CN103076242B - 材料高围压温控动态特性测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种在地面上实验室条件下，模拟矿物或岩石在深地层中的真实状态，并对其动态力学特性进行测试的系统。即一种材料高围压温控动态特性测试系统，包括相互配合的试样容置装置Ⅰ和试样容置装置Ⅱ，所述试样容置装置Ⅰ具有内筒Ⅰ，所述试样容置装置Ⅱ具有内筒Ⅱ。当所述试样容置装置Ⅰ紧靠试样容置装置Ⅱ时，所述内筒Ⅰ和内筒Ⅱ扣合在一起，从而组成封闭的、容纳被测试样的容置腔。所述内筒Ⅰ里面安装有入射杆，所述内筒Ⅱ里面安装有透射杆。由所述内筒Ⅰ和内筒Ⅱ组成的容置腔内安装有温控装置。当所述被测试样装在所述容置腔里面时，所述被测试样的一端与所述入射杆的首端接触，所述被测试样的另一端与所述透射杆的首端接触。

Description

材料高围压温控动态特性测试系统

技术领域

本发明涉及深层地下矿物或岩石动态力学特性测试领域。

背景技术

深埋在地层内的矿物或岩石材料由于经常承受瓦斯爆炸等外冲击作用，因此，在安全性设计时，必须事先知道矿物或岩石材料本身的动态力学性能参数，比如：高应变率强度、断裂特性及应力-应变关系等本构性质。现有的测试技术是无法直接在地层中对深埋在地层内的矿物或岩石材料进行动态测试的。因此，通常考虑在实验室环境中模拟矿物或岩石材料处于深层的状态，对其进行动态特性测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种在地面上实验室条件下，模拟矿物或岩石在深地层中的真实状态，并对其动态力学特性进行测试的系统。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种材料高围压温控动态特性测试系统，包括相互配合的试样容置装置Ⅰ和试样容置装置Ⅱ，所述试样容置装置Ⅰ具有内筒Ⅰ，所述试样容置装置Ⅱ具有内筒Ⅱ。所述内筒Ⅰ和内筒Ⅱ的轴心重合、开口相向，当所述试样容置装置Ⅰ紧靠试样容置装置Ⅱ时，所述内筒Ⅰ和内筒Ⅱ扣合在一起，从而组成封闭的、容纳被测试样的容置腔。所述内筒Ⅰ里面安装有入射杆，所述入射杆的尾端与冲击杆的首端相接触。实验时，向所述冲击杆的尾端施加冲击力，使得所述冲击杆向入射杆施加作用力。所述内筒Ⅱ里面安装有透射杆，所述透射杆的尾端与缓冲装置相接触，所述缓冲装置同样安装在内筒Ⅱ里面。由所述内筒Ⅰ和内筒Ⅱ组成的容置腔内安装有温控装置。当所述被测试样装在所述容置腔里面时，所述被测试样的一端与所述入射杆的首端接触，所述被测试样的另一端与所述透射杆的首端接触。所述容置腔内壁与被测试样之间安装有应变片。

附图说明

本发明的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为试样容置装置Ⅰ和试样容置装置Ⅱ的结构示意图；

图3为本发明的俯视图。

图中：1.试样容置装置Ⅰ；1-1.内筒Ⅰ；2.试样容置装置Ⅱ；2-1.内筒Ⅱ；3.击发气腔；4.高压气腔；5.加速度管；6.匀速管；7.径向通孔；8.冲击杆；9.入射杆；10.透射杆；11.注油孔；12.出气孔；13.缓冲装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，作出各种替换和变更，均应包括在本发明范围内。

实施例1：

一种材料高围压温控动态特性测试系统，包括相互配合的试样容置装置Ⅰ1和试样容置装置Ⅱ2，所述试样容置装置Ⅰ1具有内筒Ⅰ1-1，所述试样容置装置Ⅱ2具有内筒Ⅱ2-1。本实施例中，所述的内筒Ⅰ1-1和内筒Ⅱ2-1均是一端敞口的圆柱筒，其轴心分别为所述试样容置装置Ⅰ1和试样容置装置Ⅱ2的轴心。所述内筒Ⅰ1-1和内筒Ⅱ2-1的轴心重合、开口相向。当所述试样容置装置Ⅰ1紧靠试样容置装置Ⅱ2时，所述内筒Ⅰ1-1和内筒Ⅱ2-1扣合在一起，从而组成封闭的、容纳被测试样的容置腔。作为优选，试验所用到的被测试样被制成圆柱体，将其安装在所述容置腔内，其轴心与内筒Ⅱ2-1的轴心重合。

所述内筒Ⅰ1-1里面安装有入射杆9。实施例中，所述入射杆9为金属制成的圆柱形杆状物，包括首端和尾端。所述入射杆9的尾端与冲击杆8的首端相接触。实验时，向所述冲击杆8的尾端施加冲击力，使得所述冲击杆8向入射杆9施加作用力，进而导致入射杆9向被测试样传力。

所述内筒Ⅱ2-1里面安装有透射杆10。实施例中，所述透射杆10为金属制成的圆柱形杆状物，包括首端和尾端。所述透射杆10的尾端与缓冲装置13相接触，所述缓冲装置13同样安装在内筒Ⅱ2-1里面。所述缓冲装置13可以为螺旋弹簧，其伸缩方向即是内筒Ⅱ2-1的轴向。当透射杆10的首端受力时，透射杆10的尾端便压向缓冲装置13，吸收能量。采用圆柱体被测试样时，作为优选，入射杆9和透射杆10的轴心与圆柱体被测试样的轴心重合。

由所述内筒Ⅰ1-1和内筒Ⅱ2-1组成的容置腔内安装有温控装置。将圆柱体被测试样装在所述容置腔里面时，所述被测试样的一端与所述入射杆9的首端接触，所述被测试样的另一端与所述透射杆10的首端接触。本实施例在实验时采用超动态应变仪测试被测材料的应力，因此，需要在容置腔内安装应变片。通常情况下，所述容置腔内壁与被测试样、入射杆9、透射杆10之间安装有应变片。进一步，所述超动态应变仪所获得的数据传输给波形存储器，进而传递给数据处理系统。

本实施例中，所述试样容置装置Ⅰ1和试样容置装置Ⅱ2的轴心重合、并安装在同一机架上，通过连接所述试样容置装置Ⅰ1和/或试样容置装置Ⅱ2的轴向进给装置，控制所述内筒Ⅰ1-1和内筒Ⅱ2-1的组合或分离。

作为本发明的一种实现方式，向所述冲击杆8的尾端施加冲击力是通过向其发射子弹完成的。因此，还包括子弹发射装置和入射管。所述入射管与试样容置装置Ⅰ1连接，作为优选，入射管的轴心与冲击杆8的轴心重合。所述冲击杆8在所述入射管内，实验时，通过子弹发射装置发射的子弹沿入射管的内筒射向冲击杆8，从而向所述冲击杆8的尾端施加冲击力。进一步，所述入射管由加速度管5和匀速管6两段组成。即所述匀速管6与试样容置装置Ⅰ1连接，所述加速度管5与子弹发射装置连接。其中，加速度管5的出口与匀速管6的入口对接。子弹从加速度管5的入口进入，射向匀速管6出口方向的冲击杆8。

本实施例的子弹发射装置包括击发气腔3、高压气腔4和气动装置，实验时，通过所述气动装置向高压气腔4充入高压气体，所述高压气体驱动击发气腔3内的子弹射向冲击杆8。所述气动包括空气压缩机2和控制箱1。通过所述空气压缩机2产生的高压气体。

由于采用子弹入射的方式对被测材料施加作用力，根据试验要求，需要获得子弹与冲击杆8接触时的速度大小，可以采用激光测速的方式获得。因此，本实施例还包括速度测量装置，所述速度测量装置包括分别设置在所述匀速管6两侧的平行光源和感光设备，所述匀速管6上具有若干径向通孔7，所述平行光源所发射出的平行光穿透所述径向通孔后被所述感光设备接收。当子弹穿过匀速管6时，势必挡住透过径向通孔7的光线，感光设备测量出子弹穿过相邻径向通孔的时间，由于前后两个径向通孔7的间距已知，进而可以获得子弹穿过匀速管6时的速度，即子弹与冲击杆8接触时的速度。

所述试样容置装置Ⅱ2具有注油孔11和出气孔12，所述注油孔11和出气孔12与所述内筒Ⅱ2-1连通。实验时，试样容置装置Ⅰ1和试样容置装置Ⅱ2结合后，其组成的试样容置腔具有气密性。实验时，通过注油孔11向试样容置腔注油，并通过出气孔12排尽气体后，继续通过注油孔11注入具有一定压力的油，使得试样周围具有一定围压。而且，还可以通过加热油的方式对试件进行加温，进一步模拟试样在地层中的真实状态。

实施例2：

采用实施例1所公开的装置对煤岩进行测试。

本实施例采用直径50mmx、长度50mm的煤岩作为被测试样，并模拟所述被测试样处于地下120米的状态，获得高应变率强度、断裂特性及应力-应变关系等本构性质。包括以下步骤：

1）调整轴向进给装置，使得试样容置装置Ⅰ1和试样容置装置Ⅱ2分离。参见附图2，将准备好的被测试样安装在内筒Ⅰ1-1内部。

2）调整轴向进给装置，使得试样容置装置Ⅰ1和试样容置装置Ⅱ2结合在一起。即使得内筒Ⅰ1-1和和内筒Ⅱ2-1扣合在一起，组成容纳被测试样的容置腔。所述被测试样被封闭在容置腔内，其两端分别与入射杆9和透射杆10相接触。

3）施加围压：通过所述注油孔11向所述容置腔内注油，同时通过排气孔12排气。待气体排尽后，继续通过所述注油孔11向所述容置腔内注油，使得容置腔内压力为5MPa。

4）加温：对容置腔内的试样加温至50℃。实施例中，通过所述注油孔11注入的油的温度为50℃，以实现对试样进行加温。

5）通过子弹发射装置向冲击杆发射子弹。实施例中，可以通过控制射出施加在子弹上的压力来控制子弹与冲击杆接触时的速度。再通过激光测速装置获得子弹在匀速管6内的飞行速度。

6）数据处理。

弹性压杆一维应力假定认为：入射杆和透射杆只发生弹性变形，杆中应力波作一维传播。入射杆和透射杆中的脉冲信号通过应变片来测量，入射杆表面的应变片测量入射波信号和反射波信号，入射杆表面的应变片测量（或计算）透射波信号。入射杆和透射杆的弹性模量、波速和横截面积分别为E、C、A。被测试样，即试件1～5的横截面积和厚度分别为A _o 和L _o 。被测试样内部应力均匀化假定认为：被测试样中应力和应变处于均匀状态。因此，若，可以根据应变片测量的反射波信号和透射波信号，通过如下公式分别计算出试件中的应变率、应变及应力：

最终测试结果见表1：

Claims (9)

1.一种材料高围压温控动态特性测试系统，其特征在于：包括相互配合的试样容置装置Ⅰ（1）和试样容置装置Ⅱ（2），所述试样容置装置Ⅰ（1）具有内筒Ⅰ（1-1），所述试样容置装置Ⅱ（2）具有内筒Ⅱ（2-1）；

所述内筒Ⅰ（1-1）和内筒Ⅱ（2-1）的轴心重合、开口相向，当所述试样容置装置Ⅰ（1）紧靠试样容置装置Ⅱ（2）时，所述内筒Ⅰ（1-1）和内筒Ⅱ（2-1）扣合在一起，从而组成封闭的、容纳被测试样的容置腔；

所述内筒Ⅰ（1-1）里面安装有入射杆（9），所述入射杆（9）的尾端与冲击杆（8）的首端相接触；实验时，向所述冲击杆（8）的尾端施加冲击力，使得所述冲击杆（8）向入射杆（9）施加作用力；

所述内筒Ⅱ（2-1）里面安装有透射杆（10），所述透射杆（10）的尾端与缓冲装置（13）相接触，所述缓冲装置（13）同样安装在内筒Ⅱ（2-1）里面；

由所述内筒Ⅰ（1-1）和内筒Ⅱ（2-1）组成的容置腔内安装有温控装置；当所述被测试样装在所述容置腔里面时，所述被测试样的一端与所述入射杆（9）的首端接触，所述被测试样的另一端与所述透射杆（10）的首端接触；所述容置腔内壁与被测试样之间安装有应变片。

2.根据权利要求1所述的材料高围压温控动态特性测试系统，其特征在于：还包括子弹发射装置和入射管，所述入射管与试样容置装置Ⅰ（1）连接，所述入射杆（9）的尾端在所述入射管内，实验时，通过子弹发射装置发射的子弹沿入射管的内筒射向冲击杆（8），从而向所述冲击杆（8）的尾端施加冲击力。

3.根据权利要求2所述的材料高围压温控动态特性测试系统，其特征在于：所述入射管由加速度管（5）和匀速管（6）两段组成，所述匀速管（6）与试样容置装置Ⅰ（1）连接，所述加速度管（5）与子弹发射装置连接。

4.根据权利要求3所述的材料高围压温控动态特性测试系统，其特征在于：所述子弹发射装置包括击发气腔（3）、高压气腔（4）和气动装置，实验时，通过所述气动装置向高压气腔（4）充入高压气体，所述高压气体驱动击发气腔（3）内的子弹射向冲击杆（8）。

5.根据权利要求2所述的材料高围压温控动态特性测试系统，其特征在于：还包括速度测量装置，所述速度测量装置包括设置在匀速管（6）两侧的平行光源（7）和感光设备，所述匀速管（6）上具有若干径向通孔，所述平行光源（7）所发射出的平行光穿透所述径向通孔后被所述感光设备接收。

6.根据权利要求1所述的材料高围压温控动态特性测试系统，其特征在于：所述试样容置装置Ⅰ（1）和试样容置装置Ⅱ（2）的轴心重合、并安装在同一机架上，通过连接所述试样容置装置Ⅰ（1）和/或试样容置装置Ⅱ（2）的轴向进给装置，控制所述内筒Ⅰ（1-1）和内筒Ⅱ（2-1）的组合或分离。

7.根据权利要求1所述的材料高围压温控动态特性测试系统，其特征在于：所述试样容置装置Ⅱ（2）具有注油孔（11）和出气孔（12），所述注油孔（11）和出气孔（12）与所述内筒Ⅱ（2-1）连通。

8.根据权利要求4所述的材料高围压温控动态特性测试系统，其特征在于：所述气动装置包括空气压缩机（2）和控制箱（1）。

9.根据1~8任一项权利要求所述的材料高围压温控动态特性测试系统对煤岩进行测试的方法，其特征在于，

将煤岩作为被测试样，包括以下步骤：

1）调整轴向进给装置，使得试样容置装置Ⅰ（1）和试样容置装置Ⅱ（2）分离，将准备好的被测试样安装在内筒Ⅰ（1-1）内部；

2）调整轴向进给装置，使得试样容置装置Ⅰ（1）和试样容置装置Ⅱ（2）结合在一起，即使得内筒Ⅰ（1-1）和内筒Ⅱ（2-1）扣合在一起，组成容纳被测试样的容置腔；所述被测试样被封闭在容置腔内，其两端分别与入射杆（9）和透射杆（10）相接触；

3）施加围压：通过所述注油孔（11）向所述容置腔内注油，同时通过排气孔（12）排气；待气体排尽后，继续通过所述注油孔（11）向所述容置腔内注油，使得容置腔内具有压力；

4）加温：对容置腔内的试样加温；

5）通过子弹发射装置向冲击杆发射子弹，通过激光测速装置获得子弹在匀速管（6）内的飞行速度；

6）数据处理。