相似材料渗流-能量特性真三轴综合实验系统研发及应用

相似材料渗流-能量特性真三轴综合实验系统研发及应用
赵鹏翔;贺斌雷;肖鹏;张远琛;高锦彪
【摘要】为开展采动覆岩破断与卸压瓦斯运移规律的三维物理相似模拟实验,在渗流系数能量控制模型的基础上,研制出相似材料渗流-能量特性真三轴实验系统,并详细介绍系统的主要结构、功能及实验方法.结果表明,该系统可由液压加载系统控制对试件所施加的三轴应力,利用多元测试系统对试件压缩过程中油缸的推出力、试件压缩轴向变形量、压缩过程的气体流量及主裂隙导通时的能量耗散进行实时监测,通过对不同配比相似材料试件的真三轴加载实验,研究三轴压缩相似材料的渗流-能量特性为进一步开展采动覆岩裂隙演化与卸压瓦斯运移多物理场耦合规律奠定了实验基础.%According to the 3D physical simulation experiment on the falling process of the overlying rocks in fully-mechanized top-coal caving stope and unloading pressure gas migration rule,we developed a true triaxial experiment system of the similar material seepage-energy characteristics based on energy control model of seepage coefficient.And introduced the main structure and function of the system and the experimental method.The specimen is imposed the triaxial stress by the controlled hydraulic loading system.It is real-time monitored by the multivariate testing system that the stress of the compressed samples,the axial deformation launch of the compressed specimen,the compressed gas flow and the energy dissipation of main fracture.The seepage-energy characteristics of the similar material is researched based on the true triaxial loading experiment for the different ratio of similar material specimen when it is compressed.The results will provide experimental
foundation for the further development of rock fracture evolution and the coupled law of pressure relief gas transport and rock fracture evolution.【期刊名称】《西安科技大学学报》
【年(卷),期】2017(037)004
【总页数】7页(P522-528)
【关键词】真三轴实验系统;气体渗流;能量耗散;相似材料
【作者】赵鹏翔;贺斌雷;肖鹏;张远琛;高锦彪
【作者单位】西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054;教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室,陕西西安710054;西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054;西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054;教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室,陕西西安710054;西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054;西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054【正文语种】中文
【中图分类】TD712
对于煤炭开采过程而言，由于地质构造应力的作用，使其所处的环境往往为三向不等压状态。

同时为了保证煤矿开采过程不受瓦斯涌出及积聚的威胁，会在煤层开采前或开采过程中对其进行瓦斯抽采，而煤层开采、钻井和钻孔等行为会导致应力的重新分布并造成局部应力集中，相应的围岩应力状态同样为三向不等压状态，即真三轴状态(σ1>σ2>σ3).对这种力学行为开展现场测试还很困难，而传统的岩石力学实验通常采用单轴(σ1>σ2=σ3=0)或者伪三轴(σ1>σ2=σ3)方式进行[1]，均属于简单应力状态范畴。

因此对相似材料试件开展真三轴应力条件下的力学特性与流
体渗流规律研究，能够使实验室对现场实际的反演更贴近实际。

世界上第一台真三轴实验装置是由W.Kjellman[2]在1936年研制成功的，该装置主要适用于砂土。

随着工业技术的不断发展，国内外许多学者先后研制了多种真三轴实验台。

K.Mogi[3-4]研制成功了世界上第一台针对岩石试件的真三轴实验装置，并通过实验探讨了中间主应力对岩石力学特性的影响。

尹光志等[5-6]对岩石压裂
过程的中间主应力对岩石力学特性的影响利用自制的真三轴实验台开展了研究。

孙晓明等[7-8]研制了一套能够对岩石开展单相拉压、剪切、三向压缩及多种拉压组
合实验的真三轴软岩实验系统。

李维树等[9-10]开展了中尺寸岩石试件及现场蠕变真三轴实验系统的研发。

邵生俊等[11]研制了一种具有轴向刚性板加载、侧向双轴液压柔性囊加载的新型真三轴实验台。

尹立明等[12]研制了一种利用独立伺服控制施加三维应力，利用声发射系统对三维应力和渗透水压作用下的岩石裂纹扩展演化进行实时跟踪的真三轴实验台。

B.Haimson和C.Chang[13]设计研发出一种用于
硬岩真三轴实验的高压真三轴实验台。

L.P.Frash等[14]研制了一种适用于水力压
裂对岩石储层影响的真三轴实验装置。

综上所述，国内外在研制真三轴实验装置方面已经开展了很大量的工作，一定程度上推进了土力学、岩石力学、渗流力学及地质学的发展。

但已有的装置主要集中在对实际岩石取样进行真三轴条件下的研究，而对于相似材料试件开展真三轴压裂及其中气体渗流与压裂时的能量释放监测的实验台研发还很少，通过研发一种相似材料渗流-能量综合测试实验台，对三轴条件
下的相似材料渗流及能量特性开展研究，为进一步完善三维多场耦合物理相似模拟实验的开展具有十分重要的意义。

试件的渗透性取决于其内部孔隙结构的变化，在三轴应力环境中试件内部孔隙结构的变化不仅取决于试件受到的轴向应力的变化[12]，同时也取决于垂直气体流动方向及平行于气体流动方向的侧向应力变化的影响，因此岩石受轴向应力及两侧向应力压缩后，其所产生的损伤变量Ds可表示为
Ds=Ds1+Ds3=[σ1-v*(σ2+σ3)]+[σ3-v*(σ2+σ1)],
通过对上式整理可得
Ds=(σ1+σ3)-σ2,
根据胡克定律，岩石压缩法向应变为
Dn=-(σ1+σ3),
根据已有的孔隙的本构方程，孔隙压缩变形为
B=d0(1-e-Ds),
当对岩石试件施加三轴应力后，岩石变形后孔隙的大小为
B1=d0-B,
岩体渗透性仅与其内部孔隙的大小结构有关，根据岩体渗流的平方定律k=得出岩体孔隙中渗透率的变化模型
结合文献[15]中推导出的岩石三轴条件下全应力应变能量本构模型，可以得出三轴加载条件下试件渗透率的能量控制模型
式中 Ds为岩石压裂过程中的损伤变量；Ds1,Ds2为主应力方向及垂直于气体流动方向的损伤变量)；E为岩石的弹性模量，MPa；v*为岩石的泊松比；σ1，σ2，σ3为3个方向的应力，MPa；P为孔隙压力，MPa；a为节理粗糙对孔隙气压的影
响系数；为裂隙的泊松比；分别为裂隙的法相弹性模量和切向弹性模量；D0为岩石压裂时裂缝的初始宽度，m；B，B1为岩石压缩孔隙大小变形及初始孔隙大小；k为表示渗透率，um2；g为重力加速度，m/s2；μ为气体的动力粘性系数；ξ,ω为热力学常数，由材料自身热力学特性决定。

相似材料渗流-能量真三轴实验系统主要由4个子系统构成：三轴实验盒子系统，液压加载子系统，PLC程序控制子系统，多元监测子系统，实验系统如图1所示。

2.1 三轴实验盒子系统
实验过程中所采用的相似材料试件为立方体，试件放置于采用5块组合式可移动
钢板组成的实验盒内部。

实验盒包含盒体、垫块、刚性推头、进气筛板及密封胶垫等部件。

盒体前后左右4块侧板通过螺栓连接并固定在勾有3 mm固定卡槽的矩形底板上，可实现实验盒的拆卸及转换。

实验盒采用702硅橡胶密封四周缝隙，以保证实验过程中的气密性。

实验盒结构如图2所示。

实验时油缸、声发射传感器及进气筛板通过前后左右各侧面板进入盒内部给试件加压，通过将H型密封圈加盖板的方式创新的应用于箱体与外界的密封，保证实验时对试件进行三轴加压、能量测试及充气时的良好密封性，解决了真三轴条件下气密性问题。

2.2 液压加载子系统
液压加载子系统中的轴向加载装置由活塞、轴向加载油缸及刚性推头等组成。

其中轴向加载油缸为给试件施加轴向应力的装置，刚性推头为传力装置，考虑到相似材料抗压强度较小[16]，因此最大轴向载荷设计为5 kN，对实验用的相似材料试件可以施加2 MPa的最大轴向主应力。

侧向加载装置的结构与轴向加载装置类似，2个侧向加载油缸横向固定在实验盒外部的承载柱上，2个侧向加载油缸最大施加载荷均为4 kN，对实验用试件可以分别施加1.6 MPa的最大侧向应力。

实验开始前，将制作好的试件放置在实验箱体几何中心处，利用组合节流阀及比例减压阀来控制油缸推出的快慢及推出力度，以此来保证油缸端部推头缓慢与试件接触，而不破坏试件本身。

当油缸推头与试件接触后，立即停止推出，此时蓄能器开始工作，使油缸持续保持输出力不变。

2.3 PLC程序控制子系统
PLC程序控制子系统包括PLC触摸控制屏、数据采集模块及实验台动作控制模块等部分。

控制系统采用德国西门子公司原装进口的电信号控制模块，该控制模块输入输出稳定，通用性及灵敏性高，功耗低，能够实现对轴向油缸及侧向油缸的加载
进行分别控制，数据采集模块实现对轴向加载油缸位移、变形及应力的采集。

该系统控制精确度高，当试件发生瞬间破坏时，系统能够按设定的保护程序自动停止加载。

2.4 多元测试子系统
2.4.1 推出力测试装置
三轴渗透性测试装置压力测试系统采用HG-YB型号的压力变送器，对油缸施加给3个推板的压力进行实时监控，压力变送器与比例减压阀连接，通过专用线路与PLC程序控制系统连接，将电信号换算成压力信号传输给PLC控制子系统，实现
对油泵输出压力的实时监控，该压力可在0～0.5 MPa范围内变化，压力测试装置如图3所示。

2.4.2 位移测试装置
三轴渗透性测试装置测试系统中的位移测试装置采用KTC-4500型号拉杆式位移
传感器，利用连杆机构的原理与轴向应力缸相连，通过1#缸下压试件时的行程位
移来监测试件轴向位移，侧向压力油缸由于只提供围压，而围压在实验测试过程中可人为设定为固定组合，为保证实验箱体的气密性，因此未设置位移传感器。

位移测试装置如图4所示.
2.4.3 气体流量测试装置
三轴渗透性测试装置气体流量测试装置由MF 5700气体质量流量计(0～12
L/min)、专用耐压胶管、快速插头组成，由空气压力机提供具有一定压力的气体，经过专用耐压胶管及快插接头进入实验箱体，通过试件后由在侧向油缸推杆上开设的导气孔经过SL8-02单项微调节流阀，流入流量计，以此监测试件压缩过程中气体流过试件的流量。

2.4.4 能量测试装置
能量测试装置由计算机、声发射信号采集仪、声波放大器、SR150S接触式声发射
传感器构成。

由于用于单轴全应力应变过程测试能量的表面接触式传感器为底部出线，这样对于三轴渗透性测试装置而言密封存在很大问题，因此开展试件三轴全应力应变渗透性测试实验时，选用SR150S接触式传感器，此传感器为尾部出线，
在三轴渗透性测试装置右侧面开变径圆孔，并用空心螺栓引出数据采集线，之后用密封胶密封，以此来保证气密性。

利用三轴渗透性测试装置对水泥沙子质量比从1∶10～1∶50，淀粉含量从0～50 g，水分为试件总质量的1/9的30种配比开展三轴条件下渗流-能量综合测试实验，具体实验方案如下
1)制作30种配比的相似材料试件，每种配比试件各制作3个，晾晒编号备用，使用前在其四周涂抹密封胶，同时将近期筛板与试件之间用密封胶密封，保证通气时的气体密封性；
2)力学特性测试实验设计3种围压(0.5，1.0，1.5 MPa)，测试不同组合围压条件下，试件全应力应变过程中的渗透性变化规律，测试过程中轴向应力在0.06～0.5 MPa范围内近似均与的变化，每次递增压力前，对试件渗透性进行测试，直至试
件压裂为止；
3)为了实验安全起见，试件渗透性测试实验设计5种气体压力(1，2，3，4，5 kPa)，在试件全应力应变过程中，围压保持不变，轴向应力每递增一次，对试件
渗透性进行一次测试，每个压力等级每次测试3次，求其平均值作为实验结果，
以此减小实验误差；
4)能量变化规律测试，表面接触式声发射传感器通过空心螺栓进入三轴渗透性测试装置箱体内部与试件相接触，利用声发射能量监测仪对试件全应力应变过程中的能量变化进行监测，以此得到不同围压组合全应力应变过程中试件的能量变化规律，为三维物理相似模拟实验提供实验基础。

4.1 三轴加载条件下试件渗流速度变化规律
实验利用自行研制的三轴渗透性测试装置对骨胶比为1∶50，淀粉含量50 g的立
方体试件进行三轴渗流-能量测试实验，得到不同围压组合条件下试件渗透速度随
轴向应力增大的变化规律，如图7所示。

从图7(a～b)可以看出，在同一配比条件下，设计两向围压组合为σ2=0.11 MPa,σ3=0.06 MPa；σ2=0.06 MPa，σ3=0.11 MPa；σ2=0.11 MPa，σ3=0.17 MPa；σ2=0.17 MPa，σ3=0.17 MPa在这几种围压组合作用于试件的过程中，
随着轴向应力逐渐增大的过程中，试件渗透速度呈负指数函数的变化趋势逐渐减小，随着围压组合中应力的不断增大，渗流速度下降了33.33%～62.52%，这说明随
着围压的不断增大其对试件中孔隙率的影响十分明显。

由于试件两侧受限，使得试件的压缩膨胀只能发生在试件内部，压缩了试件原本内部的空间体积，使其中原始孔隙变小，阻碍气体流过。

从图7(c，d)中可以看出，随着围压的不断增大，当其组合变为σ2=0.11 MPa，
σ3=0.17 MPa；σ2=0.17 MPa，σ3=0.17 MPa时，渗透性在轴向应力为0.06～0.17 MPa范围内出现明显的先降低后升高的变化趋势，这是由于在较大围压作用下试件压缩前其中孔隙结构已经发生变化，此时对试件继续施加轴向应力后，试件中孔隙产生微弱的开裂，使气体渗流速度出现升高的变化趋势，随后在轴向应力增大过程中，试件中孔隙又被压缩闭合，因此出现了与前面几幅图相类似的逐渐降低的变化趋势，同时由于围压较大，当气体压力较小，轴向应力较大时，试件中孔隙已经压缩至极限开合度，因此导致气体无法通过试件，此时试件渗流速度为0
L/min.
这是由于在压缩过程中渗透性随轴向应力的不断变大，呈现出逐渐变小至最终趋于稳定的变化规律，这说明试件渗透性受三轴应力影响，随着三轴应力的不断增大，使其中颗粒之间的孔隙逐渐被压实闭合，使得气体流过孔隙之间的摩擦阻力增大，因此其渗流速度逐渐变小，而当应力达到一定值时，孔隙已达到压缩的极限，能够
出现完全阻隔气体通过的现象。

4.2 渗透速度与能量随轴压的变化规律
实验利用由计算机、声发射信号采集仪、声波放大器、SR150S接触式声发射传感器组成的能量测试系统对三轴应力压缩过程中试件变形破裂时能量耗散规律进行实验测试，并将其与试件在此过程中的渗透速度随轴向应力的变化规律结合分析，通过对实验数据的总结得出如图8(a～d)所示的变化规律。

从图8(a～d)可以得出，能量耗散的最大值出现在试件渗透速度突变的时候，说明此时试件中孔隙结构发生了较为明显的变化，甚至出现裂隙，导致原本积累的弹性能瞬间释放出来，此时渗流速度也出现突增的变化。

同时，实验还发现在淀粉含量相同的情况下改变其骨胶比，强度较低的试件在压裂时所释放出的能量远小于强度大的试件，这与其在试件弹性阶段的长短有关，强度小的试件受到外界应力作用后，会很快经过弹性区而进入塑性变形区并产生裂隙，产生裂隙的同时便会产生能量的耗散，因此导致其主裂隙产生时所释放的能量较小，强度较大的试件其弹性变形阶段所经历的时间较长，在此阶段中积累的弹性能较多，在试件进入塑性变形阶段及裂隙导通阶段前，未产生明显的裂隙，导致其在主裂隙导通时所释放的能量很大。

1)推导得到三轴加载条件下试件渗透系数变化的能量控制模型，从模型中可以看出随试件能量释放增大，其渗透系数增加，其二者之间呈指数函数的变化规律；
2)自行研制的三轴渗透性测试装置，主要由实验箱体、液压加载系统、PLC程序控制系统、测量系统(位移测量装置、渗透速度测试装置及能量测试装置)组成，能够对试件压缩过程中的变形量、渗流速度、能量耗散进行同步测试；
3)发现不同配比试件的渗流速度在固定围压组合条件下随轴向应力的不断增大而变小，同时观测了不同骨胶比的试件压裂过程中渗透速度与能量耗散之间的变化规律，得到强度小的试件压缩后其弹性阶段较短，很快发生破裂，导致其主裂隙产生时所
释放的能量较小。

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