专利名称：一种同时测定破碎岩石蠕变参数及渗透参数的操作方法
技术领域：
本发明涉及一种破碎岩石力学性质的测试方法，尤其是一种同时测定破碎岩石蠕变参数及渗透参数的操作方法。
背景技术：
工程中的破碎岩石大致可分为两类一类是受构造及采动作用破碎后仍处于原来位置的原位破碎岩石，一类是因工程开挖而破碎冒落并在高压作用下可再次压实的堆积破碎岩石。破碎岩石具有孔隙度大、渗透性高等特点，其时间相关性变形(尤其是蠕变)及渗流行为对岩石内部液体和气体的运移、地面建筑的长期稳定性等会带来严重影响。目前，承压破碎岩石的变形与渗流耦合研究是水利及采矿工程的热门课题，特别是近年来作为绿色开采关键技术之一的“煤矸石置换开采技术”的推广、应用以来，关于破碎矸石充填的密实程度、长期变形和渗流行为对控制地面沉降的作用及其对煤柱稳定性的影响研究已提出了迫切的要求。目前，人们对破碎岩石的渗流和蠕变作为两个独立的过程或渗流与蠕变的阶段性耦合过程已进行了较多的研究，但两者相互影响的试验成果以及蠕变全过程中渗透特性试验的研究资料却很少，这主要是因为缺少针对破碎岩石蠕变-渗透全程耦合的操作系统及操作方法。虽然，李顺才等设计了破碎岩石蠕变与渗透全程耦合的专利装置(ZL201120034981. 3)，但这只是一种操作装置，未曾涉及到破碎岩石蠕变一渗透全程耦合时同时测定其蠕变参数和渗透参数的操作方法。

发明内容
为了克服破碎岩石蠕变-渗透全程耦合试验中存在的问题，本发明提供一种同时测定破碎岩石蠕变参数及渗透参数的操作方法，该操作方法不仅可以获取破碎岩石蠕变与渗透全程耦合时的蠕变模型，进而对比分析不同渗流压力对蠕变特性的影响以及蠕变不同阶段的渗透特性，而且还能反映出蠕变及渗流的相互影响，为破碎岩石蠕变-渗流耦合的理论分析及数值模拟提供依据；另外，该操作方法成本低，操作方便，通过设计不同的操作方案，可以获取蠕变及渗流的各种性能参数，具有较强的实用性。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是该同时测定破碎岩石蠕变参数及渗透参数的操作方法采用破碎岩石蠕变一渗透全程耦合试验装置实现轴向压力及渗透压差的加载，具体操作方法包括六个步骤
(1)确定破碎岩石加载前在缸筒中的初始高度;
(2)开启轴向加载装置，加油压O.5MPa，使连接密实；
(3)启动电动试压泵饱和岩石；
(4)施加轴向载荷，并保持恒定，操作前预设4级递增的载荷值，即可得到4级递增的应力水平；(5 )按设定水压给岩石注水渗流，渗透加载要求设置4级递增的水压Af，在每级轴向应
力O■保持恒定的蠕变阶段，渗透装置按设定的4级水压分别向岩石注水渗流6小时；
(6)改变轴向载荷进行下一级应力阶段的蠕变一渗透测试，改变油压，得到不同的轴向压力及应力，再按前面(4) (5)的测试原理及方法进行操作，可得到不同载荷下岩石其位移的蠕变曲线及其渗透参数随位移S的变化规律。根据该操作方法，轴向载荷A可由油压表读数/7及液压缸内截面面积J计算得到； 每级水压下的平均渗流速虔V1由流量传感器采集的体积流量^及缸筒内截面面积A1计算得到；岩石的压缩位移^由位移计读数得到，岩石两端的渗透压差麵> 由水压表的读数计算
得到，然后用以计算岩石两端的孔压梯度^ ;当4级水压的渗流加载完毕后，才能开始下
一级轴向压应力的加载及蠕变、渗流。在每级轴向应力的蠕变阶段，渗透特性参数由孔压梯
度^与平均渗流速度的散点图，通过Forchheimer非线性渗流关系式拟合得到；每级
轴向应力下的螺变三参数，由轴向宏观应变*的时间曲线，通过Kelvin-Volgt螺变模型拟合得到。本发明的有益效果是，该同时测定破碎岩石蠕变参数及渗透参数的操作方法不仅可以获取破碎岩石蠕变与渗透全程耦合时的蠕变模型，进而对比分析不同渗流压力对蠕变特性的影响以及蠕变不同阶段的渗透特性，而且还能反映出蠕变及渗流的相互影响，为破碎岩石蠕变一渗流耦合的理论分析及数值模拟提供依据；另外，该操作方法成本低，操作方便，通过设计不同的操作方案，可以获取蠕变及渗流的各种性能参数，具有较强的实用性。


下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。附图I为破碎岩石蠕变一渗透全程耦合试验装置的结构示意图。附图2为轴向加压装置的结构示意图。附图3为渗透装置的结构示意图。
附图4为破碎岩石蠕变-渗流全程耦合测试流程图。在图中，I.推车，2.支架，3.缸筒，4.水箱，5.空心圆管，6.位移计，7.液压缸，8.水压表，9.压力传感器，10.流量传感器，11.电动试压泵，12.油箱，13.柱塞泵， 14.电磁溢流阀，15.单向阀，16.压力继电器，17.储能器，18. 二位四通换向阀，19.压力表，20.压力传感器，21.出水管，22.活塞，23.岩石，24.多孔透水板，25.毛毡层，26.单向阀，27.缸筒，28.底座，29.进水管。
具体实施例方式在图中，该破碎岩石蠕变一渗透全程耦合操作装置包括轴向加压装置、渗透装置、 数据显示装置和监控器件，该操作装置设有一个底部带有滚轮的平板形推车1，推车I的底板上固定安装有方框形的支架2,支架2内部上端固定安装有液压轴向加压装置,支架2 内部下端对应安装有渗透装置，所述的轴向加压装置设有一个与支架2顶面固定连接的液压缸7,液压缸7的底端垂直固定连接有一个用于轴向加载的空心圆管5,空心圆管5的一侧设有位移计6 ;所述的渗透装置有一个竖向缸筒3，缸筒3的底端固定安装有密封的底座28，缸筒3顶部吻合安装有活塞22，活塞22的顶面与圆管5的底面相接，底座28和活塞22的中轴上分别安装有竖向的进水管29和出水管21，出水管21的外端连接有水箱4，进水管29上设有防止水逆流的单向阀26，进水管29顺序与带有阀门的水压表8、压力传感器9、流量传感器10和电动试压泵11连接，底座28和活塞22之间顺序对应设有毛毡层25和多孔透水板24，多孔透水板24之 间夹紧固定有试验岩石23。轴向加压装置采用柱塞泵13吸取油箱12中的液压油开始工作，通过电磁溢流阀14、单向阀15、压力继电器16、储能器17和二位四通换向阀18实现油路压力的稳定提供和保持，并把油路中稳定的压力通过液压缸7实现轴向力的加载和保持；渗透装置由电动试压泵11提供渗透所需的水压，流体由进水管29流入，经单向阀26自下而上通过毛毡层25、多孔透水板24进入岩石23，再经出水管21流入水箱4，在操作中，可通过带有阀门的压力表20、水压表8以及位移计6实时显示和记录操作数据，并可通过压力传感器9、20和流量传感器10将流量和压力转换为电信号，输入到外接的数据采集仪进行记录、分析。具体的操作步骤如下
(O 确定破碎岩石加载前在缸筒中的初始高度&
用天平称取质量为 的破碎岩石23，将岩石23装入缸筒27内，装上活塞22初步压实，量取活塞22头部露出缸筒27的高度么。由缸筒27的总深度#、活塞22总长Zr、透水板24的厚度A2、毛毡25的厚度A3，根据图3可计算得到破碎岩石23的初始高度怂，
Bt=H -{h-hj Th7-2k,(I)
(2)开启轴向加载装置，加油压O. 5MPa，使连接密实
开启柱塞泵13，使之输出的经过压力表19读得的液压油压力P为O. 5MPa，该初始压力使得轴向加载圆管5的底面与活塞22的顶面在连接处充分接触密实，防止渗流时漏水。(3)启动电动试压泵饱和岩石
启动电动试压泵11向岩石23中注水，使水充分填充到岩石23的空隙，直至观察到渗透装置出水管21有水自动流出为止，说明此时破碎岩石23已达到饱和状态。(4)施加轴向载荷，并保持恒定
为了比较不同应力水平下的蠕变参数，试验前可预设4级递增的载荷值。相应地，可得到4级递增的应力水平。设轴向加载时由压力表19读得的液压油压力为P，根据液压缸7
的内径D，得到液压缸7内的截面面积d 二;/J2 ,则轴向压力为
4
W^==P——(2)
4
此载荷经过空心圆管5及活塞22传给岩石23，设缸筒27的内径为Dl，则缸筒27的内
截面面积为4 爲2 ,于是，位于缸筒27中的岩石23承受的压应力为
4
4xF JfyXjD2
O" 二二 打 2(3)
Df通过改变油压P，即可得到不同的轴向载荷及应力水平。(5)按设定水压给岩石注水渗流
轴向载荷保持恒定后，启动电动试压泵11给岩石23注水，流经水压表8的水压用八
表示。为了测量岩石23在蠕变过程中的渗透参数，可设置4级递增的水压八，每级水压设
置的注水时间t为6小时。岩石23下端经由多孔透水板24、毛毡25、单向阀26与进水管 29相连，岩石23上端通过出水管21与水箱4相连，则岩石23两端的压力差为 AjP = O-P1, =-pw(4)
压力梯度为
& Jy3(5)
Hs为岩石23的高度，H-S，S为岩石23的压缩位移，其值通过位移计6读出。对于每一级设定的水压凡，当流速均匀达到稳定渗流时，由流量传感器10采集的体积流量Q，得到水在岩石23中的渗流速度V为
V —(6)
A
由该速度V在稳定渗流到注水结束这一时间内的平均值得到该级水压下的平均渗流速度4即对每一级孔隙水压1 ，可得到一个平均渗流速度4。依次改变孔隙水压，并按设定时间渗流，当设定的第4级水压渗流结束时，依次计算得到4级渗流速度&及压力梯度值% ,于是由这4个数据点可绘制出%与1散点图， 对该散点图用如下Forchheimer关系式拟合
u -----(7 )
Sr k
其中It、於分别为岩石23的渗透率、非Darcy流於因子，为渗流液体的质量密度，ft 为渗透液体的动力粘度。通过式(J)拟合从而得到表征破碎岩石23的渗透特性参数渗透率k、非Darcy流於因子。在同一级轴向压力的保持阶段，可重复上述注水渗流过程，得到该级轴向压力作用下岩石23在蠕变过程中的渗透特性参数随岩石23的位移S的变化规律。即在轴向应力 O"恒定时，得到
k ^k(S) ,(8)
根据位移计6所得岩石23的压缩位移S，采用对数应变计算岩石的压应变，则各时刻t 岩石的宏观压应变E为
,=L^a') =InHe-ImiH0-Sy(9)
I 馬
于是可绘制每级应力水平下的位移S或宏观应变c随时间的蠕变曲线，即S= 5'CO , E = ε( )( ο)
将￡ = ⑩曲线按如下Kelvin-Volgt螺变模型拟合
(11)
其中，EO为岩石23的瞬时弹性模量 ，El为其极限蠕变变形模量，T1为延迟时间，且有
Th
h = t (12)
瞬时弹性模量EO可由轴向应力ir加载阶段产生的弹性应变·来确定。根据压力传感器20及位移计6的读数，可绘制加载阶段的应力-应变曲线，该曲线在原点附近的斜率值即为瞬时弹性模量Ε0。参数El及％的确定采用如下方法由式(11)知
当时，+ 7(13)
￡ —■^ ro
联合式(11)、(13)得到
Ar = r·-咐=*!^-丄)(14)
eI H
将上式两边取对数得到
■ Λ . G ￡ ■ O E1
hi As = ^ ——-···· — 二 fci ——■·■■ — (15)
上式中若令
y=lnAt-=M^ —难)a = ln^ A=1_^
则可按进行线性回归，得到a及b，从而得到参数El及H。通过以上方法得到了每级轴向应力σ下破碎岩石23在渗流作用下的Kelvin-Volgt螺变模型参数。(6)改变轴向载荷进行下一级应力阶段的蠕变-渗透测试
改变油压，得到不同的轴向压力及应力，再按前面(4) - (5)的测试原理及方法进行试验，可得到不同载荷下岩石23其位移的蠕变曲线及其渗透参数随位移S的变化规律。综合不同载荷水平的试验结果，拟合得到
k = bicr,S) , β=β(σ,5}(16)
上式反映了蠕变变形S对渗透性参数的影响。综合不同轴向载荷下的操作结果，还可获得不同轴向应力下及渗流作用下岩石23
的蠕变规律，得到各级轴向应力下的蠕变参数Ep Ei及铒。以上所得蠕变参数及渗透参数，是在蠕变及渗流同时进行中获得的。轴向应力设置4级，在每一级轴向应力水平下，依次设置4级不同的水压进行测试。为了分析不同因素对蠕变或渗透性能的影响，可局部修改上述操作方案，进行如下操作
(I)不同渗透水压对蠕变影响的操作需对初始高度相同的破碎岩石进行分组试验，在
相同的轴向压力作用下蠕变时，每组选用一种水压凡对岩石23进行渗流。(2)无渗流作用下的蠕变操作在整个蠕变过程中不加水压，用以对比分析有无渗流作用对蠕变模型的影响，可以得到各级应力水平下的蠕变模型及参数；
(3)蠕变对渗透特性影响的操作在同一级应力水平下，分别在蠕变初期(蠕变6小时
内)、蠕变中期(蠕变8-14小时内)及蠕变后期(蠕变18-24小时内)对岩石用相同水压凡渗
流，可以得到同级轴向应力作用下蠕变不同阶段的渗透特性参数。
权利要求
1.一种同时测定破碎岩石蠕变参数及渗透参数的操作方法，采用破碎岩石蠕变一渗透全程耦合操作装置实现轴向压力及渗透压差的加载；所述操作方法的具体特征是(I)确定破碎岩石加载前在缸筒中的初始高度(2)开启轴向加载装置，加油压0.5MPa，使连接密实；(3)启动电动试压泵饱和岩石；(4)施加轴向载荷，并保持恒定，操作前预设4级递增的载荷值，即可得到4级递增的应力水平；(5)按设定水压给岩石注水渗流，渗透加载要求设置4级递增的水压凡，在每级轴向应力o■保持恒定的蠕变阶段，渗透装置按设定的4级水压分别向岩石(23)注水渗流6小时；(6)改变轴向载荷进行下一级应力阶段的蠕变-渗透测试，改变油压，得到不同的轴向压力及应力，再按前面(4) (5)的测试原理及方法进行操作，可得到不同载荷下岩石其位移的蠕变曲线及其渗透参数随位移S的变化规律。
2.根据权利要求I所述的一种同时测定破碎岩石蠕变参数及渗透参数的操作方法，其特征是轴向载荷/^由油压表读数/7及液压缸内截面面积J计算得到；每级水压下的平均渗流速度V1由流量传感器采集的体积流量^及缸筒内截面面积A1计算得到；由位移计读数得到岩石的压缩位移S，由水压表的读数计算岩石两端的渗透压差4 ，用以计算岩石两端的孔压梯度Ik ;当4级水压的渗流加载完毕后，才能开始下一级轴向压应力的加载及蠕变、渗流；在每级轴向应力的蠕变阶段，渗透特性参数由孔压梯度$与平均渗流速度M的SrI散点图，通过Forchheimer非线性渗流关系式拟合得到；每级轴向应力下的螺变三参数，由轴向宏观应变￡的时间曲线，通过Kelvin-Volgt螺变模型拟合得到。
3.根据权利要求I所述的一种同时测定破碎岩石蠕变参数及渗透参数的操作方法，其特征是对于无渗流作用下的蠕变操作，在整个蠕变过程中不加水压，用以对比分析有无渗流作用对蠕变模型的影响，可以得到各级应力水平下的蠕变模型及参数。
4.根据权利要求I所述的一种同时测定破碎岩石蠕变参数及渗透参数的操作方法，其特征是在不同渗透水压对蠕变影响的操作时，需对初始高度相同的破碎岩石进行分组操作，在相同的轴向压力作用下蠕变时，每组选用一种水压凡对岩石(23)进行渗流。
5.根据权利要求I所述的一种同时测定破碎岩石蠕变参数及渗透参数的操作方法，其特征是对于蠕变对渗透特性影响的操作，在同一级应力水平下，分别在蠕变初期(蠕变6 小时内)、蠕变中期(螺变8-14小时内)及蠕变后期(蠕变18-24小时内)对岩石用相同水压1 渗流，可以得到同级轴向应力作用下蠕变不同阶段的渗透特性参数。
全文摘要
本发明涉及一种同时测定破碎岩石蠕变参数及渗透参数的操作方法，其操作方法是采用一种破碎岩石蠕变—渗透全程耦合试验装置实现轴向压力及渗透压差的加载，首先确定岩石加载前在缸筒中的初始高度，然后开启轴向加载装置，启动电动试压泵饱和岩石，施加轴向载荷，按设定水压给岩石注水渗流，最后改变轴向载荷进行下一级应力阶段的蠕变-渗透测试，渗透特性参数由Forchheimer公式拟合孔压梯度与平均渗流速度的散点图得到，蠕变参数由Kelvin-Volgt蠕变模型拟合轴向应变时间曲线得到。该操作方法的有益效果是，可以获取破碎岩石蠕变与渗透全程耦合时的蠕变模型，并通过参数反映了蠕变及渗流的相互影响，操作结果可为破碎岩石蠕变—渗流的理论分析及数值模拟提供理论依据。
文档编号G01N3/10GK102620996SQ20121010460
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月11日 优先权日2012年4月11日
发明者李顺才 申请人:江苏师范大学