CN111007155A - 温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及岩石力学领域，公开了一种温‑压耦合作用下的岩石损伤监测系统，包括高温炉、固定机构、液压油缸、压力传感器、声发射传感器和直线位移传感器；固定机构包括耐高温固定杆和耐高温传压杆；压力传感器与活塞杆连接以监测岩石受到的轴向力，波导杆与岩石抵触，声发射传感器与波导杆连接以监测岩石破裂时发出的声信号，直线位移传感器固定在波导杆或框架上，以测量岩石破裂时的轴向位移；耐高温传压杆套设在波导杆上，液压加载系统与液压油缸相连以控制液压油缸的工作。该监测系统能够测定岩石在温‑压耦合作用下的力学特性参数和岩石破裂过程中产生的弹性波信号，以便对岩石在温‑压耦合作用下的内部损伤进行评价。

Description

温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统
技术领域
本发明涉及岩石力学领域，具体地，涉及一种温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统。
背景技术
深部矿产资源的开采、岩体地热资源的开发及高放射性核废料的储存等工程所处的环境都经历着一定程度的高温作用，并且温度是影响岩石强度、变形及破坏等性质的重要因素，但在工程实际中并不存在仅受高温作用发生热破裂的岩体，往往都受多因素影响而发生破坏，因此获取岩体在温-压耦合作用下的相关力学参数及破裂规律对地下工程开挖及岩石工程稳定性分析起着至关重要的作用。
岩石在高温环境下物理力学性质会发生改变，岩石强度变低，发生膨胀变形，产生局部应力集中，从而发生破裂。声发射监测技术是一种能有效监测岩石发生破裂过程中释放弹性波信号的监测技术，被广泛运用在岩石各种力学实验中。而在岩石温-压耦合作用热破裂研究中，由于岩石温度过高，声发射传感器无法直接安装在监测对象表面，限制了该技术在高温下材料损伤研究领域的应用。在常温下，岩石的基本力学参数轴向变形可由位移传感器测得，是位移传感器不能应用于高温环境。
目前，高温下岩石力学声发射实验多在配有高温炉的大型试验机(如MTS、Instron等)上进行，在这种实验系统中，声发射探头只能黏贴在试验机的夹具上，岩样破裂产生的声发射信号需要通过加载杆和夹具才能到达传感器，这就存在信号接受不完整、失真等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统，该监测系统能够测定岩石在温-压耦合作用下的力学特性参数和岩石破裂过程中产生的弹性波信号，以便对岩石在温-压耦合作用下的内部损伤进行评价。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统，包括高温炉、固定机构、液压加载系统、液压油缸和数据采集系统；
所述固定机构包括耐高温固定杆和耐高温传压杆，所述耐高温固定杆的一端固定，另一端置于所述高温炉内，所述耐高温传压杆的一端置于所述高温炉内，另一端通过框架与所述液压油缸的活塞杆相连；
所述数据采集系统包括压力传感器、声发射传感器和直线位移传感器，所述压力传感器与所述活塞杆连接以监测岩石受到的轴向力，波导杆与所述岩石抵触，所述声发射传感器与所述波导杆连接以监测所述岩石破裂时发出的弹性波信号，所述直线位移传感器固定在所述框架上，以测量所述岩石破裂过程中的轴向位移；
所述耐高温传压杆套设在所述波导杆上，所述液压加载系统与所述液压油缸相连以控制所述液压油缸的工作。
优选地，所述液压加载系统包括油箱和液压泵，所述油箱和所述液压泵之间、所述油箱和所述液压油缸之间以及所述液压泵与所述液压油缸之间通过管道连接；
所述油箱与所述液压油缸之间的管道上以及所述液压泵与所述液压油缸之间的管道上设有电磁换向阀；
所述油箱与所述电磁换向阀之间的管道上设有散热器，所述液压泵与所述电磁换向阀之间的管道上设有单向阀及压力表。
优选地，所述耐高温传压杆包括两个横截面为半圆环形的柱体，两个所述柱体扣合形成供所述波导杆插入的圆形通孔。
进一步优选地，所述耐高温固定杆和所述耐高温传压杆下方均设有用于支撑所述耐高温固定杆或所述耐高温传压杆的支架。
优选地，所述耐高温固定杆与所述高温炉的连接处以及所述耐高温传压杆与所述高温炉的连接处均设有保温材料。
优选地，所述波导杆为不锈钢杆，且所述波导杆的两个端部形成为从两端向内直径逐渐变小的圆台结构。
优选地，所述波导杆与框架固定连接。
优选地，所述波导杆外部包裹有微型冷却装置。
优选地，所述框架下设有滑轨。
优选地，所述耐高温固定杆和所述耐高温传压杆均为镍-铬-铁基固溶强化合金杆。
通过上述技术方案，本发明的有益效果如下：
在基础技术方案中，本发明中通过采用耐高温固定杆和耐高温传压杆能够有效固定好岩石试样，通过波导杆能够将岩石破裂时产生的弹性波信号有效地传至声发射传感器。此外，通过在框架上设置直线位移传感器，能够通过波导杆的位移反映岩石试样的轴向变形特征，且压力传感器与液压油缸活塞杆作用能够记录岩石试样所承受力的大小，从而实现对岩石在温-压耦合作用下的力学参数测定及岩石内部破裂信号监测，对岩石内部损伤进行评价。
而且该方案中岩石两端是被压杆固定住的，弹性波信号通过波导杆直接传入声发射传感器使得声发射传感器测得的弹性波信号更为完整。同时，通过采用高温炉、液压加载系统，可以自主设定加热速率、加热温度及岩石所受到的轴向压力，分析在高温下加热速率、最终加热温度以及轴向压力对岩石力学参数及内部损伤的影响，也可研究不同种类岩石破裂失稳的阈值温度及抗压强度，还可利用此装置做岩石高温下蠕变试验，从而为深部资源开采、核废料储存等实际工程提供基础数据。上述基本方案通过高温炉对岩石加热及液压加载系统对岩石施加荷载，实现了岩石的温-压耦合作用；通过对装置的改进，实现了岩石在温-压耦合作用下破裂产生的弹性波信号监测及力学特性参数的获取。
有关本发明的其他优点以及优选实施方式的技术效果，将在下文的具体实施方式中进一步说明。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图；
图2是本发明图1中的局部放大图；
图3是本发明一个实施例中波导杆示意图；
图4是本发明一个实施例中柱体的立体结构示意图；
图5是本发明一个实施例中支架的立体结构示意图；
图6是本发明一个实施例中波导杆处的截面示意图；
图7是本发明一个实施例中框架的立体结构示意图；
图8是本发明一个实施例中滑轨的立体结构示意图。
附图标记说明
1 高温炉 2 固定机构
3 液压加载系统 4 液压油缸
6 框架 7 波导杆
8 支架 9 滑轨
10 微型冷却装置
21 耐高温固定杆 22 耐高温传压杆
31 声音传感器 32 散热器
33 油箱 34 液压泵
35 单向阀 36 压力表
41 上进油口 42 下进油口
43 活塞杆
51 压力传感器 52 声发射传感器
53 直线位移传感器
a 冷却水进口 b 冷却水出口
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的基本实施方式中，如图1和图2所示，本发明提供一种温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统，包括高温炉1、固定机构2、液压加载系统3、液压油缸4和数据采集系统；所述固定机构2包括耐高温固定杆21和耐高温传压杆22，所述耐高温固定杆21的一端固定，另一端置于所述高温炉1内，所述耐高温传压杆22的一端置于所述高温炉1内，另一端通过框架6与所述液压油缸4的活塞杆43相连；所述数据采集系统包括压力传感器51、声发射传感器52和直线位移传感器(LVDT)53，所述压力传感器51与所述活塞杆43连接以监测岩石受到的轴向力，波导杆7与所述岩石抵触，所述声发射传感器52与所述波导杆7连接以监测所述岩石破裂时发出的弹性波信号，所述直线位移传感器53固定在所述框架6上，以测量所述岩石破裂过程中的轴向位移；所述耐高温传压杆22套设在所述波导杆7上，所述液压加载系统3与所述液压油缸4相连以控制所述液压油缸4的工作。
具体地，耐高温固定杆21和耐高温传压杆22采用耐高温合金制成，优选为镍-铬-铁基固溶强化合金(型号为inconel600)，该镍-铬-铁基固溶强化合金可承受的温度范围较高，在室温到1100℃之间都能使用，能够防止岩石加热时温度过高对试验测量参数的影响。波导杆7为经高温退火后的不锈钢杆，此外，该导波杆7还能作为位移传动杆，用来传动试样破裂时产生的轴向位移，并通过直线位移传感器监测，记录下岩石在温-压耦合作用下的轴向位移。耐高温传压杆22沿轴向设有孔洞，波导杆7置于上述孔洞中，且端面与22的一端齐平，置于高温炉1内，另一端凸出于22且伸至框架6内部，声发射传感器52与波导杆7通过声发射专用耦合剂(或者凡士林、黄油)连接，监测岩石试样破裂过程中产生的弹性波信号。直线位移传感器52可以设置在框架6内，也可以设置在框架6外，最好与波导杆7轴线在同水平一直线上；所述框架6如图7所示，将声发射传感器53和直线位移传感器52设置在该框架6中，可以防止外界环境对该声发射传感器53和直线位移传感器52使用过程中的影响，防止由于外部细微环境(如风、微震等)的变化对测量的结果造成影响。
所述液压油缸4可以是单杆液压油缸和双杆液压油缸，当采用单杆液压缸时，压力传感器51设置在活塞杆41和框架6之间。优选地，液压油缸4为双杆液压缸，液压油缸4内的活塞两侧分别连接有一个活塞杆41，在上述基本方案中，其中一个活塞杆41与框架6连接以达到传压的作用，另一个活塞杆41的端部固定，且其端部与固定体之间连接有压力传感器51。该液压油缸4工作过程中，活塞两侧的活塞杆41处于平衡状态，两侧的压力相等，也就是说压力传感器51检测到的压力与试样所受到的压力相等。
更具体地，上述压力传感器、声发射传感器和直线位移传感器均可根据使用人员需求商购得到。框架6为不锈钢框架，采用高强度不锈钢材料制成，既可以起到传递液压加载的目的，又可以用于放置声发射传感器52及直线位移传感器传感器53，同时能够使声发射传感器贴在波导杆7的端面上，更有利于收集岩石破裂时产生的弹性波信号。耐高温传压杆22中的波导杆7采用软木塞支撑，该软木塞的弧度设置与波导杆7的弧度设置一致，起到固定波导杆7的目的。
进一步具体地，高温炉1采用对开式大气电炉，该对开式大气电炉由温度控制仪控制，并通过该温度控制仪控制高温炉1的加热温度范围及升温速率。具体地，该温度控制仪控制对开式大气电炉的温度范围为室温到1000℃，升温速率0.5℃/min-100℃/min。
本发明上述基础技术方案中提到的温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统的安装过程为：将耐高温固定杆21的一端固定，可以是固定在墙上或者其它可以达到固定作用的固定体上，另一端通过高温炉1开孔伸入炉膛内，耐高温固定杆21和高温炉1连接处可以采用保温材料保温，也可以不采用保温材料。将波导杆7放入耐高温传压杆22的通孔中，并用软木塞支撑，使波导杆7的圆台部分与耐高温传压杆22持平，保证耐高温固定杆21和耐高温传压杆22能够置于同一条水平直线上。波导杆7的另一端凸出于耐高温传压杆22，并通过框架6侧面中心的孔洞伸入其内部，声发射传感器53通过声发射专用耦合剂连接在波导杆7端部，位移传感器53置于框架6内与波导杆保持在同一水平线上。液压油缸4的活塞杆43端部连接在框架6另一个侧面上，压力传感器51连接在液压油缸4活塞杆43端部，耐高温固定杆21、耐高温传压杆22及液压油缸4活塞杆43位于同一水平直线上。液压加载系统3连接在液压油缸4上。
本发明上述基础技术方案中提供的温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统工作时，将试样放入高温炉中，通过耐高温固定杆21和耐高温传压杆22夹持试样，在夹持过程中，耐高温传压杆22内部嵌设的波导杆7的端面抵触在试样上，通过液压加载系统3给液压油缸4上进油口41注入液压油，依次推动液压油缸4活塞杆43、框架6和耐高温传压杆22向试样施加荷载，同时通过高温炉1加热试样，或者先对试样加热，后施加荷载；获取试样的力学特性参数及破裂产生的弹性波信号。
本发明上述基础技术方案中提供的温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统，能够在高温高压条件下获取岩石力学参数及破裂产生的弹性波信号，以便对岩石在温-压耦合作用下的内部损伤进行评价。通过高温炉1对岩石加热及液压加载系统3对岩石施压，实现了岩石的温-压耦合作用；通过对装置的改进，实现了岩石在温-压耦合作用下力学参数获取及破裂过程中弹性波信号的监测。
在本发明的一个实施例中，所述液压加载系统3包括油箱33、液压泵34、单向阀35、压力表36及电磁换向阀31，上述所有元件之间均通过油管连接；所述油箱33和所述液压泵34之间、所述油箱33和所述液压油缸4之间以及所述液压泵34与所述液压油缸4之间通过管道连接；所述油箱33与所述液压油缸4之间的管道上以及所述液压泵34与所述液压油缸4之间的管道上设有电磁换向阀31；所述油箱33与所述电磁换向阀31之间的管道上设有散热器32，所述液压泵34与所述电磁换向阀31之间的管道上设有单向阀35及压力表36。所述水散热器32设置在所述油箱33与所述液压油缸下进油口42之间，所述液压泵34、单向阀35、压力表36、电磁换向阀31设置在所述油箱33与所述液压油缸上进油口41之间。优选地，所述液压泵34为柱塞变量泵，所述散热器32为水冷散热器，可以节省资源且能重复利用。
具体地，所述电磁换向阀31设有一个，其连接在控制油箱33与液压油缸4之间的管道和液压泵34与液压油缸4之间的管道上，且能够控制油箱33与液压油缸4之间的管道内的油液流通以及液压泵34与液压油缸4之间的管道内的油液流通。以推动活塞杆作用于框架6以及耐高温传压杆22向岩石施加荷载。
上述实施例提供的液压加载系统工作时，通过所述电动液压泵34驱动，液压油依次经过电动液压泵34、单向阀35、压力表36及电磁换向阀31，单向阀防止液压油回流，压力表检测单向阀35与电磁换向阀36之间油管中液压大小，电磁换向阀36控制液压油的注入方向，通过液压油缸上进油口41注入时为施加荷载，向下进油口42注入液压油为卸载。
上述实施例提供的液压加载系统3通过散热器32能够及时对从液压油缸4流入油箱33内的油进行散热，能够防止由于油温过高而使油液变质，增加油液的使用寿命，降低工作成本。
在本发明的一个实施例中，所述耐高温传压杆22包括两个横截面为半圆环形的柱体221，如4所示，两个所述柱体221扣合形成一个可供所述波导杆7插入的通孔。
为了保证耐高温固定杆21和耐高温传压杆22在同一水平直线上，在本发明的一个实施例中，所述耐高温固定杆21和所述耐高温传压杆22下方均设有支架8。所述支架8的结构如图5所示，其上端设有可供耐高温固定杆21或耐高温传压杆22放置的圆弧形开口。
在本发明的一个实施例中，所述耐高温固定杆21与所述高温炉1的连接处以及所述耐高温传压杆22与所述高温炉1的交接缝隙处均设有保温材料，如石棉或氧化铝。具体地，所述石棉或氧化铝填充在所述耐高温固定杆21与所述高温炉1的交接缝隙处以及所述耐高温传压杆22与所述高温炉1的交接缝隙处，防止高温炉1内热量散失。
在本发明的一个实施例中，所述波导杆7为不锈钢杆，且所述波导杆7的两个端部形成为从两端向内直径逐渐变小的圆台结构。具体地，如图3所示，所述波导杆7两端形成为底角为45°的圆台，其一端置于在高温炉1内与岩石试样紧密接触，作为传导岩石破裂产生的弹性波信号，也作为位移传动杆，记录岩石在实验过程中的位移变化。据试验研究表明，此种波导杆会导致约50％声学事件的损耗，但不会发生特定事件信号的损失，不会引起系统误差。其还起到位移传动杆的作用，可用于岩石轴向位移的记录
在本发明的一个实施例中，所述波导杆7与框架6固定连接。也就是说，波导杆通过卡扣夹具固定在框架6上，使得波导杆7与框架6同步运动，从而保证波导杆7与试样紧密接触。
优选地，所述波导杆7外部包裹有微型冷却装置10，如图6所示，其一端为冷却水进口a，另一端为冷却水出口b，该微型冷却装置10为包裹在波导杆7外表面的环形空心铁管，并向其中通入冷水进行循环从而实现对波导杆7的降温。
在本发明的一个实施例中，所述框架6下设有滑轨9。所述滑轨9如图8所示，其上述设有可供框架6滑动的滑槽。导轨10用于支撑框架6，以减小框架6移动过程中的阻力。
在本发明的一个相对优选地的实施例中，如图1-图8所示，所述监测系统包括高温炉1、固定机构2、液压加载系统3、液压油缸4以及数据采集系统；高温炉1与温度控制仪连接以通过温度控制仪控制高温炉1内的温度及温度变化；固定机构2包括耐高温固定杆21和耐高温传压杆22，耐高温固定杆21的一端可与固定物体如墙壁等抵触，另一端则置于高温炉1内，耐高温传压杆22一端通过框架6与液压油缸4活塞杆相连，另一端也置于高温炉1内，岩石试样放置于高温炉1内耐高温固定杆21和耐高温传压杆22两端，耐高温固定杆21和耐高温传压杆22下方均支架8；耐高温固定杆21与高温炉1的连接处以及耐高温传压杆22与高温炉1的连接处的缝隙处填充有石棉，框架6下设有滑轨9；耐高温固定杆21和耐高温传压杆22均为镍-铬-铁基固溶强化合金杆，波导杆7为经高温退火后的不锈钢杆，其与岩石接触部分为底角成45°的圆台，波导杆7外包裹路冷却水管；液压加载系统3包括油箱33、液压泵34、单向阀35、压力表36及电磁换向阀31，上述所有元件之间均通过油管连接；所述油箱33和所述液压泵34之间、所述油箱33和所述液压油缸4之间以及所述液压泵34与所述液压油缸4之间通过管道连接；所述油箱33与所述液压油缸4之间的管道上以及所述液压泵34与所述液压油缸4之间的管道上设有电磁换向阀31；所述油箱33与所述电磁换向阀31之间的管道上设有散热器32，所述液压泵34与所述电磁换向阀31之间的管道上设有单向阀35及压力表36；所述散热器32设置在所述油箱33与所述液压油缸下进油口42之间，所述液压泵34、单向阀35、压力表36、电磁换向阀31设置在所述油箱33与所述液压油缸上进油口41之间；所述数据采集系统包括压力传感器51、声发射传感器52和直线位移传感器(LVDT)53，所述压力传感器51与所述活塞杆43连接以监测岩石受到的轴向力，波导杆7与所述岩石抵触，所述声发射传感器52与所述波导杆7连接以监测所述岩石破裂时发出的弹性波信号，所述直线位移传感器53固定在所述框架6上，以测量所述岩石破裂过程中的轴向位移；耐高温传压杆22包括两个横截面为半环形的柱体221，两个柱体221扣合形成一个可供导波杆7插入的孔洞，导波杆7置于该孔洞中，且导波杆7和耐高温传压杆22通过软木塞固定，液压加载模块3与液压油缸4相连以控制液压油缸4的工作。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统，其特征在于，包括高温炉(1)、固定机构(2)、液压加载系统(3)、液压油缸(4)和数据采集系统；
所述固定机构(2)包括耐高温固定杆(21)和耐高温传压杆(22)，所述耐高温固定杆(21)的一端固定，另一端置于所述高温炉(1)内，所述耐高温传压杆(22)的一端置于所述高温炉(1)内，另一端通过框架(6)与所述液压油缸(4)的活塞杆(43)相连；
所述数据采集系统包括压力传感器(51)、声发射传感器(52)和直线位移传感器(53)，所述压力传感器(51)与所述活塞杆(43)连接以监测岩石受到的轴向力，波导杆(7)与所述岩石抵触，所述声发射传感器(52)与所述波导杆(7)连接以监测所述岩石破裂时发出的弹性波信号，所述直线位移传感器(53)固定在所述框架(6)上，以测量所述岩石破裂过程中的轴向位移；
所述耐高温传压杆(22)套设在所述波导杆(7)上，所述液压加载系统(3)与所述液压油缸(4)相连以控制所述液压油缸(4)的工作。
2.根据权利要求1所述的温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统，其特征在于，所述液压加载系统(3)包括油箱(33)和液压泵(34)，所述油箱(33)和所述液压泵(34)之间、所述油箱(33)和所述液压油缸(4)之间以及所述液压泵(34)与所述液压油缸(4)之间通过管道连接；
所述油箱(33)与所述液压油缸(4)之间的管道上以及所述液压泵(34)与所述液压油缸(4)之间的管道上设有电磁换向阀(31)；
所述油箱(33)与所述电磁换向阀(31)之间的管道上设有散热器(32)，所述液压泵(34)与所述电磁换向阀(31)之间的管道上设有单向阀(35)及压力表(36)。
3.根据权利要求1所述的温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统，其特征在于，所述耐高温传压杆(22)包括两个横截面为半圆环形的柱体(221)，两个所述柱体(221)扣合形成供所述波导杆(7)插入的圆形通孔。
4.根据权利要求3所述的温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统，其特征在于，所述耐高温固定杆(21)和所述耐高温传压杆(22)下方均设有用于支撑所述耐高温固定杆(21)或所述耐高温传压杆(22)的支架(8)。
5.根据权利要求1所述的温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统，其特征在于，所述耐高温固定杆(21)与所述高温炉(1)的连接处以及所述耐高温传压杆(22)与所述高温炉(1)的连接处均设有保温材料。
6.根据权利要求1所述的温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统，其特征在于，所述波导杆(7)为不锈钢杆，且所述波导杆(7)的两个端部形成为从端部向内直径逐渐变小的圆台结构。
7.根据权利要求1所述的温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统，其特征在于，所述波导杆(7)与框架(6)固定连接。
8.根据权利要求1所述的温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统，其特征在于，所述波导杆(7)外部包裹有微型冷却装置(10)。
9.根据权利要求1所述的温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统，其特征在于，所述框架(6)下设有滑轨(9)。
10.根据权利要求1所述的温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统，其特征在于，所述耐高温固定杆(21)和所述耐高温传压杆(22)均为镍-铬-铁基固溶强化合金杆。
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