(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210560626.2 (22)申请日 2022.05.23 (71)申请人 中国矿业大 学 地址 221116 江苏省徐州市大 学路1号中国 矿业大学 (72)发明人 孟庆彬　王锐　黄炳香　浦海　 刘江峰　宋子鸣　辛学奎　张梦良　 (74)专利代理 机构 南京瑞弘专利商标事务所 (普通合伙) 32249 专利代理师 李悦声 (51)Int.Cl. G01N 3/12(2006.01) G01N 3/06(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种自动化高精度岩石膨胀试验装置及其 使用方法 (57)摘要 本发明公开了一种自动化高精度岩石膨胀 试验装置及其使用方法， 属于实验室岩石膨胀性 测试试验领域。 包括可拆卸的用以设置岩石试样 的水封容器， 岩石试样的侧面与顶部设有三轴应 力加载装置； 三轴应力加载装置的加载压头与 岩 石试样接触面为柔性结构， 水封容器的透水板内 部埋设的高精度薄膜应力传感器和在顶部安置 的位移传感器， 将岩石试样吸水膨胀后的径向与 轴向的长度变化量传入电脑试验系统； 通过三轴 应力加载装置对吸水膨胀后的岩石试样进行挤 压， 利用压头上安置的应力传感器将压缩岩石试 样所需要的应力传输至电脑试验系统， 从而实现 自动化监测岩石吸水后的自由膨胀率和膨胀应 力。 其智能 自动、 精度较高、 功能多样、 操作方便、 安全可靠 。 权利要求书3页 说明书6页 附图3页 CN 114965077 A 2022.08.30 CN 114965077 A 1.一种自动化高精度岩石膨胀试验装置， 其特征在于： 包括可拆卸的用以设置岩石试 样(1)的水封容器， 岩石试样(1)的侧面与顶部设有三轴应力加载装置； 所述的水封容器包 括圆形结构的特制透水板(3)以及盖在特制透水板(3)上的柱状盛水容器(2)， 特制透水板 (3)和盛水容器(2)连接形成密封空间， 密封空间内的特制透水板(3)上设有柱状结构的岩 石试样(1)， 三轴应力加载装置的加载压头与岩石试样(1)接触面为设置在盛水容器(2)上 的柔性结构， 从而 使三轴应力加载装置并不与岩石试样(1)表面 直接接触； 特制透水板(3)包括高精度薄膜应力传感器(9)， 高精度薄膜应力传感器(9)上设有镂 空垫板(12)， 镂空垫板(12)中设有导水槽(13)， 所述的导水槽(13)为为设置在镂空垫板 (12)上表面的十字状扩散凹槽， 将岩石试样(1)作用在镂空垫板(12)通过十字状扩散凹槽 状传递到高精度薄膜应力 传感器上方便对岩石试样径向上的长度变化进 行测量， 同时便于 水与岩石试样(1)底面的接触， 起到透水的作用， 其中高精度薄膜应力传感器(9)通过电线 (10)连接有EIT电阻抗成像数据处 理器(11)； 三轴应力加载装置的加载压头包括设置在岩石试样(1)两侧的两个 弧形侧向压头(6)， 两个弧形侧向压头(6)内侧与柱状结构的岩石试样(1)匹配并能够实时围压加载， 从而通过 弧形侧向压头(6)将岩石试样(1)包裹起来， 岩石试样(1)顶部设有施加轴压的轴向压头 (5)； 轴向压头(5)与岩石试样(1)顶部之间设有透水石(26)， 轴向压头(5)和两个的弧形侧 向压头(6)均通过液压系统控制移动， 并且都连接有应力传感器(16)， 每个应力传感器(16) 均通过电线(10)与应力数据处理器(17)连接， 轴向压头(5)上通过金属连杆(14)设有轴向 位移传感器(4)， 轴向位移传感器(4)通过电线(10)连接有位移数据处 理器(15)； 三轴应力加载装置的两个弧形侧向压头(6)和轴向压头(5)上， 位于同一垂直截面上布 置有三个用以定位的激光 感应接收器(8)， 在盛水容器(2)上不只有三个与激光感应接收器 (8)匹配的高精度激光灯(7)， 激光 感应接收器(8)利用配对的高精度激光灯(7)从而实现弧 形侧向压 头(6)和轴向压 头(5)的定位， 所述盛水容器(2)与特制透水板(3)结合后形成密封空间， 并通过连通器(22)连接有补 水容器(23)用以充填及 补充水分， 所述弧形侧向压头(6)和轴向压头(5)通过柔性结构与盛水容器(2)内的岩石试样(1) 加压， 通过水封容器的整体刚性结构加压头处柔性结构的配置， 既能够保证激光灯的位置 与激光感应接收器的位置不会因为所在结构的变形而移动， 也能够 满足压头深入柔性结构 中对岩石试样进行加载的操作， 同时由于试验进行基本上处于盛水容器内部充满水的状 态， 在水体内部压力的作用下， 柔性结构会紧密的贴合在三向压头上， 既起到密封的作用， 又可以不影 响激光定位， 柔性结构包括密封袋(28)， 以及固定密封袋(28)的密封圈(27)， 从 而使加载系统和容器内水相隔开。 2.根据权利要求1所述自动化高精度岩石膨胀试验装置， 其特征在于： 盛水容器(2)的 顶部设置有透气孔(20)和排气阀(21)， 盛水容器(2)与补水容器(23)内部各 自安装有水温 控制器(2 4)， 水温控制器控制水温差值在1～2℃以内， 以防止温度变化对岩石 试样(1)膨胀 性及高精度薄膜应力传感器(9)的影响而产生试验误差 。 3.根据权利要求1所述自动 化高精度岩石膨胀 试验装置， 其特征在于： 三轴应力加载装 置的弧形侧向压头(6)处的激光感应接收器(8)设置在弧形侧向压头(6)的上部， 垂直于两 个压头闭合时接线， 并贴近岩石试样一侧处， 轴向压头(5)上的激光感应接收器(8)安置在权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114965077 A 2轴向压头(5)一侧贴近岩石 试样处， 高精度激光灯(7)分别在 盛水容器(2)顶部安置两个， 在 轴向压头(5)含有激光感应接收器(8)正对的一侧的盛水容器(2)上安置 。 4.根据权利要求1所述自动 化高精度岩石膨胀 试验装置， 其特征在于： 所述的液压系统 包括连接油箱的液压油泵(19)， 液压油泵(19)分别 通过液压油管(18)与轴向压头(5)和侧 向压头(6)分别连接 。 5.根据权利要求4所述自动化高精度岩石膨胀试验装置， 其特征在于： 液压油泵(19)、 应力数据处理器(17)、 位移数据处理器(15)和EIT电阻抗成像数据处理器(11)分别通过电 线(10)与电脑(25)连接 。 6.根据权利要求1所述自动 化高精度岩石膨胀 试验装置， 其特征在于： 高精度薄膜应力 传感器(9)由炭黑填充橡胶导电复合材料制作而成， 镂空垫板(12)为不透水、 不导电且受到 应力能够产生形变的橡胶材 料构成。 7.一种使用权利要求1～6中任意一项所述一种自动化高精度岩石膨胀试验装置的使 用方法， 其特 征在于步骤如下： 步骤一： 打开盛水容器(2)将岩石试样(1)放置在特制透水板(3)上， 在岩石试样(1)上 方安设透水石(26)， 利用电脑试验系统(25)控制液压油泵(19)， 使 得轴向压头(5)和两个弧 形侧向压头(6)均对岩石试样(1)施加0.01MPa的应力， 待应力数据处理器(17)的应力读数 稳定后将轴向压头(5)和两个弧形侧向压头(6)的应力均减到0.001MPa， 打开排气阀(21)， 向补水容器(23)中加入水， 利用连通器原理， 使得盛水容器(2)中充满水， 打开高精度激光 灯(7)， 利用轴向压头(5)和两个弧形侧向压头(6)上的激光 感应接收器(8)记录各自的初始 位置， 打开水温控制器(24)将水温保持在预设温度； 步骤二： 利用EIT电阻抗成像数据处理器(11)向特制透水板(3)内高精度薄膜应力传感 器(9)通入电流， 高精度薄膜周围均匀布置有点电极， 利用高精度薄膜受到压力时电阻会发 生变化的特性， 从而实现EIT电阻抗 成像， 岩石 试样(1)在吸水膨胀时， 下方的高精度薄膜应 力传感器(9)的受压面积扩 大， 因此产生的电阻率异常区就会发生变化， 通过向高精度薄膜 应力传感器(9)四周均匀布设的点电极输入电流， 激活整个薄膜电阻通路， 由于 薄膜电阻通 路的每个节点与其他节点均可形成一个电流通路， 因此通过若干极点之间的通路可将高精 度薄膜划分成大量细 小电阻区组成的测量区， 利用数据处理器记录不同节点处输出的电流 及电压信息， 再通过EIT电阻抗成像数据处理器将电流电压信息数字化传输至电脑试验系 统， 通过有限元算法可以得出高精度薄膜二维平面内不同细小电阻区的电阻变化情况， 从 而可以得出高精度薄膜二维平面内电阻分布情况， 进而得出岩石膨胀径向的变化， 控制弧 形侧向压头(6)远离岩石试样(1)， 岩石 试样(1)浸泡在水中后吸水膨胀， 膨胀时可以带动轴 向压头上的金属连杆(14)运动， 并通过位移传感器(4)测出岩石 试样轴向膨胀量， 由于对岩 石试样(1)施加的引力很小， 基本不会影响岩石试样(1)的轴向吸水膨胀， 开始进行岩石自 由膨胀率试验， 当高精度薄膜应力传感器(9)感应岩石试样(1)吸水膨胀时的的径向变化， 同时岩石试样(1)产生轴向膨胀 从而带动金属连杆(14)位移， 通过金属连杆(14)上的轴向 位移传感器(4)记录膨胀轴向变化； 步骤三： 设置电脑在第一小时内， 每隔10min记录一次读数， 之后 每隔1小时记录一次读 数， 48h后， 连续三次读数差不大于0.001mm为止， 当48h后， 连续三次读数差不大于0.001mm 为止则说明岩石膨胀结束， 开始进 行岩石试样(1)的膨胀应力测试实验，