多場耦合狀態(tài)下巖樣電性特征測試裝置及測試方法
【專利說明】多場耦合狀態(tài)下巖樣電性特征測試裝置及測試方法
[0001]
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及一種巖樣電性特征測試裝置，特別涉及應力-滲流狀態(tài)下巖樣電性特征測試裝置和測試方法。
【背景技術】
[0003]以石炭-二疊系為主的華北型煤田經(jīng)過半個多世紀的開采，開采深度已經(jīng)進入深部，工作面深受高承壓水、薄隔水層危險威脅，工作面底板突水時有發(fā)生?；诟叱袎核?、薄隔水層突水機理層出不窮，但是，多數(shù)突水機理只是建立在單一影響因素、理想模型基礎上，與實際工作面底板突水現(xiàn)場相差甚遠。如何準確探查工作面底板水情的賦存狀態(tài)和運移規(guī)律，是當前解決底板突水的核心問題。當前，要準確探查工作面底板水情，必須解決巖層在多場耦合狀態(tài)下電性變化規(guī)律，掌握應力和滲流對巖層電阻率變化的影響，因此，測試多場耦合狀態(tài)下巖樣電性特征成為當前亟需解決的問題。
[0004]當前沒有專門測試巖樣在多場耦合狀態(tài)下的電性特征裝置，只有測試大地的電阻率裝置和測試巖樣單軸應力狀態(tài)下電阻率儀器，因此，設計一種能測試巖樣滲流-應力多場耦合狀態(tài)下電性特征裝置和測試方法，成為當前探查底板水情變化規(guī)律的必然。
[0005]中國專利申請201410400335.2公開了一種力磁電多場耦合測量系統(tǒng)，包括:力加載模塊，力加載模塊包括連接桿、固定基座、亥姆赫茲線圈、鋁架和力傳感器；磁加載模塊，磁加載模塊包括:處理模塊，處理模塊包括信號發(fā)生器、力顯示器、鎖相放大器和特斯拉計；其中，信號發(fā)生器與亥姆赫茲線圈相連，力顯示器與力傳感器相連，鎖相放大器與待測試件上下表面相連，力加載模塊嵌套在磁加載系統(tǒng)中，并通過固定基座來固定其相對位置，固定基座與鋁架通過緊固件固定，力傳感器固定在鋁架上。該專利可實現(xiàn)不同力場、不同磁場的耦合時復合材料磁電性能的測量。但是該專利主要是針對磁電復合材料的測量系統(tǒng)，并不是針對巖石的測量系統(tǒng)，和本發(fā)明的測量對象不同，且研究對象性質相差太大。
[0006]中國專利ZL 201310261472.8公開了一種滲透壓力和相分比例可控的巖石長期多場耦合實驗裝置與測試方法，該實驗裝置包括三軸壓力室、多相流體混合控制裝置、出口流體收集與測量裝置。多相流體混合控制裝置包括氣體計量栗、液體計量栗、氣體壓縮瓶、儲液箱、混合容器、控制箱、真空栗。通過控制箱的電平信號來控制計量栗的工作狀態(tài)，保證恒定的滲透壓力以及混合流體的氣液成分比例。滲透壓力和相分比例可控的巖石長期多場耦合實驗的測試方法是在上述實驗裝置的基礎上進行的測試方法，該專利主要是用來研究巖石試件在不同相態(tài)混合流體滲透作用下的熱流固耦合蠕變實驗，和本發(fā)明研究巖石的性質和目的都不同，因此，與本發(fā)明沒有關聯(lián)性。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種多場耦合狀態(tài)下巖樣電性特征測試裝置及測試方法，該測試裝置結構簡單、原理科學、數(shù)據(jù)準確、便于操作。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案:
一種多場耦合狀態(tài)下巖樣電性特征測試裝置，包括電阻率測試模塊、應力測試模塊、滲流測試模塊和上、下測試探頭；
所述電阻率測試模塊包括直流電法儀和四個分層纏繞在待測試巖樣上的環(huán)形電極，四個環(huán)形電極通過環(huán)形電極導線與電法儀光纜在上測試探頭處相連接，經(jīng)電法儀器光纜連接至直流電法儀；待測試巖樣上、下端面上分別設置有絕緣保護層，且絕緣保護層中分別設置有供上、下測試探頭伸入的空隙，待測試巖樣外圓周面上設置有絕緣固定板；
所述環(huán)形電極與巖樣接觸面積大，便于供電電極對巖樣供電，防止供電電極開路；所述應力測試模塊包括用于對待測試巖樣頂部及側邊加壓的加壓裝置和用于采集待測試巖樣應力變化的應力采集裝置；
所述滲流測試模塊包括高壓水進水系統(tǒng)，高壓進水系統(tǒng)與上測試探頭中的進水孔連通，下測試探頭中設置有出水孔，出水孔中設置有水量流量計。
[0009]所述加壓裝置包括液壓伺服控制系統(tǒng)，液壓伺服控制系統(tǒng)分別控制位于待測試巖樣頂部和側面的頂板加壓器和側向加壓器，所述側向加壓器與緊靠在所述絕緣固定板外部的側向固定板連接。
[0010]所述待測試巖樣和側向加壓器均設置底座平臺上。
[0011 ] 所述頂板加壓器和側向加壓器均為液壓千斤頂。
[0012]所述應力采集裝置包括應力采集系統(tǒng)，應力采集系統(tǒng)通過導線與上測試探頭中的應力采集探頭連接。
[0013]所述上測試探頭包括設置于探頭殼體內的液壓伺服探頭、直流電法儀光纜、應力采集探頭和進水孔，液壓伺服探頭與液壓伺服控制系統(tǒng)相連，所述液壓伺服探頭和應力采集探頭均與待測試巖樣接觸。
[0014]所述下測試探頭包括殼體，殼體中設置一個上下貫通的出水孔，出水孔中設置水量流量計，殼體頂部出水孔上端口處呈凹坑狀，便于水留出。
[0015]利用多場耦合狀態(tài)下巖樣電性特征測試裝置的測試方法，包括:
(I)各模塊連接工作
首先將相同巖性的巖芯制成同樣的多份，同時保證各待測試巖樣長度相同，上下截面平整，上、下測試探頭與待測試巖樣充分接觸；用銅絲環(huán)繞巖樣一周，制成的環(huán)形電極并將其固定好，使環(huán)形電極與待測試巖樣接觸完好，防止供電電極A、B開路；在待測試巖樣放在底座平臺上之前，首先將絕緣保護層分別放在待測試巖樣的上下底面，在上、下測試探頭處留下探頭形狀的空隙，便于上、下測試探頭與待測試巖樣接觸；將巖樣與環(huán)形電極連接好，再將環(huán)形電極導線(包括環(huán)形電極導線A、環(huán)形電極導線B、環(huán)形電極導線M、環(huán)形電極導線N)分別與各自對應環(huán)形電極連接在一起，再將所有環(huán)形電極導線與上探頭內的電阻率光纜連接好，將電阻率主機與光纜連接；最后，利用絕緣保護層將待測試巖樣與側向固定板和加壓器隔離，防止待測試巖樣與其它導體接觸，導致測量結果出現(xiàn)誤差。
[0016]其次將液壓伺服控制系統(tǒng)與液壓探頭及應力測試系統(tǒng)及頂板和側向加壓器連接好，完成應力測試模塊連接完畢，便于應力采集；
最后，將高壓進水系統(tǒng)、上測試探頭內的進水孔、測試下探頭內的出水孔及水量流量計連接好，完成滲流測試模塊連接，便于滲流測量；各模塊連接完成后，將待測試巖樣密閉，檢測密閉完好后，方可進行試驗數(shù)據(jù)采集；
(2)單因素變量數(shù)據(jù)采集
a)應力狀態(tài)下電性特征
首先在不加應力的情況下，打開直流電法儀，采用對稱四極裝置，根據(jù)綁定的環(huán)形電極位置，設定采集參數(shù)，開始測試巖樣電阻率值，隨后，打開應力測試模塊，通過控制液壓伺服控制系統(tǒng)控制液壓伺服探頭和頂部或側向加壓器共同作用，不斷給待測試巖樣加壓，隨著壓力的變化，記錄巖樣電阻率變化特征及巖石裂隙發(fā)育情況，直到待測試巖樣破裂；待測試巖樣破裂后，然后通過應力測試模塊，不斷給待測試巖樣卸壓，再次觀測待測試巖樣電阻率變化情況；
b)滲流狀態(tài)下電性特征
首先在不