岩石单裂隙不同温度下化学溶液渗流试验装置

摘要

本发明涉及一种岩石单裂隙不同温度下化学溶液渗流试验装置，包括试件装置系统、轴向加压系统、围压系统、化学溶液压力加载系统、伺服控制系统和数据采集系统，所述试件装置系统包括试件、圆柱状的热缩管和圆柱体刚性垫块，所述刚性垫块的一端设置有渗透孔、环形渗透凹槽和径向渗透凹槽，所述化学溶液压力加载系统设置有加热装置，加热装置包括加热器和温度传感器，加热器设置在试件装置系统一侧的溶液管道上，加热器与试件装置系统之间的溶液管道上设置有温度传感器。为提高试验精确度，加热器与试件装置系统之间的溶液管道的管壁设置有保温材料，加热器采用陶瓷加热器。

说明书

技术领域

本发明涉及到一种岩石单裂隙不同温度下化学溶液渗流试验装置，该设备适于研究不同温度化学溶液渗过岩石单裂隙时发生的化学腐蚀—应力耦合作用。 

背景技术

岩体裂隙通常主导着地下水的运移方向，是渗流场的主要研究对象。同时，由于受控于矿物溶解的表面反应机制，节理裂隙形成的水岩化学作用自由接触面也是地球化学反应的主要发生场所。因此，岩体裂隙的存在极大地影响了地下岩体力学场的平衡和地下水在渗流场中的运移及地球化学反应的进行。鉴于裂隙面赋存环境的多样性，对裂隙面在多场耦合作用下演化机制的研究具有重要的基础意义。 

已有研究表明，力学作用会使裂隙面产生压密或是滑移，由此引起渗透性的变化。同时，化学反应会使裂隙表面物质发生溶解或沉淀，将引起渗流通道的改变。而当外力及渗流同时作用于裂隙面上时，其渗透性质的变化受到力学作用及化学反应共同控制。由于水岩化学腐蚀和温度有极为密切的关系，不同温度的化学溶液通过岩石裂隙发生的化学腐蚀的强度不一样。目前还没有不同围压、不同温度化学溶液下岩石裂隙化学腐蚀、裂隙变形的试验装置。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩石单裂隙不同温度下化学溶液渗流试验装置，可以实现不同化学溶液温度和不同围压下，岩石单裂隙的化学腐蚀、裂隙变形的试验。 

本发明的目的是这样实现的：一种岩石单裂隙不同温度下化学溶液渗流试验装置，包括试件装置系统、轴向加压系统、围压系统、化学溶液压力加载系统、伺服控制系统和数据采集系统，所述试件装置系统包括试件、圆柱状的热缩管和具有渗透孔、环形渗透凹槽和径向渗流凹槽的圆柱体刚性垫块，热缩管套合在试件上，所述刚性垫块的一端设置有渗透孔、环形渗透凹槽和径向渗透凹槽；渗透孔、环形渗透凹槽和径向渗透凹槽相互连通；所述化学溶液压力加载系统设置有加热装置，加热装置包括加热器和温度传感器，加热器设置在试件装置系统一侧的溶液管道上，加热器与试件装置系统之间的溶液管道上设置有温度传感器。 

为实现产品优化、改善、提高本发明的综合性能，其进一步的措施是加热器与试件装置系统之间的溶液管道的管壁设置有保温材料；加热器为陶瓷加热器。 

本发明采用化学溶液压力加载系统设置有加热装置的技术方案，解决了目前岩石单裂隙化学溶液渗流试验装置不能实现不同温度化学溶液对岩石裂隙化学腐蚀、裂隙变形试验的缺陷。 

本发明相对现有技术产生的有益效果是： 

1、岩石单裂隙不同温度下化学溶液渗流试验装置增加加热装置，能研究不同温度化学溶液渗流作用下岩石裂隙化学腐蚀、裂隙变形试验； 

2、试验装置的刚性垫块的一端设置有渗透孔、环形渗透凹槽和径向渗透凹槽，化学溶液渗透效果更好； 

3、制作简单、安装方便，为科研提供便利。 

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。 

附图说明

图1为本发明岩石单裂隙不同温度下化学溶液渗流试验装置的结构示意图。 

图2为本发明岩石单裂隙化学溶液渗流试验装置的刚性垫块结构示意图。 

图中：1、加载油缸，2、伺服电机I，3、减速机I，4、螺旋传动副I，5、活塞I，6、热缩管，7、刚性垫块，8、伺服电机II，9、转数传感器，10、减速机II，11、螺旋传动副II，12、活塞II，13、裂隙面，14、渗流排出孔管，15、平底烧瓶，16、电子天平，17、电脑控制器，18、缸体I，19、缸体II，20、伺服电机III，21、齿型带轮减速机构，22、滚珠丝杠传动机构，23、移动横梁，24、试件，25、试验力传感器，26、加载轴，27、加热器，28、溶液管道，29、保温材料，30、温度传感器，31、流量传感器，32、轴向位移传感器，33、 径向位移传感器，34、数据线I，35、数据线II，36、阀门I，37、阀门II，38、阀门III，39、阀门IV，40、阀门V，41、阀门VI，42、渗透孔，43、环形渗透凹槽，44、径向渗透凹槽。 

具体实施方式

参见附图1和附图2，一种岩石单裂隙不同温度下化学溶液渗流试验装置，包括试件装置系统、轴向加压系统、围压系统、化学溶液压力加载系统、伺服控制系统和数据采集系统，所述试件装置系统包括试件24、圆柱状的热缩管6和具有渗透孔42、环形渗透凹槽43和径向渗透凹槽44的圆柱体刚性垫块7，热缩管6套合在试件24上，所述刚性垫块7的一端设置有渗透孔42、环形渗透凹槽43和径向渗透凹槽44；其中渗透孔42、环形渗透凹槽43和径向渗透凹槽44相互连通；所述化学溶液压力加载系统设置有加热装置，加热装置包括加热器27和温度传感器30，加热器27设置在试件装置系统一侧的溶液管道28上，加热器27与试件装置系统之间的溶液管道28上设置有温度传感器30。为提高试验精确度，加热器27与试件装置系统之间的溶液管道28的管壁设置有保温材料29，加热器27最优采用陶瓷加热器。溶液管道28、刚性垫块7、活塞II12均用耐腐蚀的不锈钢材料制作而成。 

试件装置系统包括圆柱状的热缩管6和具有渗透孔42、环形渗透凹槽43和径向渗透凹槽44的圆柱体刚性垫块7，试件24为的单裂隙岩块， 通过对圆柱体岩样进行巴西劈裂产生一条平行于轴线方向、贯穿整个试样的人工粗糙裂隙面13，将劈裂试样合拢后，用热缩管6将其套住，置于上下两个刚性垫块7之间。 

轴压加载系统包括伺服电机III20、齿型带轮减速机构21、滚珠丝杠传动机构22。伺服电机III20通过齿型带轮减速机构21带动滚珠丝杠传动机构22，在滚珠丝杠上的移动横梁23通过加载轴26对试件24施加试验力，移动横梁23上的试验力传感器25把力的大小检测出来并传送到电脑控制器17内，移动横梁23将压力给加载轴26时，加载轴26作用于上部刚性垫块7，施加轴力给试件24。 

围压系统包括三轴自平衡压力室与围压加载系统。试件装置系统置于三轴自平衡压力室，三轴自平衡压力室与围压加载系统通过油管相连，其作用是给试件24施加围压，围压的加载是通过加载油缸1来实现，伺服电机I2根据试验软件发出的指令转动通过减速机I3带动螺旋传动副I4的运动带动活塞I5直线运动来调整油缸内的压力，安装在加载油缸1出油端的压力传感器检测油压，传送到电脑控制器17内，电脑控制器17把压力的测量信号进行处理，并与设置的压力数据进行比较，然后给出纠偏信号，使施加的压力值与设置的压力值趋于一致。 

化学溶液压力加载系统中缸体I18、缸体II19，可配置不同的化学溶液，加热器27对溶液管道28内的化学溶液加热，加热温度为常温至100℃，通过电脑控制器17控制加热器27的温度，并用保温材料29将 管道进行保温处理，伺服电机II8同轴配有转数传感器9，根据电脑控制器17的试验软件发出的指令转动，通过减速机II10带传动螺旋传动副II11，使活塞II12进行直线运动，实现溶液压力加载。溶液通过试件装置系统的刚性垫块7中的渗透孔42沿环形渗透凹槽43和径向渗透凹槽44流动，流过试件24的裂隙面13，并通过试件24上部刚性垫块7上的渗流排出孔管14排出溶液，用平底烧瓶15收集并置于电子天平16上，电子天平16与电脑控制器17相连接，采集渗透过岩石裂隙的流量，透过岩石裂隙的流量也可通过孔隙水压加载部分的活塞行程或者流量计得到。 

数据采集系统包括溶液流量和压力、试件24的轴向变形和径向变形、围压和轴压、溶液温度等数据的采集，通过化学溶液压力加载系统的流量传感器31和转数传感器9与电脑控制器17相连，实时采集溶液流量和压力；通过轴向位移传感器32和径向位移传感器33与电脑控制器17相连，实时采集试件24的轴向变形和径向变形；通过轴压加载系统的试验力传感器25与与电脑控制器17相连，实时采集轴压；通过围压系统的压力传感器与电脑控制器17相连，实时采集围压；通过温度传感器30与电脑控制器17相连，实时采集流入裂隙面13的溶液温度。在试验过程中，电脑实时记录溶液流量和压力、试件24的轴向变形和径向变形、围压和轴压、溶液温度曲线。 

本发明岩石单裂隙不同温度下化学溶液渗流试验装置实施例： 

(1)将劈裂后的圆柱形岩石合拢，形成岩样试件24，试件24的尺 寸为直径50mm，高度100mm，用直径为60mm、长度为150mm的耐化学腐蚀的热缩管6将试件24套住，用电吹风将热缩管6加热，保证热缩管6和试件24周边紧密接触，在试件24上下端分别安置具有渗透孔42、环形渗透凹槽43和径向渗透凹槽44的圆柱体刚性垫块7，刚性垫块7尺寸为直径50mm，厚5mm，在试件24外套的热缩管6中部安装径向位移传感器33，以测量试件24的径向变形，在两个刚性垫块7设置轴向位移传感器32，以测量试件24的轴向变形，将径向位移传感器33和轴向位移传感器32分别通过数据线I34、数据线II35和电脑控制器17连接。 

(2)将围岩系统、溶液压力加载系统和化学溶液温度控制系统的管线连接好，在排液口将发生水岩化学作用后的液体收集于平底烧瓶15中，平底烧瓶15置于电子天平16上，将各伺服电机、压力传感器、试验力传感器25、温度传感器30、流量传感器31、轴向位移传感器32、径向位移传感器33、电子天平16分别和电脑控制器17相连。 

(3)轴压加载系统中的伺服电机III20通过齿型带轮减速机构21带动滚珠丝杠传动机构22，在滚珠丝杠传动机构22上的移动横梁23对试件24施加轴压；当围压加载系统在加载油缸1油源充足时，关闭阀门I36，打开阀门II37，通过活塞I5直线运动对试件24施加围压。 

(4)当化学溶液加载器内溶液充足时，关闭阀门III38和阀门IV39，打开阀门V40，伺服电机II8通过减速机II10带动螺旋传动副II11，使加载器的活塞II12进行直线运动，实现溶液压力加载，通过温度传 感器30测得溶液温度，当溶液压力和温度达到设计值时，打开阀门VI41，具有一定温度的溶液通过进液孔和带有渗透孔42、环形渗透凹槽43和径向渗透凹槽44的刚性垫块7，渗入试件24的裂隙面13，并由渗流排出孔管14排出水岩反应后的残液，由平底烧瓶15收集水岩反应后的残液，电子天平16量测出残液重量，称量一定时间间隔所流出的残液的质量，将其换算成流速。每隔一段时间收集一小瓶渗流出口残液采用多参数水质分析仪进行特定离子的浓度检测。 

(4)对数据采集系统的实时数据进行整理，可得到不同温度、不同压力下化学溶液渗过岩石裂隙面13时所产生的试件24变形的力学特性和溶液化学成份的改变规律。