CN108398331A - 一种岩石多元信息采集系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种岩石多元信息采集系统及试验方法，包括加载机构、监测机构和防护装置。加载机构包括控制器、基座、压力框和加荷锥头；监测机构包括压力传感器、位移传感器、摄像机、CT扫描装置和声发射传感器，传感器接收到的数据会自动实时传输到PC端进行数据的分析与处理，压力传感器和位移传感器会自动记录加载时岩石试样的变形和受力；CT扫描装置会自动扫描岩石试样裂隙的产生和扩展；声发射传感器自动接收声发射信号，用于确定岩石先前受到的最大应力；防护装置设置于加载机构外围，起保护作用。本发明自动加载及自动停止加载，测量精度高，能够采集多方面信息，分析岩石试样裂隙生成和扩展，并能实现实时数据记录分析和可视化。

Description

一种岩石多元信息采集系统及试验方法

技术领域

本发明涉及一种岩石信息采集装置，具体涉及一种岩石多元信息采集系统数据处理方法。

背景技术

在岩石力学的研究中，很多需要采集岩石的各种物理参数信息，比如说单轴饱和抗压强度、变形模量等。但目前来说，这些信息的采集均或多或少地存在一些困难，以直接测定岩石单轴饱和抗压强度的试验方法为例，现行的测定方法存在数据准确性不高、试验的便捷性较差、试验过程较为复杂、试验过程可能会出现岩屑崩出伤人的安全隐患等问题。

在对岩石试样单轴饱和抗压强度的间接测定中，可利用点荷载试验，测得岩石试样的点荷载强度，再利用岩石点荷载强度和单轴饱和抗压强度之间的换算方法及转换公式，较方便地求得岩石试样的单轴饱和抗压强度。

但目前的点荷载试验方法也存在着一些弊端。首先，现有的点荷载试验仪几乎均为摇式油泵手动加载，难以控制加荷速率，测得的破坏时的最大荷载并不一定准确；并且，现有的点荷载试验仪需要手动计算点荷载强度，存在不便；此外，在点荷载试验过程中，某些坚硬岩石在压力作用下可能会飞出碎屑伤人，也会存在安全隐患。

目前岩石力学研究方向中，对岩石断裂和损伤及岩体初始应力等方面的研究课题也需要研究岩石试样在加载破裂过程中的性质。而现有的试验装置能够测量的岩石试样的信息太少，无法观察和分析岩石试样在点荷载下的裂隙生成和扩展过程，更无法在PC上实时记录和分析数据，数据的可视化程度低。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种合理方便的全新设备和方法，能够实现点荷载试验恒定速率自动加载，便捷准确地得到所需要材料的强度值，并能够保障试验过程的安全，而且可以集成多种测试方法和技术采集岩石试样的多方面信息，能够了解其在加载过程中裂隙的生成扩展，并能够在PC端实现实时数据记录分析和可视化；

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种岩石多元信息采集系统，包括加载机构、监测机构和防护装置，所述的加载机构用于对岩石试样施加点荷载；

所述的监测机构用于监测试样的受力、裂隙生成和扩展，并能将信息传输到PC端实时记录和分析数据；

所述的防护装置设置于加载机构外围，起防护作用。

进一步的，所述加载机构包括基座、压力框、驱动装置、上加荷锥头、下加荷锥头和控制器，所述压力框固定在基座上，压力框的顶部设有一个向下加载的上加荷锥头，在压力框的底部设有一个与所述的上加荷锥头相对的一个下加荷锥头；所述的上加荷锥头在驱动装置的驱动下能向下运动，所述的驱动装置由所述的控制器控制。

进一步的，所述基座底部有防滑垫，压力框通过四个紧固螺栓固定在基座上。

进一步的，所述监测机构包括压力传感器、位移传感器、摄像机、CT扫描装置和声发射装置；所述压力传感器布设于下加荷锥头的底部，用于监测加载过程中的压力值；所述位移传感器布设于上加荷锥头内，用于监测加载过程中加荷锥头发生的位移；所述摄像机正对岩石试样布设，用于拍摄岩石试样加载过程中的整个破坏过程；所述的CT扫描装置包括两个，分别布设在压力框的两根立柱上，用于扫描岩石试样的裂隙；所述的声发射装置用于采集岩石试样加载过程中的声发射信号，用于确定岩石先前受到的最大应力；监测机构的各个装置采集到的信息都能实时传至PC端进行数据记录和处理。

所述的声发射装置用于采集岩石试样加载过程中的声发射信号，用于确定岩石先前受到的最大应力；

所述的压力传感器、位移传感器、摄像机、CT扫描装置、声发射装置将采集到的信息都能实时传至PC端进行数据记录和处理。

进一步的，在所述的两根立柱上设有导轨和驱动装置，所述的两个CT扫描装置在驱动装置驱动下可以沿着所述的导轨同时上下移动。

进一步的，所述防护装置位于加载机构外围，为可拆卸式。

优选的，防护装置可以采用高强度透明钢化玻璃制备；防护装置前端有门，门上开口，可使声发射传感器电缆通过。

进一步的，所述的驱动装置包括电动液压泵，所述电动液压泵通过一个推杆推动上加荷锥头。

利用上述岩石多元信息采集系统进行试验的方法，包括以下步骤：

A.接通电源，将试样放入两个加荷锥头之间，使用控制器调整上加荷锥头伸出的长度，使试样与上、下加荷锥头紧密接触，布设好声发射传感器，架设好摄像机；

B.点击控制器上的开始按钮开始自动匀速加载，加载过程中声发射传感器会不断接收岩石在加载过程中的声发射信号，CT扫描装置也会按照预先设定好的频率扫描岩石试样，获得其内部裂隙扩展情况，各个数据监测装置记录的数据自动传输到PC端进行记录和处理；控制器的处理软件会自动在接收到的压力数值中选择出最大值P_max，在岩石试样达到峰值强度时，压力值也达到最大，随后压力值会迅速下降；而当控制器接收到的数据P_x与最大值P_max的差值达到最大值P_max的10％之后，即可认为岩石试样已经破坏，则会自动停止加载；

C.试验结束后，使用控制器控制上锥头收回，并清理仪器准备下次试验。

进一步的，控制器进行数据计算的方法如下：

岩石试样的高用D表示，最短边边长用b表示；岩石试样在点荷载作用下的破坏荷载用P表示；岩石试样厚宽比用ω表示，形状修正系数用K_f表示，点荷载强度指标用I_S表示，国内标准点荷载强度指标用I_S(50)表示，岩石的单轴饱和抗压强度用R_C表示，R_C即为符合国家标准规范的单轴饱和抗压强度值；然后利用下面的公式计算得到上面的参数：

I_S(50)＝K_f×I_S

R_C＝22.82×I_S(50)^0.75

其中，ω和K_f是中间参数，确定I_S、I_S(50)和R_C这三个参数值之后，可分别应用于相应的国家规范，用于确定岩石质量等级、岩石性质等；

位移传感器可感知上加荷锥头发生的位移，随着上加荷锥头的向下移动，位移传感器会自动记录位移，进而自动推算出岩石试样的高；

所述的控制器处理软件根据声发射传感器确定岩石先前受到的最大应力。

本发明的有益效果为：

(1)本发明能够采集到岩石试样破坏全过程中裂隙的产生和扩展；

(2)本发明运用压力传感器感知岩石试样的实时压力，并将数据传输到PC端，根据发明中提供的判别方法，运用编程或第三方数据处理平台建立的伺服控制系统可实现自动停止加载；

(3)本发明结构设计巧妙，能够实现自动匀速加载，并可以控制加载速率；

(4)本发明能够实现试验全程的数据可视化，并实时记录和分析数据，并且数据准确度高；

(5)本发明在试验过程中的安全性较好。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1：本发明整体结构示意图；

图2：加载机构示意图；

图3：岩石声发射传感器布设示意图；

图4：手持式控制器示意图；

图5：本发明流程图；

图中，1—防护装置；2—摄像机；3—声发射传感器；4—加载机构；5—手持式控制器；6—PC；7—压力框；8—CT扫描元件；9—基座；10—压力传感器；11—电动液压泵；12a—上加荷锥头；12b—下加荷锥头；13—紧固螺栓；14—岩石试样；15a—电动液压泵与位移传感器接头；15b—压力传感器与CT扫描元件接头；15c—声发射传感器接头；16—键盘；17—PC接头。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，目前的点荷载试验方法也存在着一些弊端。首先，现有的点荷载试验仪几乎均为摇式油泵手动加载，难以控制加荷速率，测得的破坏时的最大荷载并不一定准确；并且，现有的点荷载试验仪需要手动计算点荷载强度，存在不便；此外，在点荷载试验过程中，某些坚硬岩石在压力作用下可能会飞出碎屑伤人，也会存在安全隐患。目前岩石力学研究方向中，对岩石断裂和损伤及岩体初始应力等方面的研究课题也需要研究岩石试样在加载破裂过程中的性质。而现有的试验装置能够测量的岩石试样的信息太少，无法观察和分析岩石试样在点荷载下的裂隙生成和扩展过程，更无法在PC上实时记录和分析数据，数据的可视化程度低。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种本发明提供了一种能够自动加载，测量精度高，安全可靠，能够采集多方面信息，分析岩石试样裂隙生成和扩展，并能实现实时数据记录分析和可视化的点荷载试验系统。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种岩石多元信息采集系统，包括加载机构、监测机构和防护装置。监测机构在加载机构对岩石试样施加点荷载时监测试验所需的数据，防护装置设置于加载机构外围，起保护作用。

如图2所示，加载机构包括手持式控制器5、基座9、压力框7、电动液压泵11、上加荷锥头12a、下加荷锥头12b；

压力框7固定在基座9上，压力框7的顶部设有一个向下加载的上加荷锥头12a，在压力框的底部设有一个与所述的上加荷锥头相对的一个下加荷锥头12b；所述的上加荷锥头在电动液压泵11的驱动下能向下运动，施加点荷载，所述的电动液压泵11由所述的手持式控制器5控制电动液压泵施加荷载的速度。

进一步的，所述基座底部有防滑垫，压力框通过四个紧固螺栓固定在基座上。

监测机构包括压力传感器10、位移传感器、摄像机2、CT扫描装置8和声发射传感器3。位移传感器压力传感器可感知施加的压力数值，随着上加荷锥头12a的逐渐加载，压力值会逐渐变化，压力传感器接受到的压力值实时传输到PC端数据处理软件后，会根据下列判别过程控制自动停止加载：

PC端处理软件会自动在接收到的压力数值中选择出最大值P_max，在岩石试样达到峰值强度时，压力值也达到最大，随后压力值会迅速下降；而当PC端接收到的数据P_x与最大值P_max的差值达到最大值P_max的10％之后，即可认为岩石试样已经破坏，则会自动停止加载。

位移传感器可感知加荷锥头12a发生的位移，另外在试验进行时，随着上加荷锥头的向下移动，位移传感器会自动记录位移，进而自动推算出岩石试样的高。

摄像机2可拍摄记录岩石试样加载破坏的整个外部过程；

CT扫描装置8可扫描岩石试样在加载过程中裂隙的产生和扩展；

声发射传感器3可以采集岩石试样加载过程中的声发射信号，用于确定岩石先前受到的最大应力。

许多岩石的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射发生，而当应力达到和超过历史最高水平后，会大量产生声发射，即应力—声发射事件总数(或速率)曲线会出现拐点，这种现象称为凯泽效应。本发明中PC端处理软件可据此确定岩石先前受到的最大应力。

监测机构的各个检测元件均与PC进行连接，收集到的信息可实时传输到PC端进行记录，利用编程方法或者第三方后处理软件进行数据的分析和处理。

计算公式如下：

岩石试样的高用D表示，最短边边长用b表示，岩石试样在点荷载作用下的破坏荷载用P表示，以上三个物理量均能直接测得。

下面，岩石试样厚宽比用ω表示，形状修正系数K_f表示，点荷载强度指标用I_S表示，国内标准点荷载强度指标用I_S(50)表示，岩石的单轴饱和抗压强度R_C表示，R_C即为符合国家标准规范的单轴饱和抗压强度值。这些参数可分别由下面的公式计算得到：

I_S(50)＝K_f×I_S

R_C＝22.82×I_S(50)^0.75

其中，ω和K_f是中间参数，而I_S、I_S(50)和R_C是我们最终需要的参数值。确定这三个参数值之后，可分别应用于相应的国家规范，用于确定岩石质量等级、岩石性质等。

如图2所示，在本发明所述的一种岩石多元信息采集系统中，加载机构与检测机构之间存在较为巧妙地连接和布设方式。首先，加载机构中的压力框是固定不动的，对岩石试样施加点荷载的液压油缸安装在压力框上部；在固定不动的压力框的两根立柱上安装CT扫描装置8，该装置可沿着两根立柱上下移动，移动时两个扫描元件同时移动；位移传感器布设在上加荷锥头12a上部，隐藏于电动液压泵内，用于监测加荷锥头12a发生的位移，而压力传感器布设在下加荷锥头b下部。

如图3所示，本发明中所用的岩石试样可以是不规则的形状，声发射传感器可以直接用透明胶带绑在不规则的岩石试样上。

上述所述的一种岩石多元信息采集系统，具有如下使用方法：

A.接通电源，将试样放入两个加荷锥头之间，使用手持式控制器调整上锥头伸出的长度，使试样与上下锥头紧密接触，布设好声发射传感器，架设好摄像机；

B.点击手持式控制器上的开始按钮开始自动匀速加载，加载过程中声发射传感器会不断接收岩石在加载过程中的声发射信号，CT扫描装置也会按照预先设定好的频率扫描岩石试样，获得其内部裂隙扩展情况，传感器记录的数据自动传输到PC端进行记录和处理，当PC端处理软件判断出岩石试样已达到峰值强度时，自动停止加载并计算得出点荷载强度及其它所需要的参数值；

C.在整个试验过程中，关闭防护装置的安全门，实验人员可全程观察试样的破坏过程；

D.试验结束后，使用手持式控制器控制上锥头收回，并清理仪器准备下次试验。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种岩石多元信息采集系统，其特征在于，包括加载机构、监测机构和防护装置，

所述的加载机构用于对岩石试样施加点荷载；

所述的监测机构用于监测试样的受力、裂隙生成和扩展，并能将信息传输到PC端实时记录和分析数据；

所述的防护装置设置于加载机构外围，起防护作用。

2.如权利要求1所述的一种岩石多元信息采集系统，其特征在于，所述加载机构包括基座、压力框、驱动装置、上加荷锥头、下加荷锥头和控制器，所述压力框固定在基座上，压力框的顶部设有一个向下加载的上加荷锥头，在压力框的底部设有一个与所述的上加荷锥头相对的一个下加荷锥头；所述的上加荷锥头在驱动装置的驱动下能向下运动，所述的驱动装置由所述的控制器控制。

3.如权利要求2所述的一种岩石多元信息采集系统，其特征在于，所述的驱动装置包括电动液压泵，所述电动液压泵通过一个推杆推动上加荷锥头。

4.如权利要求2所述的一种岩石多元信息采集系统，其特征在于，所述基座底部有防滑垫，压力框通过四个紧固螺栓固定在基座上。

5.如权利要求2所述的一种岩石多元信息采集系统，其特征在于，所述监测机构包括压力传感器、位移传感器、摄像机、CT扫描装置和声发射装置；

所述压力传感器布设于下加荷锥头的底部，用于监测加载过程中的压力值；

所述位移传感器布设于上加荷锥头内，用于监测加载过程中加荷锥头发生的位移；

所述摄像机正对岩石试样布设，用于拍摄岩石试样加载过程中的整个破坏过程；

所述的CT扫描装置包括两个，分别布设在压力框的两根立柱上，用于扫描岩石试样的裂隙；

所述的声发射装置用于采集岩石试样加载过程中的声发射信号，用于确定岩石先前受到的最大应力；

所述的压力传感器、位移传感器、摄像机、CT扫描装置、声发射装置将采集到的信息都能实时传至PC端进行数据记录和处理。

6.如权利要求6所述的一种岩石多元信息采集系统，其特征在于，在所述的两根立柱上设有导轨和驱动装置，所述的两个CT扫描装置在驱动装置驱动下可以沿着所述的导轨同时上下移动。

7.如权利要求1所述的一种岩石多元信息采集系统，其特征在于，所述防护装置位于加载机构外围，为可拆卸式。

8.如权利要求6所述的一种岩石多元信息采集系统，其特征在于，所述防护装置采用高强度透明钢化玻璃制备；防护装置前端有门，门上开口，可使声发射传感器电缆通过。

9.如权利要求1-8任一所述的一种岩石多元信息采集系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.接通电源，将试样放入两个加荷锥头之间，使用控制器调整上加荷锥头伸出的长度，使试样与上、下加荷锥头紧密接触，布设好声发射传感器，架设好摄像机；

B.点击控制器上的开始按钮开始自动匀速加载，加载过程中声发射传感器会不断接收岩石在加载过程中的声发射信号，CT扫描装置也会按照预先设定好的频率扫描岩石试样，获得其内部裂隙扩展情况，各个数据监测装置记录的数据自动传输到PC端进行记录和处理；控制器的处理软件会自动在接收到的压力数值中选择出最大值P_max，在岩石试样达到峰值强度时，压力值也达到最大，随后压力值会迅速下降；而当控制器接收到的数据P_x与最大值P_max的差值达到最大值P_max的10％之后，即可认为岩石试样已经破坏，则会自动停止加载；

C.试验结束后，使用控制器控制上锥头收回，并清理仪器准备下次试验。

10.如权利要求9所述的一种岩石多元信息采集系统的试验方法，其特征在于，

控制器进行数据计算的方法如下：

岩石试样的高用D表示，最短边边长用b表示；岩石试样在点荷载作用下的破坏荷载用P表示；岩石试样厚宽比用ω表示，形状修正系数用K_f表示，点荷载强度指标用I_S表示，国内标准点荷载强度指标用I_S(50)表示，岩石的单轴饱和抗压强度用R_C表示，R_C即为符合国家标准规范的单轴饱和抗压强度值；然后利用下面的公式计算得到上面的参数：

I_S(50)＝K_f×I_S

R_C＝22.82×I_S(50)^0.75

其中，ω和K_f是中间参数，确定I_S、I_S(50)和R_C这三个参数值之后，可分别应用于相应的国家规范，用于确定岩石质量等级、岩石性质等；

位移传感器可感知上加荷锥头发生的位移，随着上加荷锥头的向下移动，位移传感器会自动记录位移，进而自动推算出岩石试样的高；

所述的控制器处理软件根据声发射传感器确定岩石先前受到的最大应力。