CN103776703B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开了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，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。本发明同时公开了利用该装置的试验方法。本发明克服了在试件模型中预置中空裂隙和注水的难题。

Description

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

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。

第一对千斤顶的进、出油口通过两个并联的第一油管和第二油管与第一手摇泵连通，所述第一油管和第二管油管上分别对应设置阀门A和阀门B；

第二对千斤顶的进、出油口通过两个并联的第三油管和第四油管与第二手摇泵连通，第三油管和第四油管上分别对应设置阀门和阀门且阀门与千斤顶之间的第四油管上分别连通有蓄能器和泄压管，蓄能器与第四油管相连的油管上设有阀门C，泄压管上设有泄压阀

第三对千斤顶的进、出油口通过两个并联的第五油管和第六油管与第三手摇泵连通，所述第五油管和第六管油管上分别对应设置阀门E和阀门F。

所述数字控制系统包括分压控制部分与可视化人机交互界面，两个部分通过线路连接。通过可视化人机交互界面部分输入加载指令，分压控制部分将获得的加载指令处理转换成电信号后输入加压执行部分，动态监测系统压力变化并反馈给可视化人机交互界面部分实时显示并记录存储。

所述分压控制部分由压力监测单元、中央控制单元和压力输出单元组成，压力监测单元和压力输出单元分别与中央控制单元连接，压力监测单元将压力值转化为电信号通过线路反馈给中央控制单元，中央控制单元将这些压力值转化为数字信号后在可视化人机交互界面部分上显示和存储；中央控制单元下达系统加载的各种指令，中央控制单元将在可视化人机交互界面上输入的压力值转化为电信号后输入到压力输出单元；压力输出单元通过继电器控制电动加压设备执行对电机的启动与停止以此来实现对加压执行系统的控制。

系统能自动控制模型前后、左右、上下三对方向的同步加载，但每对方向又可独立加载，有效实现模型系统的真三维加载，也可通过分压控制实现模型的一维、二维和三维加载。三维模型试件模型尺寸为长方体，可通过制作不同尺寸的垫块和导向框，来加载不同尺寸的试件模型。

一种基于类岩石树脂试件模型的水压致裂注水加载装置的试验方法，包括：

1）制备类岩石树脂试件模型；

2）准备加载试验，先将所述试件模型放入一个储水罐中，再向储水罐中注酒精，直至液面淹没试件模型的注水导管口；然后把储水罐放入真空箱中进行抽真空处理；由于液面以外气压的不断下降，试件模型中的注水导管和椭圆薄腔体内的空气会不断浮出液面，酒精即可进入并充满整个试件模型内部的空腔，即注水导管和椭圆薄腔体中，然后将此盛有试件模型的储水罐放入超低温冰箱中，在-20℃条件下冷冻24小时；

3）加载试验；将冷库设为-20℃，先开启注水机构，进行几次打压注水测试，以排尽整个注水设备、管路以及垫块内部的空气，使其充满水；然后取出试件模型，把注水设备的垫块置于试件模型上方，并将垫块的出水口与试件模型的注水导管口对齐，然后将两者放入到简易真三轴加载设备中，并在竖直方向上施加荷载，使橡胶圈产生形变以保证注水管与垫块出水口处的密封性；按照实验要求，在可视化人机交互界面输入指令开始注水，同时启动简易真三轴加载设备，对试件模型加载，观察试件模型裂隙的破坏过程。

所述步骤3）的水为纯水和酒精的混合物，体积比为1:1，以防止纯水在低温下结冰。

所述步骤3）中的对试件模型加载具体步骤为：

（1）先用0.1MP的小压力启用第一手摇泵、第二手摇泵和第三手摇泵，第一手摇泵用0.1MP压力分别通过阀门A、阀门B、第一油管、第二油管和第一对千斤顶，第二手摇泵用0.1MP压力分别通过阀门阀门第三油管、第四油管和第二对千斤顶，第三手摇泵用0.1MP压力分别通过阀门E、阀门F、第五油管、第六油管和第三对千斤顶，将试件模型固定在设定位置，并压紧使之不动；

（2）再加大第二手摇泵的油压，阀门和阀门均打开，油压经第二对千斤顶对试件模型左右表面施加设定好的压力σ2，同时在蓄能器内也有同样压力，关闭阀门和阀门

（3）然后加大第一手摇泵的油压，阀门A和阀门B均打开，油压经第一对千斤顶对试件模型上下顶部施加压力σ1；关闭阀门A和阀门B，

（4）最后加大第三手摇泵的油压，阀门E和阀门F均打开，油压经第三对千斤顶对试件模型前后表面施加水平向压力σ3，关闭阀门E和阀门F；其中，压力σ2和σ3同为侧向压力，方向互相垂直；

（5）若蓄能器不能保证侧向压力σ2不变，用卸压阀慢速放一点油以保持σ2不变；

（6）然后再继续启用第一手摇泵，打开阀门A和阀门B，再继续加大压力σ1；如此反复调整。

所述步骤1）中类岩石树脂试件模型制备方法为：

原材料包括型号为CY-39型树脂和YS-T31型的固化剂，两者的质量比100:34或体积比100:41；具体步骤为：

(1)材料称量

按照配合设计要求称量好试验原材料：树脂、固化剂；

(2)材料拌合

将树脂和固化剂按配合比倒入搅拌筒中，用玻璃棒不断搅拌使之充分混合形成混合料，搅拌时应着重注意容器底部及侧壁位置的材料，应使该部位材料也充分混合，然后放入真空箱中做除气泡处理半小时；

(3)浇铸成型和养护

预置有三维裂隙的模具由5块完全透明的有机玻璃板组成。为一侧开口的方形盒体，并通过有机绝缘硅脂密封形成一个整体；在方形盒体左右两侧板面上不同位置钻孔，用细线牵拉、连接和固定预制裂隙，细线两端固定于两侧板面的孔中，起到准确定位的效果，制作出含不同条数、不同角度、不同位置的三维裂隙（组）试件模型。由于有机玻璃模具有良好的透明性，可以直接观察到整个试件模型固化过程，并可观察和控制裂隙片在容器中位置的变化。定义裂隙面与水平面的夹角为三维裂隙的倾角，通过研制的模具可以预置倾角为60°、45°、30°等多种角度的含三维裂隙（组）试件模型；也可以预置不同数目的三维裂隙组试件模型，如双裂隙、三裂隙、四条裂隙等；还可以预制纵向型、内错型、对顶型等各种裂隙组合的三维裂隙组试件模型。

连接注水管的预制裂隙为：将两片完全相同的椭圆形预制裂隙，通过手工制作的O型橡皮泥密封环将边缘粘接起来，上下二片叠放在一起而形成中空的椭圆薄腔体，并预先在一侧预制裂隙中心处钻孔并引出注水导管，然后将椭圆薄腔体粘贴到棉线的对应位置即可。上述过程中每个连接处必须用胶水严格密封。

把预置有三维裂隙的模具置于工作台上，将步骤（2）制备并处理的混合料用玻璃棒引流入模具中浇铸成型；浇铸后将模具放入真空箱中做除气泡处理20～25分钟，然后放入18℃恒温鼓风干燥箱养护36～40小时；当具备了大于50MPa力学强度后即拆去模具；将脱模后试件模型放入恒温为70℃恒温鼓风干燥箱养护48～50小时后即可完成制作。

预制裂隙采用厚度为0.12mm的云母片。与其它材料（如金属片（铜片、铝片等）、聚乙烯薄片等）相比，云母片刚度低，不会约束试件模型变形、方便裂隙的定位且更接近赋存于岩体中的裂隙。并为了确保裂隙尺寸的精确，制作了三种规格尺寸的椭圆形钢模具，可将云母片裁制为精确的椭圆形，避免了前人试验中手工剪制所带来的尺寸误差。

椭圆形钢模具包括上板、底座和若干导向柱，所述导向柱下端固定于底座上，上板套设在并能够沿其上下移动的导向柱上；所述底座中设有面向底座一侧面开口的空腔，底座上表面设有与所述空腔相通的椭圆形孔。

本发明的有益效果是，本发明采用的脆性度和透明度好的树脂试件模型，可以直观观察水压致裂试验中裂隙的扩展状况；解决了水压致裂试验中在试件模型中难以预制裂隙的难题；克服了在试件模型中预置中空裂隙和注水的技术困难问题，可以从外部注入有压水来开展新的试验，对前人的工作大大推进了一步。

附图说明

图1是尺寸为50mm*50mm*100mm试件模型的荷载-应变曲线图；

图2是用于水压致裂试验的试件模型；

图3是注水设备的构造示意图；

图4是真三轴加载设备的结构示意图；

图5是真三轴加载设备的操作流程示意图；

其中，1.电动机，2.螺栓杆，3.密闭活塞，4.储水管，5.管道，6.第一阀门，7.储水罐，8.压力传感器，9.第二阀门，10.导水管，11.O型圈，12.垫块，13.试件模型，14.注水导管，15.第一对千斤顶，16.第二对千斤顶，17.第三对千斤顶，18.第一油管，19.第二油管，20.第一手摇泵，21.第三油管；22.第四油管；23.第二手摇泵，24.蓄能器，25.泄压管。

具体实施方式

下面结合附图和单裂隙注水试件模型的试验，对本发明进一步说明。

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4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4中且能沿储水管4轴向移动的密闭活塞3相连，储水管4内腔与进出水装置连通，储水管4一端与水压传导设备连通，水压传导设备的垫块12与试件模型13相配合，且通过加载机构将垫块12与试件模型13压紧；数字控制系统分别与动力机构以及设置于储水管4中监测水压压力变化的压力传感器8相连。

储水管4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。

动力机构包括电动机1，电动机1下部卡设于轨道上，轨道固定于支座上，电动机1、轨道和支座共同设置于一壳体内。动力传动机构包括螺栓杆2，螺栓杆2一端与动力机构的动力输出轴相连，另一端与穿过储水管4一端的螺纹孔与密闭活塞3相连。

进出水装置包括与储水管4上的通孔相连通的管道5，管道5上设有第一阀门6，管道5上端设有与其相通的储水罐7。

水压传导设备包括与储水管4上的开口相通的导水管10，导水管10上设有第二阀门9，导水管10另一端与垫块12相连。

垫块12上设有与导水管10相通的且与试件模型13的注水导管14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O型圈11（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。

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。

如图4所示，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15、加载于试件模型左右表面的第二对千斤顶16和加载于试件模型上下表面的第三对千斤顶17，每一对千斤顶均并联通过油管与相对应的手摇泵连通。

如图5所示，第一对千斤顶15的进、出油口通过两个并联的第一油管18和第二油管19与第一手摇泵20连通，所述第一油管18和第二管油管19上分别对应设置阀门A和阀门B；

第二对千斤顶16的进、出油口通过两个并联的第三油管21和第四油管22与第二手摇泵23连通，第三油管21和第四油管22上分别对应设置阀门和阀门且阀门与千斤顶之间的第四油管22上分别连通有蓄能器24和泄压管25，蓄能器24与第四油管22相连的油管上设有阀门C，泄压管25上设有泄压阀

第三对千斤顶的进、出油口通过两个并联的第五油管和第六油管与第三手摇泵连通，所述第五油管和第六管油管上分别对应设置阀门E和阀门F（图中未画出）。

所述数字控制系统包括分压控制部分与可视化人机交互界面，两个部分通过线路连接。通过可视化人机交互界面部分输入加载指令，分压控制部分将获得的加载指令处理转换成电信号后输入加压执行部分，动态监测系统压力变化并反馈给可视化人机交互界面部分实时显示并记录存储。

所述分压控制部分由压力监测单元、中央控制单元和压力输出单元组成，压力监测单元和压力输出单元分别与中央控制单元连接，压力监测单元将压力值转化为电信号通过线路反馈给中央控制单元，中央控制单元将这些压力值转化为数字信号后在可视化人机交互界面部分上显示和存储；中央控制单元下达系统加载的各种指令，中央控制单元将在可视化人机交互界面上输入的压力值转化为电信号后输入到压力输出单元；压力输出单元通过继电器控制电动加压设备执行对电机的启动与停止以此来实现对加压执行系统的控制。

系统能自动控制模型前后、左右、上下三对方向的同步加载，但每对方向又可独立加载，有效实现模型系统的真三维加载，也可通过分压控制实现模型的一维、二维和三维加载。三维模型试件模型尺寸为长方体，可通过制作不同尺寸的垫块和导向框，来加载不同尺寸的试件模型。

一种基于类岩石树脂试件模型的水压致裂注水加载装置的试验方法，包括：

1）制备类岩石树脂试件模型；

2）准备加载试验，先将所述试件放入一个储水罐中，再向储水罐中注酒精，直至液面淹没试件模型的注水导管口；然后把储水罐放入真空箱中进行抽真空处理；由于液面以外气压的不断下降，试件模型中的注水导管和椭圆薄腔体内的空气会不断浮出液面，酒精即可进入并充满整个试件模型内部的空腔，即注水导管和椭圆薄腔体中，然后将此盛有试件模型的储水罐放入超低温冰箱中，在-20℃条件下冷冻24小时；

3）加载试验；将冷库设为-20℃，先开启注水机构，进行几次打压注水测试，以排尽整个注水设备、管路以及垫块内部的空气，使其充满水；然后取出试件模型，把注水设备的垫块置于试件模型上方，并将垫块的出水口与试件模型的注水导管口对齐，然后将两者放入到简易真三轴加载设备中，并在竖直方向上施加荷载，使橡胶圈产生形变以保证注水管与垫块出水口处的密封性；按照实验要求，在可视化人机交互界面输入指令开始注水，同时启动简易真三轴加载设备，对试件模型加载，观察试件模型裂隙的破坏过程。

所述步骤3）的水为纯水和酒精的混合物，体积比为1:1，以防止纯水在低温下结冰。

所述步骤3）中的对试件模型加载具体步骤为：

（1）先用0.1MP的小压力启用第一手摇泵20、第二手摇泵25和第三手摇泵，第一手摇泵20用0.1MP压力分别通过阀门A、阀门B、第一油管18、第二油管19和第一对千斤顶15，第二手摇泵25用0.1MP压力分别通过阀门阀门第三油管21、第四油管22和第二对千斤顶16，第三手摇泵用0.1MP压力分别通过阀门E、阀门F、第五油管、第六油管和第三对千斤顶，将试件模型固定在设定位置，并压紧使之不动；

（2）再加大第二手摇泵25的油压，阀门和阀门均打开，油压经第二对千斤顶16对试件模型左右表面施加设定好的压力σ2，同时在蓄能器23内也有同样压力，关闭阀门和阀门

（3）然后加大第一手摇泵20的油压，阀门A和阀门B均打开，油压经第一对千斤顶15对试件模型上下顶部施加压力σ1；关闭阀门A和阀门B；

（4）最后加大第三手摇泵的油压，阀门E和阀门F均打开，油压经第三对千斤顶对试件模型前后表面施加水平向压力σ3，关闭阀门E和阀门F；其中，压力σ2和σ3同为侧向压力，方向互相垂直；这时侧向压力σ2在蓄能器23调节作用下不会产生明显变化；

（5）若蓄能器23不能保证侧向压力σ2不变，用卸压阀慢速放一点油以保持σ2不变；

（6）然后再继续启用第一手摇泵20，打开阀门A和阀门B，再继续加大压力σ1；如此反复调整。

所述步骤1）中类岩石树脂试件模型制备方法为：

原材料包括型号为CY-39型树脂和YS-T31型的固化剂，两者的质量比100:34或体积比100:41；具体步骤为：

(1)材料称量

量取CY-39型树脂材料500ml，YS-T31型的固化剂200ml。

(2)材料拌合

将树脂和固化剂按配合比倒入搅拌筒中，用玻璃棒不断搅拌使之充分混合形成混合料，搅拌时应着重注意容器底部及侧壁位置的材料，应使该部位材料也充分混合，然后放入真空箱中做除气泡处理半小时；

(3)浇铸成型和养护

制作50mm*50mm的有机玻璃板两块，50mm*100mm的三块，通过有机绝缘硅脂密封形成一个整体，即一个侧面敞开的长方体。在尺寸为50mm*100mm的处于对面的两块板上，用小型钻机分别钻出两个小孔，打孔前应先计算确定小孔的位置。然后用柔软的棉线顺次穿过每个小孔，并把棉线拉紧、固定好；将两片完全相同的椭圆形预制裂隙，通过手工制作的O型橡皮泥密封环将边缘粘接起来，上下二片叠放在一起而形成中空的椭圆薄腔体，并预先在一侧预制裂隙中心处钻孔并引出注水导管，然后将椭圆薄腔体粘贴到棉线的对应位置即可。上述过程中每个连接处必须用胶水严格密封。

把预置有三维裂隙的模具置于工作台上，模具内表面涂抹脱模剂，将步骤（2）制备并处理的混合料用玻璃棒引流入模具中浇铸成型；浇铸后将模具放入真空箱中做除气泡处理20～25分钟，然后放入18℃恒温鼓风干燥箱养护36～40小时；当具备了大于50MPa力学强度后即拆去模具；将脱模后试件模型放入恒温为70℃恒温鼓风干燥箱养护48～50小时后即可完成制作。

预制裂隙采用厚度为0.12mm的云母片。与其它材料（如金属片（铜片、铝片等）、聚乙烯薄片等）相比，云母片刚度低，不会约束试件模型变形、方便裂隙的定位且更接近赋存于岩体中的裂隙。并为了确保裂隙尺寸的精确，制作了三种规格尺寸的椭圆形钢模具，可将云母片裁制为精确的椭圆形，避免了前人试验中手工剪制所带来的尺寸误差。

椭圆形钢模具包括上板、底座和若干导向柱，所述导向柱下端固定于底座上，上板套设在并能够沿其上下移动的导向柱上；所述底座中设有面向底座一侧面开口的空腔，底座上表面设有与所述空腔相通的椭圆形孔。

(3)加载试验的准备工作

须先将试件模型放入一个容量1L的储水罐中，再向储水罐中注酒精（凝点低，不能用水），直至液面淹没试件模型的注水导管口；然后把储水罐放入真空箱中进行抽真空处理。由于液面以外气压的不断下降，注水导管和椭圆薄腔体内的空气会不断浮出液面，酒精即可进入并充满整个试件模型内部的空腔，即注水导管和椭圆薄腔体。然后将此盛有试件模型的储水罐放入超低温冰箱中，在-20℃条件下冷冻24小时（不能用水，就是为了防止此过程结冰）。

(4)加载试验

将冷库设为-20℃。先开启注水机构，进行几次打压注水测试，以排尽整个注水设备、管路以及垫块内部的空气，使其充满水。然后取出试件模型，把注水设备的专用垫块置于试件模型上方，并将垫块的出水口与试件模型的注水导管口对齐，然后将两者放入到三轴加载设备中，并在竖直方向上施加一定的荷载，使橡胶圈产生形变以保证注水管与垫块出水口处的密封性；按照实验要求，在可视化人机交互界面输入指令开始注水，同时启动三轴加载设备，按照前述试验步骤和方法对试件模型进行加载，观察试件模型裂隙的破坏过程。（注：此处所指的“水”，为一定配比的水和酒精的混合物，以防止在低温下结冰。）

如此配制的类岩石材料在较低温度下具有良好的脆性和高透明性，在加压时呈现脆性的断裂特征。拉压强度比在-15℃能达到1/6.6，比前人在-50℃低温条件下的脆性度还要高。-15℃时其相应的力学参数如下：

该类岩石树脂材料透明度极高，可以清晰的观测试件模型在加压后内部的破裂过程和裂隙的萌生、扩展及演化过程。因此适用于岩石裂隙扩展规律的研究。解决了水压致裂试验中在试件模型中难以预制中空裂隙的难题；可以从外部注入有压水来开展新的试验，大大将前人工作向前推进了一步。特别是新材料的拉压强度比（脆性度指标）要比国内外前人所用材料的相应指标提高了一倍之多。应认为更为接近真实岩石的脆性度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于类岩石树脂试件的水压致裂注水加载装置的试验方法，所述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，其特征是，包括：

1)制备类岩石树脂试件模型；

2)准备加载试验，先将所述试件模型放入一个储水罐中，再向储水罐中注酒精，直至液面淹没试件模型的注水导管口；然后把储水罐放入真空箱中进行抽真空处理；由于液面以外气压的不断下降，试件模型中的注水导管和椭圆薄腔体内的空气会不断浮出液面，酒精即可进入并充满整个试件模型内部的空腔，即注水导管和椭圆薄腔体中，然后将此盛有试件模型的储水罐放入超低温冰箱中，在-20℃条件下冷冻24小时；

3)加载试验；将冷库设为-20℃，先开启注水机构，进行几次打压注水测试，以排尽整个注水设备、管路以及垫块内部的空气，使其充满水；然后取出试件模型，把注水设备的垫块置于试件模型上方，并将垫块的出水口与试件模型的注水导管口对齐，然后将两者放入到简易真三轴加载设备中，并在竖直方向上施加荷载，使橡胶垫圈产生形变以保证注水导管与垫块出水口处的密封性；按照实验要求，在可视化人机交互界面输入指令开始注水，同时启动简易真三轴加载设备，对试件模型加载，观察试件模型裂隙的破坏过程；所述的水为纯水和酒精的混合物，体积比为1:1，以防止纯水在低温下结冰。

2.如权利要求1所述的基于类岩石树脂试件的水压致裂注水加载装置的试验方法，其特征是，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。

3.如权利要求2所述的基于类岩石树脂试件的水压致裂注水加载装置的试验方法，其特征是，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。

4.如权利要求2所述的基于类岩石树脂试件的水压致裂注水加载装置的试验方法，其特征是，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。

5.如权利要求4所述的基于类岩石树脂试件的水压致裂注水加载装置的试验方法，其特征是，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。

6.如权利要求1所述的基于类岩石树脂试件的水压致裂注水加载装置的试验方法，其特征是，所述加载机构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。

7.如权利要求6所述的基于类岩石树脂试件的水压致裂注水加载装置的试验方法，其特征是，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；

第一对千斤顶的进、出油口通过两个并联的第一油管和第二油管与第一手摇泵连通，所述第一油管和第二管油管上分别对应设置阀门A和阀门B；

第二对千斤顶的进、出油口通过两个并联的第三油管和第四油管与第二手摇泵连通，第三油管和第四油管上分别对应设置阀门和阀门且阀门与千斤顶之间的第四油管上分别连通有蓄能器和泄压管，蓄能器与第四油管相连的油管上设有阀门C，泄压管上设有泄压阀

第三对千斤顶的进、出油口通过两个并联的第五油管和第六油管与第三手摇泵连通，所述第五油管和第六管油管上分别对应设置阀门E和阀门F。

8.如权利要求1所述的基于类岩石树脂试件的水压致裂注水加载装置的试验方法，其特征是，所述数字控制系统包括分压控制部分与可视化人机交互界面，两个部分通过线路连接；

所述分压控制部分由压力监测单元、中央控制单元和压力输出单元组成，压力监测单元和压力输出单元分别与中央控制单元连接，压力监测单元将压力值转化为电信号通过线路反馈给中央控制单元，中央控制单元将这些压力值转化为数字信号后在可视化人机交互界面部分上显示和存储；中央控制单元将下达系统加载的各种指令，中央控制单元将在可视化人机交互界面上输入的压力值转化为电信号后输入到压力输出单元；压力输出单元通过继电器控制电动加压设备执行对电机的启动与停止以此来实现对加压执行系统的控制。

9.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述3)中的对试件模型加载具体步骤为：

(1)先用0.1MP的小压力启用第一手摇泵、第二手摇泵和第三手摇泵，第一手摇泵用0.1MP压力分别通过阀门A、阀门B、第一油管、第二油管和第一对千斤顶，第二手摇泵用0.1MP压力分别通过阀门阀门第三油管、第四油管和第二对千斤顶，第三手摇泵用0.1MP压力分别通过阀门E、阀门F、第五油管、第六油管和第三对千斤顶，将试件模型固定在设定位置，并压紧使之不动；

(2)再加大第二手摇泵的油压，阀门和阀门均打开，油压经第二对千斤顶对试件模型左右表面施加设定好的压力σ2，同时在蓄能器内也有同样压力，关闭阀门和阀门

(3)然后加大第一手摇泵的油压，阀门A和阀门B均打开，油压经第一对千斤顶对试件模型上下顶部施加压力σ1；关闭阀门A和阀门B；

(4)最后加大第三手摇泵的油压，阀门E和阀门F均打开，油压经第三对千斤顶对试件模型前后表面施加水平向压力σ3，关闭阀门E和阀门F；其中，压力σ2和σ3同为侧向压力，方向互相垂直；

(5)若蓄能器不能保证侧向压力σ2不变，用卸压阀慢速放一点油以保持σ2不变；

(6)然后再继续启用第一手摇泵，打开阀门A和阀门B，再继续加大压力σ1；如此反复调整。