機的壓力加載與控制系統(tǒng)對巖石試樣進行 加載，并同步監(jiān)測、采集承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中的應力應變、聲發(fā)射及視電阻率信號，直 至巖石試樣破壞失穩(wěn)； 步驟七、采集信號的后處理：利用應力應變處理系統(tǒng)、聲發(fā)射信號處理系統(tǒng)、視電阻率 信號處理系統(tǒng)對加載過程中同步監(jiān)測與采集的應力應變信號、聲發(fā)射信號和視電阻率信號 進行識別與處理，得到承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中的應力應變演化規(guī)律、聲發(fā)射事件數(shù)量、破 裂位置及視電阻率變化規(guī)律，獲得水-力耦合作用下巖石破壞過程中裂隙擴展、貫通與失 穩(wěn)的動態(tài)演化規(guī)律及其與之相對應的動態(tài)滲透特性； 步驟八、重復上述試驗步驟，利用大尺寸承壓巖石破壞失穩(wěn)過程與動態(tài)滲透特性試驗 裝置進行不同圍壓、不同水壓作用下巖石破壞失穩(wěn)過程與動態(tài)滲透特性的試驗研宄，得到 不同圍壓、不同水壓作用下承壓巖石裂隙擴展、貫通直至破壞失穩(wěn)過程中的應力應變演化 規(guī)律、聲發(fā)射事件數(shù)量、破裂位置及視電阻率變化規(guī)律，對比分析圍壓、水壓對巖石破壞失 穩(wěn)過程與動態(tài)滲透特性的影響規(guī)律。
【專利摘要】一種承壓巖石破壞失穩(wěn)過程與動態(tài)滲透特性試驗裝置及方法，利用大尺寸承壓巖石滲透性試驗裝置，通過承壓巖石破壞失穩(wěn)過程中應力應變信號、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)過程中的應力應變關(guān)系、聲發(fā)射事件數(shù)量、位置及承壓水滲透導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展、貫通與失穩(wěn)的動態(tài)演化規(guī)律及其與之相對應的動態(tài)滲透特性。研究巖石水-力耦合破壞機理與承壓滲透特性，水-力耦合作用下巖石的變形與強度特性、裂隙擴展貫通與破壞特征及承壓水在裂隙擴展-貫通-破壞過程中的滲透性演化規(guī)律。在實現(xiàn)承壓水上安全帶壓開采方面具有重要的工程價值。
【IPC分類】G01N29/04, G01N27/04, G01N15/08
【公開號】CN104977234
【申請?zhí)枴緾N201510350657
【發(fā)明人】孫建, 馬衍坤, 成云海
【申請人】安徽理工大學
【公開日】2015年10月14日
【申請日】2015年6月23日...