CN105509866A - 层状岩石介质声发射传播特性测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

层状岩石介质声发射传播特性测试装置，包括数据采集系统、测试反力框架、支撑板、垫板和推压板件，测试反力框架包括框架底梁、中间拉板、框架顶梁和立柱板，框架底梁和框架顶梁上下对应且平行设置，立柱板设有四块，中间拉板设有两块，四块立柱板和两块中间拉板的上端均与框架顶梁连接，四块立柱板和两块中间拉板的下端均与框架底梁连接，其中一块中间拉板和两块立柱板位于框架顶梁和框架底梁的前侧；本发明结构简单，改进了现有技术的微震震源定位，建立微震事件多参数差定位方法提高震源定位精度，从而为微震监测技术在预测和防治动力灾害等工程应用中提供一定的理论依据，进一步拓宽其应用范围，具有重大的实际意义。

Description

层状岩石介质声发射传播特性测试装置及方法

技术领域

本发明属于矿山微震震源试验测试领域，具体涉及一种层状岩石介质声发射传播特性测试装置及方法。

背景技术

在自然地震、工程爆破、爆炸等震动事件中，其中一部分能量必然转化为震动波的形式，它会以震源为中心向周围传播。对采集到的矿山微震信号进行分析和处理，并以此来确定矿山微震信号初至波到达时刻的技术称为初至波拾取技术；矿山微震信号初至波拾取是震动研究中非常关键和重要的问题；在震源定位中，准确快捷的拾取到初至波的时刻是进行准确震源定位或信号分析的基础；层状岩体是煤系地层中最常见的岩体赋存形式，由于其类似横观各向同性介质，即不同于均匀介质，又比完全各种异性介质简单，因此研究弹性波在层状介质中的传播特性，并利用波形特征的多参数变化，可以改进现有的煤矿矿山微震震源定位方法，提高震源定位精度；

常用的定位方法都是以不同位置传感器接收到波的到达时刻来进行定位，但由于复杂层状介质中不同方位波的传播速度不同，因此仅利用到时时差进行定位必然会导致定位位置不准确，甚至常见现场微震监测设备将微震事件定位到了地表以上或者煤层以下很远的位置，严重影响了利用微震信号进行岩体稳定性分析的效果。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种在实验室测试声发射应力波在层状介质中传播规律研究，掌握应力波在层状岩石介质中的传播、衰减特性与规律，并利用波形特征的多参数变化改进现有的微震震源定位方法的层状岩石介质声发射传播特性测试装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：层状岩石介质声发射传播特性测试装置，包括数据采集系统、测试反力框架、支撑板、垫板和推压板件，测试反力框架包括框架底梁、中间拉板、框架顶梁和立柱板，框架底梁和框架顶梁上下对应且平行设置，立柱板设有四块，中间拉板设有两块，四块立柱板和两块中间拉板的上端均与框架顶梁连接，四块立柱板和两块中间拉板的下端均与框架底梁连接，其中一块中间拉板和两块立柱板位于框架顶梁和框架底梁的前侧，另一块中间拉板和两块立柱板位于框架顶梁和框架底梁的后侧，中间拉板位于同侧的两块立柱板之间，前侧的立柱板和后侧的立柱板前后一一对应设置，两块中间拉板前后对应设置；框架顶梁、框架底梁和四块立柱板合围成测试安装空间；支撑板设有两块，框架底梁左右两侧均设有穿孔，两块支撑板自前向后分别插设在一个穿孔中并与框架底梁固定连接；测试安装空间内自上而下依次设有加压油缸、岩石试件和垫板，岩石试件顶部、岩石试件与垫板之间均设有橡胶均压板，加压油缸设有四个，四个加压油缸的缸体端部并排间隔且垂直固定在框架顶梁底部，四个加压油缸的活塞杆下端顶压在位于岩石试件上方的橡胶均压板上；推压板件设有四组并且分别设置在一块立柱板上，推压板件分别顶压在岩石试件的前侧面和后侧面；数据采集系统包括声发射信号采集仪和声发射传感器，声发射传感器设置在岩石试件上，声发射传感器通过信号线路与声反射信号采集仪连接。

推压板件包括槽钢、橡胶推压块和紧固螺栓，立柱板上设有第一通孔，槽钢的腹板上设有第二通孔和定位螺母，第一通孔、第二通孔和定位螺母同轴线对应设置，橡胶推压块设在槽钢的凹槽内并凸出与所述凹槽，紧固螺栓依次穿过第一通孔、定位螺母和第二通孔后顶压在橡胶推压块表面上，紧固螺栓与定位螺母螺纹连接，橡胶推压块压接在岩石试件外表面。

支撑板底部沿前后方向均匀设有至少两块垫块，垫块下表面低于或平齐于框架底梁下表面。

层状岩石介质声发射传播特性测试装置的测试方法，包括以下步骤：

（1）制备岩石试件；根据试验研究需要，制备不同材料属性、形状、数量的岩石试件；

（2）安装岩石试件；在测试安装空间底部放置垫板和橡胶均压板，沿两块立柱之间的间隙将岩石试件安装在测试安装空间内；

（3）固定岩石试件；在岩石试件顶部放置另一块橡胶均压板，预紧推压板件上的紧固螺栓，使推压板件的橡胶推压块压紧在岩石试件表面；

（4）启动层状岩石介质声发射传播特性测试装置的加压油缸，使岩石试件受力达到实施预定值；

（5）在岩石试件上布设声发射传感器；根据试验方案，在岩石试件上合理布设不同形式的声发射传感器；

（6）试验数据信号采集；

（7）拆卸声发射传感器和岩石试件，重新安放好层状岩石介质声发射传播特性测试装置；

（8）分析试验数据。

所述步骤（6）中试验数据信号采集的具体步骤为：

a)启动声反射信号采集仪，调试声发射传感器，使岩石试件与声发射传感器之间的信号连接畅通；

b)启动所有加压油缸，使岩石试件载荷达到试验要求的压力值；

c)采集数据，通过声发射信号采集仪采集声发射传感器接收到的信号。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：层状岩石介质声发射传播特性测试装置模拟了地下岩层复杂层状介质的真实存在状态，为复杂层状介质声发射传播试验进行奠定了试验条件，本装置选用不同声发射传感器装配在岩石试件上，可以收集波的振幅、能量、频率的差别，这些参数的变化反映了波通过传播介质的特性，通过微震信号层状介质传播特性试验，进一步分析建立复杂层状介质的多参数定位方法；层状岩石介质声发射传播特性测试装置具有以下有益效果：根据不同岩石试样的高度，垫板可调整设置若干块；橡胶均压板使岩石试样承受均匀的压力，推压板件用于模拟岩石试样周围的地层压力，加压油缸在岩石试件顶部模拟初始原岩应力；支撑板对测试反力框架起平衡作用，支撑板底部的垫块使支撑板受力均匀；中间拉板加强了测试反力框架的牢固性；

在实验室开展声发射应力波在层状介质中传播规律研究，掌握应力波在层状岩石介质中的传播、衰减特性与规律，并利用波形特征的多参数变化，可以改进现有的微震震源定位方法，建立微震事件多参数差定位方法提高震源定位精度。开展这方面的研究能够更清楚的了解煤矿动力灾害发生、发展的过程，只有充分认识了应力波在层状介质中的传播规律才能更好的治理煤岩动力灾害现象。

综上所述，本发明结构简单，改进了现有技术的微震震源定位，建立微震事件多参数差定位方法提高震源定位精度，从而为微震监测技术在预测和防治动力灾害等工程应用中提供一定的理论依据，进一步拓宽其应用范围，具有重大的实际意义。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是图1的前方视图；

图3是图2中A-A处剖视图；

图4是图2的右侧视图；

图5是本发明中推压板件的结构示意图。

具体实施方式

如图1-5所示，本发明的层状岩石介质声发射传播特性测试装置,包括数据采集系统、测试反力框架、支撑板2、垫板3和推压板件，测试反力框架包括框架底梁4、中间拉板1、框架顶梁5和立柱板6，框架底梁4和框架顶梁5上下对应且平行设置，立柱板6设有四块，中间拉板1设有两块，四块立柱板6和两块中间拉板1的上端均与框架顶梁5连接，四块立柱板6和两块中间拉板1的下端均与框架底梁4连接，其中一块中间拉板1和两块立柱板6位于框架顶梁5和框架底梁4的前侧，另一块中间拉板1和两块立柱板6位于框架顶梁5和框架底梁4的后侧，中间拉板1位于同侧的两块立柱板6之间，前侧的立柱板6和后侧的立柱板6前后一一对应设置，两块中间拉板1前后对应设置；框架顶梁5、框架底梁4和四块立柱板6合围成测试安装空间7；支撑板2设有两块，框架底梁4左右两侧均设有穿孔，两块支撑板2自前向后分别插设在一个穿孔中并与框架底梁4固定连接；测试安装空间7内自上而下依次设有加压油缸8、岩石试件9和垫板3，岩石试件9顶部、岩石试件9与垫板3之间均设有橡胶均压板10，加压油缸8设有四个，四个加压油缸8的缸体端部并排间隔且垂直固定在框架顶梁5底部，四个加压油缸8的活塞杆下端顶压在位于岩石试件9上方的橡胶均压板10上；推压板件设有四组并且分别设置在一块立柱板6上，推压板件分别顶压在岩石试件9的前侧面和后侧面；数据采集系统包括声发射信号采集仪和声发射传感器，声发射传感器设置在岩石试件9上，声发射传感器通过信号线路与声反射信号采集仪连接。

推压板件包括槽钢11、橡胶推压块12和紧固螺栓13，立柱板6上设有第一通孔，槽钢11的腹板上设有第二通孔和定位螺母14，第一通孔、第二通孔和定位螺母14同轴线对应设置，橡胶推压块12设在槽钢11的凹槽内并凸出与所述凹槽，紧固螺栓13依次穿过第一通孔、定位螺母14和第二通孔后顶压在橡胶推压块12表面上，紧固螺栓13与定位螺母14螺纹连接，橡胶推压块12压接在岩石试件9外表面。

支撑板2底部沿前后方向均匀设有至少两块垫块15，垫块15下表面低于或平齐于框架底梁4下表面。

层状岩石介质声发射传播特性测试装置的测试方法，包括以下步骤：

（1）制备岩石试件9；根据试验研究需要，制备不同材料属性、形状、数量的岩石试件9；

（2）安装岩石试件9；在测试安装空间7底部放置垫板3和橡胶均压板10，沿两块立柱之间的间隙将岩石试件9安装在测试安装空间7内；

（3）固定岩石试件9；在岩石试件9顶部放置另一块橡胶均压板10，预紧推压板件上的紧固螺栓13，使推压板件的橡胶推压块12压紧在岩石试件9表面；

（4）启动层状岩石介质声发射传播特性测试装置的加压油缸8，使岩石试件9受力达到实施预定值；

（5）在岩石试件9上布设声发射传感器；根据试验方案，在岩石试件9上合理布设不同形式的声发射传感器；

（6）试验数据信号采集；

（7）拆卸声发射传感器和岩石试件9，重新安放好层状岩石介质声发射传播特性测试装置；

（8）分析试验数据。

所述步骤（6）中试验数据信号采集的具体步骤为：

a)启动声反射信号采集仪，调试声发射传感器，使岩石试件9与声发射传感器之间的信号连接畅通；

b)启动所有加压油缸8，使岩石试件9载荷达到试验要求的压力值；

c)采集数据，通过声发射信号采集仪采集声发射传感器接收到的信号。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.层状岩石介质声发射传播特性测试装置，其特征在于：包括数据采集系统、测试反力框架、支撑板、垫板和推压板件，测试反力框架包括框架底梁、中间拉板、框架顶梁和立柱板，框架底梁和框架顶梁上下对应且平行设置，立柱板设有四块，中间拉板设有两块，四块立柱板和两块中间拉板的上端均与框架顶梁连接，四块立柱板和两块中间拉板的下端均与框架底梁连接，其中一块中间拉板和两块立柱板位于框架顶梁和框架底梁的前侧，另一块中间拉板和两块立柱板位于框架顶梁和框架底梁的后侧，中间拉板位于同侧的两块立柱板之间，前侧的立柱板和后侧的立柱板前后一一对应设置，两块中间拉板前后对应设置；框架顶梁、框架底梁和四块立柱板合围成测试安装空间；支撑板设有两块，框架底梁左右两侧均设有穿孔，两块支撑板自前向后分别插设在一个穿孔中并与框架底梁固定连接；测试安装空间内自上而下依次设有加压油缸、岩石试件和垫板，岩石试件顶部、岩石试件与垫板之间均设有橡胶均压板，加压油缸设有四个，四个加压油缸的缸体端部并排间隔且垂直固定在框架顶梁底部，四个加压油缸的活塞杆下端顶压在位于岩石试件上方的橡胶均压板上；推压板件设有四组并且分别设置在一块立柱板上，推压板件分别顶压在岩石试件的前侧面和后侧面；数据采集系统包括声发射信号采集仪和声发射传感器，声发射传感器设置在岩石试件上，声发射传感器通过信号线路与声反射信号采集仪连接。

2.根据权利要求1所述的层状岩石介质声发射传播特性测试装置，其特征在于：推压板件包括槽钢、橡胶推压块和紧固螺栓，立柱板上设有第一通孔，槽钢的腹板上设有第二通孔和定位螺母，第一通孔、第二通孔和定位螺母同轴线对应设置，橡胶推压块设在槽钢的凹槽内并凸出与所述凹槽，紧固螺栓依次穿过第一通孔、定位螺母和第二通孔后顶压在橡胶推压块表面上，紧固螺栓与定位螺母螺纹连接，橡胶推压块压接在岩石试件外表面。

3.根据权利要求2所述的层状岩石介质声发射传播特性测试装置，其特征在于：支撑板底部沿前后方向均匀设有至少两块垫块，垫块下表面低于或平齐于框架底梁下表面。

4.根据权利要求3所述的层状岩石介质声发射传播特性测试装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）制备岩石试件；根据试验研究需要，制备不同材料属性、形状、数量的岩石试件；

（2）安装岩石试件；在测试安装空间底部放置垫板和橡胶均压板，沿两块立柱之间的间隙将岩石试件安装在测试安装空间内；

（3）固定岩石试件；在岩石试件顶部放置另一块橡胶均压板，预紧推压板件上的紧固螺栓，使推压板件的橡胶推压块压紧在岩石试件表面；

（4）启动层状岩石介质声发射传播特性测试装置的加压油缸，使岩石试件受力达到实施预定值；

（5）在岩石试件上布设声发射传感器；根据试验方案，在岩石试件上合理布设不同形式的声发射传感器；

（6）试验数据信号采集；

（7）拆卸声发射传感器和岩石试件，重新安放好层状岩石介质声发射传播特性测试装置；

（8）分析试验数据。

5.根据权利要求4所述的层状岩石介质声发射传播特性测试装置的测试方法，其特征在于：所述步骤（6）中试验数据信号采集的具体步骤为：

a)启动声反射信号采集仪，调试声发射传感器，使岩石试件与声发射传感器之间的信号连接畅通；

b)启动所有加压油缸，使岩石试件载荷达到试验要求的压力值；

c)采集数据，通过声发射信号采集仪采集声发射传感器接收到的信号。