[发明专利]破碎岩石非线性渗流试验系统及方法

权利要求书

1.一种破碎岩石非线性渗流试验系统，其特征在于：包括试验座、渗流板、筛筒、缸筒、轴向液压加载缸、压头、液压泵、位移传感器、压力传感器、透水板、高压水泵、流量计、水压传感器、数据采集装置和数据处理装置；

试验座的中间位置设置有上下贯通的开口，开口区域装配渗流板，渗流板上均匀分布有上下贯通的渗流孔；

渗流板的下端设置筛筒，渗流孔分布的区域位于筛筒的上端内腔区域内；

渗流板的上端设置缸筒，缸筒的内腔区域位于渗流孔分布的区域内；

试验座上方设置轴向液压加载缸，轴向液压加载缸的伸缩端设置压头，轴向液压加载缸经液压管路连接液压泵，液压管路上设置位移传感器和压力传感器；

压头的下端设置透水板，压头内设置有注水通道，注水通道的一端连接透水板，注水通道的另一端经注水管路连接高压水泵，注水管路上设置流量计和水压传感器；

缸筒内腔设置有破碎岩石试样，压头及透水板从缸筒的上端伸入缸筒内腔；

数据处理装置经信号电缆连接数据采集装置，数据采集装置经信号电缆分别连接位移传感器、压力传感器、流量计和水压传感器。

2.根据权利要求1所述的破碎岩石非线性渗流试验系统，其特征在于：所述筛筒内从上向下依次设置有多个筛网，从上向下筛网的孔径依次变小。

3.根据权利要求2所述的破碎岩石非线性渗流试验系统，其特征在于：所述筛筒为倒置的锥台形。

4.根据权利要求3所述的破碎岩石非线性渗流试验系统，其特征在于：锥台形的筛筒内壁从上向下依次设置有多个台阶，台阶上放置圆形筛网。

5.根据权利要求3所述的破碎岩石非线性渗流试验系统，其特征在于：锥台形的筛筒锥角为60°。

6.根据权利要求1所述的破碎岩石非线性渗流试验系统，其特征在于：缸筒的下端边沿设置有装配耳，装配耳位于开口边沿的上表面，装配耳上设置有若干个第一装配孔，渗流板的边沿位置设置有若干个第二装配孔，筛筒的上端设置有若干个第三装配孔，螺栓依次穿过第一装配孔、第二装配孔和第三装配孔后装配螺母。

7.根据权利要求1所述的破碎岩石非线性渗流试验系统，其特征在于：试验座上设置有若干根支撑柱，若干根支撑柱的顶端共同设置有支撑横梁，支撑横梁上设置轴向液压加载缸。

8.根据权利要求1所述的破碎岩石非线性渗流试验系统，其特征在于：缸筒内腔为圆柱体结构，缸筒内腔设置圆柱体结构的破碎岩石试样。

9.根据权利要求1所述的破碎岩石非线性渗流试验系统，其特征在于：所述数据处理装置为计算机。

10.一种破碎岩石非线性渗流试验方法，应用权利要求1至9任一项所述的破碎岩石非线性渗流试验系统，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、配置不同粒径的破碎岩石试样并将破碎岩石试样置于静水中浸泡至饱和，将破碎岩石试样放置于缸筒内腔；

步骤二、通过压头对破碎岩石试样加载压力和位移，改变压头对破碎岩石试样的加载压力和位移，通过数据采集装置采集压力传感器的数据和位移传感器的数据；

高压水经透水板持续向破碎岩石试样施加水压，在每一组“压头对破碎岩石试样加载压力和位移”中，逐级提高高压水的水压，通过数据采集装置采集流量计的数据和水压传感器的数据，每间隔设定时间收集筛筒内各筛网上各种粒径的破碎岩石颗粒并分别称重记录数据；

步骤三、数据采集装置上传数据至数据处理装置进行数据处理

不同粒径的破碎岩石试样总体积

其中，

V₀为破碎岩石试样总体积，单位为m³；

m_i为构成破碎岩石试样的第i种粒径破碎岩石的质量，单位为kg；

ρ_i为构成破碎岩石试样的第i种粒径破碎岩石的密度，单位为kg/m³；

压头对破碎岩石试样加载至初始位置时，破碎岩石试样空间的总容量V＝Sh；

其中，

V为破碎岩石试样空间的总容量，单位为m³；

S为破碎岩石试样空间的底面积，单位为m²；

h为破碎岩石试样空间的高度，单位为m；

破碎岩石试样的初始孔隙率

其中，

为破碎岩石试样的初始孔隙率；

V为破碎岩石试样空间的总容量，单位为m³；

V₀为破碎岩石试样总体积，单位为m³；

高压水向破碎岩石试样施加初始水压，初始流速

其中，

u₀为初始流速，单位为m/s；

Q₀为初始流量计的数据，单位为m³/s；

s为破碎岩石试样空间的底面积，单位为m²；

根据达西定律，则

其中，

v为流速，单位为m/s；

μ为水的动力粘度，单位为Pa·s；

k为渗透率，单位为m²；

l为破碎岩石试样长度，单位为m；

ΔP为压降，单位为Pa；

根据达西方程变形计算得到

其中，

k₀为初始渗透率，单位为m²；

v₀为初始流速，单位为m/s；

μ为水的动力粘度，单位为Pa·s；

h为破碎岩石试样空间的高度，单位为m；

P₀为初始水压传感器的数据，单位为Pa；

在不同压力P下试验进行至t时刻，t时刻流失的破碎岩石总体积

其中，

P为t时刻压力传感器的数据，单位为MPa；

V_st为t时刻流失的破碎岩石总体积，单位为m³；

m_ti为t时刻收集第i种破碎岩石的质量，单位为kg；

ρ_i为构成破碎岩石试样的第i种粒径破碎岩石的密度，单位为kg/m³；

t时刻破碎岩石试样空间容量V_t＝V-D_tS

其中，

V_t为t时刻破碎岩石试样空间容量，单位为m³；

V为破碎岩石试样空间的总容量，单位为m³；

D_t为t时刻位移传感器的数据，单位为m；

s为破碎岩石试样空间的底面积，单位为m²；

t时刻的孔隙率

其中，

为t时刻的孔隙率；

V_t为t时刻破碎岩石试样空间容量，单位为m³；

V₀为破碎岩石试样总体积，单位为m³；

V_st为t时刻流失的破碎岩石总体积，单位为m³；

t时刻的渗透率

其中，

k_t为t时刻的渗透率，单位为m²；

k₀为初始渗透率，单位为m²；

为t时刻的孔隙率；

为破碎岩石试样的初始孔隙率；

t时刻水压力梯度

其中，

J_t为t时刻水压力梯度，单位为Pa/m；

P_t为t时刻水压传感器的数据，单位为Pa；

h为破碎岩石试样空间的高度，单位为m；

D_t为t时刻位移传感器的数据，单位为m；

根据非线性渗透定律经验公式，J＝AQ+BQ²

多次拟合计算得到线性项系数A和非线性项系数B；

其中，

J为水压力梯度，单位为Pa/m；

Q为流量计的数据，单位为m³/s；

A为线性项系数，单位为kg·s^-1·m^-5；

B为非线性项系数，单位为kg·m^-8。