[发明专利]真三轴水压致裂岩石力学试验系统

摘要

本发明提供一种能够实现大尺度岩石样品在高地应力条件下被高压水流致裂的岩石力学试验系统。其特征是采用高压气源、气驱液增压泵、柱塞式伺服泵、数字闭环伺服控制器、蓄能器以及柔性大面积扁千斤顶组成柔性伺服加载部分实现在岩石试样三个方向独立加压来实现大尺度岩石试样的真三轴柔性伺服加载；采用数字闭环伺服控制器、电液伺服阀、两台柱塞式伺服泵、蓄能器组成高压水流伺服供液部分来实现高压水流伺服供液；采用桶形整体反力框、顶底部压力厚板、多立柱抗拉机构以及V形固紧钢板组成系统反力框架部分为岩石试样高地应力模拟提供反力。

主权项

1.一种能够实现大尺度岩石样品在高地应力条件下被高压水流致裂的岩石力学试验系统，由岩石试样柔性伺服加载部分，高压水流伺服供液部分，系统反力框架部分共三大部分构成，所述岩石试样柔性伺服加载部分和所述高压水流伺服供液部分均与试验系统计算机控制端(35)连接；所述岩石试样柔性伺服加载部分和所述高压水流伺服供液部分分别与所述系统反力框架部分连接；所述岩石试样柔性伺服加载部分由高压气源(1)，气压传感器(2)，第一水箱(3)，第一水泵(4)，蓄能器(5)，气驱液增压泵(6)，第一柱塞式伺服泵(7)，单向阀门(8)，第一水压传感器(9)，第一进水阀门(10)，上下扁千斤顶(11)，前后扁千斤顶(12)，左右扁千斤顶(13)，出水阀门(14)和三轴压力伺服数字控制器(15)组成，高压气源(1)的供气压力可调节且满足气驱液增压泵(6)的进气端压力要求，蓄能器(5)能够配合第一水泵(4)为气驱液增压泵(6)提供恒定压力的稳定水流，气驱液增压泵(6)能使用高压气体驱动水流并实现高效增压，最终水压能满足上下扁千斤顶(11)，前后扁千斤顶(12)，左右扁千斤顶(13)所需要的压力，第一柱塞式伺服泵(7)能配合气驱液增压泵(6)实现水压力的精准伺服，所有的扁千斤顶均采用激光焊接技术成形以避免千斤顶在压力的情况下发生侧漏；所述高压水流伺服供液部分由第二水箱(16)，第二水泵(17)，第二柱塞式伺服泵(18)，第二水压传感器(19)，液压自动转换阀(20)，第二进水阀门(21)，注入钻孔(22)和伺服供液数字控制器(23)组成，针对高压水伺服供液实现钻孔内加载并致裂岩石试样的需求，采用伺服电机驱动两台第二柱塞式伺服泵(18)的技术实现高压水流作用于钻孔内壁并压裂岩石试样；水压致裂岩石的伺服供液能通过两台第二柱塞式伺服泵(18)的活塞交替往复驱动实现高压水流的伺服供液，两台第二柱塞式伺服泵(18)进行交替往复驱动时通过液压自动转换阀(20)来控制水流及压力，保证输出稳定流速的高压水流，液压最终能恒定在预定应力值上；所述系统反力框架部分由上部盖板(24)，桶形反力框(25)，底部盖板(26)，桶内垫块(27)，紧固螺杆(28)，紧固螺母(29)，V形固紧钢板(30)，试样上部压板(31)，试样托底钢板(32)，注液管(33)和岩石试样(34)组成，桶形反力框(25)的整体刚度大于10GN/m，上部盖板(24)与底部盖板(26)为硬化处理钢，上部盖板(24)与底部盖板(26)的反力由紧固螺杆(28)和紧固螺母(29)来提供，通过V形固紧钢板(30)便于在岩石试样(34)的侧面实现预紧固，注液管(33)的直径能根据高压水的流速要求进行调整，试验系统中的岩石试样柔性伺服加载部分和高压水流伺服供液部分这两部分的同步协调由试验系统计算机控制端(35)来完成；所述高压气源(1)的输出端连接有第一管道，所述第一管道分别与三个所述气驱液增压泵(6)的驱动活塞端连接；所述气压传感器(2)设置在所述第一管道上；所述第一水箱(3)与所述第一水泵(4)的输入端通过管道连接；所述第一水泵(4)的输出端连接有第二管道，所述第二管道分别与三个所述气驱液增压泵(6)的输入端连接；所述蓄能器(5)设置在所述第二管道上；三个所述气驱液增压泵(6)的输出端通过三根第三管道分别对应连接至所述上下扁千斤顶(11)、所述前后扁千斤顶(12)和所述左右扁千斤顶(13)；三个所述第一进水阀门(10)分别对应设置在三根所述第三管道上；所述第二管道还分别与三个所述第一柱塞式伺服泵(7)的输入端连接；三个所述第一柱塞式伺服泵(7)的输出端分别通过管道与三个所述单向阀门(8)的输入端一一对应连接；三个所述单向阀门(8)的输出端分别一一对应连接至三个所述第一进水阀门(10)与三个所述气驱液增压泵(6)之间的所述第三管道上；位于所述单向阀门(8)与所述第一进水阀门(10)之间的三根所述第三管道上，分别对应设置有三个所述第一水压传感器(9)；所述上下扁千斤顶(11)设置在所述岩石试样(34)上下面，所述前后扁千斤顶(12)设置在所述岩石试样(34)的前后面，所述左右扁千斤顶(13)设置在所述岩石试样(34)的左右两侧面；三个所述出水阀门(14)分别连接至所述上下扁千斤顶(11)、所述前后扁千斤顶(12)、所述左右扁千斤顶(13)；所述三轴压力伺服数字控制器(15)分别与所述气压传感器(2)、三个所述第一水压传感器(9)和三个所述第一柱塞式伺服泵(7)的控制端连接，用于获取所述气压传感器(2)集到的气压和三个所述第一水压传感器(9)采集到的水压，并控制三个所述第一柱塞式伺服泵(7)的打开与关闭；所述第二水箱(16)与所述第二水泵(17)的输入端通过管道连接；所述第二水泵(17)的输出端分别与两个所述第二柱塞式伺服泵(18)的输入端通过管道连接；两个所述第二柱塞式伺服泵(18)的输出端分别通过第四管道和第五管道与所述液压自动转换阀(20)连接；所述液压自动转换阀(20)还通过管道与所述第二进水阀门(21)的输入端连接，所述第二进水阀门(21)的输出端通过管道连接至所述注入钻孔(22)；两个所述第二水压传感器(19)分别设置在所述第四管道上和所述液压自动转换阀(20)上；所述伺服供液数字控制器(23)分别与两个所述第二水压传感器(19)和两个所述第二柱塞式伺服泵(18)的控制端连接；所述伺服供液数字控制器(23)还与所述试验系统计算机控制端(35)连接；所述上部盖板(24)与所述底部盖板(26)平行设置；所述上部盖板(24)下表面设置有所述V形固紧钢板(30)；所述桶形反力框(25)，设置在所述底部盖板(26)的上面，并与所述底部盖板(26)垂直；所述上部盖板(24)与所述桶形反力框(25)之间留有缝隙；所述上部盖板(24)和所述底部盖板(26)通过两根所述紧固螺杆(28)固定，所述紧固螺杆(28)两端拧入所述紧固螺母(29)；所述桶形反力框(25)的内侧面设置有所述桶内垫块(27)；所述底部盖板(26)上表面设置有试样托底钢板(32)；所述上下扁千斤顶(11)置于所述试样托底钢板(32)上，所述岩石试样(34)位于所述上下扁千斤顶(11)中间，所述上下扁千斤顶(11)上面设置有所述试样上部压板(31)；所述注液管(33)通过所述缝隙插入至所述岩石试样(34)表面。