一种适用于真三轴加载的电法监测装置与及其使用方法

技术领域

本发明涉及煤岩体室内力学与电性特征实验领域，具体涉及一种适用于真三轴加载的电法监测装置与及其使用方法。

背景技术

目前，地下岩土工程已经涉及到地下采矿、天然气与石油等能源的开采，同时也影响着隧道与地下洞室建设活动，深部岩土承受着三个正交方向的力，在实验室真三轴加载条件下可对地应力进行真实模拟，分别为最大主应力，中主应力与小主应力。任何开采条件下都会对地下岩土的受力状态产生扰动，岩石内部结构发生变化，其电性特征也会改变，例如裂隙的发育会导致电阻率的增大，如果岩体裂隙充分发育自身强度下降，在高应力状态下会产生冲击地压等动力灾害。外地应力的大小与复杂程度随着埋深变大而增加，破坏形式也复杂多样，因此对三向围压条件下煤岩破坏全过程的电性特征研究非常重要。

在深部环境资源开采利用的技术手段之一的水力压裂技术非常重要，在采油活动中，该技术改造岩层的渗透性，在采煤活动中，该技术使煤岩层达到增透卸压的目的，水力压裂技术对目标岩体的破坏，同样会导致其电性特征的变化，特别使压裂液作为低阻体在电法监测中具有显著响应，为电法监测水力压裂技术的影响范围评价提供支持。因此对水力压裂过程的电性特征变化以及裂纹扩展的研究也十分重要。为了有效模拟深部开采活动中岩石扰动受损与水力压裂范围监测的电性特征，许多学者对煤岩体再三轴加载条件下的电性特征进行研究。

在真三轴条件下岩石压裂实验的试样中，为达到对裂缝扩展规律与电性特征变化更好的研究，许多学者根据煤岩体力学特征配比一些相似材料，在模具中浇筑，将电极或者探头埋设在未凝固的试样中，或者在原煤与原岩的基础上，进行挖孔挖槽处理，以便安装电极与探头。此种情况下再进行真三轴加载条件下模拟实验，以此方式期望得到裂缝扩展以及电性变化的规律。但是此种操作方式下很容易改变煤岩的物理结构与化学性质，并且破坏煤岩体的整体性，对现场环境的模拟产生会较大的偏差。而且目前测量单轴或者真三轴条件下煤岩体的电性特征，由于安装不便，大都采用少量的探头或者电极进行监测，获得数据量不多，很难全面地对煤岩体进行水力压裂过程的变化特征进行研究。中国专利CN105716954A公开了一种面向水力压裂模拟实验的裂缝形态电学监测方法，在水泥浇筑时加入多根导电石墨棒阵列，待成型固结后，向试件内部注入压裂液，通过测量各个电阻率电阻变化判断裂缝发展情况，但是此种方式使电极无法回收，造成材料的浪费，而且测量方式比较传统，难以高效得到精确数据。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种适用于真三轴加载的电法监测装置与及其使用方法，其提供了新型电极体，方便安装与更换，同时使电极位置的选择更加灵活，能够全方位立体监测岩石试样受载破坏全过程的电性变化特征。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种适用于真三轴加载的电法监测装置，包括固定在加载板上的电极安装板，所述电极安装板上开有若干用于安装电极体并且呈矩形阵列均布的螺纹孔，所述电极安装板贴合加载板的一侧面上开有若干用于将同列或同行螺纹孔端点串联起来的线槽，所述线槽的两端分别延伸至电极安装板边缘，所述电极体包括金属探头，所述金属探头上端的嵌套有探头帽，所述金属探头上端面与探头帽内腔顶面之间压紧有弹簧，所述探头帽侧面上对称设置有两个倒r形滑槽，所述金属探头侧面设有两个与倒r形滑槽适配的用于限制探头帽向下最大位移的滑栓，所述探头帽顶端开有一个连通其内腔的导线孔，所述探头帽的外壁上设有与螺纹孔适配的外螺纹，所述金属探头连接有导线，所述导线穿过探头帽内腔和导线孔后沿着线槽延伸到电极安装板边缘。

优选地，所述金属探头侧边上滑栓的高度不超过探头帽的外径。

优选地，所述电极安装板和探头帽均采用高强度金属材料且表面进行绝缘喷漆处理，所述电极安装板为矩形并且其边缘处设置有倒角。

优选地，所述电极安装板与加载板通过螺栓固定连接，所述电极安装板与加载板的四角分别设有供螺栓穿过的螺纹孔。

优选地，所述螺纹孔采用孔栓填充压紧，所述孔栓采用高强度金属材料制作且表面进行绝缘喷漆处理。

本发明还提供一种适用于真三轴加载的电法监测装置的使用方法，具体包括以下步骤：

S1：确定实验用岩石试样的材料与尺寸规格；

S2：根据岩石试样的尺寸规格与实验方案确定电极安装板的数量和尺寸，确定电极安装板上电极体的布置方式和数量，标注各个电极体的安装位置与序号；

S3：按照位置要求将电极体安装在螺纹孔内，使每个电极体的金属探头高出电极安装板平面；

S4：导线与金属探头连接，并且穿过弹簧和导线孔，然后从螺纹孔内引出导线，沿着线槽延伸到电极安装板边缘处；

S5：利用孔栓将没有布置电极体的孔栓填充补平，孔栓安装高度与电极安装板一侧表面齐平，然后利用螺栓将电极安装板固定在加载板上；

S6：将岩石试样放置在真三轴加载腔体中，将导线连接电法仪器，打开电法仪器，加载板开始加载围压，当压力达到设计轴压σ1、最大水平压力σ2、最小水平压力σ3时，维持稳定；

S7：继续加大轴压σ1，进行岩石试样真三轴加载破裂的全过程电法监测实验；

S8：岩石试样失稳破坏后结束应力加载，卸除加载板的围压，然后关闭电法仪器取出岩石试样，拆卸电极安装板并回收电极体，分析评估破裂效果，完成此次真三轴加载破坏的电法监测实验。

优选地，步骤3中每个电极体内的金属探头伸出电极安装板的一端高于电极安装板平面3～5mm。

本发明的有益效果在于：

1、本发明所设计的电极安装板安装在岩石试样与加载板之间，具有传递载荷与抗压绝缘的作用，其横向与纵向等间距设置的螺纹孔便于电极体多位置的灵活安装，能够较全面的、三维立体的监测岩石试样的电性变化特征；

2、线槽可以为导线提供空间，避免受压变形损坏，孔栓可以改善电极安装板的平整度，保证岩石试样加载过程中受力均匀；

3、电极体中的探头帽侧面设置有倒r形滑槽，便于金属探头进行轴向滑动与损坏更换，而且弹簧对金属探头接触岩石试样具有缓冲作用，其弹力可使金属探头稳定贴合在岩石试样表面；

4、电极安装板的大小与螺纹孔数量并不固定，可以根据加载腔体规格与岩体试样的尺寸进行制作，但是电极体与螺纹孔相对应，可实现电极体的循环使用；

5、电极安装板边缘设置倒角，便于真三轴加载临边加载板的安全位移，同时为导线引出加载腔提供了空间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的加载破坏实验中电极安装板与电极体安装在真三轴加载腔体中位置的主视图；

图2为本发明实施例2提供的水力压裂实验中电极安装板与电极体安装在真三轴加载腔体中位置的俯视图；

图3为本发明实施例1提供的电极安装板与电极体组合的主视图；

图4为本发明实施例1提供的电极安装板与电极体组合的左视图；

图5为本发明实施例1提供的孔栓与电极安装板与电极体组合的俯视图；

图6为本发明实施例1提供的金属探头的结构示意图。

附图标记说明：

1、真三轴加载腔体；2、加载板；3、注水管；4、电极安装板；5、螺栓；6、岩石试样；7、螺纹孔；8、线槽；9、孔栓；10、倒角；11、电极体；12、金属探头；13、弹簧；14、探头帽；15、倒r形滑槽；16、导线孔；17、外螺纹；18、导线；19、滑栓；20、电法仪器；21、密封圈； 22、封孔段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施案1：岩石试样6在真三轴条件下加载破坏过程的电法检测实验，如图1、图3-图6所示，选择500*500*500mm尺寸的岩石试样6；根据岩石试样 6尺寸确定电极安装板4长度、宽度、厚度为500*500*20mm，并确定4块电极安装板4分别安装于岩石试样6的前端面、后端面、左端面、右端面共4个位置，每个电极安装板4横向与纵向各设置15*15共225个螺纹孔7；

针对岩石试样6前端面与后端面的电极安装板4，在其横向位置上第4列、第8列与第12列分别布置15个电极体11，共90个电极体11，并依次在两个电极安装板4上标记上电极序号1～90；

针对岩石试样6左端面与右端面的电极安装板4，在其横向位置的第4列、第8列与第12列各布置15个电极体11，共90个电极体11，并且继续标记序号为91～180，因此所需电极体11数量一共为180个；

根据序号依次将电极体11安装于四个电极安装板4的180个螺纹孔7中，当电极体11进行组装时，先将导线18穿过探头帽14的导线孔16与弹簧13，并且与金属探头12进行连接，然后将弹簧13塞进探头帽14中，再将金属探头12的滑栓19沿着倒r形滑槽15的开口端安装，使金属探头12能够沿着倒 r形滑槽15上下移动。

将导线18穿过对应编号的螺纹孔17，并且将电极体11从电极安装板4 与岩石试样6接触面一侧安装，安装电极体11时保持每个金属探头12高于电极安装板4端面3mm，导线18连接金属探头12后穿出导线孔16沿着线槽8 引至电极安装板4的边缘处，然后利用孔栓9将没有布置电极体11的螺纹孔填充补平，再利用螺栓5将电极安装板4安装在加载板2上，并且将导线18 连接电法仪器20；

将岩石试样6放置于真三轴加载腔体1内部，同时岩石试样6上表面与下表面做绝缘处理，开启电法仪器20，加载板2开始施加围压，使轴压σ1＝50MPa、最大水平压力σ2＝45MPa，最小水平压力σ3＝40MPa，并维持稳定；

然后继续加大轴压，直到岩石试样6失稳破裂后，停止应力加载，进而对真三轴条件下500*500*500mm岩石三轴加载下的弹性阶段、塑性阶段等全过程的电性参数进行采集，压裂实验完成时，先卸除围压，再关闭电法仪器20，对数据进行处理分析，取出岩石试样6后再将4个位置的电极安装板4拆卸下来，对电极体11进行回收和清洗晾干，以便于下次使用。

实施案2：岩石试样6在真三轴条件下水力压裂过程的电法监测实验，如图1，图3-图6所示；

选择300*300*300mm尺寸的岩石试样6并加工钻取直径为20mm深度为200mm的中心孔，并采用管径为18mm的注水管3，用高强度密封胶与密封圈21 安装于中心孔形成封孔段22；

根据岩石试样6确定电极安装板4长度、宽度、厚度为300*300*20mm，并选择5块电极安装板4分别安装于岩石试样6的前端面、后端面、左端面、右端面、下端面这5个位置，每个电极安装板4横向与纵向各设置9*9共81个螺纹孔7；

针对岩石试样6前端面的电极安装板4，在其横向位置上的第3列与第7 列分别布置9个电极体11，然后依次在电极安装板4上标记上电极序号1～18；

针对岩石试样6后端面电极安装板4，在其横向位置第3列与第7列各布置9个电极体11并标记序号为19～36；

针对岩石试样6左端面的电极安装板4，在其纵向上的第3行与第7行各布置9个电极体11并编辑序号为37～54；

针对岩石试样6右端面的电极安装板4，在其纵向的第3行与第7行各布置9个电极体11并编辑序号为55～72；

针对岩石试样6下端面的电极安装板4，在其横向位置第3列于第7列各布置9个电极体11并编辑序号为73～90，因此所需电极体11数量一共为90 个。

根据序号依次将电极体11安装于五个电极安装板4的1～90序号的螺纹孔7中，将导线18穿过对应编号的螺纹孔7，并且电极体11从电极安装板4 与岩石试样6接触面一侧安装，安装电极体11时保持每个金属探头12高于电极安装板4该侧面3mm；将全部导线18沿着所在的线槽8引至电极安装板4 的边缘处，然后利用孔栓9将没有布置电极体11的孔栓9填充补平，再利用螺栓5将电极安装板4安装在加载板2上，并且将导线18连接电法仪器20；

将岩石试样6放置于真三轴加载腔体1内部，同时岩石试样6上表面做绝缘处理，开启电法仪20，然后加载板2开始施加围压，使轴压σ1＝30MPa、最大水平压力σ2＝25MPa，最小水平压力σ3＝20MPa，并维持稳定；然后向注水管3输入高压水，此时对真三轴条件下300*300*300mm岩石水力压裂的起裂、裂纹扩展等全过程的电性参数进行采集；

压裂实验完成时，先停止注水，然后卸除围压，再关闭电法仪器20，对数据进行处理分析，取出岩石试样6，再将5个位置的电极安装板4拆卸下来，对电极体11进行回收和清洗晾干，以便于下次使用。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。