专利摘要

本发明提供一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验装置，压料装置的出料口与注射管连接，注射管与试样的钻孔对接，注射管通过抽气管与真空泵连接，注射管上设有第一阀门，抽气管上设有第二阀门。还提供一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验方法，包括步骤一，测量试样的孔隙率；步骤二，在试样中间钻孔，对试样进行加载实验；步骤三,对钻孔内进行抽真空，通过压料装置将磁流体压入钻孔内；步骤四，清理钻孔中的磁流体；步骤五，检测钻孔内的磁场强度；步骤六，加载不同的加载力，测量不同的加载力情况下的磁场强度。通过该实验装置可以将磁流体压入岩石孔隙中，为研究岩石应力与磁流体压入量的关系搭建试验平台并提供相应试验方法。

权利要求

1.一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验方法，其特征在于：包括实验装置，所述实验装置包括压料装置（1），压料装置（1）的出料口与注射管（2）连接，注射管（2）与试样（3）的钻孔（301）对接，注射管（2）通过抽气管（4）与真空泵（5）连接，注射管（2）上设有第一阀门（6），抽气管（4）上设有第二阀门（7）；

利用磁流体研究岩石应力分布的实验方法包括以下步骤：

步骤一，测量试样（3）的孔隙率；

步骤二，在试样（3）中间钻孔，对试样（3）进行加载实验，试样（3）外侧设有压力传感器（18）进行受力检测；

步骤三， 关闭第一阀门（6），打开真空泵（5）和第二阀门（7）对钻孔（301）内进行抽真空，然后通过压料装置（1）将磁流体或磁化纳米铁胶体压入钻孔（301）内；

步骤四，清理钻孔（301）中的磁流体；

步骤五，利用高斯测量计检测钻孔内的磁场强度；

步骤六，加载不同的加载力，测量不同的加载力情况下的磁场强度。

2.根据权利要求1所述的一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验方法，其特征在于：在步骤二中，将试样（3）放置在上端开口的试验箱（19）中，通过千斤顶（20）对试样（3）进行应力加载。

3.根据权利要求1所述的一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验方法，其特征在于：所述步骤四中，将回收腔体（14）的回收口（1401）贴合在钻孔（301）外侧，电磁铁（17）接通电源，将钻孔（301）中的磁流体或磁化纳米铁胶体进行回收，再将钻孔（301）中残留的磁流体进行清除。

4.根据权利要求1所述的一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验方法，其特征在于：所述步骤三中，在对钻孔（301）进行抽真空前，首先关闭第一阀门（6）和第二阀门（7），打开第三阀门（10）和第四阀门（11）对吸料瓶（8）进行抽真空，关闭第四阀门（11），第二阀门（7）和第三阀门（10）同时开启，将钻孔（301）中的岩石碎屑或粉末吸入吸料瓶（8）中，然后再同时开启第二阀门（7）和第四阀门（11）对钻孔（301）进行抽真空。

5.根据权利要求1所述的一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验方法，其特征在于：所述压料装置（1）包括注射腔（101），注射腔（101）内设有活塞（102），注射腔（101）远离注射管（2）的一端通过管道与压力泵（103）连接。

6.根据权利要求1所述的一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验方法，其特征在于：还包括吸料瓶（8），吸料瓶（8）通过吸料管（9）与抽气管（4）连接，第二阀门（7）设置在注射管（2）与吸料管（9）之间的抽气管（4）上，吸料管（9）上设有第三阀门（10），吸料管（9）与真空泵（5）之间的抽气管（4）上设有第四阀门（11）。

7.根据权利要求1所述的一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验方法，其特征在于：所述抽气管（4）上设有压力表（12）。

8.根据权利要求1所述的一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验方法，其特征在于：所述注射管（2）外侧设有第一密封圈（13）。

9.根据权利要求1所述的一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验方法，其特征在于：包括回收装置，回收装置包括回收腔体（14），回收腔体（14）一端封闭，另一端设有回收口（1401），回收口（1401）外侧设有第二密封圈（15），回收腔体（14）内设有隔板（16），隔板（16）和封闭端之间设有电磁铁（17），电源对电磁铁（17）进行供电。

说明书

技术领域

本发明属于岩石应力研究领域，特别涉及一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验装置及实验方法。

背景技术

目前岩石应力测试方法较少且存在较大的局限性。广泛使用的原岩应力量测方法有应力解除法。其基本原理是，当人为将固定有量测元件的岩体微元与基岩分离时。其几何尺寸将发生弹性恢复。利用弹性理论、岩石弹性常数可以建立恢复应变与应力场之间的关系。此方法实验器材复杂，对实验环境要求较高，耗能较高且通常对原岩体会造成损伤，由于操作的不方便性造成此方法存在较大的局限性。

磁流体，由多种导磁材料、分散剂和载体融合而成的胶体。将磁流体注入岩石上的钻孔后，在相同的孔隙率的情况下，具有不同应力的岩石，在相同的推动力的情况下，磁流体渗入岩石的量不同，从而根据磁流体渗流岩石孔隙中量可以用以判断岩石应力的大小。目前，岩石应力领域还未曾进行这方面的研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验装置及实验方法，可以将磁流体压入岩石孔隙中，为研究岩石应力与磁流体压入量的关系搭建试验平台并提供相应试验方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验装置，包括压料装置，压料装置的出料口与注射管连接，注射管与试样的钻孔对接，注射管通过抽气管与真空泵连接，注射管上设有第一阀门，抽气管上设有第二阀门。

优选的方案中，所述压料装置包括注射腔，注射腔内设有活塞，注射腔远离注射管的一端通过管道与压力泵连接。

优选的方案中，还包括吸料瓶，吸料瓶通过吸料管与抽气管连接，第二阀门设置在注射管与吸料管之间的抽气管上，吸料管上设有第三阀门，吸料管与真空泵之间的抽气管上设有第四阀门。

优选的方案中，所述抽气管上设有压力表。

优选的方案中，所述注射管外侧设有第一密封圈。

优选的方案中，包括回收装置，回收装置包括回收腔体，回收腔体一端封闭，另一端设有回收口，回收口外侧设有第二密封圈，回收腔体内设有隔板，隔板和封闭端之间设有电磁铁，电源对电磁铁进行供电。

本发明还提供一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验方法，包括以下步骤：

步骤一，测量试样的孔隙率；

步骤二，在试样中间钻孔，对试样进行加载实验，试样外侧设有压力传感器进行受力检测；

步骤三,关闭第一阀门，打开真空泵和第二阀门对钻孔内进行抽真空，然后通过压料装置将磁流体或磁化纳米铁胶体压入钻孔内；

步骤四，清理钻孔中的磁流体；

步骤五，利用高斯测量计检测钻孔内的磁场强度；

步骤六，加载不同的加载力，测量不同的加载力情况下的磁场强度。

优选的方案中，在步骤二中，将试样放置在上端开口的试验箱中，通过千斤顶对试样进行应力加载。

优选的方案中，所述步骤四中，将回收腔体的回收口贴合在钻孔外侧，电磁铁接通电源，将钻孔中的磁流体或磁化纳米铁胶体进行回收，再将钻孔中残留的磁流体进行清除。

优选的方案中，所述步骤三中，在对钻孔进行抽真空前，首先关闭关闭第一阀门和第二阀门，打开第三阀门和第四阀门对吸料瓶进行抽真空，关闭第四阀门，第二阀门和第三阀门同时开启，将钻孔中的岩石碎屑或粉末吸入吸料瓶中，然后再同时开启第二阀门和第四阀门对钻孔进行抽真空。

本发明提供的一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验装置及实验方法，该装置可以将磁流体压入岩石孔隙中，为研究岩石应力与磁流体压入量的关系提供平台基础。优选的，还提供了对钻孔中的多余磁流体进行回收的回收装置，用电磁铁将磁流体进行分部回收，确保了实验可多次循环使用，利用磁场回收装置，大大降低了回收难度，减小了回收工作量。

本发明提供的一种利用磁流体研究岩石应力分布实验方法，该方法通过磁场强度衡量压入压入岩石孔隙中的磁流体量，而压入岩石孔隙中的磁流体量与岩石应力以及岩石孔隙率有关，在孔隙率一定情况下，随着岩石内部应力越大，压入的磁流体量减小；在岩石内部应力一定的情况下，随着孔隙率的增大，磁流体就越容易压入岩石内部孔隙。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的回收装置的结构示意图；

图3为加载试验的操作示意图；

图中：压料装置1，注射管2，试样3，抽气管4，真空泵5，第一阀门6，第二阀门7，吸料瓶8，吸料管9，第三阀门10，第四阀门11，压力表12，第一密封圈13，回收腔体14，第二密封圈15，隔板16，电磁铁17，压力传感器18，试验箱19，千斤顶20，加载盖板21，注射腔101，活塞102，压力泵103，钻孔301，回收口1401。

具体实施方式

实施例1：如图1中，一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验装置，包括压料装置1，压料装置1的出料口与注射管2连接，注射管2插入试样3的钻孔301内，注射管2通过抽气管4与真空泵5连接，注射管2上设有第一阀门6，抽气管4上设有第二阀门7。

具体的，所述压料装置1包括注射腔101，注射腔101内设有活塞102，注射腔101远离注射管2的一端通过管道与压力泵103连接。

压力泵103可选手持式或台式压力泵，在本实施例中，优选台式压力泵，可以保证推料压力的恒定。

压力泵103与注射腔101连接的管道上设有压力表，方便对推料压力进行观测。

所述注射管2外侧设有第一密封圈13。第一密封圈13为环形的橡胶圈，第一密封圈13贴合在试样3的钻孔301外侧。

优选的，还包括吸料瓶8，吸料瓶8通过吸料管9与抽气管4连接，第二阀门7设置在注射管2与吸料管9之间的抽气管4上，吸料管9上设有第三阀门10，吸料管9与真空泵5之间的抽气管4上设有第四阀门11。

使用时，首先关闭第一阀门6和第二阀门7，开启第三阀门10和第四阀门11，通过真空泵5对吸料瓶8进行抽真空，然后关闭第四阀门11，并关闭真空泵5，打开第二阀门7，由于吸料瓶8中处于负压状态，将钻孔301中碎屑以及水蒸气吸入吸料瓶8中进行收集。防止当真空泵5直接对钻孔301进行抽真空，将钻孔301中的碎屑吸入真空泵5中影响设备使用寿命。

所述抽气管4上设有压力表12。可以对钻孔301中的负压力进行测量。

优选的，如图2所示，包括回收装置，回收装置包括回收腔体14，回收腔体14一端封闭，另一端设有回收口1401，回收口1401外侧设有第二密封圈15，第二密封圈15贴合在钻孔301外侧。回收腔体14内设有隔板16，隔板16和封闭端之间设有电磁铁17，电源对电磁铁17进行供电。

将磁流体或磁化纳米铁胶体压入钻孔301内后，磁流体或磁化纳米铁胶体压入岩石孔隙内，需要将滞留在钻孔301内的多余的磁流体或磁化纳米铁胶体清理掉，通过该回收装置不仅可以实现清理，而且防止磁流体或磁化纳米铁胶体的浪费。

回收口1401为圆锥台口，有利于钻孔301内的多余的磁流体或磁化纳米铁胶体顺利的流入回收腔体14中。

本发明提供的一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验装置，能够将磁流体或磁化纳米铁胶体压入岩石孔隙中，由于钻孔中处于负压力状态，流体流入阻力较小，磁流体或磁化纳米铁胶体能够很好的到达岩石孔隙中，为通过磁流体研究岩石应力分布提供平台基础。

本发明还提供一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验方法，在本实施例中，磁流体由是由直径为纳米量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒、基载液(也叫媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。导磁材料可为铁、钴、镍及其化合物与合金等材料。本专利适用的磁流体应以有机溶剂、油等作为载体，以油酸等作为分散剂。

考虑到磁流体实验成本较高，本专利也可采用磁化纳米铁胶体进行实验。磁化纳米铁胶体的纳米铁的颗粒大小，载体溶液种类可根据岩石试样的类别性质相应调整。可将磁化纳米铁粉和表面活性剂一起球磨，然后加入去离子溶液里形成磁化纳米铁溶胶，通过改变纳米铁粉的颗粒大小，载体溶液种类，可调整磁化纳米铁胶体的粘度，挥发损失程度，饱和磁化程度。从而改变磁力大小和纳米铁胶体的流动性能。

具体的试验方法，包括以下步骤：

步骤一，测量试样3的孔隙率。孔隙率的测定是基于阿基米德原理，试验中采用水煮法测定电极的孔隙率。首先，称量需要的试样干重，记为m0；将称量完地试样放入干净的烧杯中，往杯中注入蒸馏水，直至淹没试样；接着将烧杯置于恒温干燥箱里加热至沸腾，并保持沸腾状态2h，使蒸馏水完全渗透至TiO2电极中的孔隙内；然后停止加热使其降至室温。接着把试样快速取出放入事先准备好称重用的小吊蓝内，将其挂在天平的吊钩上，使试样继续浸没于水中，称取饱和试样在水中的悬浮重，记为m1；将饱和试样取出，用湿抹布小心地拭去饱和试样表面的水，快速称量饱和试样的质量，记为m2；通过公式算出电极的孔隙率:P＝(m2-m0)/(m2-m1)。

步骤二，在试样3中间钻孔，钻孔301深度为2/3待测岩样高度，钻孔301直径为50mm，将钻孔301钻孔壁及钻孔口四周的岩石打磨，对试样3进行加载实验，试样3外侧设有压力传感器18进行受力检测，具体的如图3所示，将试样3放置在上端开口的试验箱19中，再平铺加载盖板，通过千斤顶20对试样3进行应力加载，压力传感器18设置在试验箱19中的四个侧壁内侧，压力传感器18侧的的四个值取平均值，在小范围内取所测得的四个测量值的平均值作为在此局部范围内的压力值，减小实验测量的误差。

步骤三,关闭第一阀门6，打开真空泵5和第二阀门7对钻孔301内进行抽真空，钻孔301内负压力达到-0.8～-0.1Mpa并保持，然后通过压料装置1将磁流体或磁化纳米铁胶体压入钻孔301内。优选的，在对钻孔301进行抽真空前，首先关闭关闭第一阀门6和第二阀门7，打开第三阀门10和第四阀门11对吸料瓶8进行抽真空，关闭第四阀门11，第二阀门7和第三阀门10同时开启，将钻孔301中的岩石碎屑或粉末吸入吸料瓶8中，然后再同时开启第二阀门7和第四阀门11对钻孔301进行抽真空。

步骤四，清理钻孔301中的磁流体。可以直接将钻孔301中的磁流体进行擦除。在本实施例中，将回收腔体14的回收口1401贴合在钻孔301外侧，电磁铁17接通电源，将钻孔301中的磁流体或磁化纳米铁胶体进行回收，再利用海绵垫将钻孔301中多余的磁流体或磁化纳米铁胶体擦拭干净。

步骤五，利用高斯测量计检测钻孔301内的磁场强度，具体的，将高斯测量计测量点安放在钻孔301内，测出岩样在高度方向上各个区域的磁强大小，在一定高度范围内测多个值并取平均值作为岩石在此小范围内磁场的强度；

步骤六，加载不同的加载力，测量不同的加载力情况下的磁场强度，制定孔隙率、磁场强度和应力分布的对应表。

绘制表格：将所测得孔隙率、磁场强度、所受应力汇总分类绘制成表格，实验数据如下：

通过试验可以看出，在空隙率一定情况下，压入的岩石内部的磁流体随着岩石内部应力的增大而减小，当应力增大到较大之后，磁流体压入量较小幅度增加。当压力一定时，压入的岩石内部的磁流体随着岩样自身空隙率的大而增加。试验结果与基本原理相吻合，进一步印证了此装置和方法的可行性。

经过试验初步试验，试验结果与理论所吻合，进一步验证了此方法装置的准确性和可行性，对此方法的推广奠定了基础。通过开展系列的试验，即可推广应用与测量岩石原位应力，为工程实践提供技术支撑。

该方法运用磁流体的特性，将岩石内部应力转化为磁场强度的测量，为工程和科研解决了重大难题。

本发明提供的实验装置中配备抽真空装置，保证注入的磁流体或磁化纳米铁胶体在负压环境下流动，减少阻力，能很好地到达岩石孔隙中，最大限度地减少了对压入装置的要求，降低了实验条件要求和资金的消耗。

本发明还提供了一种回收装置，充分利用磁流体或磁化纳米铁胶体的性质，用电磁铁将磁流体进行回收，确保磁流体最大程度的回收，确保了实验可多次循环使用，利用磁场回收装置，大大降低了回收难度，减小了回收工作量。

实施例2：与实施例1不同的是，步骤五中，向钻孔301中加入金属粉末或磁粉，由于岩石孔隙中的磁流体具有磁性会使金属粉末在岩石钻孔的孔壁表面堆积，再利用微型摄影机将钻孔内部图像进行3D拍摄，建立钻孔堆积的三维模型，岩石钻孔的孔壁表面堆积的金属粉末的量反映该处岩石孔隙压入的磁流体的量，进而可以对岩石应力的应力分布进行直管的观察。

步骤六中，在测量完毕后将回收装置的将回收腔体14的回收口1401贴合在钻孔301外侧，电磁铁17接通电源，将钻孔301中的磁流体以及金属粉末进行回收。

一种利用磁流体研究岩石应力分布的实验装置及实验方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。