大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置及测试方法

摘要

本发明公开了一种大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置及测试方法，该装置由围压加载模块、试样存放及出水模块、承压水加载模块、载荷加载模块及信号采集与处理系统组成，围压加载模块由两套独立、垂直的水平加卸载系统构成，对所包裹的试样存放及出水模块进行水平载荷的加卸载，承压水加载模块位于试样存放及出水模块底部，对层状岩石底部进行承压水的加卸载，载荷加载模块位于试样存放及出水模块顶部，对层状岩石顶部进行垂直载荷的加卸载，信号采集与处理系统在实验过程中进行信号采集分析。该试验装置通过四套相互独立的加卸载系统实现层状岩石的真三轴试验，真实模拟煤系层状承压岩石三向不等压的受力状态，较常规三轴试验更加真实可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及层状承压岩石力学特性与渗透特性试验领域，特别涉及一种大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置及测试方法。

背景技术

我国煤炭资源丰富，但水文地质条件复杂，使得煤矿开采中地质灾害时有发生。其中，煤层开采过程中的底板突水严重威胁着煤矿的安全生产，特别是随着开采深度、开采强度的增大，采掘工作面底板承受的水压、地压越来越大，地质构造环境越来越复杂，使得底板突水问题更为普遍且突出。底板突水在造成经济损失和人员伤亡的同时，也对矿区(地下)水资源与环境造成了严重的破坏和污染。因此，加强地下水资源管理，合理利用矿井(地下)水资源，有效遏制底板水害的发生，已成为众多矿井所共同面对的热点问题和技术难题。

承压水体上带压开采不仅具有生产成本低的优点，而且可以有效降低对矿区水资源与环境的污染和破坏，符合科学开采的理念。但其在技术上难度较大，能否安全带压开采，关键取决于煤层底板隔水层的阻水能力。由于地质构造的作用，底板隔水层内部存在大量尺度、方向和性质均不相同、纵横交错的不连续结构面(如节理、裂隙、断层和其它软弱面)。工作面回采过程中会对隔水层中的应力状态产生较大的扰动和影响，在采动应力、承压水渗透力和地应力耦合作用下，底板隔水层内不连续结构面会进一步扩展、贯通直至屈服破坏，使得底板隔水层的渗透性明显改变，进而形成突水通道，诱发工作面底板突水。因此，要弄清楚承压底板隔水层的变形、破坏与渗透性演化的相关关系，就必须开展承压岩石力学特性、破坏机理及其渗透性演化规律方面的试验研究，这将有助于揭示底板突水机理，为突水预测和防治提供重要的理论依据和工程价值。

大量研究表明，底板隔水层的渗透特性与岩层裂隙萌生、扩展、贯通过程密切相关。目前，在岩石力学特性和岩石裂隙扩展、贯通、破坏机理以及岩石渗流应力耦合特性的理论、数值和试验研究方面均取得了丰富的研究成果，所涉及的岩石主要有砂岩、泥岩、煤岩、盐岩、大理岩、花岗岩等。但由于受实验设备及试验岩样尺寸的限制，在反映岩石破坏过程与渗透性演化相关关系的试验研究方面多采用单一岩性的标准岩石试样。而煤系地层属于沉积岩层，具有典型的层状结构特点，组成煤层底板的各层岩层的物理力学性质差别较大，其破坏机理十分复杂。专利“承压岩石破坏失稳过程与动态渗透特性试验装置及方法(201510350657.5)”，通过承压岩石破坏失稳过程中应力应变信号、声发射信号和视电阻率信号的采集与处理，得到大尺寸承压岩石破坏失稳过程中的应力应变关系、声发射事件数量、位置及承压水渗透导升引起的岩石视电阻率变化规律，获得水-力耦合作用下岩石破坏过程中裂隙扩展、贯通与失稳的动态演化规律及其与之相对应的动态渗透特性，在实现承压水上安全带压开采方面具有重要的工程价值。但该试验装置是一种常规三轴承压岩石试验加载装置，其围压为环形液压加载方式，圆柱形岩石试样周围的应力状态完全一致，是一种理想的轴对称状态，不能真实地反映承压水上煤层底板岩层处于三向不等压的受力状态，无法模拟承压岩石的真实三向受力状态，也不能研究中间主应力、层状岩石的各向异性对其渗透特性的影响规律。因此，迫切需要构建全新试验装置及测试方法深入开展真三轴条件下层状承压岩石破坏机理与渗透特性相关方面的研究工作，阐明三向不等压条件下层状岩石水-力耦合变形破坏过程与渗透性演化规律的关系，为预测和防治煤层底板突水提供重要的理论和实验依据，实现承压水上煤层安全带压开采。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置及测试方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置，其由围压加载模块、试样存放及出水模块、承压水加载模块、载荷加载模块及信号采集与处理系统组成，围压加载模块由两套相互独立、相互垂直的水平加卸载系统构成，其能在两个相互垂直的方向上对所包裹的试样存放及出水模块进行水平方向上载荷的加载与卸载，承压水加载模块位于试样存放及出水模块底部，对层状岩石底部进行承压水的加载与卸载，载荷加载模块位于试样存放及出水模块顶部，对层状岩石顶部进行垂直方向上载荷的加载与卸载，信号采集与处理系统在整个实验过程中进行信号的采集与分析；

其中，围压加载模块由圆形围压缸、方形橡胶筒、圆形端盖、圆形端盖密封环、内六角螺钉、方形下密封环、方形限位卡环、限位卡环螺钉、方形上密封环、方形密封定位压钣、压钣固定螺钉、液压控制系统、第一液压油管、第一液压阀门、第一稳压装置、第一三通阀、第一左液压油缸、第一左活塞杆、第一左球头、第一左垫块、第一左压板、第一左位移传感器、第一左载荷传感器、第一右液压油缸、第一右活塞杆、第一右球头、第一右垫块、第一右压板、第一右位移传感器、第一右载荷传感器、第二液压油管、第二液压阀门、第二稳压装置、第二三通阀、第二前液压油缸、第二前活塞杆、第二前球头、第二前垫块、第二前压板、第二前位移传感器、第二前载荷传感器、第二后液压油缸、第二后活塞杆、第二后球头、第二后垫块、第二后压板、第二后位移传感器、第二后载荷传感器、第一排气阀组成；所述方形橡胶筒与所述圆形围压缸构成内方外圆的围压腔，利用方形下密封环、方形限位卡环、限位卡环螺钉、方形上密封环、方形密封定位压钣、压钣固定螺钉对内方外圆的围压腔进行密封处理；所述圆形端盖与圆形围压缸相匹配，并利用圆形端盖、圆形端盖密封环、内六角螺钉对圆形围压缸进行密封；所述第一左液压油缸与第一右液压油缸关于圆形围压缸对称布置，构成第一套水平加卸载系统；所述第一左活塞杆一端内置于所述第一左液压油缸内、第一右活塞杆一端内置于所述第一右液压油缸内，所述第一左活塞杆与第一右活塞杆的另一端均穿过所述圆形围压缸侧壁，在围压腔内第一左活塞杆通过所述第一左球头、第一左垫块与所述第一左压板相连，第一右活塞杆通过所述第一右球头、第一右垫块与所述第一右压板相连；所述第一左位移传感器与第一右位移传感器分别布置在第一左液压油缸与第一右液压油缸上，所述第一左载荷传感器与第一右载荷传感器分别布置在第一左活塞杆与第一右活塞杆上，采集第一套水平加卸载系统的位移与载荷；所述第二前液压油缸与第二后液压油缸关于圆形围压缸对称布置，构成第二套水平加卸载系统，且第二套水平加卸载系统与第一套水平加卸载系统在同一个平面内相互垂直，关于圆形围压缸对称分布；所述第二前活塞杆一端内置于所述第二前液压油缸内、第二后活塞杆一端内置于所述第二后液压油缸内，所述第二前活塞杆与第二后活塞杆的另一端均穿过所述圆形围压缸侧壁，在围压腔内第二前活塞杆通过所述第二前球头、第二前垫块与所述第二前压板相连，第二后活塞杆通过所述第二后球头、第二后垫块与所述第二后压板相连；所述第二前位移传感器与第二后位移传感器分别布置在第二前液压油缸与第二后液压油缸上，所述第二前载荷传感器与第二后载荷传感器分别布置在第二前活塞杆与第二后活塞杆上，采集第二套水平加卸载系统的位移与载荷；所述第一液压油管一端依次通过第一液压阀门、第一稳压装置、第一三通阀后，分别与所述第一左液压油缸与第一右液压油缸相连，另一端与所述液压控制系统相连，控制第一套水平加卸载系统；所述第二液压油管一端依次通过第二液压阀门、第二稳压装置、第二三通阀后，分别与所述第二前液压油缸与第二后液压油缸相连，另一端与所述液压控制系统相连，控制第二套水平加卸载系统；所述液压控制系统通过所述第一液压油管同步控制所述第一左活塞杆与第一右活塞杆的伸入与伸出，实现第一套水平加卸载系统对方形橡胶筒内层状承压岩石的水平加载与卸载；所述液压控制系统通过所述第二液压油管同步控制所述第二前活塞杆与第二后活塞杆的伸入与伸出，实现第二套水平加卸载系统对方形橡胶筒内层状承压岩石的水平加载与卸载，且所述液压控制系统控制的第一套水平加卸载系统与第二套水平加卸载系统相互独立，可以实现层状承压岩石两个相互垂直方向上不等压侧向载荷的加载与卸载；所述第一排气阀与所述围压腔内部连接，围压加载过程中，通过第一排气阀排出围压腔内残存气体，保持围压腔内气压平衡；

试样存放及出水模块由方形试样存放腔、方形承压多孔透水钢篦、承压轴、方形压头、方形密封圈、出水管、流量传感器、贮水槽组成；将加工好的大尺寸层状岩石试样放置在方形试样存放腔内，方形试样存放腔的底部设有方形承压多孔透水钢篦、方形试样存放腔的顶部为方形压头；所述方形承压多孔透水钢篦放置在圆形围压缸底部的方形凸台肩部上，其尺寸与方形凸台肩部、突起高度相匹配；所述方形压头与所述承压轴为一整体，承压轴穿过圆形端盖深入方形试样存放腔中，并通过方形压头压住层状岩石试样顶部，岩石电液伺服压力试验机通过承压轴传递载荷对层状岩石试样进行加卸载，方形压头与方形试样存放腔之间的径向间隙利用方形密封圈进行密封处理；

承压水加载模块由方形承压水存贮槽、高压水管、高压水表、承压稳压装置、注水阀、柱塞计量式高压水泵、水箱、第三三通阀、排水卸压阀、第二排气阀组成；所述方形承压水存贮槽内的承压水通过方形承压多孔透水钢篦作用在方形试样存放腔内的层状岩石试样底部，对其施加一定的承压水压；所述高压水管一端与所述方形承压水存贮槽内部连接，管路上依次设置有高压水表、承压稳压装置、注水阀、柱塞计量式高压水泵、水箱；所述承压稳压装置与所述注水阀之间，通过第三三通阀连接所述排水卸压阀，并与所述水箱连接，通过排水卸压阀排出方形承压水存贮槽内高压水体以卸载承压水；所述第二排气阀与所述方形承压水存贮槽内部连接，承压水加载过程中，通过第二排气阀排出方形承压水存贮槽内残存气体；

载荷加载模块由岩石液压伺服加载与控制系统构成，包括YAW型岩石电液伺服压力试验机、带有PowerTestV3.3加载与控制及应力应变数据采集与处理的PC机；

信号采集与处理系统由应变采集与处理系统、声发射信号采集与处理系统、视电阻率信号采集与处理系统三部分组成；应变采集与处理系统包括电阻应变片、第一弹性橡胶圈、数据传输导线、LB-IV型多通道数字应变仪、带有应力应变数据采集与处理的PC机；电阻应变片利用数据传输导线与试验装置上部侧面的电阻应变片导线转接口相连，并通过相应的导线转接口连接到应变数据采集与处理系统，从而获得层状承压岩石破坏失稳过程中应力应变演化规律；声发射信号采集与处理系统包括耐压声发射接收探头、探头抗压防护罩、第二弹性橡胶圈、信号传输导线、DS5-16B型全信息声发射信号分析仪、声发射信号采集与处理的PC机；声发射接收探头利用信号传输导线与试验装置上部侧面的声发射探头导线转接口相连，并通过相应的导线转接口连接到声发射信号采集与处理系统，从而获得层状承压岩石破坏失稳过程中声发射事件数量、位置，确定层状承压岩石破坏失稳过程的演化规律；视电阻率信号采集与处理系统包括铜片电极、电极抗压防护罩、第三弹性橡胶圈、铜质漆包信号传输导线、WBD型网络并行电法仪、surfer或illustrator软件辅助绘图的PC机，铜片电极利用铜质漆包信号传输导线与试验装置上部侧面的铜片电极导线转接口相连，并通过相应的导线转接口连接到视电阻率信号采集与处理系统，从而获得层状承压岩石破坏失稳过程中视电阻率信号，确定层状承压岩石破坏失稳过程中渗透性演化规律。

进一步的，所述试验装置，除液压油管、高压水管、出水管、密封圈等辅助配件外，均由具有一定刚度和强度的45号钢铸造加工而成，且其内外表层均镀有一定厚度的聚四氟乙烯绝缘层。

进一步的，所述方形承压多孔透水钢篦为方板形，设有多排间距相同的圆形通孔；所述方形承压多孔透水钢篦上表面设有多条十字型沟槽，其与多排间距相同的圆形通孔相互连通，所述十字型沟槽宽度与圆形通孔直径相同。

进一步的，所述方形压头为方板形，所述方形压头与承压轴中部设有出水孔，出水孔通过出水管依次与流量传感器、贮水槽连接；所述方形压头下表面设有以出水孔为中心的十字型与方形状导水沟槽，且十字型与方形状导水沟槽相互连通。

利用上述装置的一种大尺寸层状承压岩石破坏失稳过程与动态渗透特性测试方法，及大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置，通过层状承压岩石破坏失稳过程中应力应变信号、声发射信号和视电阻率信号的采集与处理，得到大尺寸层状承压岩石破坏失稳过程中的应力应变关系、声发射事件数量、位置及承压水渗透导升引起的岩石视电阻率变化规律，获得水-力耦合作用下层状岩石破坏过程中裂隙扩展、贯通与失稳的动态演化规律及其与之相对应的动态渗透特性。

进一步的，所述方法的具体操作步骤如下：

步骤一、层状岩石试样制备：从煤矿深部承压含水层上方的煤层底板岩层切割完整性较好的不同岩性的岩石，在实验室内加工切割成边长100×100mm或200×200mm、厚度10mm或20mm或30mm或40mm或50mm的方板形岩层(厚度小于边长一半)，由两层或多层岩性相同或不同的方板形岩层组合成试验所要求的大尺寸层状岩石试样，所述大尺寸层状岩石试样的层与层之间通过涂抹快干胶将其粘结固定为一整体；

步骤二、固定电阻应变片：在层状岩石试样的侧面布置、固定电阻应变片，其径向和轴向各一个，在电阻应变片与层状岩石试样的接触位置涂抹快干胶保证接触的良好，并利用第一弹性橡胶圈固定电阻应变片，以防止试验加载过程中电阻应变片滑动，所述电阻应变片利用数据传输导线与试验装置上部侧面的电阻应变片导线转接口相连，并通过相应的导线转接口连接到应变数据采集与处理系统，采集应变变化数据，从而获得层状承压岩石破坏失稳过程中应力应变演化规律；

步骤三、固定声发射接收探头：在层状岩石试样的侧面布置耐压声发射接收探头，在声发射接收探头与层状岩石试样的接触位置涂抹耦合剂，保证接触的良好，利用探头抗压防护罩罩在声发射接收探头上，并利用第二弹性橡胶圈固定抗压防护罩，以避免声发射探头受到层状岩石试样高围压的影响，同时防止试验加载过程中声发射探头滑动，且能实现声发射接收探头的三维空间分布；声发射接收探头利用信号传输导线与试验装置上部侧面的声发射探头导线转接口相连，并通过相应的导线转接口连接到声发射信号采集与处理系统，从而获得层状承压岩石破坏失稳过程中声发射事件数量、位置，确定层状承压岩石破坏失稳过程的演化规律；

步骤四、固定网络并行电路铜片电极：用手持钻机在层状岩石试样侧面钻出一定数目、一定间距和深度的小孔，埋设、固定网络并行电路铜片电极，利用导电胶密封小孔以保证铜片电极与层状岩石试样耦合接触良好，利用电极抗压防护罩罩在铜片电极上，并利用第三弹性橡胶圈固定防护罩，以避免铜片电极损伤围压腔的橡胶筒，同时防止试验加载过程中铜片电极滑动，且能实现网络并行电路铜片电极的三维空间分布。网络并行电路铜片电极利用铜质漆包信号传输导线与试验装置上部侧面的铜片电极导线转接口相连，并通过相应的导线转接口连接到视电阻率信号采集与处理系统，从而获得层状承压岩石破坏失稳过程中视电阻率信号，确定层状承压岩石破坏失稳过程中渗透性演化规律；

步骤五、施加层状岩石试样围压与承压水压：将层状岩石试样放置在方形试样存放腔内，利用岩石电液伺服压力试验机通过承压轴上的方形压头压住层状岩石试样顶部，方形压头与方形试样存放腔之间的径向间隙利用方形密封圈进行密封，圆形围压缸利用圆形端盖进行密封；利用围压加载模块中两套相互独立的水平加卸载系统对层状岩石试样施加两个相互垂直方向上相等或不相等的水平侧向载荷，并利用承压水加载模块通过方形承压多孔透水钢篦在层状岩石试样底部施加一定的稳压承压水；

步骤六、层状岩石试样加载及信号采集：启动应变采集系统、声发射信号采集系统、视电阻率信号采集系统，启动YAW型岩石电液伺服压力试验机的压力加载与控制系统对层状岩石试样进行加载与卸载，并同步监测、采集层状承压岩石破坏失稳过程中的应力应变、声发射及视电阻率信号；

步骤七、采集信号的后处理：利用应力应变处理系统、声发射信号处理系统、视电阻率信号处理系统对加载与卸载过程中同步监测与采集的应力应变信号、声发射信号和视电阻率信号进行识别与处理，得到层状承压岩石破坏失稳过程中的应力应变演化规律、声发射事件数量、破裂位置及视电阻率变化规律，获得水-力耦合作用下层状岩石破坏过程中裂隙扩展、贯通与失稳的动态演化规律及其与之相对应的动态渗透特性；

步骤八、重复上述试验步骤，利用大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置进行不同围压、不同水压、不同载荷作用下层状岩石破坏失稳过程与动态渗透特性的试验研究，得到不同围压、不同水压、不同载荷的真三轴加卸载试验条件下层状承压岩石裂隙扩展、贯通直至破坏失稳过程中的应力应变演化规律、声发射事件数量、破裂位置及视电阻率变化规律，对比分析围压、水压、载荷及中间主应力对层状岩石破坏失稳过程与动态渗透特性的影响规律。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明装置1，方形橡胶筒更换简单，载荷传递均匀；2，设有抗压防护罩，避免声发射探头受高围压的影响，以及铜片电极损伤围压腔橡胶筒；3，承压水存贮槽设置排气阀，防止残余气体压裂层状岩石试样，设置排水卸压阀，可以开展层状岩石试样卸载过程的动态渗透特性试验研究；4，设有稳压装置，有利于层状岩石试样侧向围压及底部承压水水压的稳定；5，试验装置，除液压油管、高压水管、出水管等辅助配件外，均由具有一定刚度和强度的45号钢铸造加工而成，且其内外表层均镀有一定厚度的绝缘层(聚四氟乙烯)，避免钢性试验装置干扰铜片电极的电场分布；6，设有两套相互独立的水平加卸载系统，可以实现层状承压岩石两个相互垂直方向上不等压侧向载荷的加载与卸载，研究中间主应力、层状岩石的各向异性对其渗透特性的影响规律；7，方形压头下表面设有以出水孔为中心的十字型与方形状导水沟槽，利于承压水向压头中部汇聚，易于承压水从出水孔排出；8，方形承压多孔透水钢篦上表面设置与圆形通孔相互连通的多条十字形沟槽，能增大作用在层状岩石试样底部的承压水面积且水压分布均匀，试验结果更科学合理；9，四套加卸载系统相互独立，能真实模拟煤系层状承压岩石三向不等压的受力状态，实现层状岩石的真三轴加卸载试验。

本发明以承压水上煤层高强度回采过程中在造成底板隔水层采动破坏及不连续结构面扩展、贯通、破坏的同时，增大了底板隔水层的渗透性，形成突水通道，诱发工作面底板突水为依托工程背景。采用室内实验对层状岩石水-力耦合破坏机理与承压渗透特性进行研究，分析水-力耦合作用下层状岩石的变形与强度特性、裂隙扩展贯通与破坏特征及承压水在裂隙扩展-贯通-破坏过程中的渗透性演化规律。研究成果为预测和防治煤层底板突水提供重要的理论依据，在实现承压水上安全带压开采方面具有重要的工程价值。

附图说明

图1为大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置结构的左右(a)、前后(b)剖面示意图

图2为大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置两套水平侧向围压加载结构的俯视示意图

图3为大尺寸层状承压岩石试样底部方形承压多孔透水钢箅上表面(a)、下表面(b)结构的俯视示意图

图4为大尺寸层状承压岩石试样顶部方形压头上表面(a)、下表面(b)结构的俯视示意图

图5为加工制备的大尺寸层状承压岩石试样示意图

图6为大尺寸承压岩石试样电阻应变片(a)、声发射探头(b)和网络并行电法铜片电极(c)布置、固定及保护措施示意图

图7为大尺寸承压岩石试样左右和前后侧向围压加载、垂直载荷加载与底部承压水加载示意图

其中，围压加载模块：1-1、圆形围压缸，1-2、方形橡胶筒，1-3、内方外圆的围压腔，1-4、圆形端盖，1-5、圆形端盖密封环，1-6、内六角螺钉，1-7、方形下密封环，1-8、方形限位卡环，1-9、限位卡环螺钉，1-10、方形上密封环，1-11、方形密封定位压钣，1-12、压钣固定螺钉，1-13、液压控制系统，1-14、第一液压油管，1-15、第一液压阀门，1-16、第一稳压装置，1-17、第一三通阀，1-18、第一左液压油缸，1-19、第一左活塞杆，1-20、第一左球头，1-21、第一左垫块，1-22、第一左压板，1-23、第一左位移传感器，1-24、第一左载荷传感器，1-25、第一右液压油缸，1-26、第一右活塞杆，1-27、第一右球头，1-28、第一右垫块，1-29、第一右压板，1-30、第一右位移传感器，1-31、第一右载荷传感器，1-32、第二液压油管，1-33、第二液压阀门，1-34、第二稳压装置，1-35、第二三通阀，1-36、第二前液压油缸，1-37、第二前活塞杆，1-38、第二前球头，1-39、第二前垫块，1-40、第二前压板，1-41、第二前位移传感器，1-42、第二前载荷传感器，1-43、第二后液压油缸，1-44、第二后活塞杆，1-45、第二后球头，1-46、第二后垫块，1-47、第二后压板，1-48、第二后位移传感器，1-49、第二后载荷传感器，1-50、第一排气阀组成。

试样存放及出水模块：2-1、层状岩石试样，2-2、方形试样存放腔，2-3、方形承压多孔透水钢箅，2-3a、圆形通孔，2-3b、十字型沟槽，2-4、方形凸台肩部，2-5、承压轴，2-6、方形压头，2-7、方形密封圈，2-8、导水沟槽，2-8a、十字型导水沟槽，2-8b、方形状导水沟槽，2-9、出水孔，2-10、出水管，2-11、流量传感器，2-12、贮水槽。

承压水加载模块：3-1、方形承压水存贮槽，3-2、高压水管，3-3、高压水表，3-4、承压稳压装置，3-5、注水阀，3-6、柱塞计量式高压水泵，3-7、水箱，3-8、排水卸压阀，3-9、第三三通阀，3-10、第二排气阀。

载荷加载模块：4-1、岩石液压伺服加载与控制系统，4-1a、YAW型岩石电液伺服压力试验机，4-1b、PC机(PowerTestV3.3加载与控制程序及应力应变数据采集与处理程序)。

信号采集与处理系统：5-1、应变采集与处理系统，5-2、声发射信号采集与处理系统，5-3、视电阻率信号采集与处理系统。其中，应变采集与处理系统包括：5-1a、电阻应变片，5-1b，第一弹性橡胶圈，5-1c、数据传输导线，5-1d、电阻应变片导线转接口，5-1e、LB-IV型多通道数字应变仪(中心处理器、显示器和前置放大器AMP)，5-1f、PC机(应力应变数据采集与处理程序)；声发射信号采集与处理系统包括：5-2a、耐压声发射接收探头，5-2b、探头抗压防护罩，5-2c、第二弹性橡胶圈，5-2d、信号传输导线，5-2e、声发射探头导线转接口，5-2f、DS5-16B型全信息声发射信号分析仪(内置信号放大器)，5-2g、PC机(声发射信号采集与处理程序)；视电阻率信号采集与处理系统包括：5-3a、铜片电极，5-3b、电极抗压防护罩，5-3c、第三弹性橡胶圈，5-3d、铜质漆包信号传输导线，5-3e、铜片电极导线转接口，5-3f、WBD型网络并行电法仪(WBDPro电阻率数据解析系统)，5-3g、PC机(surfer或illustrator软件辅助绘图程序)。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明方案做进一步详细描述：

如图1和图2所示，一种大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置，由围压加载模块、试样存放及出水模块、承压水加载模块、载荷加载模块及信号采集与处理系统组成，围压加载模块由两套相互独立、相互垂直的水平加卸载系统构成，其能在两个相互垂直的方向上对所包裹的试样存放及出水模块进行水平方向上载荷的加载与卸载，承压水加载模块位于试样存放及出水模块底部，对层状岩石底部进行承压水的加载与卸载，载荷加载模块位于试样存放及出水模块顶部，对层状岩石顶部进行垂直方向上载荷的加载与卸载，信号采集与处理系统在整个实验过程中进行信号的采集与分析。所述试验装置，除液压油管、高压水管、出水管、密封圈等辅助配件外，均由具有一定刚度和强度的45号钢铸造加工而成，且其内外表层均镀有一定厚度的绝缘层(聚四氟乙烯)。

如图1和图2所示，围压加载模块，由圆形围压缸1-1、方形橡胶筒1-2、内方外圆的围压腔1-3、圆形端盖1-4、圆形端盖密封环1-5、内六角螺钉1-6、方形下密封环1-7、方形限位卡环1-8、限位卡环螺钉1-9、方形上密封环1-10、方形密封定位压钣1-11、压钣固定螺钉1-12、液压控制系统1-13、第一液压油管1-14、第一液压阀门1-15、第一稳压装置1-16、第一三通阀1-17、第一左液压油缸1-18、第一左活塞杆1-19、第一左球头1-20、第一左垫块1-21、第一左压板1-22、第一左位移传感器1-23、第一左载荷传感器1-24、第一右液压油缸1-25、第一右活塞杆1-26、第一右球头1-27、第一右垫块1-28、第一右压板1-29、第一右位移传感器1-30、第一右载荷传感器1-31、第二液压油管1-32、第二液压阀门1-33、第二稳压装置1-34、第二三通阀1-35、第二前液压油缸1-36、第二前活塞杆1-37、第二前球头1-38、第二前垫块1-39、第二前压板1-40、第二前位移传感器1-41、第二前载荷传感器1-42、第二后液压油缸1-43、第二后活塞杆1-44、第二后球头1-45、第二后垫块1-46、第二后压板1-47、第二后位移传感器1-48、第二后载荷传感器1-49、第一排气阀1-50组成；所述方形橡胶筒1-2与所述圆形围压缸1-1同轴并位于圆形围压缸1-1内，方形橡胶筒1-2与圆形围压缸1-1间的空隙构成内方外圆的围压腔1-3；所述圆形端盖1-4与圆形围压缸1-1相匹配，并利用圆形端盖1-4、圆形端盖密封环1-5、内六角螺钉1-6对圆形围压缸1-1进行密封，圆形围压缸1-1内，利用方形下密封环1-7、方形限位卡环1-8、限位卡环螺钉1-9、方形上密封环1-10、方形密封定位压钣1-11、压钣固定螺钉1-12对内方外圆的围压腔1-3进行密封处理。所述第一左液压油缸1-18与第一右液压油缸1-25关于圆形围压缸1-1对称布置，构成第一套水平加卸载系统；所述第一左活塞杆1-19一端内置于所述第一左液压油缸1-18内、第一右活塞杆1-26一端内置于所述第一右液压油缸1-25内，所述第一左活塞杆1-19与第一右活塞杆1-26的另一端均穿过所述圆形围压缸1-1侧壁，在围压腔1-3内第一左活塞杆1-19通过所述第一左球头1-20、第一左垫块1-21与所述第一左压板1-22相连，第一右活塞杆1-26通过所述第一右球头1-27、第一右垫块1-28与所述第一右压板1-29相连；所述第一左位移传感器1-23与第一右位移传感器1-30分别布置在第一左液压油缸1-18与第一右液压油缸1-25上，所述第一左载荷传感器1-24与第一右载荷传感器1-31分别布置在第一左活塞杆1-19与第一右活塞杆1-26上，采集第一套水平加卸载系统的位移与载荷；所述第二前液压油缸1-36与第二后液压油缸1-43关于圆形围压缸1-1对称布置，构成第二套水平加卸载系统，且第二套水平加卸载系统与第一套水平加卸载系统在同一个平面内相互垂直，关于圆形围压缸1-1对称分布；所述第二前活塞杆1-37一端内置于所述第二前液压油缸1-36内、第二后活塞杆1-44一端内置于所述第二后液压油缸1-43内，所述第二前活塞杆1-37与第二后活塞杆1-44的另一端均穿过所述圆形围压缸1-1侧壁，在围压腔1-3内第二前活塞杆1-37通过所述第二前球头1-38、第二前垫块1-39与所述第二前压板1-40相连，第二后活塞杆1-44通过所述第二后球头1-45、第二后垫块1-46与所述第二后压板1-47相连；所述第二前位移传感器1-41与第二后位移传感器1-48分别布置在第二前液压油缸1-36与第二后液压油缸1-43上，所述第二前载荷传感器1-42与第二后载荷传感器1-49分别布置在第二前活塞杆1-37与第二后活塞杆1-44上，采集第二套水平加卸载系统的位移与载荷；所述第一液压油管1-14一端依次通过第一液压阀门1-15、第一稳压装置1-16、第一三通阀1-17后，分别与所述第一左液压油缸1-18与第一右液压油缸1-25相连，另一端与所述液压控制系统1-13相连，控制第一套水平加卸载系统；所述第二液压油管1-32一端依次通过第二液压阀门1-33、第二稳压装置1-34、第二三通阀1-35后，分别与所述第二前液压油缸1-36与第二后液压油缸1-43相连，另一端与所述液压控制系统1-13相连，控制第二套水平加卸载系统；所述液压控制系统1-13通过所述第一液压油管1-14同步控制所述第一左活塞杆1-19与第一右活塞杆1-26的伸入与伸出，实现第一套水平加卸载系统对方形橡胶筒内层状承压岩石的水平加载与卸载；所述液压控制系统1-13通过所述第二液压油管1-32同步控制所述第二前活塞杆1-37与第二后活塞杆1-44的伸入与伸出，实现第二套水平加卸载系统对方形橡胶筒内层状承压岩石的水平加载与卸载，且所述液压控制系统1-13所控制的第一套水平加卸载系统与第二套水平加卸载系统相互独立，可以实现层状承压岩石两个相互垂直方向上不等压侧向载荷的加载与卸载；所述第一排气阀1-50从圆形围压缸1-1侧壁的上部与所述内方外圆的围压腔1-3内部连通，围压加载过程中，通过第一排气阀1-50排出围压腔1-3内残存气体，保持围压腔内气压平衡，以提高试验的可靠性。

如图1所示，试样存放及出水模块，由存放层状岩石试样2-1的方形试样存放腔2-2、方形承压多孔透水钢篦2-3、圆形通孔2-3a、十字型沟槽2-3b、方形凸台肩部2-4、承压轴2-5、方形压头2-6、方形密封圈2-7、导水沟槽2-8、十字型导水沟槽2-8a、方形状导水沟槽2-8b、出水孔2-9、出水管2-10、流量传感器2-11、贮水槽2-12组成。将加工好的大尺寸层状岩石试样2-1放置在方形试样存放腔2-2内，方形试样存放腔2-2的底部设有方形承压多孔透水钢篦2-3、方形试样存放腔2-2的顶部为方形压头；所述方形承压多孔透水钢篦2-3放置在圆形围压缸1-1底部的方形凸台肩部2-4上，其尺寸与方形凸台肩部2-4的突起高度相匹配；所述方形压头2-6与所述承压轴2-5为一整体，承压轴2-5穿过圆形端盖1-4深入方形试样存放腔2-2中，并通过方形压头2-6压住层状岩石试样顶部，所述岩石电液伺服压力试验机通4-1a过承压轴2-5传递载荷对层状岩石试样2-1进行加卸载，方形压头2-6与方形试样存放腔2-2之间的径向间隙利用方形密封圈2-7进行密封处理。如图3所示，所述方形承压多孔透水钢篦2-3为方板形，由高强度、高刚度金属材料加工制作而成，设有多排间距相同的圆形通孔2-3a；所述方形承压多孔透水钢篦2-3上表面设有多条十字型沟槽2-3b，其与圆形通孔2-3a相互连通，所述十字型沟槽2-3b宽度与圆形通2-3a孔直径相同。所述方形承压多孔透水钢篦2-3上表面设置与圆形通孔相互连通的多条十字型沟槽2-3b，既保证方形承压多孔透水钢篦2-3的刚度、强度与所述岩石电液伺服压力试验机4-1a相匹配，又使得通过方形承压多孔透水钢篦2-3作用在层状岩石试样2-1底部的承压水面积增大且水压分布均匀，渗透试验结果更符合实际、更科学合理。如图4所示，所述方形压头2-6为方板形，由高强度、高刚度金属材料加工制作而成；所述方形压头2-6与承压轴2-5中部设有出水孔2-9，出水孔2-9通过出水管2-10依次与流量传感器2-11、贮水槽2-12连接；所述方形压头2-6下表面设有以出水孔2-9为中心的十字型导水沟槽2-8a与方形状导水沟槽2-8b，且导水沟槽相互连通，所述十字型导水沟槽2-8a与方形状导水沟槽2-8b在层状承压岩石破坏失稳过程中能导流承压水，有利于层状岩石试样顶部承压水向方形压头中部汇聚，易于承压水从出水孔排出。

承压水加载模块，由方形承压水存贮槽3-1、高压水管3-2、高压水表3-3、承压稳压装置3-4、注水阀3-5、柱塞计量式高压水泵3-6、水箱3-7、排水卸压阀3-8、第三三通阀3-9、第二排气阀3-10组成。所述方形承压水存贮槽3-1内的承压水通过方形承压多孔透水钢篦2-3作用在方形试样存放腔内的层状岩石试样底部，对其施加一定的承压水压。所述高压水管3-2一端与所述方形承压水存贮槽3-1内部连接，管路上依次设置高压水表3-3、承压稳压装置3-4、注水阀3-5、柱塞计量式高压水泵3-6、水箱3-7；所述承压稳压装置3-4与所述注水阀3-5之间，通过第三三通阀3-9连接所述排水卸压阀3-8，并与所述水箱3-7连接，通过排水卸压阀3-8排出方形承压水存贮槽3-1内高压水体可以卸载承压水；所述第二排气阀3-10与所述方形承压水存贮槽3-1内部连接，承压水加载过程中，通过第二排气阀3-10排出方形承压水存贮槽3-1内残存气体，避免方形承压水存贮槽内残存气体对承压水加载的影响，以提高试验的可靠性。

载荷加载模块，由岩石液压伺服加载与控制系统4-1、YAW型岩石电液伺服压力试验机4-1a、PC机4-1b(PowerTestV3.3加载与控制程序及应力应变数据采集与处理程序)等组成。

信号采集与处理系统，由应变采集与处理系统5-1、声发射信号采集与处理系统5-2、视电阻率信号采集与处理系统5-3三部分组成。所述应变采集与处理系统5-1包括电阻应变片5-1a、第一弹性橡胶圈5-1b、数据传输导线5-1c、电阻应变片导线转接口5-1d，LB-IV型多通道数字应变仪5-1e(中心处理器、显示器和前置放大器AMP)、PC机5-1f(应力应变数据采集与处理程序)；所述电阻应变片5-1a利用数据传输导线5-1c与试验装置上部侧面的电阻应变片导线转接口5-1d相连，并通过相应的导线转接口连接到应变数据采集与处理系统5-1，从而获得承压岩石破坏失稳过程中应力应变演化规律。所述声发射信号采集与处理系统5-2包括耐压声发射接收探头5-2a、探头抗压防护罩5-2b、第二弹性橡胶圈5-2c、信号传输导线5-2d、声发射探头导线转接口5-2e，DS5-16B型全信息声发射信号分析仪5-2f(内置信号放大器)、PC机5-2g(声发射信号采集与处理程序)等；所述声发射接收探头5-2a利用信号传输导线5-2d与试验装置上部侧面的声发射探头导线转接口5-2e相连，并通过相应的导线转接口连接到声发射信号采集与处理系统5-2，从而获得承压岩石破坏失稳过程中声发射事件数量、位置，确定承压岩石破坏失稳过程的演化规律。所述视电阻率信号采集与处理系统5-3包括铜片电极5-3a、电极抗压防护罩5-3b、第三弹性橡胶圈5-3c、铜质漆包信号传输导线5-3d、铜片电极导线转接口5-3e、WBD型网络并行电法仪5-3f(WBDPro电阻率数据解析系统)、PC机5-3g(surfer或illustrator软件辅助绘图程序)等；所述铜片电极5-3a利用铜质漆包信号传输导线5-3d与试验装置上部侧面的铜片电极导线转接口5-3e相连，并通过相应的导线转接口连接到所述视电阻率信号采集与处理系统5-3，从而获得承压岩石破坏失稳过程中的视电阻率信号，确定承压岩石破坏失稳过程中渗透性演化规律。同时，为了避免钢性试验装置干扰网络并行电路铜片电极的电场分布，在整个试验装置内外表层均镀有一定厚度的绝缘层(聚四氟乙烯)。

本发明装置：1，方形橡胶筒更换简单，载荷传递均匀；2，设有抗压防护罩，避免声发射探头受高围压的影响，以及铜片电极损伤围压腔橡胶筒；3，承压水存贮槽设置排气阀，防止残余气体压裂层状岩石试样，设置排水卸压阀，可以开展层状岩石试样卸载过程的动态渗透特性试验研究；4，设有稳压装置，有利于层状岩石试样侧向围压及底部承压水水压的稳定；5，试验装置，除液压油管、高压水管、出水管等辅助配件外，均由具有一定刚度和强度的45号钢铸造加工而成，且其内外表层均镀有一定厚度的绝缘层(聚四氟乙烯)，避免钢性试验装置干扰铜片电极的电场分布；6，设有两套相互独立的水平加卸载系统，可以实现层状承压岩石两个相互垂直方向上不等压侧向载荷的加载与卸载，研究中间主应力、层状岩石的各向异性对其渗透特性的影响规律；7，方形压头下表面设有以出水孔为中心的十字型与方形状导水沟槽，利于承压水向压头中部汇聚，易于承压水从出水孔排出；8，方形承压多孔透水钢篦上表面设置与圆形通孔相互连通的多条十字形沟槽，能增大作用在层状岩石试样底部的承压水面积且水压分布均匀，试验结果更科学合理；9，四套加卸载系统相互独立，能真实模拟煤系层状承压岩石三向不等压的受力状态，实现层状岩石的真三轴加卸载试验。

一种大尺寸层状承压岩石破坏失稳过程与动态渗透特性测试方法，利用大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置，通过层状承压岩石破坏失稳过程中应力应变信号、声发射信号和视电阻率信号的采集与处理，得到大尺寸层状承压岩石破坏失稳过程中的应力应变关系、声发射事件数量、位置及承压水渗透导升引起的岩石视电阻率变化规律，获得水-力耦合作用下层状岩石破坏过程中裂隙扩展、贯通与失稳的动态演化规律及其与之相对应的动态渗透特性。

如上所述的方法，其具体操作步骤为：

步骤1，层状岩石试样制备。从煤矿深部承压含水层上方的煤层底板岩层切割完整性较好的不同岩性的岩石(如石灰岩、页岩、泥岩、砂岩等)，在实验室内加工切割成边长100×100mm或200×200mm、厚度10mm或20mm或30mm或40mm或50mm的方板形岩层(厚度小于边长一半)，由两层或多层岩性相同或不同的方板形岩层组合成试验所要求的大尺寸层状岩石试样，且在大尺寸层状岩石试样的层与层之间通过涂抹快干胶将其粘结固定为一整体，如图5所示。

步骤2，固定电阻应变片。在层状岩石试样的侧面布置、固定电阻应变片，其径向和轴向各一个，如图6(a)所示，在电阻应变片与层状岩石试样的接触位置涂抹快干胶保证接触的良好，并利用第一弹性橡胶圈固定电阻应变片，以防止试验加载过程中电阻应变片滑动。电阻应变片利用数据传输导线与试验装置上部侧面的电阻应变片导线转接口相连，并通过相应的导线转接口连接到应变数据采集与处理系统，从而获得层状承压岩石破坏失稳过程中应力应变演化规律。

步骤3，固定声发射接收探头。在层状岩石试样的侧面布置耐压声发射接收探头，如图6(b)所示，在声发射接收探头与层状岩石试样的接触位置涂抹耦合剂(VC101)保证接触的良好，利用探头抗压防护罩罩在声发射接收探头上，并利用第二弹性橡胶圈固定抗压防护罩，以避免声发射探头受到层状岩石试样高围压的影响，同时防止试验加载过程中声发射探头滑动，且能实现声发射接收探头的三维空间分布。声发射接收探头利用信号传输导线与试验装置上部侧面的声发射探头导线转接口相连，并通过相应的导线转接口连接到声发射信号采集与处理系统，从而获得层状承压岩石破坏失稳过程中声发射事件数量、位置，确定层状承压岩石破坏失稳过程的演化规律。

步骤4，固定网络并行电路铜片电极。用手持钻机在层状岩石试样侧面钻出一定数目、一定间距和深度的小孔，埋设、固定网络并行电路铜片电极，如图6(c)所示，利用导电胶(DDG-A高效电接触导电膏)密封小孔以保证铜片电极与层状岩石试样耦合接触良好，利用电极抗压防护罩罩在铜片电极上，并利用第三弹性橡胶圈固定防护罩，以避免铜片电极损伤围压腔的橡胶筒，同时防止试验加载过程中铜片电极滑动，且能实现网络并行电路铜片电极的三维空间分布。网络并行电路铜片电极利用铜质漆包信号传输导线与试验装置上部侧面的铜片电极导线转接口相连，并通过相应的导线转接口连接到视电阻率信号采集与处理系统，从而获得层状承压岩石破坏失稳过程中视电阻率信号，确定层状承压岩石破坏失稳过程中渗透性演化规律。

步骤5，施加岩石试样围压与承压水压。将层状岩石试样放置在方形试样存放腔内，利用岩石电液伺服压力试验机通过承压轴上的方形压头压住层状岩石试样顶部，方形压头与方形试样存放腔之间的径向间隙利用方形密封圈进行密封，圆形围压缸利用圆形端盖进行密封。利用围压加载模块中两套相互独立的水平加卸载系统对层状岩石试样施加两个相互垂直方向上相等或不相等的侧向载荷，并利用承压水加载模块通过方形承压多孔透水钢篦在层状岩石试样底部施加一定的稳压承压水，如图7所示。

步骤6，岩石试样加载及信号采集。启动应变采集系统、声发射信号采集系统、视电阻率信号采集系统，启动YAW型岩石电液伺服压力试验机的压力加载与控制系统对层状岩石试样进行加载与卸载，并同步监测、采集层状承压岩石破坏失稳过程中的应力应变、声发射及视电阻率信号。

步骤7，采集信号的后处理。利用应力应变处理系统、声发射信号处理系统、视电阻率信号处理系统对加载与卸载过程中同步监测与采集的应力应变信号、声发射信号和视电阻率信号进行识别与处理，得到层状承压岩石破坏失稳过程中的应力应变演化规律、声发射事件数量、破裂位置及视电阻率变化规律，获得水-力耦合作用下层状岩石破坏过程中裂隙扩展、贯通与失稳的动态演化规律及其与之相对应的动态渗透特性。

步骤8，重复上述试验步骤，利用大尺寸层状承压岩石真三轴加卸载试验装置进行不同围压、不同水压、不同载荷作用下层状岩石破坏失稳过程与动态渗透特性的试验研究，得到不同围压、不同水压、不同载荷的真三轴加卸载试验条件下层状承压岩石裂隙扩展、贯通直至破坏失稳过程中的应力应变演化规律、声发射事件数量、破裂位置及视电阻率变化规律，对比分析围压、水压、载荷及中间主应力对层状岩石破坏失稳过程与动态渗透特性的影响规律。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。