CN111238973A - 工业ct机配套动静组合加载岩石破裂表征试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种工业CT机配套动静组合加载岩石破裂表征试验装置及方法，属于岩土力学技术领域。该装置包括轴压系统、围压系统、旋转系统和扫描系统。轴压系统对样品实现轴向动静组合应力扰动加载，围压系统对试样施加围压，旋转系统中通过转台带动试验机旋转，扫描系统通过一系列不同角度的扫描，获得被扫描物的吸收系数，进行三维成像。本发明利用工业CT扫描技术，实时观测岩石在动静组合应力扰动下的细观损伤和动态破裂演化过程，对岩石的破裂演化过程进行可视化、数字化表征。本发明中压力室采用特殊材料碳纤维，具有强度高、密度小优点，在满足功能需求下改善了X射线穿过压力室时射线能量衰减情况，并且压力室三轴缸壁承受加载反作用力。
Description
技术领域
本发明涉及岩土力学技术领域，特别是指一种工业CT机配套动静组合加载岩石破裂表征试验装置及方法。
背景技术
随着浅部矿产资源的减少，越来越多的金属矿山趋向深部发展。深部硬岩矿山不但地应力大、储能高，而且由于埋深跨度大，为了保证开采强度，通常进行多中段多矿房同时作业，地下矿房层层叠叠，各类出矿、采掘、爆破作业连续不断。在深部采场，随着大药量炸药崩矿，厚大矿体被采出，留下高应力围岩和大面积空区。由于原岩平衡状态被打破，围岩内应力转移、裂纹扩展、失稳破坏异常活跃。另外，从受力的角度分析，任何一个采场的落矿及其工程开挖扰动都会导致整个采矿系统的应力重分布，这一动态过程也会引起岩体贮存能量的变化，并极易诱发岩石片帮、冒落，甚至岩爆等一系列动力灾害。深部岩石在开采(开挖)前处于三维静应力作用状态，开采及开挖活动相对于深部岩石的初始静力状态来说，均可看作动力扰动，因此从本质上说深部岩石在开采活动中始终承受动静组合载荷作用。因此研究岩石在动静组合载荷下的细观损伤和动态破裂演化过程具有重大意义。
岩石在在应力作用下的宏观变形破坏机制可以通过三轴试验得出，但三轴试验只能得到试验结束后的岩石试样的破坏状态，无法实时观测岩石的破裂演化过程。目前工业CT扫描技术为研究材料内部结构提供了有效的实验技术手段，工业CT能够利用X射线穿透物体断面进行旋转扫描并借助高性能计算机系统实现内部图像的重建。因此工业CT扫描技术成为了研究岩石在动静组合载荷下的细观损伤和动态破裂演化过程的重要手段，而技术关键在于研发与工业CT机配套的动静组合加载岩石动态破裂可视化表征试验装置和测试方法。
基于以上需求，发明了一种与工业CT机配套的动静组合加载岩石动态破裂可视化表征试验装置与方法，利用工业CT扫描技术，实时观测岩石在动静组合应力扰动下的细观损伤和动态破裂演化过程，对岩石的破裂演化过程进行可视化、数字化表征，为矿山深部开采时岩石的稳定提供了理论支撑。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种工业CT机配套动静组合加载岩石破裂表征试验装置及方法，该试验装置及实验方法主要功能是模拟对岩石试样的动态扰动，即在动静组合荷载实验条件下，通过工业CT扫描技术实时得到岩石试样在动静组合应力扰动下的细观损伤和动态破裂演化过程，同时该试验装置及实验方法也可以进行常规三轴试验下通过工业CT扫描技术实时得到岩石的细观损伤和动态破裂演化过程。
该装置包括试验机底座、轴压系统、围压系统、旋转系统和扫描系统，轴压系统包括上油缸刚体、上油缸上盖、上油缸下盖连接板、上油缸活塞、下油缸下盖、下油缸上盖连接板、下油缸筒、下油缸刚体和下油缸活塞，围压系统包括压力室、内置压力传感器、外置压力传感器、上压头、下压头、提升油缸升降杆、提升油缸底座和提升油缸横梁，旋转系统包括转台、上旋转滑环定子、上旋转滑环转子、下旋转滑环定子和下旋转滑环转子，扫描系统包括X射线发射机、X射线探测器、传动电机、传动减速机、传动电机座、传动轴承座、传动丝杠、垫铁和竖直机架。
转台置于试验机底座上，通过下旋转滑环定子和下旋转滑环转子连接，转台上与下油缸下盖连接，下油缸下盖置于下油缸筒下部，下油缸筒上部放置下油缸上盖连接板，下油缸上盖连接板上部为压力室，压力室下部设置下压头，下压头上方对应设置上压头，压力室上方设置上油缸刚体，上油缸刚体下部为上油缸下盖连接板，上油缸刚体上部为上油缸上盖，上油缸上盖上部设置上旋转滑环转子和上旋转滑环定子。
下油缸筒内下部设置下油缸活塞，上部设置压力室活塞，上油缸刚体内设置上油缸活塞。
下油缸筒外部安置外置压力传感器，压力室内部上方设置内置压力传感器。
上压头和下压头之间放置样品。
提升油缸底座通过提升油缸升降杆连接提升油缸横梁，横跨在试验机底座上方，提升油缸横梁中部留孔，上旋转滑环转子安装在孔内。
试验机底座安置在垫铁上，垫铁两端各有一个竖直机架，分别为竖直机架一和竖直机架二，X射线发射机通过传动丝杠安装在竖直机架一上，X射线探测器安装在竖直机架二上，竖直机架一上设置传动电机、传动电机通过传动减速机安装在传动电机座上，传动丝杠下部连接传动轴承座。
压力室采用碳纤维制成，压力室两端有法兰，用于与上油缸下盖连接板和下油缸上盖连接板连接。
应用该试验装置的方法，包括步骤如下：
S1：制备岩石试样，用透明塑料管包裹后以备试验；
S2：启动提升油缸，提升油缸升降杆带动压力室及上部结构上升，然后安装试样，试样安装完毕后提升油缸升降杆下降，与转台通过底部连接件连接稳固，保证试样的轴心线与压力室的上压头和下压头轴心线对准；
S3：检查转台上部装置，确定固定良好；
S4：闭合配电柜总电源，给各系统上电；
S5：启动X射线机，根据上次停机至今的时间长度选择预热模式并预热，同时启动计算机系统；
S6：在计算机系统控制站上设定岩石试样信息、选择或修改扫描参数；
S7：扫描开始，X射线机出束，探测器接收信号，扫描装置分系统完成所需各种运动，扫描控制分系统进行实时控制；
S8：打开增压器控制阀门，增压器内氮气沿预留的导气管充入压力室内，对试样以施加围压，待围压达到试验所设定的压力值时，关闭增压器控制阀门；
S9：启动试验机，对上下油缸送油进而给试样施加动荷载；
S10：在岩石受疲劳扰动的不同阶段进行扫描，在CT扫描成像时，力学加载试验必须停止，每阶段扫描时X射线机出束，探测器接收信号，扫描装置分系统完成所需各种运动，扫描控制分系统进行实时控制得到不同阶段的CT图像；每次扫描结束时，X射线机停止出束，扫描装置分系统各设备停止运动；
S11：检查所得CT图像，当在图像上发现可疑缺陷时，在图像上定位缺陷高度,在指定检测高度上进行CT扫描重建或者再次实验；
S12：关闭CT机放射源，对水平加载装置、垂直加载装置进行卸荷，拆除试样，结束试验；
S13：上述S2-S12为一次动静组合循环加载条件下CT扫描试验，重复S2-S12，进行多次试验；
S14：分析所得试验数据，获取岩石在动静组合荷载下变形破坏过程的裂纹演化过程，对试样裂纹进行三维重构、损伤演化描述与损伤变量分析，实现动静组合应力扰动下岩石破裂过程的可视化和数字化表征。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，利用工业CT扫描技术，实时观测岩石在动静组合应力扰动下的细观损伤和动态破裂演化过程，对岩石的破裂演化过程进行可视化、数字化表征。样品的上下压头精确同步旋转，使样品在加载时不受任何扭矩的影响。压力室采用特殊材料，比如碳纤维，具有强度高、密度小优点，在满足功能需求下改善了X射线穿过压力室时射线能量衰减情况，并且压力室三轴缸壁承受加载反作用力。
附图说明
图1为本发明的工业CT机配套动静组合加载岩石破裂表征试验装置全系统结构示意图；
图2为本发明的工业CT机配套动静组合加载岩石破裂表征试验装置结构示意图；
图3为本发明的工业CT装配结构示意图；
图4为本发明的压力室结构示意图；
图5为本发明围压系统的提升油缸结构示意图。
其中：1-试验机底座；2-下油缸筒；3-下油缸下盖；4-下油缸活塞；5-上油缸下盖连接板；6-下油缸上盖连接板；7-压力室；8-压力室活塞；9-内置压力传感器；10-上油缸活塞；11-上油缸刚体；12-上油缸上盖；13-上旋转滑环定子；14-上旋转滑环转子；15-转台；16-外置压力传感器；17-下旋转滑环定子；18-下旋转滑环转子；19-上压头；20-下压头；21-样品；22-提升油缸底座；23-提升油缸升降杆；24-提升油缸横梁；25-垫铁；26-X射线发射机；27-竖直机架一；28-竖直机架二；29-传动电机；30-传动电机座；31-传动减速机；32-传动丝杠；33-传动轴承座；34-X射线探测器。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种工业CT机配套动静组合加载岩石破裂表征试验装置及方法。
如图1和图2所示，该装置包括试验机底座1、轴压系统、围压系统、旋转系统和扫描系统，轴压系统包括上油缸刚体11、上油缸上盖12、上油缸下盖连接板5、上油缸活塞10、下油缸下盖3、下油缸上盖连接板6、下油缸筒2、下油缸刚体和下油缸活塞4，围压系统包括压力室7、内置压力传感器9、外置压力传感器16、上压头19、下压头20、提升油缸升降杆23、提升油缸底座22和提升油缸横梁24，旋转系统包括转台15、上旋转滑环定子13、上旋转滑环转子14、下旋转滑环定子17和下旋转滑环转子18，扫描系统包括X射线发射机26、X射线探测器34、传动电机29、传动减速机31、传动电机座30、传动轴承座33、传动丝杠32、垫铁25和竖直机架。
转台15置于试验机底座1上，通过下旋转滑环定子17和下旋转滑环转子18连接，转台15上与下油缸下盖3连接，下油缸下盖3置于下油缸筒2下部，下油缸筒2上部放置下油缸上盖连接板6，下油缸上盖连接板6上部为压力室7，压力室7下部设置下压头20，下压头20上方对应设置上压头19，压力室7上方设置上油缸刚体11，上油缸刚体11下部为上油缸下盖连接板5，上油缸刚体11上部为上油缸上盖12，上油缸上盖12上部设置上旋转滑环转子14和上旋转滑环定子13。
下油缸筒2内下部设置下油缸活塞4，上部设置压力室活塞8，上油缸刚体11内设置上油缸活塞10。
下油缸筒2外部安置外置压力传感器16，如图4所示，压力室7内部上方设置内置压力传感器9。
上压头19和下压头20之间放置样品21。
如图5所示，提升油缸底座22通过提升油缸升降杆23连接提升油缸横梁24，横跨在试验机底座1上方，提升油缸横梁24中部留孔，上旋转滑环转子14安装在孔内。
如图1和图3所示，试验机底座1安置在垫铁25上，垫铁25两端各有一个竖直机架，分别为竖直机架一27和竖直机架二28，X射线发射机26通过传动丝杠32安装在竖直机架一27上，X射线探测器34安装在竖直机架二28上，竖直机架一27上设置传动电机29、传动电机29通过传动减速机31安装在传动电机座30上，传动丝杠32下部连接传动轴承座33。
压力室7采用碳纤维制成，压力室7两端有法兰，用于与上油缸下盖连接板5和下油缸上盖连接板6连接。
具体设计中，下油缸活塞中空设计，用于将压力室内信号线、及围压油穿到旋转滑环的转子上。上油缸和下油缸靠泵的驱动力使液压油经过液压管路进入油缸，对已经制备好的样品实现轴向动静组合应力扰动加载。进行加载时首先下油缸对样品施加压力，模拟岩石所受垂直静应力，然后施加围压来模拟静态应力，接着上油缸对样品施加扰动应力。扰动荷载的波形有多种形式：余弦波、三角波、方波等，所施加扰动力的振幅分为位移和荷载两种，试验可通过调整加载频率实现不同应变速率的加载，调整幅值实现不同动态扰动幅度的模拟。整个加载装置置于转台上通过旋转系统进行旋转，加载样品时的反作用力全部由压力室三轴缸壁承受。
压力室采用特殊材料，具有强度高、密度小优点，比如碳纤维，在满足功能需求下改善了X射线穿过压力室时射线能量衰减情况。压力室两端有法兰，用于与上油缸下盖连接板和下油缸上盖连接板连接。提升油缸则用于提升试验机及为上滑环提供反力。样品制备好后，启动提升油缸，提升油缸升降杆带动压力室及上部结构上升，当试样安装完毕后，提升油缸升降杆下降。压力室底部与转台通过底部连接件相连，使得工作时压力室与转台连接稳定。围压的施加通过预留导气管对压力室填充氮气，首先打开增压器控制阀门，增压器内氮气沿预留的导气管充入压力室内，从而对试样施加围压。
转台上部分与下油缸下盖连接，用于带动试验机旋转，转台下部分与试验机底座连接。上旋转滑环为供液滑环有两路液路，用于上油缸的供油，上旋转滑环定子工作时与提升油缸横梁相连且不随试验机旋转，上旋转滑环转子与上油缸上端盖连接，工作时随试验机同步旋转。下旋转滑环为多路供液、供电滑环，用于下油缸和压力室围压供液，以及压力室内变形传感器、内置压力传感器甚至声发射信号的传输，下旋转滑环转子与下油缸下盖连接，随试验机一起旋转，下旋转滑环定子与试验机底座相连并不随试验机旋转。
X射线发射机发出X射线，X射线穿过被扫描物，部分射线被扫描物吸收，透过的射线由探测器接收。通过一系列不同角度的扫描，获得被扫描物的吸收系数，进行三维成像。通过对动静组合应力扰动下岩石的原始组构、破裂后结构特别是变形破裂过程中的内部结构演化规律的分析来揭示岩石宏观力学行为的微细观机制。
应用该装置的方法，包括步骤如下：
S1：制备
的岩石试样，用透明塑料管包裹后以备试验；
S2：启动提升油缸，提升油缸升降杆带动压力室及上部结构上升，然后安装试样，试样安装完毕后提升油缸升降杆下降，与转台通过底部连接件连接稳固。此过程需保证试样的轴心线与压力室上下压头轴心线对准；
S3：检查转台上部装置，确定固定良好；
S4：闭合配电柜总电源，电源指示灯亮，表明总电源工作正常。各分系统上电：依次闭合各分系统电源，X射线机控制箱得电，探测器和数据获取分系统、触发模块、扫描控制分系统、摄像监视设备等均得电；
S5：启动X射线机，根据上次停机至今的时间长度选择预热模式并预热。同时启动计算机系统，并运行相应软件，通过以太网建立连接；
S6：在计算机系统控制站上设定岩石试样信息、选择或修改扫描参数(如扫描高度范围、转台转速、升降速度、平移速度、步长、微动参数等)；
S7：扫描开始。X射线机出束，探测器接收信号，扫描装置分系统完成所需各种运动，扫描控制分系统进行实时控制。开始阶段可扫描得到岩石的初始状态；
S8：打开增压器控制阀门，增压器内氮气沿预留的导气管充入压力室内，对试样以施加围压，待围压达到试验所设定的压力值时，关闭增压器控制阀门；
S9：启动试验机，以一定速度旋转，并对上下油缸送油进而给试样施加动荷载。首先下油缸对样品施加压力，模拟岩石所受垂直静应力，然后施加围压来模拟静态应力，接着上油缸对样品施加扰动应力。扰动荷载的波形有多种形式：余弦波、三角波、方波等，所施加扰动力的振幅分为位移和荷载两种，试验可通过调整加载频率实现不同应变速率的加载，调整幅值实现不同动态扰动幅度的模拟。扫描期间调整上下油缸的油压，使试样加载发生变化，从而达到对试样的动静组合应力扰动。
S10：在岩石受疲劳扰动的不同阶段进行扫描，在CT扫描成像时，力学加载试验必须停止。每阶段扫描时X射线机出束，探测器接收信号，扫描装置分系统完成所需各种运动，扫描控制分系统进行实时控制得到不同阶段的CT图像；每次扫描结束时，X射线机停止出束，扫描装置分系统各设备停止运动；
S11：检查所得CT图像，当在图像上发现可疑缺陷时，在图像上定位缺陷高度,在指定检测高度上进行CT扫描重建或者再次实验；
S12：关闭CT机放射源，对压力室进行卸荷，拆除试样，结束试验；
S13：上述S2-S12为一次动静组合循环加载条件下CT扫描试验，重复S2-S12，进行多次试验；
S14：所有检测任务完成后，等待X射线机散热后，关闭X射线机电源，关闭计算机电源、数控系统电源，断开各分系统开关，断开系统总电源；
S15：分析所得试验数据，获取岩石在动静组合荷载下变形破坏过程的裂纹演化(如裂纹宽度、长度、空间位置)过程，对试样裂纹进行三维重构、损伤演化描述与损伤变量分析，实现动静组合应力扰动下岩石破裂过程的可视化和数字化表征。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种工业CT机配套动静组合加载岩石破裂表征试验装置，其特征在于：包括试验机底座(1)、轴压系统、围压系统、旋转系统和扫描系统，轴压系统包括上油缸刚体(11)、上油缸上盖(12)、上油缸下盖连接板(5)、上油缸活塞(10)、下油缸下盖(3)、下油缸上盖连接板(6)、下油缸筒(2)、下油缸刚体和下油缸活塞(4)，围压系统包括压力室(7)、内置压力传感器(9)、外置压力传感器(16)、上压头(19)、下压头(20)、提升油缸升降杆(23)、提升油缸底座(22)和提升油缸横梁(24)，旋转系统包括转台(15)、上旋转滑环定子(13)、上旋转滑环转子(14)、下旋转滑环定子(17)和下旋转滑环转子(18)，扫描系统包括X射线发射机(26)、X射线探测器(34)、传动电机(29)、传动减速机(31)、传动电机座(30)、传动轴承座(33)、传动丝杠(32)、垫铁(25)和竖直机架。
2.根据权利要求1所述的工业CT机配套动静组合加载岩石破裂表征试验装置，其特征在于：所述转台(15)置于试验机底座(1)上，通过下旋转滑环定子(17)和下旋转滑环转子(18)连接，转台(15)上与下油缸下盖(3)连接，下油缸下盖(3)置于下油缸筒(2)下部，下油缸筒(2)上部放置下油缸上盖连接板(6)，下油缸上盖连接板(6)上部为压力室(7)，压力室(7)下部设置下压头(20)，下压头(20)上方对应设置上压头(19)，压力室(7)上方设置上油缸刚体(11)，上油缸刚体(11)下部为上油缸下盖连接板(5)，上油缸刚体(11)上部为上油缸上盖(12)，上油缸上盖(12)上部设置上旋转滑环转子(14)和上旋转滑环定子(13)。
3.根据权利要求1所述的工业CT机配套动静组合加载岩石破裂表征试验装置，其特征在于：所述下油缸筒(2)内下部设置下油缸活塞(4)，上部设置压力室活塞(8)，上油缸刚体(11)内设置上油缸活塞(10)。
4.根据权利要求1所述的工业CT机配套动静组合加载岩石破裂表征试验装置，其特征在于：所述下油缸筒(2)外部安置外置压力传感器(16)，压力室(7)内部上方设置内置压力传感器(9)。
5.根据权利要求1所述的工业CT机配套动静组合加载岩石破裂表征试验装置，其特征在于：所述上压头(19)和下压头(20)之间放置样品(21)。
6.根据权利要求1所述的工业CT机配套动静组合加载岩石破裂表征试验装置，其特征在于：所述提升油缸底座(22)通过提升油缸升降杆(23)连接提升油缸横梁(24)，横跨在试验机底座(1)上方，提升油缸横梁(24)中部留孔，上旋转滑环转子(14)安装在孔内。
7.根据权利要求1所述的工业CT机配套动静组合加载岩石破裂表征试验装置，其特征在于：所述试验机底座(1)安置在垫铁(25)上，垫铁(25)两端各有一个竖直机架，分别为竖直机架一(27)和竖直机架二(28)，X射线发射机(26)通过传动丝杠(32)安装在竖直机架一(27)上，X射线探测器(34)安装在竖直机架二(28)上，竖直机架一(27)上设置传动电机(29)、传动电机(29)通过传动减速机(31)安装在传动电机座(30)上，传动丝杠(32)下部连接传动轴承座(33)。
8.根据权利要求1所述的工业CT机配套动静组合加载岩石破裂表征试验装置，其特征在于：所述压力室(7)采用碳纤维制成，压力室(7)两端有法兰，用于与上油缸下盖连接板(5)和下油缸上盖连接板(6)连接。
9.应用权利要求1所述的工业CT机配套动静组合加载岩石破裂表征试验装置的方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：制备岩石试样，用透明塑料管包裹后以备试验；
S2：启动提升油缸，提升油缸升降杆带动压力室及上部结构上升，然后安装试样，试样安装完毕后提升油缸升降杆下降，与转台通过底部连接件连接稳固，保证试样的轴心线与压力室的上压头和下压头轴心线对准；
S3：检查转台上部装置，确定固定良好；
S4：闭合配电柜总电源，给各系统上电；
S5：启动X射线机，根据上次停机至今的时间长度选择预热模式并预热，同时启动计算机系统；
S6：在计算机系统控制站上设定岩石试样信息、选择或修改扫描参数；
S7：扫描开始，X射线机出束，探测器接收信号，扫描装置分系统完成所需各种运动，扫描控制分系统进行实时控制；
S8：打开增压器控制阀门，增压器内氮气沿预留的导气管充入压力室内，对试样以施加围压，待围压达到试验所设定的压力值时，关闭增压器控制阀门；
S9：启动试验机，对上下油缸送油进而给试样施加动荷载；
S10：在岩石受疲劳扰动的不同阶段进行扫描，在CT扫描成像时，力学加载试验必须停止，每阶段扫描时X射线机出束，探测器接收信号，扫描装置分系统完成所需各种运动，扫描控制分系统进行实时控制得到不同阶段的CT图像；每次扫描结束时，X射线机停止出束，扫描装置分系统各设备停止运动；
S11：检查所得CT图像，当在图像上发现可疑缺陷时，在图像上定位缺陷高度，在指定检测高度上进行CT扫描重建或者再次实验；
S12：关闭CT机放射源，对压力室进行卸荷，拆除试样，结束试验；
S13：上述S2-S12为一次动静组合循环加载条件下CT扫描试验，重复S2-S12，进行不少于三次试验；
S14：分析所得试验数据，获取岩石在动静组合荷载下变形破坏过程的裂纹演化过程，对试样裂纹进行三维重构、损伤演化描述与损伤变量分析，实现动静组合应力扰动下岩石破裂过程的可视化和数字化表征。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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