一种三轴环境下岩样长期浸蚀装置、系统及方法

技术领域

本申请涉及煤岩体浸蚀技术领域，特别涉及一种三轴环境下岩样长期浸蚀装置、系统及方法。

背景技术

围绕水对煤的软化效应，可以揭示水对煤岩体力学性能的影响规律，阐明水对煤岩体软化的微细观机理，因而，谁对煤柱坝体力学性能的影响是十分显著的，是煤柱坝体蠕变失稳致灾机理研究中中不可忽略的因素。

目前，针对岩样的长期浸泡，对为外部水循环，将岩样放置于流动水中；或者，利用加湿器控制密封箱内湿度恒定从而实现对岩样的浸泡；或者，利用喷淋管对试样进行喷淋实现浸泡。这些方法虽然实现了对岩样的浸润作用，但仅将试样放置于湿润环境中，无法保证试样内部受到有效的水循环，故而不能保证溶液对岩样的浸蚀作用。

因而，亟需提供一种针对上述现有技术不足的技术方案。

发明内容

本申请的目的在于提供一种三轴环境下岩样长期浸蚀装置、系统及方法，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请提供一种三轴环境下岩样长期浸蚀装置，于对浸蚀岩样从轴向和环向进行浸蚀，包括：底座、主桶、轴压板、上盖和岩样压头；所述底座和所述上盖分别可拆卸连接于所述主桶的两端，所述轴压板位于所述主桶内，将所述主桶分割为上腔体和下腔体，所述岩样压头与所述岩样基座之间放置所述浸蚀岩样，所述岩样压头的顶面与所述轴压板的底面相接，所述岩样压头的底面与所述浸蚀岩样的顶面相接；其中，所述底座的上表面设有凸台状的岩样基座，所述岩样基座的侧壁上沿径向设有第一盲孔，所述岩样基座的上表面沿轴向设有第二盲孔，所述第一盲孔和所述第二盲孔连通；

所述岩样压头的侧壁上沿径向设有第三盲孔，所述岩样压头的下表面沿轴向设有第四盲孔，所述第三盲孔与所述第四盲孔连通；

所述主桶为桶装结构，所述桶装结构的侧壁上设有围压压力口和轴压压力口，所述围压压力口与所述下腔体连通，所述轴压压力口与所述上腔体连通；

所述桶装结构的侧壁上还设有均与所述下腔体连通的溶液入口和溶液出口，所述溶液入口与所述第三盲孔管道连接，所述溶液出口与所述第一盲孔管道连接。

优选的，所述岩样基座的上表面还设有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽为环状，所述第二凹槽沿径向设置，连通所述第一凹槽和所述第二盲孔。

优选的，所述第一凹槽有多个，多个所述第一凹槽在所述岩样基座的上表面呈靶状分布。

优选的，所述轴压板的侧壁设有环形凹槽，所述环形凹槽中安装有密封圈。

优选的，所述桶装结构的内侧壁沿周向设有环形腰线，所述环形腰线沿径向朝向所述桶装结构的中轴线凸出，且所述环形腰线位于所述上腔体和所述下腔体的分界处。

优选的，所述溶液入口有多个，多个所述溶液入口沿周向均布。

本申请实施例还提供一种三轴环境下岩样长期浸蚀系统，包括：上述任一实施例所述的三轴环境下岩样长期浸蚀装置、压力加载装置和溶液循环装置；

所述压力加载装置分别与所述三轴环境下岩样长期浸蚀装置的围压压力口和轴压压力口管道连通，用于通过所述围压压力口、所述轴压压力口对浸蚀岩样提供环向压力、轴向压力；其中，所述围压压力口的连接管道上设置有围压调压阀，所述轴压压力口的连接管道上设置有轴压调节阀；

所述溶液循环装置的出口、进口分别与所述三轴环境下岩样长期浸蚀装置的溶液入口、溶液出口连通，用于向所述三轴环境下岩样长期浸蚀装置循环提供浸蚀溶液。

本申请实施例还提供一种三轴环境下岩样长期浸蚀方法，采用上述任一实施例所述的三轴环境下岩样长期浸蚀系统，所述方法包括：

将浸蚀岩样放置于岩样基座上，并在所述浸蚀岩样的上端对齐放置岩样压头；

用热缩管包覆所述浸蚀岩样，以及所述浸蚀岩样与所述岩样基座、所述岩样压头的接缝处；

将所述岩样压头上的第三盲孔与主桶上的溶液入口管道连接，将所述岩样基座上的第一盲孔与所述主桶上的溶液出口管道连接；

将轴压板放置于所述主桶内，且与所述岩样压头的上端面接触后，固定密封所述主桶与所述岩样基座、所述岩样压头；

将所述溶液入口、所述溶液出口分别与溶液循环系统的出口、入口连接；将所述主桶上的围压压力口、轴压压力口分别与压力加载装置相连；

依次打开围压调压阀、轴压调压阀，分别对所述浸蚀岩样提供环向压力、轴向压力；

待所述环向压力与所述轴向压力相同且达到设定压力后，打开所述溶液循环系统，对所述浸蚀岩样进行循环浸蚀。

有益效果：

本申请实施例提供的三轴环境下岩样长期浸蚀装置，用于对浸蚀岩样从轴向和环向进行浸蚀，该浸蚀装置包括：底座、主桶、轴压板、上盖和岩样压头；所述底座和所述上盖分别可拆卸连接于所述主桶的两端，所述轴压板位于所述主桶内，将所述主桶分割为上腔体和下腔体，所述岩样压头与所述岩样基座之间放置所述浸蚀岩样，所述岩样压头的顶面与所述轴压板的底面相接，所述岩样压头的底面与所述浸蚀岩样的顶面相接；其中，所述底座的上表面设有凸台状的岩样基座，所述岩样基座的侧壁上沿径向设有第一盲孔，所述岩样基座的上表面沿轴向设有第二盲孔，所述第一盲孔和所述第二盲孔连通；所述岩样压头的侧壁上沿径向设有第三盲孔，所述岩样压头的下表面沿轴向设有第四盲孔，所述第三盲孔与所述第四盲孔连通；所述主桶为桶装结构，所述桶装结构的侧壁上设有围压压力口和轴压压力口，所述围压压力口与所述下腔体连通，所述轴压压力口与所述上腔体连通；所述桶装结构的侧壁上还设有均与所述下腔体连通的溶液入口和溶液出口，所述溶液入口与所述第三盲孔管道连接，所述溶液出口与所述第一盲孔管道连接。

籍此，浸蚀溶液经溶液入口进入第三盲孔，从第三盲孔经第四盲孔沿浸蚀岩样的上端向下流向浸蚀岩样的内部，并经浸蚀岩样的下端流向第二盲孔，并由于第一盲孔连通的溶液出口流出，实现对浸蚀岩样的内部浸蚀。

通过轴压板将主桶分割为上腔体和下腔体，利用与上腔体连通的轴压压力口对轴压板提供向下的轴向压力，使轴压压力通过轴压板作用于岩样压头上，进而由岩样压头传递至浸蚀岩样，利用围压压力口对下腔体内的浸蚀岩样提供环向压力，实现对浸蚀岩样的轴向、环向加压，避免浸蚀岩样仅尽在围压作用下的初始损伤，排除对浸蚀岩样力学性能造成干扰的可能，确保浸蚀岩样在各向压力相同的状态下实现溶液在浸蚀岩样内部的循环流动。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：

图1为根据本申请的一些实施例提供的一种三轴环境下岩样长期浸蚀装置的结构示意图；

图2为根据本申请的一些实施例提供的一种三轴环境下岩样长期浸蚀装置的主视图；

图3为根据本申请的一些实施例提供的底座的结构示意图；

图4为根据本申请的一些实施例提供的主桶的结构示意图；

图5为根据本申请的一些实施例提供的岩样压头的结构示意图；

图6为根据本申请的一些实施例提供的轴压板的结构示意图；

图7为根据本申请的一些实施例提供的一种三轴环境下岩样长期浸蚀系统的示意图；

图8为根据本申请的一些实施例提供的一种三轴环境下岩样长期浸蚀方法的流程示意图。

附图标记说明：

100、浸蚀装置；200、气瓶；300、轴压调压阀；400、围压调压阀；500、溶液罐；600、循环泵；101、底座；102、主桶；103、轴压板；104、上盖；105、岩样压头；106、浸蚀岩样；111、岩样基座；112、第一凹槽；113、第二凹槽；121、轴压压力口；122、围压压力口；123、溶液入口；124、溶液出口；125、环形腰线；131、环形凹槽；151、第四盲孔；152、第三盲孔。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

申请人研究发现，针对岩样的长期浸泡，目前的装置，一大部分是将试样置于湿润环境中实现浸润，但无法保证试样内部收到有效的水循环，不能保证溶液对岩样的浸蚀；另一部分虽然能够实现对岩样进行内循环浸泡，但仅设有围压而未考虑轴压，易导致试样仅受围压作用从而造成初始损伤，从而导致对岩样的力学特性产生影响；而且，在不设轴压的情况下，注水压力过大时会使岩样上压头零件冲离原位，导致浸泡失败。

基于此，申请人提出了一种三轴环境下岩样长期浸蚀装置，有效解决现有技术在岩样浸泡过程中，仅实现表面浸润，无法实现内部浸蚀的弊端，并且能够保证岩样在浸泡过程中所受的力均匀分布，排除岩样仅在围压作用下对浸蚀岩样造成初始损伤，从而对岩样力学性能造成干扰的可能，确保岩样在各向压力相同的状态下实现溶液在岩样内部的循环流动。

如图1至图6所示，该三轴环境下岩样长期浸蚀装置用于对浸蚀岩样106从轴向和环向进行浸蚀。该浸蚀装置100包括：底座101、主桶102、轴压板103、上盖104和岩样压头105；底座101和上盖104分别可拆卸连接于主桶102的两端，轴压板103位于主桶102内，将主桶102分割为上腔体和下腔体，岩样压头105与岩样基座111之间放置浸蚀岩样106，岩样压头105的顶面与轴压板103的底面相接，岩样压头105的底面与浸蚀岩样105的顶面相接。

本申请中，主桶102为桶装结构，主桶102的上端、下端分别沿径向设置有连接耳板，连接耳板上设置有螺栓孔；在底座101、上盖104上分别对应设置有螺栓孔，籍此，通过螺栓紧固件可以将底座101、上盖104分别连接于主桶102的下端、上端。

本申请中，底座101的上表面设置有凸台状的岩样基座111，岩样基座111的侧壁上沿径向设置有第一盲孔，岩样基座111的上表面沿轴向设置有第二盲孔，第一盲孔和第二盲孔连通；岩样压头105的侧壁上沿径向设有第三盲孔152，岩样压头105的下表面沿轴向设有第四盲孔151，第三盲孔152与第四盲孔151连通。

浸蚀岩样106放置在岩样基座111的凸台上，浸蚀岩样106的上端对齐放置岩样压头105，轴压板103压在岩样压头105上。由轴压板103将主桶102的内部空间分割为上腔体和下腔体。桶装结构的侧壁上设有围压压力口122和轴压压力口121，围压压力口122和下腔体连通，轴压压力口121与上腔体连通。且，桶装结构的侧壁上还设有均与下腔体连通的溶液入口123和溶液出口124，溶液入口123与第三盲孔152管道连通，溶液出口124与第一盲孔管道连通。

基于此，浸蚀溶液能够经溶液入口123进入第三盲孔152，从第三盲孔152经第四盲孔151沿浸蚀岩样106的上端向下流向浸蚀岩样106的内部，并经浸蚀岩样106的下端流向第二盲孔，并由于第一盲孔连通的溶液出口124流出，实现对浸蚀岩样106的内部浸蚀。而且，通过轴压板103将主桶102分割为上腔体和下腔体，利用与上腔体连通的轴压压力口121对轴压板103提供向下的轴向压力，使轴压压力通过轴压板103作用于岩样压头105上，进而由岩样压头105传递至浸蚀岩样106，利用围压压力口122对下腔体内的浸蚀岩样106提供环向压力，实现对浸蚀岩样106的轴向、环向加压，避免浸蚀岩样106仅尽在围压作用下的初始损伤，排除对浸蚀岩样106力学性能造成干扰的可能，确保浸蚀岩样106在各向压力相同的状态下实现浸蚀溶液在浸蚀岩样106内部的循环流动。

本申请中，岩样基座111的上表面还设有第一凹槽112和第二凹槽113，第一凹槽112为环状，第二凹槽113沿径向设置，连通第一凹槽112和第二盲孔。进一步的，第一凹槽112有多个，多个第一凹槽112在岩样基座111的上表面呈靶状分布。具体的，第二凹槽113有多个，多个第二凹槽113交叉分布。

同样的，岩样压头105与浸蚀岩样106接触的端面（即岩样压头105的底面）上设置有与第一凹槽112、第二凹槽113类似的第三凹槽和第四凹槽，第四凹槽沿径向连通第四盲孔151与第三凹槽。通过第四凹槽能够使由第四盲孔151流入的浸蚀溶液流向第三凹槽，增大浸蚀溶液与浸蚀岩样106端面的接触面积，提高浸蚀溶液在浸蚀岩样106中的流通性。

浸蚀溶液经浸蚀岩样106内部流向与浸蚀岩样106的下端基础的岩样基座111，并由第一凹槽112经第二凹槽113后汇流至第二盲孔，由第一盲孔经溶液出口124流出，充分提高了对浸蚀岩样106的内部浸蚀的均匀性。

本申请中，轴压板103将主桶102的腔体分割为上腔体和下腔体，通过轴压压力口121向上腔体供压，使轴压板103沿主桶102的轴线方向向下运动，进而实现对浸蚀岩样106的轴向加压。在此，在轴压板103的侧壁上设置环形凹槽131，环形凹槽131中安装密封圈，保证上腔体与下腔体之间的密闭效果，避免上腔体与下腔体的气体泄露。

轴压板103在向下运动时，通过在桶装结构的内侧壁沿周向设置的环形腰线125对轴压板103的行程进行限位，有效避免对浸蚀岩样106造成损伤。具体的，环形腰线125位于上腔体和下腔体的分界处，且环形腰线125沿径向朝向桶装结构的中轴线凸出。

本申请中，岩样基座111有多个，主桶102侧壁上端溶液入口123、溶液出口124均由多个，且多个溶液入口123、多个溶液出口124均沿周向均布。其中，溶液基座的数量、溶液入口123数量、溶液出口124的数量相同，籍此，可以对多个浸蚀岩样106同时进行浸蚀。在此，多个岩样基座111在底座101上沿底座101的轴线均匀分布。

本申请的浸蚀装置100，可使得浸蚀岩样106在三轴压力下完成浸泡，确保浸蚀溶液由浸蚀岩样106的内部流过，实现对浸蚀岩样106的有效浸蚀；克服了当前浸蚀岩样106在浸泡过程中，仅实现表面浸润，无法实现内部浸蚀的弊端，并且能够保证浸蚀岩样106在浸泡过程中所受到的力均匀分布，排除仅在围压作用下对浸蚀岩样106造成初始损伤，从而对其力学性质造成干扰的可能，确保浸蚀岩样106各向压力相同状态下，实现浸蚀溶液在浸蚀岩样106内的循环流动。

如图7所示，本申请实施例提供的三轴环境下岩样长期浸蚀系统包括上述任一实施例的三轴环境下岩样长期浸蚀装置、压力加载装置和溶液循环装置。

压力加载装置分别与三轴环境下岩样长期浸蚀装置的围压压力口122和轴压压力口121管道连接，用于通过围压压力口122、轴压压力口121对浸蚀岩样106提供环向压力、轴向压力；其中，围压压力口122的连接管道上设置有围压调压阀400，轴压压力口121的连接管道上设置有轴压调压阀300。

具体的，压力加载装置由气瓶200提供所需压力，气瓶200出口通过管道连通围压压力口122和轴压压力口121；其中，通过三通阀将由气瓶200引出的管道分别连接在围压压力口122和轴压压力口121，在围压压力口122与三通阀之间设置围压调节阀，在轴压压力口121与三通阀之间设置轴压调节阀，通过轴压调节阀、围压调节阀对进入上腔体、下腔体的进气压力进行调节。

溶液循环装置的出口、进口分别与三轴环境下岩样长期浸蚀装置的溶液入口123、溶液出口124连通，用于向三轴环境下岩样长期浸蚀装置循环提供浸蚀溶液。

具体的，溶液循环装置包括循环泵600在溶液罐500，循环泵600设置在溶液罐500出口与溶液入口123的连接管道上，溶液罐500进口与溶液出口124连通。同时，在溶液罐500出口与溶液入口123的连接管道上还设置有溶液调节阀，用于对进入主桶102内的浸蚀溶液的流量进行调节。其中，溶液调节阀位于循环泵600与溶液罐500出口之间。

如图8所示，本申请的三轴环境下岩样长期浸蚀方法，能够利用本申请上述任一实施例提供的三轴环境下岩样长期浸蚀系统对浸蚀岩样106进行浸蚀，该浸蚀方法包括：

步骤S101、将浸蚀岩样106放置于岩样基座111上，并在浸蚀岩样106的上端对齐放置岩样压头105；

步骤S102、用热缩管包覆浸蚀岩样106，以及浸蚀岩样106与岩样基座111、岩样压头105的接缝处；

步骤S103、将岩样压头105上的第三盲孔152与主桶102上的溶液入口123管道连接，将岩样基座111上的第一盲孔与主桶102上的溶液出口124管道连接；

步骤S104、将轴压板103放置于主桶102内，且与岩样压头105的上端面接触后，固定密封主桶102与岩样基座111、岩样压头105；

步骤S105、将溶液入口123、溶液出口124分别与溶液循环系统的出口、入口连接；将主桶102上的围压压力口122、轴压压力口121分别与压力加载装置相连；

步骤S106、依次打开围压调压阀400、轴压调压阀300，分别对浸蚀岩样106提供环向压力、轴向压力；

步骤S107、待环向压力与轴向压力相同且达到设定压力后，打开溶液循环系统，对浸蚀岩样106进行循环浸蚀。

具体的，利用本申请的三轴环境下岩样长期浸蚀系统对浸蚀岩样106进行浸蚀时，首先，将浸蚀岩样106放置于底座101的岩样基座111上，并在浸蚀岩样106上方对齐放置岩样压头105，用热缩管包裹浸蚀岩样106，以及浸蚀岩样106与岩样基座111、岩样压头105的接缝处；将主桶102放置在底座101上并用螺栓紧固件连接，将基座上的第一盲孔与溶液出口124管道连接，将岩样压头105上的第三盲孔152与溶液入口123管道连接；随后，将装有密封圈的轴压板103放入主桶102内，盖上上盖104，并用螺栓紧固件将其与主桶102连接并密封。

然后，将溶液入口123、溶液出口124分别与溶液循环系统的出口、入口连接；将主桶102上的围压压力口122、轴压压力口121分别与压力加载装置相连。随后，打开围压调压阀400对浸蚀岩样106施加环向压力，接着，打开轴压调压阀300对浸蚀岩样106施加轴向压力，通过轴压调压阀300、围压调压阀400对轴向压力、环向压力进行调节，在环向压力、轴向压力相同且均达到设定压力后，打开循环泵600，将溶液罐500内的浸蚀溶液经溶液入口123送入，流经浸蚀岩样106后从溶液出口124流出，并再次进入溶液罐500，以循环使用。

本申请中，溶液罐500内存储的浸蚀溶液为纯净水或盐水溶液，水溶液可循环使用，针对浸蚀过程中，浸蚀溶液的溶液粒子变化，可开展浸蚀溶液对浸蚀岩样106的化学溶蚀作用机理研究，从物质反应层面对浸蚀岩样106溶蚀弱化机理进行研究。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。