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真三轴岩石剪切渗流系统
真三轴岩石剪切渗流系统
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系统的组成与功能
     试验系统整体由:轴向加载框架、法向加载机构、高压水渗流系统、试验盒、微控系统及数据采集系统、声学系统、伺服系统等组成。在试件侧向方向上,试验台有3类可控边界条件:恒定侧向应力、恒定侧向位移和恒定侧向刚度。在试件垂向方向上平行裂隙剪切方向,可施加垂向应力、位移和渗透压力。在上述边界和荷载条件下可进行一下几项试验
裂隙剪切渗透试验
裂隙闭合应力-渗透耦合试验
裂隙剪切应力-渗透耦合试验
底板岩层结构组合的水压裂隙扩展模拟试验
破碎岩体高压水渗流试验
裂隙岩石高压水致裂试验
底板岩体的剪切渗流流变试验


统的特点
     真三轴加载框架包括三个独立加载液压缸、主机四柱反力架、力传感器、位移传感器、球角加载压头等。主机采用四柱结构形式,两个侧向加载液压缸横向垂直固定在反力架上,力传感器安装在活塞上。
垂向加载机构包括加载油缸、力传感器、位移传感器等。控制系统采用德国DOLI公司原装进口EDC全数字伺服控制器,该控制器是国际领先的控制器,具有多个测量通道,每个测量通道可以分别进行荷载、位移、变形等的单独控制或几个测量通道的联合控制,而且多种控制方式间可以实现无冲击转换。在EDC中可以设置一个刚度控制通道,将根据测量得到的侧向应力与侧向变形计算的试件侧向刚度值作为控制参数反馈给EDC控制输出通道,这样就可以实现常侧向刚度控制。
     高压水渗流系统包括:渗透加压系统、伺服电机和控制器、EDC测控器。该系统可以实现多级可控的恒渗透压力和渗透流量控制。在试验盒的出水口设置一套压力传感器、流量测量装置和稳压装置,并在EDC控制系统软件中设置一个压差控制通道,来测量进口压力和出口压力的差值,实现试验盒进、出口渗透压力差的闭环控制。而且可以实现稳态和瞬态渗透压力控制。
     剪切试验盒内部尺寸为400 mm(高压水渗透方向)×200 mm(渗透宽度)×200 mm(侧向)。

     渗流试验盒包含了盒体、垫块、密封材料、加载板等,盒体中顶板、后板、右侧板由高刚度钢板(SKD11)制成,密封材料采用新型航天硅胶,其既有一定强度、又能承受一定的变形,而且摩擦力比较小,可以很好地隔离高压水的渗透,在试件左侧和前侧通过加载单元施加独立侧向载荷,底部施加垂向载荷和渗透水压,试件通过密封材料实现在滑动状态下仍然保持压缩密封。通过顶部不同材料垫块受压变形量的差异,实现岩块裂隙左右两部分的剪切位移。
     实现单轴及三轴压缩条件下具有不同化学溶液流速的岩石破裂全过程中细观宏观观测与全自动数字记录,研制全数字控制电液伺侯细观加载系统、化学和流体力学系统,引进观测系统。(改进观测系统,能够深层次观测裂缝扩展的细观和宏观现象,手段可以采用强光照射、带有颜色的水流、声波观测系统或者采用自身导电的模拟材料)

系统的技术要求
通过三轴试验系统,实现对结构面裂缝扩展的实际物理过程进行监测,研究在孔隙水压作用下的单向裂缝渗流特性和断层带裂隙采动扩展特性,研究水压、流量在裂隙、断层中的扩展特性,求解渗流参数。研究在开采扰动作用下裂缝、结构面等贯通突水在突水口附近的动力学特性,研究结构面粗糙度对渗流特性的影响度,研究裂缝扩展方向对煤层底板隔水层阻水性能的影响。通过实验分析,研究在深部煤层开采流固耦合的非线性特性,修正darcy定律,考虑其二次项的影响,研究岩体渗流与采动应力耦合机理和底板导水通道的活化扩展特性。


系统的创新点
水压加载系统,水压要求5Mpa及相关稳压系统
轴压与围压加载的稳压系统
试件单向裂缝的预制工具
高水压的密封技术
观测试件流量和水压技术
结构面粗糙度的量化和预制技术
裂缝出水口水量和宏观现象观测技术
数据数字采集系统研制
试件尺寸最大400mm*200*200mm