CN102305829A - 岩石三轴压缩声发射试验系统 - Google Patents

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杨永杰
王德超
陈绍杰
赵南南
王敏
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Abstract

本发明公开了一种岩石三轴压缩声发射试验系统，它包括MTS815岩石伺服试验系统，系统的三轴室内设有上压头与底压头，在底压头内设置有声发射检波器，声发射检波器的屏蔽信号线从系统底座的预留通讯通道中穿出三轴室外，然后将屏蔽信号线与三轴室外部的前置放大器相连，以实现声发射检波器检测信号的室外传输。本发明能够监测到更加全面、真实的声发射信号，为利用岩石三轴压缩声发射信息预测岩石破裂进而预防因岩体破裂发生的矿山灾害事故提供更可靠的试验方法和试验结果。

Description

岩石三轴压缩声发射试验系统
技术领域
本发明涉及试验系统，尤其涉及用于岩石三轴压缩声发射的试验系统。
背景技术
矿山井下冒顶、顶底板突水、冲击地压等灾害事故时有发生，给国家和人民的生命财产造成极大危害，这些灾害事故的发生均与岩体破裂失稳密切相关。岩石材料在承受荷载时，其内部将产生局部弹塑性能集中现象，当能量积聚到某一临界值之后，引起微裂隙的产生与扩展，必然伴随弹性波或应力波在周围岩体中的快速释放和传播，产生声发射现象。通过对声发射信号的采集、处理、分析研究，可以推断其内部的形态变化，反演其破坏机理，预测其破裂失稳。弹性波或应力波的释放过程，相对于较大尺度的岩体，由于高频衰减得快，检测到信号的频率较低但是能量大，通常在20～200Hz，称为微地震；对于小尺度的岩样，检测到波的频率通常大于200Hz并且能量很小，称为声发射。虽然岩样和岩体的尺度及微震信号能量差别很大，但其原理是相似的。声发射现象是岩石压缩破裂失稳的重要前兆信息，研究科学合理的岩石压缩破裂声发射实验方法，在实验基础上探讨声发射信息与岩石内部损伤演化过程的关系，得出符合实际情况的岩石压缩破裂声发射预测方法，对于采用声发射(微地震)监测技术预防相关灾害事故发生具有重要理论及实际意义。
岩石力学试验系统与声发射监测系统相结合，能够监测岩石压缩破裂过程中产生的声发射信息，进而利用声发射信息预测岩石损伤演化过程。
目前比较先进的岩石力学试验系统是美国引进的MTS815电液伺服岩石试验系统，它是具有世界先进水平的大型精密岩石力学仪器设备。该设备能够进行岩石单轴压缩、三轴压缩、孔隙水压和水渗透等试验。系统的主要特点是：①全程计算机控制，可实现自动数据采集及处理；②配备三套独立的伺服系统分别控制轴压、围压与孔隙(渗透)压力；③实心钢制荷重架只储存很小的弹性能从而实现刚性压力试验；④伺服阀反应敏捷(290HZ)，试验精度高；⑤与试件直接接触的引伸仪(美国MTS公司专利)可在高温(200℃)、高压(140MPa)油中精确工作，可对岩石破坏前后的应力应变进行最精确测量；⑥试验可采用任意加载波形与速率，三种控制方式试验中可自动转换；⑦调节范围宽广的闭环加热系统可提供均匀的温度场。存在的不足是：
这种岩石试验系统很容易进行岩石单轴压缩声发射试验。因为单轴压缩不存在施加围压问题，声发射检波器很容易与岩样合理接触，声发射检波器与岩样之间还可以加层黄油等进行耦合，所以声发射信号的可靠采集容易实现。但进行岩石三轴压缩声发射实验时，由于试验系统的三轴室内无法放置声发射检波器，只能置于三轴室外壁(岩样在三轴室内)，如图1所示。这种情况下，声发射检波器难以检测到全部真实的声发射信号，且检测到的声发射信号信噪比低。主要原因有以下几个方面：
(1)岩样压缩破裂过程中，通常会产生多种类型的振动波，如压缩波(纵波)、剪切波(横波)等。纵波是指质点的振动方向和波的传播方向一致的波，凡能产生拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波，因此纵波能够在各种介质中传播；横波是指质点的振动方向和波的传播方向相互垂直的波，介质中的质点受到交变剪切应力而产生的波形，只有能够承受剪切应力的介质才能够传播横波，因此横波不能穿过液体和气体而只能通过固体传播。而岩样压缩破裂产生的振动波其能量较强的成分往往是岩样内部裂隙破裂扩展产生的横波。按照图1所示将检波器放置在三轴室外壁的检测方法，存在波的类型与传播路径转换，虽然可以接收到部分声发射信号，但无法接收到声发射直达波信号，会有很大一部分能量较强的剪切脉冲波被屏蔽掉，而只有一小部分剪切脉冲波能通过上下压头和三轴室外壁沿转换路径传播。
(2)检波器安置在三轴室外壁时会增加振动波(声发射信号)的传播距离，造成振动波能量衰减。根据波的球面扩散效应和吸收衰减效应，波的传播距离越大，其能量的吸收、衰减、扩散损失越大。
(3)检波器置于三轴室外壁时受到的电磁噪声信号的干扰相对较大，接收到的信号信噪比较低。
因此，需要对上述MTS815电液伺服岩石试验系统进行改进。
发明内容
本发明的目的在于解决现有岩石伺服试验系统无法对岩石进行三轴压缩试验的问题，对MTS815岩石伺服试验系统进行改进，提供一种岩石三轴压缩声发射试验系统。
解决上述问题的技术方案是：
一种岩石三轴压缩声发射试验系统，它包括MTS815岩石伺服试验系统，系统的三轴室内设有上压头与底压头，其特征在于，在底压头内设置有声发射检波器，声发射检波器的屏蔽信号线从系统底座的预留通讯通道中穿出三轴室外，屏蔽信号线与三轴室外部的前置放大器相连，以实现声发射检波器检测信号的室外传输。
为了便于声发射检波器置入空腔中，所述的底压头为凸台状，在底压头的粗径部位加工上向一侧开口的空腔，空腔处于岩样正下方的压轴线上，通过开口将声发射检波器置入空腔中。
为了便于将上述底压头固定在三轴室内，底压头的底部还设有凸缘，凸缘上均匀设置一圈螺纹孔。
为了便于使声发射检波器的屏蔽信号线从通讯通道中穿出，在处于三轴室内的底座面上钻有与预留通讯通道相通的钻孔，声发射检波器的屏蔽信号线穿过钻孔后用环氧树脂将钻孔密封，以防高压油泄露。
上述声发射检波器的优选构造是，在一个圆筒体的顶面设有压电陶瓷片。或在一个圆桶体的顶面设有压电陶瓷片，桶体底部设有与三轴室相通的孔眼。试验时液压油进入声发射检波器体内，使内外等压，保证其在围压作用下对声发射波的正常接收。
本发明的有益效果是：
本发明基于MTS815岩石伺服试验系统，通过将声发射检波器放在底压头内，实现了声发射检波器可内置于三轴室内，并与岩样合理接触，使岩石在三轴压缩条件下能够监测到更加全面、真实的声发射信号，为利用岩石三轴压缩声发射信息预测岩石破裂进而预防因岩体破裂发生的矿山灾害事故提供更可靠的实验方法和实验结果。
附图说明
图1是现有岩石三轴压缩声发射实验布置示意图；
图2是本发明的岩石三轴压缩声发射实验布置示意图；
图3是实验压头的俯视图；
图4是压电陶瓷声发射检波器立体图。
图例说明：1-三轴室；2-底压头；3-声发射检波器；4-屏蔽信号线；5-底座；6-钻孔；7-备用通讯通道；8-空腔；9-前置放大器；10-螺纹孔；11-空腔；12-压电陶瓷元件；13-圆柱体；14-孔眼。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例做进一步说明。
图1是现有岩石三轴压缩声发射实验布置示意图，从图中可以看出，由于底座上无法放置声发射检波器，所以声发射检波器只能置于三轴室外壁。
如图2和图3所示，本发明的岩石三轴压缩声发射试验系统是在现有MTS815岩石伺服试验系统的三轴室1内设有上压头(图中未画出)与凸台状的底压头2，在底压头2的粗径部位加工上向一侧开口的空腔8，空腔8处于岩样正下方的压轴线上，底压头2的底部还设有凸缘，凸缘上均匀设置一圈螺纹孔10，通过螺纹孔10用螺栓将底压头2固定在三轴室1内。空腔8内设置有声发射检波器3。为了使声发射检波器3的屏蔽信号线4从备用通讯通道7中穿出，在处于三轴室1内的底座面上向底座5内钻取一个与预留通讯通道7相通的钻孔6，并在声发射检波器3的屏蔽信号线4穿过后用环氧树脂密封钻孔6，以防高压油泄露。屏蔽信号线4从系统底座的通讯通道7中穿出后与三轴室外部的前置放大器9相连，从而实现三轴室内检波器检测信号的室外传输。
如图4所示，声发射检波器3是在圆柱体13的上端面设有压电陶瓷元件12，为了实现声发射检波器的内外等压，圆柱体13内设有空腔11，空腔11通过底部孔眼14与三轴室1相通。试验中液压油通过孔眼14进入检波器空腔11内，实现检波器内外等压，保证其在围压作用下对声发射信息的正常接收。声发射检波器3的直径18.9mm，高度14.8mm，内为空腔，底部孔眼直径3mm。

Claims (6)

1.一种岩石三轴压缩声发射试验系统，它包括MTS815岩石伺服试验系统，系统的三轴室内设有上压头与底压头，其特征在于，在底压头内设置有声发射检波器，声发射检波器的屏蔽信号线从系统底座的预留通讯通道中穿出三轴室外，屏蔽信号线与三轴室外部的前置放大器相连。
2.如权利要求1所述的岩石三轴压缩声发射试验系统，其特征在于，所述的底压头为凸台状，在底压头的粗径部位加工上向一侧开口的空腔，空腔处于岩样正下方的压轴线上，通过开口将声发射检波器置入空腔中。
3.如权利要求1所述的岩石三轴压缩声发射试验系统，其特征在于，底压头的底部设有凸缘，凸缘上均匀设置一圈螺纹孔。
4.如权利要求1所述的岩石三轴压缩声发射试验系统，其特征在于，在处于三轴室内的底座面上钻有与预留通讯通道相通的钻孔，声发射检波器的屏蔽信号线穿过钻孔后用环氧树脂将钻孔密封。
5.如权利要求1-4任一所述的岩石三轴压缩声发射试验系统，其特征在于，所述的发射检波器是在一个圆筒体的顶面设有压电陶瓷片。
6.如权利要求1-4任一所述的岩石三轴压缩声发射试验系统，其特征在于，所述的发射检波器是在一个圆桶体的顶面设有压电陶瓷片，桶体底部设有与三轴室相通的孔眼。
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