[發明專利]一種裂隙巖體應力與滲流耦合測試系統及方法

在審

• 申請號: 201410588213.0
• 申請日: 2014-10-28
• 公開（公告）號: CN104316447A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發明（設計）人: 劉衛群;宋良;桑盛;梁浩楠;李玉壽;馬天然;移崢峰
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

1.一種裂隙巖體應力與滲流耦合測試系統，其特征在于：測試系統包括：滲流實驗裝置、應力和位移加載系統和數據采集系統；滲流實驗裝置與應力和位移加載系統連接，滲流實驗裝置與應力和位移加載系統的電控數據輸送到數據采集系統，根據數據采集系統采集到電控數據對滲流實驗裝置與應力和位移加載系統進行控制。

2.根據權利要求1所述的一種裂隙巖體應力與滲流耦合測試系統，其特征在于：所述的滲流實驗裝置包括：過濾閥、電動試壓泵、溢流閥、換向閥、限流閥、蓄能器、流量傳感器、壓力傳感器、截止閥、貯水箱、水管、滲透儀裝置、濾液閥和拓展接口；過濾閥、電動試壓泵、換向閥、限流閥和流量傳感器順序連接，并連接有二個截止閥，一個截止閥連接到貯水箱內，一個截止閥與水管連接，在電動試壓泵和換向閥之間通過溢流閥連接至水池內，在流量傳感器兩端或者在限流閥和儲水箱之間的管道上連接有蓄能器和壓力傳感器，水管的另一端連接二個截止閥，一截止閥與貯水箱的底部連接，一個截止閥與滲透儀裝置的上入口連接，在該截止閥上還通截止閥并聯有拓展接口，滲透儀裝置的下出口通過濾液閥連接至水池內。

3.根據權利要求2所述的一種裂隙巖體應力與滲流耦合測試系統，其特征在于：所述的滲透儀裝置包括：滲透儀上壓頭、梯形墊塊、PVC密封帶、帶有圓形淺凹槽的滲透儀下壓頭和彈性墊塊；滲透儀裝置的下端到上端依次為帶有圓形淺凹槽的滲透儀下壓頭、梯形墊塊、彈性墊塊、裂隙試樣、彈性墊塊、梯形墊塊、滲透儀上壓頭，裂隙試樣兩端的梯形墊塊與彈性墊塊關于裂隙試樣反對稱放置；用PVC密封帶把滲透儀的所有裝置密封連接。

4.根據權利要求3所述的一種裂隙巖體應力與滲流耦合測試系統，其特征在于：所述的裂隙試樣為橫截面為正方形的長方體多孔介質或相似模擬試樣。

5.根據權利要求1所述的一種裂隙巖體應力與滲流耦合測試系統，其特征在于：所述的應力和位移加載系統包括：手動試壓泵、液壓油泵、液壓油管、側向液壓加載裝置、側壓反力架、軸壓反力架、帶壓頭和手輪的梯形螺桿、液壓加載裝置、位移傳感器、液壓油缸、球形壓頭支座、球形壓頭、平壓板、圓柱銷、小鋼球、法蘭軸承、直線光軸和側壓支架；在軸壓反力架下底板上還連接有側壓支架，在側壓支架上固定有直線光軸，側向液壓加載裝置通過法蘭軸承連接在直線光軸上；手動試壓泵和液壓油泵并聯，分別通過換向閥、液壓油管和應力與位移加載裝置連接，在液壓油管上連接有蓄能器、壓力傳感器和液壓油缸；側向液壓油缸外殼固定在側壓反力架一端底板，受液壓油缸控制的球形壓頭支座順序連接有球形壓頭、圓柱銷和平壓板，在側壓反力架另一端底板順序連接圓柱銷和平壓板，在二平壓板間為滲透儀裝置；在球形壓頭支座和側壓反力架另一端底板之間連接有位移傳感器；滲透儀裝置的滲透儀下壓頭通過小鋼球與帶壓頭和手輪的梯形螺桿連接；液壓加載裝置包括：液壓油缸和球形壓頭支座順序連接；平壓板在圓柱銷上沿軸向加載方向滑動，小鋼球在淺凹槽內自由滑動，法蘭軸承沿直線光軸滑動，共同組成互不相關三自由度滑動系統。

6.根據權利要求5所述的一種裂隙巖體應力與滲流耦合測試系統，其特征在于：所述的側向液壓加載裝置通過法蘭軸承、直線光軸和側壓支架與軸向位移加載系統固定在一起形成共同的加載空間，側向液壓加載裝置隨法蘭軸承在直線光軸上滑動；滲透儀裝置放置在共同加載空間內，滲透儀上壓頭固定在軸向反力架上底板；側向液壓加載裝置由液壓油泵和手動試壓泵提供液壓源，側向壓力從液壓油缸依次通過球形壓頭支座、球形壓頭、圓柱銷、平壓板傳遞到滲透儀裝置側面，軸向位移通過梯形螺桿上的壓頭和小鋼球施加在帶有圓形淺凹槽滲透儀下壓頭上。

7.根據權利要求1所述的一種裂隙巖體應力與滲流耦合測試系統，其特征在于：所述的數據采集系統包括：電源、電線、數據采集儀、RS485數據線和PC上位機；流量傳感器、壓力傳感器和位移傳感器通過電線與數據采集儀連接，數據采集儀通過RS485數據線與PC上位機連接；電源通過電線給傳感器和數據采集儀供電；數據采集系統通過接線板和快速接頭將電源、數據采集儀或模擬量采集卡集成于同一電箱，通過屏蔽線與傳感器及上位機相連，實現實驗過程中壓力、位移和流量等數據的實時關聯顯示、采集和記錄。

8.一種利用權利要求1所述的裂隙巖體應力與滲流耦合測試系統的方法，其特征是：測試方法包括：

用PVC膠帶密封好滲透儀裝置并固定在側向與軸向加載系統共有的空間內，正確連接滲流實驗裝置管路，連接好傳感器和數據采集系統，打開數據采集系統的電源進行實時數據顯示、采集和記錄；

開啟滲流實驗裝置中的電動試壓泵，打開截止閥，首先檢查滲透儀裝置和整個滲流回路是否密封良好；如發現滲透儀裝置、閥門、水管或者傳感器接口有漏水現象發生，應立即停止供水，重新密封漏水部位；

密封測試完成后即可進行裂隙試樣滲透性實驗，調節滲流回路中的溢流閥或限流閥，通過數據采集系統記錄每次滲流穩定時的流量和滲透壓力數據，得到裂隙試樣在一定側壓力情況下的流量和滲透壓力關系；

通過溢流閥或限流閥調定裂隙試樣的滲透壓力，調節位移加載系統對裂隙試樣施加不同軸向壓力，通過數據采集系統記錄對應每種軸向壓力的流量和滲透壓力，得到軸向壓力對裂隙試樣滲透特性的影響規律；

通過溢流閥或限流閥調定裂隙試樣的滲透壓力，通過應力加載系統的溢流閥調定裂隙試樣受到的側向壓力，利用帶壓頭和手輪的梯形螺桿對滲透儀裝置施加一定的軸向位移，在梯形墊塊和彈性墊塊的作用下，裂隙試樣兩個裂隙面之間發生剪切滑動，通過數據采集系統記錄對應每種剪切位移的流量和滲透壓力，得到剪切位移對裂隙試樣滲透特性的影響規律；

完成后，首先關閉水源及液壓源，關閉數據采集系統，然后將滲透儀裝置從應力和位移加載系統的測試空間中取出，打開滲透儀裝置并取出裂隙試樣，拍照記錄試樣滲流測試后的變形或破壞特征。