CN112577410A - 一种微波作用岩石体积变化测量系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微波作用岩石体积变化测量系统及其方法，包括试验腔、微波控制装置、应变测量装置、测量电路和电阻应变仪；试验腔为密封腔体结构，试验腔内放置有岩石试件；微波控制装置设置于试验腔的内部；应变测量装置包括环向应变片和轴向应变片，应变测量装置贴设于岩石试件表面；测量电路通过引线与多个应变测量装置相连接，电阻应变仪与测量电路相连接。在微波控制装置所发射的微波作用于岩石试件后，通过贴设于岩石试件表面的多个环向应变片和轴向应变片对岩石试件进行数据采集，结合测量电路和电阻应变仪即可获取岩石试件的体积变化，从而排除温度变化而导致的液体或气体的体积变化，更加准确地测量微波作用对岩石体积影响大小。

Description

一种微波作用岩石体积变化测量系统及其方法

技术领域

本发明涉及岩石力学设备技术领域，涉及一种岩石体积变化测量系统及其方法，尤其涉及一种能够精确测量微波作用对岩石体积影响大小的测量系统及其方法。

背景技术

在面向地表深部的矿产资源开采中，如何有效破碎岩石成为研究的热点。传统方式主要是通过是利用钻头进行岩石破碎，这种原始的破岩方式受岩石强度过大和钻头易磨损等因素限制，存在效率低和成本高等问题。

近年来，微波被引入到岩石破碎领域之中，微波通过促使岩石内部分子间相互摩擦产生热量，使得被作用物体整体温度升高，从而软化岩体便于破碎，具有无二次污染等优点，已被证明在该领域技术上和经济上的可行性。相关研究已经证明，微波作用可以大幅降低岩石的强度甚至导致岩石熔融剥落，微波技术在岩石破碎领域具备较好的应用前景。

在将微波运用到岩石破碎领域之前，需要在实验室探明微波对于岩石体积变化的作用。已有的测量岩石体积变化方式大都通过液体或气体的体积变化来间接测得岩石体积变化，考虑到微波作用使得岩石温度骤升，对液体或气体的体积变化会产生影响，因此，现有技术岩石体积测量结果并不可靠，业界亟需提出一种新的岩石体积变化测量方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种微波作用岩石体积变化测量系统及其方法，能够排除温度变化而导致的液体或气体的体积变化，更加准确地测量微波作用对岩石体积影响大小。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种微波作用岩石体积变化测量系统，包括：

试验腔，所述试验腔为密封腔体结构，所述试验腔内放置有岩石试件；

微波控制装置，所述微波控制装置设置于所述试验腔的内部，所述微波控制装置用于提供作用在岩石试件上的微波；

应变测量装置，所述应变测量装置包括环向应变片和轴向应变片，所述环向应变片和所述轴向应变片分别设置有多个，多个所述应变测量装置贴设于岩石试件表面；

测量电路和电阻应变仪，所述测量电路通过引线与多个所述应变测量装置相连接，所述电阻应变仪与所述测量电路相连接。

与现有技术相比，本技术方案的有益效果是：在微波控制装置所发射的微波作用于岩石试件后，通过贴设于岩石试件表面的多个环向应变片和轴向应变片对岩石试件进行数据采集，结合测量电路和电阻应变仪即可获取岩石试件的体积变化，从而排除温度变化而导致的液体或气体的体积变化，更加准确地测量微波作用对岩石体积影响大小。

进一步地，所述应变测量装置包括敏感栅、基片以及覆盖层；

所述敏感栅、所述基片和所述覆盖层组成片状结构，所述敏感栅位于所述基片和所述覆盖层之间，所述敏感栅通过引线与所述测量电路相连；

当所述应变测量装置贴设于岩石试件表面时，所述基片位于靠近岩石试件的位置，所述覆盖层位于远离岩石试件的位置。

采用上述方案的有益效果是：通过敏感栅、基片以及覆盖层组成应变测量装置，且将敏感栅设置于基片和覆盖层之间，通过基片和覆盖层能够起到保护敏感栅的作用，同时有利于提高测量精度。

进一步地，所述覆盖层为发泡二氧化硅层。

采用上述方案的有益效果是：采用发泡二氧化硅层作为覆盖层，能够起到防腐蚀和防潮作用，还可防止敏感栅受微波辐射的作用。

进一步地，在所述环向应变片中，所述敏感栅沿着水平方向排列；在所述轴向应变片中，所述敏感栅沿着竖直方向排列。

采用上述方案的有益效果是：采集岩石试件的环向形变数据和轴向形变数据，多方位采集岩石试件的形变数据。

进一步地，所述环向应变片设置有3-10个，各个所述环向应变片之间的所述敏感栅相互平行；

所述轴向应变片设置有3-10个，各个所述轴向应变片之间的所述敏感栅相互平行。

采用上述方案的有益效果是：根据岩石试件的尺寸，适应性调整环向应变片和轴向应变片的数量，有利于提高测量精度。

进一步地，所述微波控制装置包括微波源、波导组件、微波发射盘，所述微波源的一端与所述波导组件相连，所述微波源的一另端与所述微波发射盘相连；

所述试验腔由底板、侧面板和顶板组成，所述试验腔的底板上设置有岩石承载基台，所述岩石承载基台上放置有岩石试件；

所述微波源设置于所述试验腔的顶板或者侧面板上，所述微波发射盘朝向岩石试件发射微波。

采用上述方案的有益效果是：试验腔的底板上设置有岩石承载基台，微波源设置于试验腔的顶板或者侧面板上，可根据实际情况调整微波源与岩石试件之间的相对位置关系，以提高本系统的通用性。

进一步地，所述微波源包括电源组件、变压器组件和控制电路。

采用上述方案的有益效果是：通过电源组件、变压器组件和控制电路组成微波源，从而提供试验用微波。

进一步地，所述底板、所述侧面板和所述顶板为由金属层腔体和隔热层腔体所组成的板状双层结构；

所述侧面板上设置有取放通孔，所述取放通孔上设置有所述侧开门；

所述岩石承载基台通过高度调节组件设置于所述底板上。

采用上述方案的有益效果是：由金属层腔体和隔热层腔体组成底板、侧面板和顶板，即整个试验腔为双层结构，能够起到更好的隔热和防止辐射的作用，保证试验过程的安全性。

进一步地，所述测量电路包括放大器和电桥；

所述引线的一端连接所述应变测量装置，所述引线的另一端通过所述放大器与所述电桥相连，所述电桥与所述电阻应变仪相连。

采用上述方案的有益效果是：通过放大器和电桥对应变测量装置所采集的电信号进行处理，有利于提高试验数据的可信度。

一种微波作用岩石体积变化测量方法，所述岩石体积变化测量方法基于上述岩石体积变化测量系统，所述方法包括以下步骤：

通过微波控制装置向岩石试件发射微波；

待微波作用于岩石试件上后，通过环向应变片和测量电路采集第一电阻变化量，通过轴向应变片和测量电路采集第二电阻变化量，并将采集得到的第一电阻变化量和第二电阻变化量输入电阻应变仪；

电阻应变仪根据第一电阻变化量得到岩石环向体积应变量，根据第二电阻变化量得到岩石轴向体积应变量，并根据岩石环向体积应变量和岩石轴向体积应变量得到总体体积应用量。

与现有技术相比，本技术方案的有益效果是：在微波控制装置所发射的微波作用于岩石试件后，通过贴设于岩石试件表面的多个环向应变片和轴向应变片对岩石试件进行数据采集，结合测量电路和电阻应变仪即可获取岩石试件的体积变化，从而排除温度变化而导致的液体或气体的体积变化，更加准确地测量微波作用对岩石体积影响大小。

附图说明

图1是本发明一种微波作用岩石体积变化测量系统的整体示意图。

图2是本发明一种微波作用岩石体积变化测量系统中微波控制装置的示意图。

图3是本发明一种微波作用岩石体积变化测量系统中应变测量装置的示意图。

图4是本发明一种微波作用岩石体积变化测量系统中测量电路的示意图。

图5是本发明一种微波作用岩石体积变化测量方法的流程图。

图中，各标号所代表的部件列表如下：

试验腔1、微波控制装置2、应变测量装置3、测量电路4、引线5、电阻应变仪6；

岩石承载基台101、高度调节组件102；

微波源201、波导组件202、微波发射盘203；

环向应变片301、轴向应变片302、敏感栅303、基片304；

放大器401、电桥402。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语中“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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“安装”、“连接”、“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。当组件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

在将微波大规模运用到岩石破碎领域之前，需要在实验室探明微波对于岩石体积变化的作用。已有的测量岩石体积变化方式大都通过液体或气体的体积变化来间接测得岩石体积变化，考虑到微波作用使得岩石温度骤升，对液体或气体的体积变化会产生影响，因此，现有技术岩石体积测量结果并不可靠。简单地说，现有技术在研究岩石体积变化时，是利用岩石体积变化所引起其周边液体或气体的体积变化来间接测量岩石体积变化。比如，将岩石试件放置在一个容器内，容器内装满液体，当岩石体积增大时，会使得周边的一部分液体被排出，现有技术就是通过测量被排出的那部分液体的体积，来间接测量岩石体积变化。然而，当通过微波作用于岩石试件上时，微波会影响液体的体积，此时排出液体的体积就难以准确反映岩石体积变化，此即为现有技术的局限所在。因此，业界亟需提出一种新的岩石体积变化测量方案。

如图1所示，一种微波作用岩石体积变化测量系统，包括试验腔1、微波控制装置2、应变测量装置3、测量电路4和电阻应变仪6。

所述试验腔1为密封腔体结构，所述试验腔1内放置有岩石试件；所述微波控制装置2设置于所述试验腔1的内部，所述微波控制装置2用于提供作用在岩石试件上的微波；所述应变测量装置3包括环向应变片301和轴向应变片302，所述环向应变片301和所述轴向应变片302分别设置有多个，多个所述应变测量装置3贴设于岩石试件表面；所述测量电路4通过引线5与多个所述应变测量装置3相连接，所述电阻应变仪6与所述测量电路4相连接。

本发明的核心在于，通过多个环向应变片301和多个轴向应变片302作为应变测量装置3，直接测量岩石试件的体积变化。在岩石试件上设置有多个环向应变片301，采集其上的多个环向形变数据；同时，在岩石试件上设置有多个轴向应变片302，采集其上的多个轴向形变数据。通过多个环向形变数据和多个轴向形变数据，即可准确地反映岩石试件的整体形变状况。

因此，基于上述技术方案，在微波控制装置2所发射的微波作用于岩石试件后，通过贴设于岩石试件表面的多个环向应变片301和轴向应变片302对岩石试件进行数据采集，结合测量电路4和电阻应变仪6即可获取岩石试件的体积变化，从而排除温度变化而导致的液体或气体的体积变化，更加准确地测量微波作用对岩石体积影响大小。

优选地，所述应变测量装置3包括敏感栅303、基片304以及覆盖层；所述敏感栅303、所述基片304和所述覆盖层组成片状结构，所述敏感栅303位于所述基片304和所述覆盖层之间，所述敏感栅303通过引线5与所述测量电路4相连；当所述应变测量装置3贴设于岩石试件表面时，所述基片304位于靠近岩石试件的位置，所述覆盖层位于远离岩石试件的位置。通过敏感栅303、基片304以及覆盖层组成应变测量装置3，且将敏感栅303设置于基片304和覆盖层之间，通过基片304和覆盖层能够起到保护敏感栅303的作用，同时有利于提高测量精度。

在试验的过程中，敏感栅303可能会受潮甚至被腐蚀，而而导致应变测量装置3失效。为了避免这一问题，优选地，所述覆盖层为发泡二氧化硅层。采用发泡二氧化硅层作为覆盖层，能够起到防腐蚀和防潮作用，还可防止敏感栅303受微波辐射的作用。同样地，在引线5的外部设置有发泡二氧化硅套筒，通过发泡二氧化硅套筒防止引线5受潮和腐蚀。

具体地，所述基片304为绝缘基片304。敏感栅303粘贴于基片304上，敏感栅303的作用在于通过将岩石试件的应变量转化为电阻变化量，而在此过程中，所述基片304布置于敏感栅303与岩石试件之间，能够起到绝缘作用。另外，所述覆盖层采用有机高分子材料制成，起到保护敏感栅303免受辐射损伤、机械损伤，具有良好的机械特性。所述引线5连通敏感栅303与测量电路4，采用双引线5、多点焊接的方式。

如图3所示，优选地，在所述环向应变片301中，所述敏感栅303沿着水平方向排列；在所述轴向应变片302中，所述敏感栅303沿着竖直方向排列。通过水平排列的敏感栅303采集岩石试件的环向形变数据，通过竖直排列的敏感栅303采集轴向形变数据，多方位采集岩石试件的形变数据。具体地，所述环向应变片301设置有3-10个，各个所述环向应变片301之间的所述敏感栅303相互平行；所述轴向应变片302设置有3-10个，各个所述轴向应变片302之间的所述敏感栅303相互平行。根据岩石试件的尺寸，适应性调整环向应变片301和轴向应变片302的数量，有利于提高测量精度。

例如，当岩石试件的尺寸为直径50mm和高度100mm时，所述环向应变片301设置有5个，所述轴向应变片302设置有5个。考虑到由于岩石试件的矿物组分、内部构造复杂多样，受热体积膨胀各部分可能不一致，为尽可能保持测量体积变化的准确性同时又兼顾实际需要，在试验的过程中，将直径50mm和高度100mm的岩石试件分为五段分别测量每段的应变，在每段的中点处布置应变片测量该段的环向与轴向应变，将每段变形近似为均匀变形，从而测得整体的体积变化量。

如图1和图2所示，所述微波控制装置2包括微波源201、波导组件202、微波发射盘203，所述微波源201的一端与所述波导组件202相连，所述微波源201的一另端与所述微波发射盘203相连；所述试验腔1由底板、侧面板和顶板组成，所述试验腔1的底板上设置有岩石承载基台101，所述岩石承载基台101上放置有岩石试件；所述微波源201设置于所述试验腔1的顶板或者侧面板上，所述微波发射盘203朝向岩石试件发射微波。试验腔1的底板上设置有岩石承载基台101，微波源201设置于试验腔1的顶板或者侧面板上，可根据实际情况调整微波源201与岩石试件之间的相对位置关系，以提高本系统的通用性。具体地，所述微波源201包括电源组件、变压器组件和控制电路，通过电源组件、变压器组件和控制电路组成微波源201，从而提供试验用微波。

所述微波控制装置2由微波源201、导波组件、微波发射盘203组成，将电能转化为微波能，通过发射微波加热岩石起到快速破岩的效果.环向应变片301和轴向应变片302粘贴在岩石试件上，且每个应变片均匀分布在岩石试件每段中点处，应变片能同时测量环向应变与轴向应变。

所述底板、所述侧面板和所述顶板为由金属层腔体和隔热层腔体所组成的板状双层结构；所述侧面板上设置有取放通孔，所述取放通孔上设置有所述侧开门；所述岩石承载基台101通过高度调节组件102设置于所述底板上。由金属层腔体和隔热层腔体组成底板、侧面板和顶板，即整个试验腔1为双层结构，能够起到更好的隔热和防止辐射的作用，保证试验过程的安全性。而设置有高度调节组件102，便于根据岩石试件的尺寸，调节岩石承载基台101的高度，从而调节岩石试件与微波控制装置2之间的相对位置。

如图4所示，所述测量电路4包括放大器401和电桥402；所述引线5的一端连接所述应变测量装置3，所述引线5的另一端通过所述放大器401与所述电桥402相连，所述电桥402与所述电阻应变仪6相连。通过放大器401和电桥402对应变测量装置3所采集的电信号进行处理，有利于提高试验数据的可信度。

如图5所示，一种微波作用岩石体积变化测量方法，所述岩石体积变化测量方法基于上述岩石体积变化测量系统，所述方法包括以下步骤：

S1.通过微波控制装置2向岩石试件发射微波。

S2.待微波作用于岩石试件上后，通过环向应变片301和测量电路4采集第一电阻变化量，通过轴向应变片302和测量电路4采集第二电阻变化量，并将采集得到的第一电阻变化量和第二电阻变化量输入电阻应变仪6。

S3.电阻应变仪6根据第一电阻变化量得到岩石环向体积应变量，根据第二电阻变化量得到岩石轴向体积应变量，并根据岩石环向体积应变量和岩石轴向体积应变量得到总体体积应用量

需要说明的是，测量电路4和电阻应变仪6的作用在于将电阻变化量自动转化为体积变化量，此为现有技术对于测量电路4和电阻应变仪6的常规应用。以设置有5个环向应变片301和5个轴向应变片302为例，说明分析岩石体积变化量的具体过程。

设岩石试件原高度为l，横截面圆柱半径为r，在岩石试件中取圆柱体微元，各边边长为dl，dr，则变形前该微元的体积为dV为：

dV＝πdl·(dr)²。

变形后每段应变片测得的轴向应变为ε_i，环向应变为ε_i’(i＝1，2，3，4，5)。

每段变形可以认为近似是均匀变形，变形后各边长度变化分别为：

(1+ε_i)dl，(1+ε_i’)dr。

变形后微元体的体积为dV＝π(1+ε_i)dl·(1+ε_i')²(dr)²，则体积应变θ为：

展开上述计算式并忽略高阶微量，得到

θ_i＝ε_i+2ε_i’

设每段原体积设为V_i ⁰，变形后各段体积为V_i。则岩石试件总体积为

其中，(i＝1，2，3，4，5)。

综上所述，本发明提供了一种微波作用岩石体积变化测量系统及其方法，包括试验腔1、微波控制装置2、应变测量装置3、测量电路4和电阻应变仪6。所述试验腔1为密封腔体结构，所述试验腔1内放置有岩石试件；所述微波控制装置2设置于所述试验腔1的内部，所述微波控制装置2用于提供作用在岩石试件上的微波；所述应变测量装置3包括环向应变片301和轴向应变片302，所述环向应变片301和所述轴向应变片302分别设置有多个，多个所述应变测量装置3贴设于岩石试件表面；所述测量电路4通过引线5与多个所述应变测量装置3相连接，所述电阻应变仪6与所述测量电路4相连接。本发明考虑到岩石试件受微波加热后产生的不均匀变形，采取分段测量岩石试件各段的环形形变和轴向形变，且每段岩石试件的变形近似为均匀变形，从而求得岩石试件变形后的整体体积，排除温度变化而导致的液体或气体的体积变化，更加准确地测量微波作用对岩石体积影响大小。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种微波作用岩石体积变化测量系统，其特征在于，包括：

试验腔，所述试验腔为密封腔体结构，所述试验腔内放置有岩石试件；

微波控制装置，所述微波控制装置设置于所述试验腔的内部，所述微波控制装置用于提供作用在岩石试件上的微波；

应变测量装置，所述应变测量装置包括环向应变片和轴向应变片，所述环向应变片和所述轴向应变片分别设置有多个，多个所述应变测量装置贴设于岩石试件表面；

测量电路和电阻应变仪，所述测量电路通过引线与多个所述应变测量装置相连接，所述电阻应变仪与所述测量电路相连接。

2.根据权利要求1所述的一种微波作用岩石体积变化测量系统，其特征在于，所述应变测量装置包括敏感栅、基片以及覆盖层；

所述敏感栅、所述基片和所述覆盖层组成片状结构，所述敏感栅位于所述基片和所述覆盖层之间，所述敏感栅通过引线与所述测量电路相连；

当所述应变测量装置贴设于岩石试件表面时，所述基片位于靠近岩石试件的位置，所述覆盖层位于远离岩石试件的位置。

3.根据权利要求2所述的一种微波作用岩石体积变化测量系统，其特征在于，所述覆盖层为发泡二氧化硅层。

4.根据权利要求2所述的一种微波作用岩石体积变化测量系统，其特征在于，在所述环向应变片中，所述敏感栅沿着水平方向排列；在所述轴向应变片中，所述敏感栅沿着竖直方向排列。

5.根据权利要求4所述的一种微波作用岩石体积变化测量系统，其特征在于，所述环向应变片设置有3-10个，各个所述环向应变片之间的所述敏感栅相互平行；

所述轴向应变片设置有3-10个，各个所述轴向应变片之间的所述敏感栅相互平行。

6.根据权利要求1所述的一种微波作用岩石体积变化测量系统，其特征在于，所述微波控制装置包括微波源、波导组件、微波发射盘，所述微波源的一端与所述波导组件相连，所述微波源的一另端与所述微波发射盘相连；

所述试验腔由底板、侧面板和顶板组成，所述试验腔的底板上设置有岩石承载基台，所述岩石承载基台上放置有岩石试件；

所述微波源设置于所述试验腔的顶板或者侧面板上，所述微波发射盘朝向岩石试件发射微波。

7.根据权利要求6所述的一种微波作用岩石体积变化测量系统，其特征在于，所述微波源包括电源组件、变压器组件和控制电路。

8.根据权利要求6所述的一种微波作用岩石体积变化测量系统，其特征在于，所述底板、所述侧面板和所述顶板为由金属层腔体和隔热层腔体所组成的板状双层结构；

所述侧面板上设置有取放通孔，所述取放通孔上设置有所述侧开门；

所述岩石承载基台通过高度调节组件设置于所述底板上。

9.根据权利要求1所述的一种微波作用岩石体积变化测量系统，其特征在于，所述测量电路包括放大器和电桥；

所述引线的一端连接所述应变测量装置，所述引线的另一端通过所述放大器与所述电桥相连，所述电桥与所述电阻应变仪相连。

10.一种微波作用岩石体积变化测量方法，所述岩石体积变化测量方法基于所述权利要求1-9任一项中的岩石体积变化测量系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

通过微波控制装置向岩石试件发射微波；

待微波作用于岩石试件上后，通过环向应变片和测量电路采集第一电阻变化量，通过轴向应变片和测量电路采集第二电阻变化量，并将采集得到的第一电阻变化量和第二电阻变化量输入电阻应变仪；

电阻应变仪根据第一电阻变化量得到岩石环向体积应变量，根据第二电阻变化量得到岩石轴向体积应变量，并根据岩石环向体积应变量和岩石轴向体积应变量得到总体体积应用量。

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