CN109406291B - 一种用于模拟岩石原位破碎的透x射线试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于模拟岩石原位破碎的透X射线试验装置及方法，装置包括主体加载机构、压头驱动机构、破岩工作面泥浆压力模拟机构、试样破碎测试机构。底座、轴压活塞、PEEK承压筒、法兰盖、垫柱构成主体加载机构，压头荷载杆穿过垫柱和法兰盖，驱动压头作用于岩石试样端面，使得压头侵入试样致使试样破裂。轴压及围压加载至试验设计值，模拟岩体工程中岩石的原位三向受力状态，试样端面在垫柱中间的区域模拟岩体工程的卸载工作面，该区域上部的空腔可注液模拟岩体工程工作面泥浆压力。承压筒采用可透X射线的工程塑料制成，配合开放式CT扫描仪器，可实时监测岩石内部的细观裂纹萌生、扩展和交汇过程，用以分析岩石破碎裂纹发育机理。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于模拟岩石原位破碎的透X射线试验装置及方法，模拟岩体工程工作面处，原位岩石所处的三向地应力环境下岩石的破碎，属于岩石的破碎力学领域。
背景技术
岩石破碎的研究，国内外已有大量的工作，对岩石破裂发育过程和破碎机理已形成系统的认知。岩石的侵入破碎试验是揭示其机理的重要试验研究手段，而一直以来相关的岩石侵入破碎试验一直存在两方面的缺陷：其一，试样的侵入破碎不能够模拟原岩的三向地应力状态，往往只考虑侧应力，且不能模拟工作面的泥浆压力；其二，对于试样破碎裂隙的发育过程进行CT扫描时，不能够做到有载条件下扫描，往往需要卸载后再扫描，此时，裂隙的状态将发生改变。
针对以上所述岩石试样侵入破碎试验的缺陷，在于三向应力环境对试样的破裂裂隙发育存在极大的影响，卸载后再进行试样的CT扫描，也会影响裂隙的闭合状态，所以，如何能够有效地模拟岩体工程中工作面处岩石的破碎过程，必须考虑做到模拟三向地应力环境和不卸载条件下的CT扫描。
发明内容
发明目的：针对现有的岩石压头侵入破碎CT扫描试验存在的缺陷，提供一种用于模拟岩石原位破碎的透X射线试验装置及方法，能够模拟试样在三向应力条件下的压头侵入破碎，且在不卸载条件下进行CT扫描，实现破碎裂隙发育过程的高精度实时监测。
技术方案：一种用于模拟岩石原位破碎的透X射线试验装置，包括主体加载机构、压头驱动机构、破岩工作面泥浆压力模拟机构、试样破碎测试机构；
所述主体加载机构包括底座、轴压活塞、PEEK承压筒、法兰盖、垫柱；所述法兰盖和底座分别密封连接在所述PEEK承压筒的上端和下端；所述轴压活塞嵌入所述底座中央的竖直柱状槽内，轴压活塞与所述竖直柱状槽之间设置密封圈；所述底座上设有连通到所述竖直柱状槽内的轴压进液接口以及连通到所述PEEK承压筒腔体内的围压进液接口，所述法兰盖上设有连通到所述PEEK承压筒腔体内的围压排气口；柱状试样竖直置于所述轴压活塞上端面，垫柱为环柱状中空结构，所述垫柱设置在所述柱状试样与所述法兰盖之间，所述垫柱与所述法兰盖的接触面之间设置密封圈；所述垫柱、柱状试样、轴压活塞上端外侧包裹热缩管；
所述压头驱动机构设置在所述主体加载机构上部，包括压头荷载杆，所述压头荷载杆穿过所述法兰盖中央的通道后伸入所述垫柱内，所述压头荷载杆外径与所述法兰盖中央的通道内壁之间留有2mm间隙；
所述破岩工作面泥浆压力模拟机构包括设置在所述法兰盖上的一个水平连通到所述法兰盖中央通道的进液口以及一个水平连通到所述法兰盖中央通道的排气口，位于所述水平连通通道水平线上方的所述间隙处设有密封圈；
所述试样破碎测试机构包括用于测试所述压头荷载杆荷载反力的荷载传感器和测试所述压头荷载杆位移的位移传感器，以及监测试样裂隙发育状态的开放式CT仪器。
进一步的，所述压头驱动机构还包括步进电机、滚珠丝杠、反力支架、连接法兰；所述反力支架通过连接法兰固定在所述法兰盖上端，所述步进电机固定在所述反力支架顶部，所述步进电机的转轴驱动所述滚珠丝杠，所述滚珠丝杠驱动所述压头荷载杆。
进一步的，所述垫柱和轴压活塞上端外侧设有V字形凹槽。
进一步的，所述法兰盖和底座分别采用细牙螺纹与所述PEEK承压筒的上端和下端密封连接。
进一步的，所述垫柱是PEEK工程塑料制备的圆环柱型构件，所述PEEK承压筒是纤维增强PEEK工程塑料制备的厚壁筒构件。
进一步的，所述压头荷载杆下端连接采用2A12高强度硬铝合金材质制备的各种压头。
一种模拟岩石原位破碎的透X射线试验方法，包括如下步骤：
步骤1：试验装置上部压头驱动机构及试样破碎测试机构组装到位，在试验过程中，整体吊装待用，开放式CT扫描仪器调试完毕；
步骤2：将装置底座安装在CT扫描仪器的载物台上，轴压活塞嵌入底座，进液接口外接轴压伺服控制单元，排出底座槽内空气，调试伺服控制单元后，待加载；
步骤3：轴压活塞下放至底，将柱状岩石试样置于轴压活塞上端，柱状岩石试样上方再放置垫柱，然后将热缩管套在垫柱、柱状岩石试件以及轴压活塞上端外侧；
步骤4：套上承压筒，将承压筒拧入底座，轴压活塞下放至底，使得垫柱的上端面距离法兰盖的下端面有一定高度空间，将法兰盖拧入承压筒；
步骤5：加载轴压活塞，使得垫柱慢慢接触法兰盖的下端面，然后继续加载至5MPa，再然后将上部组装好的压头驱动机构下放，连接主体加载机构，拧紧连接法兰与主体加载机构的螺栓；
步骤6：围压进液接口外接围压伺服控制单元，注入加压油液直至围压排气口有油液排除，关闭围压排气口；然后以0.05MPa/s的加载速率控制轴压进液接口和围压进液接口的进液，直到轴压和围压加载到试验设计值，在加载过程中必须保证轴压大于围压的状态；
步骤7：通过压头荷载杆的驱动，使得压头侵入柱状岩石试样上端面，压头侵入柱状岩石试样的深度及所受作用力由荷载杆传递给位移传感器和荷载传感器测得；
步骤8：由进液口与排气口提供的介质流动通道，通过进液口注入液压，模拟破碎工作面泥浆压力，在加载过程中必须保证泥浆压力小于轴压；
步骤9：在压头侵入过程中，通过位移传感器控制压头侵入深度，在阶段侵入深度达到试验设计值时，停止压头驱动加载，维持试样的应力环境不变，进行实时CT扫描，监测裂纹的发育状态。
有益效果：本发明公开了一种用于模拟岩石原位破碎的透X射线试验装置及方法，底座、轴压活塞、PEEK承压筒、垫柱及法兰盖构成装置的主体加载结构，压头荷载杆穿过垫柱和法兰盖，驱动压头作用于试样端面，压头侵入试样致使岩石试样破裂。轴压和围压进液接口外接液压伺服控制系统，压头荷载杆使用步进电机驱动加载，主体结构和上部压头驱动结构采用法兰连接。岩石试样上放置的PEEK垫柱外侧设置V字形凹槽，垫柱和试样外侧包裹热缩管隔离油液，凹槽便于密封。垫柱提供轴压活塞加载的反力支撑，且其中间的开孔空间可模拟破岩工作面的卸载空间和泥浆压力，用于压头的加载侵入试样。轴压及围压加载至试验设计值，模拟岩体工程中岩石的原位三向受力状态。承压筒采用PEEK工程塑料，能够透X射线，压头侵入试样端面卸载区域的过程中，配合X射线的CT扫描仪器，监测侵入面处岩石的细观破碎过程，用以分析岩石破碎裂纹发育机理。本发明能有效模拟岩体工程的工作面处岩石破碎时的受力状态，结合高精度的X射线成像，揭示岩石内部的细观破碎机理。
附图说明
图1为用于模拟岩石原位破碎的透X射线试验装置的整体机构示意图；
图2为法兰盖剖面示意图；
图3为图2中的A-A截面图；
图4为图3中的B-B截面图；
图5为连接法兰的剖面示意图；
图6为图5中的C-C截面图；
图7为底座的剖面示意图；
图8为图7中的D-D截面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1至图8所示，一种用于模拟岩石原位破碎的透X射线试验装置，包括主体加载机构、压头驱动机构、破岩工作面泥浆压力模拟机构、试样破碎测试机构。
主体加载机构包括底座13、轴压活塞12、PEEK承压筒9、法兰盖7、垫柱10。PEEK承压筒是纤维增强PEEK工程塑料制备的厚壁筒构件，法兰盖7和底座13分别采用细牙螺纹与PEEK承压筒9的上端和下端连接，且细牙螺纹能够起到密封作用，两者的接触端面设有密封圈M2。轴压活塞12嵌入底座13中央的竖直柱状槽内，轴压活塞12与竖直柱状槽内壁之间设置密封圈M4。底座13上设有连通到竖直柱状槽内的轴压进液接口J-1以及连通到PEEK承压筒9腔体内的围压进液接口J-2，法兰盖7上设有连通到PEEK承压筒9腔体内的围压排气口J-3。垫柱10为圆环柱型构件，采用PEEK工程塑料制备。柱状试样11竖直置于轴压活塞12上端面，垫柱10设置在柱状试样11与法兰盖7之间，垫柱10与法兰盖7的接触面之间设置密封圈M3。垫柱10和轴压活塞12上端外侧设有V字形凹槽，垫柱10、柱状试样11、轴压活塞12上端外侧包裹热缩管14，热缩管14的上下沿分别超过所设置的V字形凹槽位置。热缩管14用于隔离油液，凹槽能够起到更好的密封作用。
压头驱动机构设置在主体加载机构上部，包括压头荷载杆8、步进电机1、滚珠丝杠2、反力支架5、连接法兰6。反力支架5通过连接法兰6固定在法兰盖7上端，连接法兰6沿圆周设有若干螺栓连接孔N2，中间设有通道孔K2，连接法兰6与法兰盖7采用内六角螺栓连接。步进电机1固定在反力支架5顶部，步进电机1的转轴驱动滚珠丝杠2，滚珠丝杠2驱动压头荷载杆8。压头荷载杆8穿过法兰盖7中央的通道后伸入垫柱10内，压头荷载杆8外径与法兰盖7中央的通道内壁之间留有2mm间隙。压头荷载杆8下端连接采用2A12高强度硬铝合金材质制备的压头，压头作用于柱状岩石试样的破碎端面。
破岩工作面处泥浆压力模拟机构包括设置在法兰盖7上的一个水平连通到法兰盖7中央通道的进液口J-5以及一个水平连通到法兰盖7中央通道的排气口J-4，位于水平连通通道水平线上方的间隙处设有密封圈M1。
试样破碎测试机构包括用于测试压头荷载杆8荷载反力的荷载传感器4和测试压头荷载杆8位移的位移传感器3，以及开放式的CT仪器。
本装置中，承压筒上法兰盖7和垫柱10提供轴向荷载的反力支撑；通过轴压进液接口J-1进行液压加载，由轴压活塞12实现轴压加载；承压筒9配合围压进液接口J-2和围压排气口J-3实现围压加载。通过中心穿孔的承压筒上法兰盖7和垫柱10实现试样端面上的卸载区域，安装有压头的压头荷载杆8作用于卸载区域面上，实现岩石的压头侵入破碎，压头的侵深和荷载通过压头荷载杆8传递给位移传感器3和荷载传感器4。进液口J-5与排气口J-4用于在试样的破碎面上模拟携渣泥浆对破碎工作面的压力，在进液口J-5与排气口J-4水平线以上部位设置的密封圈M1用以密封携渣泥浆压力。承压筒9采用纤维增强的PEEK材质，能够透X射线，装置设计结合CT扫描仪器，实现岩石破裂过程的实时细观监测。
试样步骤如下：
步骤1：试验装置上部压头驱动机构及试样破碎测试机构组装到位，在试验过程中，整体吊装待用，开放式CT扫描仪器调试完毕。
步骤2：将装置底座13安装在CT扫描仪器的载物台上，轴压活塞12嵌入底座13，轴压进液接口J-1外接轴压伺服控制单元，排出底座槽内空气，调试伺服控制单元后，待加载。
步骤3：轴压活塞12下放至底，将柱状岩石试样11置于轴压活塞12上端，试样11上方再放置垫柱10，然后将热缩管14套在垫柱10、柱状岩石试件11以及轴压活塞12上端外侧，热缩管14上下沿要超出设置的凹槽。
步骤4：套上承压筒9，将承压筒9慢慢拧入底座13，轴压活塞12下放至底，使得垫柱10上端面与法兰盖7的下端面具有一定高度空间，将法兰盖7拧入承压筒9，不至于扰动放置好的试样11。
步骤5：加载轴压活塞12，使得垫柱10慢慢接触法兰盖7的下端面，然后继续加载至5MPa，再然后将上部组装好的压头驱动机构下放，连接主体加载机构，拧紧连接法兰6与主体加载机构的螺栓。
Claims (7)
1.一种用于模拟岩石原位破碎的透X射线试验装置，其特征在于：包括主体加载机构、压头驱动机构、破岩工作面泥浆压力模拟机构、试样破碎测试机构；
所述主体加载机构包括底座（13）、轴压活塞（12）、PEEK承压筒（9）、法兰盖（7）、垫柱（10）；所述法兰盖（7）和底座（13）分别密封连接在所述PEEK承压筒（9）的上端和下端；所述轴压活塞（12）嵌入所述底座（13）中央的竖直柱状槽内，轴压活塞（12）与所述竖直柱状槽之间设置密封圈；所述底座（13）上设有连通到所述竖直柱状槽内的轴压进液接口（J-1）以及连通到所述PEEK承压筒（9）腔体内的围压进液接口（J-2），所述法兰盖（7）上设有连通到所述PEEK承压筒（9）腔体内的围压排气口（J-3）；柱状试样（11）竖直置于所述轴压活塞（12）上端面，垫柱（10）为环柱状中空结构，所述垫柱（10）设置在所述柱状试样（11）与所述法兰盖（7）之间，所述垫柱（10）与所述法兰盖（7）的接触面之间设置密封圈；所述垫柱（10）、柱状试样（11）、轴压活塞（12）上端外侧包裹热缩管（14）；
所述压头驱动机构设置在所述主体加载机构上部，包括压头荷载杆（8），所述压头荷载杆（8）穿过所述法兰盖（7）中央的通道后伸入所述垫柱（10）内，所述压头荷载杆（8）外径与所述法兰盖（7）中央的通道内壁之间留有2mm间隙；
所述破岩工作面泥浆压力模拟机构包括设置在所述法兰盖（7）上的一个水平连通到所述法兰盖（7）中央通道的进液口（J-5）以及一个水平连通到所述法兰盖（7）中央通道的排气口（J-4），位于水平连通通道水平线上方的所述间隙处设有密封圈；
所述试样破碎测试机构包括用于测试所述压头荷载杆（8）荷载反力的荷载传感器（4）和测试所述压头荷载杆（8）位移的位移传感器（3），以及监测试样（11）破碎裂纹发育状态的开放式CT扫描仪器。
2.根据权利要求1所述的用于模拟岩石原位破碎的透X射线试验装置，其特征在于：所述压头驱动机构还包括步进电机（1）、滚珠丝杠（2）、反力支架（5）、连接法兰（6）；所述反力支架（5）通过连接法兰（6）固定在所述法兰盖（7）上端，所述步进电机（1）固定在所述反力支架（5）顶部，所述步进电机（1）的转轴驱动所述滚珠丝杠（2），所述滚珠丝杠（2）驱动所述压头荷载杆（8）。
3.根据权利要求1所述的用于模拟岩石原位破碎的透X射线试验装置，其特征在于：所述垫柱（10）和轴压活塞（12）上端外侧设有V字形凹槽。
4.根据权利要求1所述的用于模拟岩石原位破碎的透X射线试验装置，其特征在于：所述法兰盖（7）和底座（13）分别采用细牙螺纹与所述PEEK承压筒（9）的上端和下端密封连接。
5.根据权利要求1所述的用于模拟岩石原位破碎的透X射线试验装置，其特征在于：所述垫柱（10）是PEEK工程塑料制备的圆环柱型构件，所述PEEK承压筒是纤维增强PEEK工程塑料制备的厚壁筒构件。
6.根据权利要求1所述的用于模拟岩石原位破碎的透X射线试验装置，其特征在于：所述压头荷载杆（8）下端连接采用2A12高强度硬铝合金材质制备的各种压头。
7.一种模拟岩石原位破碎的透X射线试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：试验装置上部压头驱动机构及试样破碎测试机构组装到位，在试验过程中，整体吊装待用，开放式CT扫描仪器调试完毕；
步骤2：将装置底座（13）安装在CT扫描仪器的载物台上，轴压活塞（12）嵌入底座（13），进液接口（J-1）外接轴压伺服控制单元，排出底座槽内空气，调试伺服控制单元后，待加载；
步骤3：轴压活塞（12）下放至底，将柱状岩石试样（11）置于轴压活塞（12）上端，柱状岩石试样（11）上方再放置垫柱（10），然后将热缩管（14）套在垫柱（10）、柱状岩石试件（11）以及轴压活塞（12）上端外侧；
步骤4：套上承压筒（9），将承压筒（9）拧入底座（13），轴压活塞（12）下放至底使得垫柱（10）的上端面距离法兰盖（7）的下端面有一定高度空间，将法兰盖（7）拧入承压筒（9）；
步骤5：加载轴压活塞（12），使得垫柱（10）慢慢接触法兰盖（7）的下端面，然后继续加载至5MPa，再然后将上部组装好的压头驱动机构下放，连接主体加载机构，拧紧连接法兰（6）与主体加载机构的螺栓；
步骤6：围压进液接口（J-2）外接围压伺服控制单元，注入加压油液直至围压排气口（J-3）有油液排出，关闭围压排气口（J-3）；然后以0.05MPa/s的加载速率控制轴压进液接口（J-1）和围压进液接口（J-2）的进液，直到轴压和围压加载到试验设计值，在加载过程中必须保证轴压大于围压的状态；
步骤7：通过压头荷载杆（8）的驱动，使得压头侵入柱状岩石试样（11）上端面，压头侵入柱状岩石试样（11）的深度及所受作用力由荷载杆传递给位移传感器（3）和荷载传感器（4）测得；
步骤8：由进液口（J-5）与排气口（J-4）提供的介质流动通道，通过进液口（J-5）注入液压，模拟破碎工作面泥浆压力，在加载过程中必须保证泥浆压力小于轴压；
步骤9：在压头侵入过程中，通过位移传感器（3）控制压头侵入深度，在阶段侵入深度达到试验设计值时，停止压头驱动加载，维持试样的应力环境不变，进行实时CT扫描，监测裂纹的发育状态。
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