CN104913976A - 一种温度可控的岩石单轴压缩声发射试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度可控的岩石单轴压缩声发射试验装置及试验方法，试验装置包括加载系统、加热系统、温控系统、应变系统、声发射系统，所述加热系统、温控系统、应变系统、声发射系统均设置于所述加载系统上。所述试验方法通过将岩样放置于软体外壳内部，壳体外部环布热电阻丝，安装好温度传感器、径向和轴向应变计、声发射传感器，进行单轴压缩多通道声发射检测试验。本发明实现了模拟对不同温度环境影响下的岩石试样进行声发射测量。本试验装置结构简单、操作方便，可用于实验室内模拟不同温度环境下的岩石类材料声发射检测的需要。

Description

一种温度可控的岩石单轴压缩声发射试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种用于温度可控的岩石单轴压缩声发射试验装置及试验方法，主要适用于实验室内模拟不同温度环境下的岩石单轴压缩多通道声发射检测试验。

背景技术

温度是影响岩石物理力学性质的重要因素。随着国民经济飞速发展，岩石深部地下工程将日益增加。然而，越进入深部工程后，岩石将受到越复杂的温度环境影响，其物理力学特性也将发生重大的变化。因此，研究温度对岩石物理力学特性的影响具有重要意义。目前，实验室内的岩石单轴压缩试验方面，对于温度对岩石物理力学特性的研究方面，主要多见研究温度作用后对岩石物理力学特性变化影响，对在实时温度作用下对岩石物理力学特性的研究不多见。

声发射监测技术是岩石地下工程灾害监测预警的一种重要手段。通过试验表明岩石在不同应力阶段所释放的声发射信号出现不同的组合模式，如果仅仅是采用单一的检测频段，可能会遗漏掉声发射的重要信息。

国际岩石力学试验标准中，对岩样的建议要求为标准圆柱形，通常在实验室进行岩石单轴压缩声发射检测试验时，声发射传感器的安放方法一直是试验中令人头疼的问题，常用的做法是用胶带将声发射传感器固定在岩石表面，这种做法存在的问题是，试验中须重复拆装声发射传感器，不能保证传感器每次与岩石接触的面积、压力量值都满足要求等，而且声发射传感器可能会随岩石试样的变化而滑动的可能性，容易造成较大的误差。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对上述存在的问题及技术不足，而提供一种可对在单轴压缩下的岩石试样进行实时变温、恒温控制的多频段的声发射检测试验装置及试验方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种温度可控的岩石单轴压缩声发射试验装置，所述装置包括：加载系统、加热系统、温控系统、应变系统、声发射系统，所述加热系统、温控系统、应变系统、声发射系统均设置于所述加载系统上。

 进一步的，所述加载系统包括软体导热外壳，所述软体导热外壳为空心圆筒形，所述软体导热外壳设有温度检测孔、第一应变检测孔、第二应变检测孔、第一声发射检测孔和第二声发射检测孔，所述第一应变检测孔和第二应变检测孔对称布置，所述第一声发射检测孔和第二声发射检测孔竖直间隔设置，所述软体导热外壳外部设置所述加热系统。

进一步的，所述加载系统还包括：上承压垫块和下承压垫块，所述上承压垫块为圆锥台形，所述下承压垫块为圆柱形，所述软体导热外壳设置于所述下承压垫块上端，所述上承压垫块设置于所述软体导热外壳上端，所述加热系统、应变系统、声发射系统固定于所述下承压垫块上。

进一步的，所述加热系统为热电阻丝，所述热电阻丝多圈缠绕于所述软体导热外壳外表面。

进一步的，所述温控系统包括：温度传感器、温度控制器和电源，所述温度传感器穿设于所述温度检测孔中，所述温度控制器分别与所述热电阻丝、温度传感器和电源连接。

进一步的，所述应变系统包括：对称布置的两组径向应变组件和对称布置的两组轴向应变组件，每组所述径向应变组件包括径向应变计和径向应变螺栓，所述径向应变计下端固定于所述下承压垫块的侧面，所述径向应变计上端设置所述径向应变螺栓，所述径向应变螺栓穿设于对应的所述第一应变检测孔和第二应变检测孔并与试样接触，每组所述轴向应变组件包括轴向应变计，所述轴向应变计下端固定于所述下承压垫块的侧面，所述轴向应变计顶部与所述上承压垫块锥形面接触。

进一步的，所述下承压垫块侧面设有应变接线口，所述应变接线口与所述计算机连接。

进一步的，所述声发射系统包括：声发射组件和声发射采集仪，所述声发射组件包括：声发射传感器固定支架、声发射传感器、声发射固定槽，所述声发射传感器固定支架下端固定与所述下承压垫块的侧面，所述声发射传感器固定支架上间隔设置两个所述声发射固定槽，所述声发射传感器设置于所述声发射固定槽中，两个所述声发射固定槽分别设置于所述第一声发射检测孔、第二声发射检测孔中，所述声发射固定槽的位置可根据实际需要调整，所述声发射传感器与所述声发射采集仪相连。

进一步的，所述声发射固定槽由基板、槽盒和弹簧组成，所述槽盒为一端封闭的空心圆柱体，所述槽盒内封闭侧与所述弹簧一端连接，所述弹簧另一端与所述基板连接，所述基板用于放置声发射传感器，所述槽盒封闭侧设有用于声发射传感器接线的通孔。

一种温度可控的岩石单轴压缩声发射试验方法，具体步骤包括：

步骤1，放置岩石试样，将制备好的标准圆柱体岩石试样表面均匀涂抹上少许凡士林等润滑剂，再将岩石试样放入软体导热外壳内部；

步骤2，安装加热系统，环布热电阻丝，将预先准备好的热电阻丝，均匀缠绕在软体导热外壳壳体外部，尽量紧贴、包裹壳体外部，并绕开温度检测孔、第一应变检测孔、第二应变检测孔、第一声发射检测孔和第二声发射检测孔；

步骤3，安装应变系统，安装对称布置的径向应变组件和轴向应变组件，将径向应变计下端固定在下承压垫块上，将径向应变螺栓固定于所述径向应变计上端，并将径向应变螺栓穿过对应的第一应变检测孔或第二应变检测孔；将轴向应变计下端固定在下承压垫块上，使轴向应变计上端与上承压垫块接触；

步骤4，安装声发射系统，将声发射传感器固定支架下端固定于所述下承压垫块上，将声发射固定槽固定在声发射传感器固定支架上，并使声发射固定槽对应第一声发射检测孔和第二声发射检测孔，将声发射传感器、基板和弹簧安装到槽盒中；

步骤5，固定温度传感器、声发射传感器、径向应变计、轴向应变计、上承压垫块的位置，将有岩石试样和热电阻丝的软体导热外壳组合体放置在下承压垫块上；通过温度检测孔用胶带把温度传感器固定在岩石试样表面；径向应变螺栓固定贴紧至岩石试样表面，声发射传感器的采集端表面均匀抹上凡士林等耦合剂与岩石试样表面紧贴在一起；两个声发射传感器同时固定好后，再将上承压垫块放在最上面，并检查调节各部件到最终位置，上述完成后将组合装置放置到单轴压力机上；

步骤6，连接声发射采集仪、温度控制器、电源和计算机；

步骤7，检查所有连线准确无误后，开启温度控制器、电源、计算机、声发射采集仪，针对不同温度下的试样进行声发射检测；

步骤8，断开电源，使岩石试样表面温度值降至常温后，取下温度传感器，拿掉上承压垫块，取下软体导热外壳，对岩石试样受压面稍稍施加压力，将其取出。

本发明具有以下优点和效果：

1.本发明所述的温度可控的岩石单轴压缩声发射试验装置，可对在单轴压缩下的岩石进行实时变温、恒温控制。

2.本发明所述的温度可控的岩石单轴压缩声发射试验装置，配有两套声发射传感器固定槽，可同时安放两套不同检测频段的声发射检测传感器，从而有效地减少声发射信号的遗漏。

3.本发明所述的温度可控的岩石单轴压缩声发射试验装置，所述的声发射传感器固定支架，可保证声发射传感器和岩石试样表面，既方便又精准的分离、贴合，减少繁琐的拆装步骤，便于重复利用，具有良好的实际操作意义及应用价值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的软体导热外壳的结构示意图；

图3是本发明的岩样、软体导热外壳、热电阻丝、温度控制器、温度传感器、电源的连接组合示意图；

图4是本发明的上承压垫块、下承压垫块、径向应变计、轴向应变计及声发射传感器固定支架的组合结构示意图；

图5是本发明的声发射传感器固定槽的组合结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，说明书中所提到的“上”、“下”皆指以图1为参照的位置，仅用于说明本发明，并不限制本发明。

 相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步说明。

如图1-5所示，一种温度可控的岩石单轴压缩声发射试验装置，所述装置包括：加载系统、加热系统、温控系统、应变系统、声发射系统。所述加热系统、温控系统、应变系统、声发射系统均设置于所述加载系统上，所述加载系统用于装载试样19并对试样19进行加载，所述加热系统用于对试样19进行加热，所述温控系统用于控制所述加热系统的加热温度，所述应变系统用于检测试样19在加载过程中的应变参数，所述声发射系统用于对试样19进行声发射检测。

所述加载系统包括：软体导热外壳1、上承压垫块3和下承压垫块4，所述软体导热外壳1设置于所述下承压垫块4上端，所述上承压垫块3设置于所述软体导热外壳1上端。所述软体导热外壳1为空心圆筒形，所述软体导热外壳1设有温度检测孔14、第一应变检测孔15、第二应变检测孔16、第一声发射检测孔17和第二声发射检测孔18，所述第一应变检测孔15和第二应变检测孔16对称布置，所述第一声发射检测孔17和第二声发射检测孔18竖直间隔设置。所述软体导热外壳1的壳体材料具备良好的导热性能与柔韧性能，能将壳体外部的热量均匀、有效地传递到壳体内部，所述岩石试样19在破坏过程中，其发生膨胀、体积变大，所述软体导热外壳1材料有利于破坏后的岩石试顺利取出，同时破坏后的岩石试样19不易将其破坏，所述软体导热外壳1内部用于放置岩石试样19，所述软体导热外壳1外部设置所述加热系统；所述上承压垫块3为圆锥台形，所述下承压垫块4为圆柱形，所述加热系统、应变系统、声发射系统固定于所述下承压垫块4上。

所述加热系统为热电阻丝2，所述热电阻丝2多圈缠绕于所述软体导热外壳1外表面，所述热电阻丝2为一种导热电阻线，内芯由合金线制成，外有绝缘外壳包裹，所述热电阻丝2可根据需要弯曲成不同的形状，且通电发热后仍能维持其形状不改变，所述热电阻丝2将热量传输给所述软体导热外壳1。

所述温控系统包括：温度传感器5、温度控制器10和电源11，所述温度传感器5穿设于所述温度检测孔14中，温度传感器5与所述试样19接触以测量试样19的表面温度，所述温度控制器10分别与所述热电阻丝2、温度传感器5和电源11连接，所述温度控制器10可实时显示温度传感器5所采集的温度，根据试验的需要，可控制电源11的输出量以控制热电阻丝2的温度。

所述应变系统包括：对称布置的两组径向应变组件和对称布置的两组轴向应变组件，每组所述径向应变组件包括径向应变计6和径向应变螺栓20，所述径向应变计6下端固定于所述下承压垫块4的侧面，所述径向应变计6上端设置所述径向应变螺栓20，所述径向应变螺栓20穿设于对应的所述第一应变检测孔15和第二应变检测孔16并与试样19接触；每组所述轴向应变组件包括轴向应变计7，所述轴向应变计7下端固定于所述下承压垫块4的侧面，所述轴向应变计7顶部与所述上承压垫块3锥形面接触，所述下承压垫块4侧面设有应变接线口12，所述应变接线口12与所述计算机13连接，径向应变计6与所述轴向应变计7将测得的数据通过应变接线口12传输到计算机13。

所述声发射系统包括：声发射组件和声发射采集仪9，所述声发射组件包括：声发射传感器固定支架8、声发射传感器21、声发射固定槽22，所述声发射传感器固定支架8下端固定与所述下承压垫块4的侧面，所述声发射传感器固定支架8上间隔设置两个所述声发射固定槽22，所述声发射传感器21设置于所述声发射固定槽22中，两个所述声发射固定槽22分别设置于所述第一声发射检测孔17、第二声发射检测孔18中，所述声发射固定槽22的位置可根据实际需要调整，所述声发射固定槽由基板23、槽盒24和弹簧25组成，所述槽盒24为一端封闭的空心圆柱体，所述槽盒24内封闭侧与所述弹簧25一端连接，所述弹簧25另一端与所述基板23连接，所述基板23用于放置声发射传感器，所述槽盒24封闭侧设有用于声发射传感器21接线的通孔，所述声发射传感器21与声发射采集仪9相连，可用于多通道声发射检测试验。

本发明还提出上述温度可控的岩石单轴压缩声发射试验方法，其主要步骤包括：

步骤1，放置岩石试样19，将制备好的直径50mm、高100mm的标准圆柱体岩石试样19表面均匀涂抹上少许凡士林等润滑剂，再将岩石试样19放入软体导热外壳1内部；

步骤2，安装加热系统，环布热电阻丝2，将预先准备好的热电阻丝2，均匀缠绕在软体导热外壳1壳体外部，尽量紧贴、包裹壳体外部，并绕开温度检测孔14、第一应变检测孔15、第二应变检测孔16、第一声发射检测孔17和第二声发射检测孔18；

步骤3，安装应变系统，安装对称布置的径向应变组件和轴向应变组件，将径向应变计6下端固定在下承压垫块4上，将径向应变螺栓20固定于所述径向应变计6上端，并将径向应变螺栓20穿过对应的第一应变检测孔15或第二应变检测孔16；将轴向应变计7下端固定在下承压垫块4上，使轴向应变计7上端与上承压垫块3接触；

步骤4，安装声发射系统，将声发射传感器固定支架8下端固定于所述下承压垫块4上，将声发射固定槽30固定在声发射传感器固定支架8上，并使声发射固定槽30对应第一声发射检测孔17和第二声发射检测孔18，将声发射传感器21、基板23和弹簧25安装到槽盒24中；

步骤5，固定温度传感器5、声发射传感器36、径向应变计6、轴向应变计7、上承压垫块3的位置，将有岩石试样19和热电阻丝2的软体导热外壳1组合体放置在下承压垫块4上；通过温度检测孔14用胶带把温度传感器5固定在岩石试样19表面；径向应变螺栓20固定贴紧至岩石试样19表面，声发射传感器36的采集端表面均匀抹上凡士林等耦合剂与岩石试样19表面紧贴在一起；两个声发射传感器同时固定好后，再将上承压垫块3放在最上面，并检查调节各部件到最终位置；上述完成后将组合装置放置到单轴压力机上；

步骤6，连接声发射采集仪9、温度控制器10、电源11和计算机13；

步骤7，检查所有连线准确无误后，开启温度控制器10、电源11、计算机13、声发射采集仪9，针对不同温度下的试样19进行声发射检测；

步骤8，断开电源11，使岩石试样19表面温度值降至常温后，使软体导热外壳1与岩石试样19表面脱离，取下温度传感器5，拿掉上承压垫块3，取下软体导热外壳1，使声发射传感器36与岩石试样19表面脱离，对岩石试样19受压面稍稍施加压力，将其取出。

本发明具有以下优点和效果：

1.本发明所述的温度可控的岩石单轴压缩声发射试验装置，可对在单轴压缩下的岩石进行实时变温、恒温控制。

2.本发明所述的温度可控的岩石单轴压缩声发射试验装置，配有两套声发射传感器固定槽，可同时安放两套不同检测频段的声发射检测传感器，从而有效地减少声发射信号的遗漏。

3.本发明所述的温度可控的岩石单轴压缩声发射试验装置，所述的声发射传感器固定支架，可保证声发射传感器和岩石试样表面，既方便又精准的分离、贴合，减少繁琐的拆装步骤，便于重复利用，具有良好的实际操作意义及应用价值。

Claims (10)

1.一种温度可控的岩石单轴压缩声发射试验装置，其特征在于，所述装置包括：加载系统、加热系统、温控系统、应变系统、声发射系统，所述加热系统、温控系统、应变系统、声发射系统均设置于所述加载系统上。

2.根据权利要求1所述的单轴压缩声发射试验装置，其特征在于，所述加载系统包括软体导热外壳，所述软体导热外壳为空心圆筒形，所述软体导热外壳设有温度检测孔、第一应变检测孔、第二应变检测孔、第一声发射检测孔和第二声发射检测孔，所述第一应变检测孔和第二应变检测孔对称布置，所述第一声发射检测孔和第二声发射检测孔竖直间隔设置，所述软体导热外壳外部设置所述加热系统。

3.根据权利要求2所述的单轴压缩声发射试验装置，其特征在于，所述加载系统还包括：上承压垫块和下承压垫块，所述上承压垫块为圆锥台形，所述下承压垫块为圆柱形，所述软体导热外壳设置于所述下承压垫块上端，所述上承压垫块设置于所述软体导热外壳上端，所述加热系统、应变系统、声发射系统固定于所述下承压垫块上。

4.根据权利要求1所述的单轴压缩声发射试验装置，其特征在于，所述加热系统为热电阻丝，所述热电阻丝多圈缠绕于所述软体导热外壳外表面。

5.根据权利要求1所述的单轴压缩声发射试验装置，其特征在于，所述温控系统包括：温度传感器、温度控制器和电源，所述温度传感器穿设于所述温度检测孔中，所述温度控制器分别与所述热电阻丝、温度传感器和电源连接。

6.根据权利要求3所述的单轴压缩声发射试验装置，其特征在于，所述应变系统包括：对称布置的两组径向应变组件和对称布置的两组轴向应变组件，每组所述径向应变组件包括径向应变计和径向应变螺栓，所述径向应变计下端固定于所述下承压垫块的侧面，所述径向应变计上端设置所述径向应变螺栓，所述径向应变螺栓穿设于对应的所述第一应变检测孔和第二应变检测孔并与试样接触，每组所述轴向应变组件包括轴向应变计，所述轴向应变计下端固定于所述下承压垫块的侧面，所述轴向应变计顶部与所述上承压垫块锥形面接触。

7.根据权利要求6所述的单轴压缩声发射试验装置，其特征在于，所述下承压垫块侧面设有应变接线口，所述应变接线口与所述计算机连接。

8.根据权利要求1所述的单轴压缩声发射试验装置，其特征在于，所述声发射系统包括：声发射组件和声发射采集仪，所述声发射组件包括：声发射传感器固定支架、声发射传感器、声发射固定槽，所述声发射传感器固定支架下端固定与所述下承压垫块的侧面，所述声发射传感器固定支架上间隔设置两个所述声发射固定槽，所述声发射传感器设置于所述声发射固定槽中，两个所述声发射固定槽分别设置于所述第一声发射检测孔、第二声发射检测孔中，所述声发射固定槽的位置可根据实际需要调整，所述声发射传感器与所述声发射采集仪相连。

9.根据权利要求8所述的单轴压缩声发射试验装置，其特征在于，所述声发射固定槽由基板、槽盒和弹簧组成，所述槽盒为一端封闭的空心圆柱体，所述槽盒内封闭侧与所述弹簧一端连接，所述弹簧另一端与所述基板连接，所述基板用于放置声发射传感器，所述槽盒封闭侧设有用于声发射传感器接线的通孔。

10.一种温度可控的岩石单轴压缩声发射试验方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤1，放置岩石试样，将制备好的标准圆柱体岩石试样表面均匀涂抹上少许润滑剂，再将岩石试样放入软体导热外壳内部；

步骤2，安装加热系统，环布热电阻丝，将预先准备好的热电阻丝，均匀缠绕在软体导热外壳壳体外部，尽量紧贴、包裹壳体外部，并绕开温度检测孔、第一应变检测孔、第二应变检测孔、第一声发射检测孔和第二声发射检测孔；

步骤3，安装应变系统，安装对称布置的径向应变组件和轴向应变组件，将径向应变计下端固定在下承压垫块上，将径向应变螺栓固定于所述径向应变计上端，并将径向应变螺栓穿过对应的第一应变检测孔或第二应变检测孔；将轴向应变计下端固定在下承压垫块上，使轴向应变计上端与上承压垫块接触；

步骤4，安装声发射系统，将声发射传感器固定支架下端固定于所述下承压垫块上，将声发射固定槽固定在声发射传感器固定支架上，并使声发射固定槽对应第一声发射检测孔和第二声发射检测孔，将声发射传感器、基板和弹簧安装到槽盒中；

步骤5，固定温度传感器、声发射传感器、径向应变计、轴向应变计、上承压垫块的位置，将有岩石试样和热电阻丝的软体导热外壳组合体放置在下承压垫块上；通过温度检测孔用胶带把温度传感器固定在岩石试样表面；径向应变螺栓固定贴紧至岩石试样表面，声发射传感器的采集端表面均匀抹上耦合剂与岩石试样表面紧贴在一起；两个声发射传感器同时固定好后，再将上承压垫块放在最上面，并检查调节各部件到最终位置，上述完成后将组合装置放置到单轴压力机上；

步骤6，连接声发射采集仪、温度控制器、电源和计算机；

步骤7，检查所有连线准确无误后，开启温度控制器、电源、计算机、声发射采集仪，针对不同温度下的试样进行声发射检测；

步骤8，断开电源，使岩石试样表面温度值降至常温后，取下温度传感器，拿掉上承压垫块，取下软体导热外壳，对岩石试样受压面稍稍施加压力，将其取出。