[发明专利]基于类岩石树脂试件的水压致裂注水加载装置及试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于类岩石树脂试件的水压致裂注水加载装置及试验方法。

背景技术

脆性材料的破坏过程和内部裂隙扩展演化规律一直是包括岩石力学的固体力学研究的重点和难点。因岩体中普遍含有许多三维裂隙而且多数是中空的，它们强烈地影响着岩体的变形和强度特性。所以三维裂隙或其它材料的扩展与演化规律一直是岩石力学研究的重点内容之一。

目前，室内试验则是研究岩石中三维裂隙扩展规律的主要研究手段。内置三维裂隙的制作主要是通过在制作试件的过程中事先预埋聚酯薄片或金属片实现的，三维中空裂隙在试件中的准确定位（倾角、空间位置等）则是试验成功与否的关键（也是分析试验结果的基础）。因为这一技术有相当的难度，研究含三维中空裂隙并能在其中注水的试验，尚未有人做过或至少十分罕见。

水压致裂方面，用实验室方法研究水力劈裂机理的工作并不很多。国内只有用少量岩石块体或砂浆块体从外部打孔做试验研究的；在美国有些学者采用有机玻璃来模拟岩石体从外部打孔到其中心，再用水压或气压注入产生劈裂裂缝。以上这些试验方法，其缺点是前者因试件不透明，内部很难预制裂隙，也很难追踪和记录内部破裂的发展过程，所以研究其破裂机理很困难。即使有个别学者用冷热循环法制作裂隙，但裂隙有随机分布性，很难做重复性试验。而且裂隙连通至试件表面，内部很难通入高水压，所以有较大缺陷。至于国外在研究页岩气透气技术时Alpern,J（2012）采用有机玻璃做试件，虽然可以看清其内部破裂的发展，但有机玻璃的力学特性与岩石特性相差太远，其代表性较差。而且有机玻璃很难在其中预制一定的裂隙，更难以制作中空裂隙，所以他们只研究试件中间预先无裂隙的情况，即从外部打钻孔进去直接压裂的方法，这是比较容易做到的。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种含三维中空裂隙的基于类岩石树脂试件的水压致裂注水加载装置及试验方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于类岩石树脂试件的水压致裂注水加载装置，包括注水机构和加载机构，

所述注水机构包括电动加压执行设备、数字控制系统和水压传导设备，电动加压执行设备包括支座，支座上分别设有固定安装的储水管和能在支座上前后移动的动力机构，动力机构通过动力传动机构与设置于储水管中且能沿储水管轴向移动的密闭活塞相连，储水管内腔与进出水装置连通，储水管一端与水压传导设备连通，水压传导设备的垫块与试件模型相配合，且通过加载机构将垫块与试件模型压紧；数字控制系统分别与动力机构以及设置于储水管中监测水压压力变化的压力传感器相连。

所述储水管为密闭筒体，其一端开有供动力传动机构通过且与其相配合的螺纹孔，另一端开有与水压传导设备连通的开口，密闭筒体一端的侧面上开有与进出水装置连通的通孔。

所述动力机构包括电动机，电动机下部卡设于轨道上，轨道固定于支座上。

所述动力传动机构包括螺栓杆，螺栓杆一端与动力机构的动力输出轴相连，另一端与穿过储水管一端的螺纹孔与密闭活塞相连。

所述进出水装置包括与储水管上的通孔相连通的管道，管道上设有第一阀门，管道上端设有与其相通的储水罐。

所述水压传导设备包括与储水管上的开口相通的导水管，导水管上设有第二阀门，导水管另一端与垫块相连。

所述垫块上设有与导水管相通的且与试件模型的注水导管相匹配的出水口，且出水口凹入垫块表面形成圆形凹槽并在凹槽边缘加设橡胶垫圈，用以保证试件模型注入有压水时其接口的密封性。

所述加载机构为简易真三轴加载设备，该设备处于-30℃的冷冻实验室中，能确保试验在低温条件下进行，以保证树脂试件模型的冷脆性，所述简易真三轴加载设备包括高压加载系统和反力装置系统，高压加载系统包括千斤顶和加载板，千斤顶的一端与加载板连接，另一端与反力装置系统连接，与千斤顶相连的六块加载板分别紧贴在试件模型的前、后、左、右、上、下六个侧面上；千斤顶的进出油口分别通过油管与手摇泵相连，并形成回油管路；反力装置系统包括模型反力装置、法兰盘和反力传递板，模型反力装置由盒式铸钢构件和角钢构件通过高强连接螺栓连接组成；反力传递板一侧面紧靠模型反力装置的内壁，法兰盘通过内六角螺栓固定在反力传递板的另一相对侧面上，高压加载系统的千斤顶通过内六角螺栓固定在法兰盘上。

所述千斤顶共有三对，分别为加载于试件模型上下表面的第一对千斤顶、加载于试件模型左右表面的第二对千斤顶和加载于试件模型上下表面的第三对千斤顶，每一对千斤顶均并联通过油管与相对应的手摇泵连通。