CN113670552A - 一种非药式燃爆冲击等效加载装置及岩体破裂监测方法 - Google Patents

一种非药式燃爆冲击等效加载装置及岩体破裂监测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113670552A
CN113670552A CN202110954871.7A CN202110954871A CN113670552A CN 113670552 A CN113670552 A CN 113670552A CN 202110954871 A CN202110954871 A CN 202110954871A CN 113670552 A CN113670552 A CN 113670552A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bullet
sample
impact
pressure
launching
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110954871.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113670552B (zh
Inventor
杨威
魏则宁
翟成
姜萧涵
潘荣荣
陈庆贺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China University of Mining and Technology CUMT
Original Assignee
China University of Mining and Technology CUMT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China University of Mining and Technology CUMT filed Critical China University of Mining and Technology CUMT
Priority to CN202110954871.7A priority Critical patent/CN113670552B/zh
Publication of CN113670552A publication Critical patent/CN113670552A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113670552B publication Critical patent/CN113670552B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
    • G01M7/08—Shock-testing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G01N3/06—Special adaptations of indicating or recording means
    • G01N3/066—Special adaptations of indicating or recording means with electrical indicating or recording means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G01N3/06—Special adaptations of indicating or recording means
    • G01N3/068—Special adaptations of indicating or recording means with optical indicating or recording means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/30—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight
    • G01N3/307—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight generated by a compressed or tensile-stressed spring; generated by pneumatic or hydraulic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/003—Generation of the force
    • G01N2203/0042—Pneumatic or hydraulic means
    • G01N2203/0044—Pneumatic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/006—Crack, flaws, fracture or rupture
    • G01N2203/0067—Fracture or rupture
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/022—Environment of the test
    • G01N2203/023—Pressure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/025—Geometry of the test
    • G01N2203/0256—Triaxial, i.e. the forces being applied along three normal axes of the specimen
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/0617—Electrical or magnetic indicating, recording or sensing means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/0617—Electrical or magnetic indicating, recording or sensing means
    • G01N2203/0623—Electrical or magnetic indicating, recording or sensing means using piezoelectric gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/0641—Indicating or recording means; Sensing means using optical, X-ray, ultraviolet, infrared or similar detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
    • G01N2203/0676—Force, weight, load, energy, speed or acceleration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
    • G01N2203/0682—Spatial dimension, e.g. length, area, angle

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明公开了一种非药式燃爆冲击等效加载装置及岩体破裂监测方法，其中储气系统用于生产高压气源为发射系统提供动力；发射系统用于对子弹提供初始速度及运动方向的导引；加载系统用于对试样施加三轴应力模拟储层中的地应力环境；监测系统用于获取试样被子弹撞击后，试样的冲击压力、加速度和应变数据；防护系统用于保护加载系统不发生倾倒；在进行试验时，子弹获得动能在发射管内高速运动，在经过回收套后对活塞进行撞击，此时活塞对钻孔内的水进行冲击，钻孔内的水受到冲击后使水中粒子获得一定初速度进而产生高强度冲击波荷载，以此来等效模拟燃爆冲击对煤岩体的冲击效果；最终通过监测系统能获得试样被冲击后的各项数据。

Description

一种非药式燃爆冲击等效加载装置及岩体破裂监测方法
技术领域
本发明涉及一种非药式燃爆冲击等效加载装置及岩体破裂监测方法，属于岩体冲击压裂技术领域。
背景技术
页岩气通常以吸附和游离状态存在于泥页岩等产气岩中，低孔低渗的储层特征使得页岩气开发必须进行人工压裂改造。甲烷原位燃爆压裂是一种利用储层内甲烷气体通过燃爆产生的高温高压气体冲击压裂页岩储层，进而创造立体裂缝网络，为页岩气高效运移提供通道的技术方法。
甲烷燃爆冲击波的传播特性及对储层的瞬态冲击动力学响应特征是该技术方法需要解决的科学问题。然而，这一科学问题的试验研究滞后于理论分析与数值模拟方法研究，其中最主要的一个问题在于甲烷燃爆或高能高危爆炸物(如炸药)爆炸等加载方式存在危险性大、可重复性低、试验成本高、试验场地要求严格等弊端，在实验室内难以开展。由于缺少必要的试验验证，理论分析与数值模拟研究结果的真实有效性难以确定，进而无法用于实际的施工。为此，如何提供一种爆炸加载替代技术能够在常规试验条件下具有等效燃爆冲击产生的载荷作用，并且可以安全、高效、多次地监测试样的动态响应，是本行业的研究方向。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种非药式燃爆冲击等效加载装置及岩体破裂监测方法，采用子弹冲击水体的方式，能够在常规试验条件下具有等效燃爆冲击产生的载荷作用，并且可以安全、高效、多次地监测试样的动态响应。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种非药式燃爆冲击等效加载装置，包括储气系统、发射系统、加载系统、监测系统和防护系统，
所述储气系统包括空气压缩机、干燥机和高压无缝瓶式压力容器，空气压缩机通过管路与干燥机连接，干燥机通过管路与高压无缝瓶式压力容器的进口连接；储气系统用于生产高压气源为发射系统提供动力；
所述发射系统包括高压气室、气压表、发射体、电磁阀、发射管、真空泵、子弹、铸铁平台和调节支架，高压气室固定在铸铁平台上，气压表设置在高压气室上，发射体装在高压气室的出口端，高压气室的进口端通过管路与高压无缝瓶式压力容器的出口连接，发射管通过多个调节支架固定在铸铁平台上，通过调整多个调节支架使发射体和发射管同轴，发射管一端通过电磁阀与发射体连接，发射管另一端装有变径法兰，靠近发射管一端的管壁上开有抽气孔，抽气孔通过抽气管与真空泵连接；子弹设置在发射管内，子弹的形状为圆柱体，其端面直径略小于发射管的内径，发射系统对子弹提供初始速度及运动方向的导引；
所述加载系统包括三轴加载装置、千斤顶和回收套，试样放置在三轴加载装置内，三轴加载装置和千斤顶连接，用于对试样施加三轴应力模拟储层中的地应力环境，回收套侧壁装有透明视窗，回收套一端与变径法兰连接、另一端伸入三轴加载装置内与试样的表面接触，且回收套与发射管同轴，所述回收套用于回收对试样撞击后的子弹；所述试样一侧开设钻孔，钻孔内注满水，钻孔的孔口处装有活塞，活塞一端伸入钻孔对其进行封堵，且活塞另一端正对回收套；
所述监测系统包括激光测速装置、冲击测量装置、应变测量装置、加速度测量装置和计算机，所述激光测速装置包括激光发射器、激光接收器和激光测速仪，激光测速仪分别与激光发射器和激光接收器连接，激光发射器和激光接收器均对准透明视窗，用于对经过回收套时的子弹测速；所述冲击测量装置包括第一动态信号测试仪、石英力环和多个高频压电传感器，石英力环装在活塞另一端，试样侧部开设多个安装孔，多个高频压电传感器分别一一对应装在各个安装孔内，石英力环和多个高频压电传感器均通过数据线与第一动态信号测试仪连接，第一动态信号测试仪通过数据线与计算机连接，冲击测量装置用于测量子弹对试样冲击后试样各个位置的冲击压力；所述应变测量装置包括超动态应变采集仪和多个应变片，多个应变片粘贴在试样表面不同位置处，各个应变片分别通过数据线与超动态应变采集仪连接，超动态应变采集仪通过数据线与计算机连接，应变测量装置用于采集试样的应变数据；所述加速度测量装置包括第二动态信号测试仪、电荷适配器和多个加速度传感器，多个加速度传感器固定在试样表面不同位置处，各个加速度传感器通过数据线与电荷适配器连接，电荷适配器通过数据线与第二动态信号测试仪连接，第二动态信号测试仪通过数据线与计算机连接，所述加速度测量装置用于采集试样被子弹撞击后的加速度数据；
所述防护系统包括防护罩、能量吸收器和支撑架，防护罩罩在三轴加载装置上，能量吸收器固定在与发射管相对的三轴加载装置另一侧，且防护罩与能量吸收器接触；支撑架一端与地面固定、另一端与能量吸收器固定；所述防护系统用于在子弹对试样撞击后保持三轴加载装置的稳固。
进一步，所述试样为立方体，所述钻孔的深度不超过试样边长的3/4，钻孔直径略大于子弹端面直径；所述活塞伸入钻孔的部分开设两个凹槽，两个凹槽内分别装有O型橡胶密封圈，通过活塞及O型橡胶密封圈对钻孔封堵，防止钻孔内的水流出。
进一步，储气系统还包括数显流量计，数显流量计装在高压无缝瓶式压力容器上，用于测量气体的流量。
进一步，所述回收套直径大于发射管的外径、回收套的长度大于子弹的长度。
进一步，所述发射管的内径与子弹的端面直径之间差值小于0.2mm。
一种非药式燃爆冲击等效加载装置的岩体破裂监测方法，具体步骤为：
S1、试样准备：选择所需试验的煤岩体，并将其加工成立方体形的试样，然后将加工好的试样进行中心钻孔、注水、并安装活塞，完成后将试样放置于三轴加载装置内，并将石英力环装在活塞上，使活塞正对回收套，此时根据所需模拟的地应力数值，通过开启千斤顶使三轴加载装置对试样施加三轴围压；
S2、试验准备：将子弹位于发射管靠近发射体一端，开启空气压缩机制造压缩气体，然后将压缩气体经过干燥机除去水分后进入高压无缝瓶式压力容器，接着压缩气体由高压无缝瓶式压力容器注入高压气室，通过数显流量计显示的实时流量对压缩气体的流量进行控制，在压缩气体注入过程中观察气压表获得高压气室内的实时压力值，当实时压力值达到本次试验所需模拟的燃爆当量冲击波压力值的要求时关闭高压无缝瓶式压力容器停止注气；最后将激光测速装置、冲击测量装置、应变测量装置和加速度测量装置处于工作状态；
S3、试验开始：打开电磁阀使高压气室内的压缩气体瞬间释放，压缩气体经过发射体对子弹进行冲击，从而使子弹获得动能在发射管中高速运动，并经过回收套后撞击活塞，撞击后子弹停留在回收套内；此时活塞会对钻孔内的水进行冲击，使水中粒子获得一定初速度，进而钻孔内的水会对钻孔周围产生高强度冲击波荷载，最终实现等效模拟燃爆冲击对煤岩体的冲击作用，由此完成一次非药式燃爆冲击等效加载试验；
S4、数据采集：整个试验过程中，通过激光测速装置得到子弹的撞击速度，通过冲击监测装置得到活塞处的高强度冲击压力值、并通过计算机绘制不同测点处的等效冲击波压力时程曲线，通过应变监测装置得到试样动态冲击下的应变数据，通过加速度传感器得到试样被子弹撞击时的加速度冲击响应谱；从而能获取该次试验的各项数据，将其存储在计算机内；
S5、本次试验结束后，将子弹从回收套内取出放入发射管内，此时开启真空泵通过对发射管内抽真空的方式使子弹返回发射管靠近发射体的一端，同时将监测系统的各个装置关闭；然后重新确定一个燃爆当量的冲击波压力值，进而重新确定高压气室所需的压力值及通过改变子弹长度来控制子弹的撞击速度，并重复步骤S1至S4，再次获得当前燃爆当量的冲击波压力值条件下的各项数据，如此重复，最终能得出不同当量等效燃爆冲击波条件下试样的各项数据，综合分析后能获得不同当量等效燃爆冲击波在煤岩体内的传播规律及煤岩体在受到不同冲击力时的动态性能数据及变形破坏规律。
与现有技术相比，本发明采用储气系统、发射系统、加载系统、监测系统和防护系统相结合方式，其中储气系统用于生产高压气源为发射系统提供动力；发射系统用于对子弹提供初始速度及运动方向的导引；加载系统用于对试样施加三轴应力模拟储层中的地应力环境；监测系统用于获取试样被子弹撞击后，试样的冲击压力、加速度和应变数据；防护系统用于保护加载系统不发生倾倒，同时防护罩防止试样在冲击荷载下产生的碎块从加载系统中飞崩出来时对人员、设备造成伤害与破坏；在进行试验时，子弹获得动能在发射管内高速运动，在经过回收套后对活塞进行撞击，此时活塞对钻孔内的水进行冲击，钻孔内的水受到冲击后使水中粒子获得一定初速度进而产生高强度冲击波荷载，以此来等效模拟燃爆冲击对煤岩体的冲击效果，避免了使用高能高危物品带来的安全隐患；最终通过监测系统能获得试样被冲击后的各项数据；因此本发明既能够在不使用药包爆炸的安全前提下等效产生与燃爆冲击特性相近的高强度水下冲击波，又能够完成燃爆冲击荷载下各响应参数的监测，进而获得不同当量等效燃爆冲击波在煤岩体内的传播规律及煤岩体在受到不同冲击力时的动态性能数据及变形破坏规律，为后续实际开采页岩气过程中采用燃爆冲击提供数据支撑。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明中激光测速装置的连接示意图。
图3为本发明中冲击测量装置、应变测量装置和加速度测量装置的连接示意图。
图4为本发明中防护系统的结构示意图。
图中：11-空气压缩机、12-干燥机、13-高压无缝瓶式压力容器、14-数显流量计，21-高压气室、22-气压表、23-发射体、24-电磁阀、25-发射管、26-真空泵、27-调节支架、28-变径法兰、29-铸铁平台，31-三轴加载装置、32-千斤顶、33-回收套、331-透明视窗，41-激光发射器、42-激光接收器、43-激光测速仪、44-第一动态信号测试仪，45-石英力环、46-高频压电传感器、47-超动态应变采集仪、48-应变片、49-电荷适配器、410-加速度传感器、411-第二动态信号测试仪、412-计算机，51-防护罩、52-能量吸收器、53-支撑架，6-试样，7-活塞，8-O型橡胶密封圈，9-子弹。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种非药式燃爆冲击等效加载装置，包括储气系统、发射系统、加载系统、监测系统和防护系统，
所述储气系统包括空气压缩机11、干燥机12、高压无缝瓶式压力容器13和数显流量计14，空气压缩机11通过管路与干燥机12连接，干燥机12通过管路与高压无缝瓶式压力容器13的进口连接；数显流量计14装在高压无缝瓶式压力容器13上，用于测量气体的流量；储气系统用于生产高压气源为发射系统提供动力；
所述发射系统包括高压气室21、气压表22、发射体23、电磁阀24、发射管25、真空泵26、子弹9、铸铁平台29和调节支架27，高压气室21固定在铸铁平台29上，气压表22设置在高压气室21上，发射体23装在高压气室21的出口端，发射体23孔径为
Figure BDA0003220080800000051
发射管25的外径为
Figure BDA0003220080800000052
高压气室21的进口端通过管路与高压无缝瓶式压力容器13的出口连接，发射管25通过多个调节支架27固定在铸铁平台29上，通过调整多个调节支架27使发射体23和发射管25同轴，发射管25一端通过电磁阀与发射体23连接，发射管25另一端装有变径法兰28，靠近发射管25一端的管壁上开有抽气孔，抽气孔通过抽气管与真空泵26连接；子弹9设置在发射管25内，子弹9的形状为圆柱体，其端面直径略小于发射管25的内径，且两者之间差值小于0.2mm，发射系统对子弹9提供初始速度及运动方向的导引；
所述加载系统包括三轴加载装置31、千斤顶32和回收套33，试样6放置在三轴加载装置31内，三轴加载装置31和千斤顶32连接，用于对试样6施加三轴应力模拟储层中的地应力环境，回收套33侧壁装有透明视窗331，回收套33一端与变径法兰28连接、另一端伸入三轴加载装置31内与试样6的表面接触，且回收套33与发射管25同轴，所述回收套33直径大于发射管25的外径、回收套33的长度大于子弹9的长度；回收套33用于回收对试样6撞击后的子弹9；所述试样6一侧开设钻孔，钻孔内注满水(也可以采用其他液体替代)，钻孔的孔口处装有活塞7，活塞7一端伸入钻孔对其进行封堵，且活塞7另一端正对回收套33；活塞7伸入钻孔的部分开设两个凹槽，两个凹槽内分别装有O型橡胶密封圈8，通过活塞7及O型橡胶密封圈8对钻孔封堵，防止钻孔内的水流出；所述试样6为立方体，所述钻孔的深度不超过试样6边长的3/4，钻孔直径略大于子弹9端面直径；其中子弹9与活塞7材质相同，可选择45#钢或合金钢等；
如图2和3所示，所述监测系统包括激光测速装置、冲击测量装置、应变测量装置、加速度测量装置和计算机，所述激光测速装置包括激光发射器41、激光接收器42和激光测速仪43，激光测速仪43分别与激光发射器41和激光接收器42连接，激光发射器41和激光接收器42均对准透明视窗331，用于对经过回收套33时的子弹9测速；所述冲击测量装置包括第一动态信号测试仪44、石英力环45和多个高频压电传感器46，石英力环45装在活塞7另一端，试样6侧部开设多个安装孔，多个高频压电传感器46分别一一对应装在各个安装孔内，石英力环45和多个高频压电传感器46均通过数据线与第一动态信号测试仪44连接，第一动态信号测试仪44通过数据线与计算机412连接，冲击测量装置用于测量子弹9对试样6冲击后试样6各个位置的冲击压力；所述应变测量装置包括超动态应变采集仪47和多个应变片48，多个应变片48粘贴在试样6表面不同位置处，各个应变片48分别通过数据线与超动态应变采集仪47连接，超动态应变采集仪47通过数据线与计算机412连接，应变测量装置用于采集试样的应变数据；所述加速度测量装置包括第二动态信号测试仪411、电荷适配器49和多个加速度传感器410，多个加速度传感器410固定在试样6表面不同位置处，各个加速度传感器410通过数据线与电荷适配器49连接，电荷适配器49通过数据线与第二动态信号测试仪411连接，第二动态信号测试仪411通过数据线与计算机412连接，所述加速度测量装置用于采集试样被子弹9撞击后的加速度数据；
如图4所示，所述防护系统包括防护罩51、能量吸收器52和支撑架53，防护罩51罩在三轴加载装置31上，能量吸收器52固定在与发射管25相对的三轴加载装置31另一侧，且防护罩51与能量吸收器52接触；支撑架53一端与地面固定、另一端与能量吸收器52固定；所述防护系统用于在子弹9对试样6撞击后保持三轴加载装置31的稳固。
利用上述装置的岩体破裂监测方法，具体步骤为：
S1、试样准备：选择所需试验的煤岩体(该煤岩体可以是天然煤体、岩体，也可以是人工合成的类煤岩材料)，并将其加工成立方体形的试样6，然后将加工好的试样6进行中心钻孔、注水、并安装活塞7，完成后将试样6放置于三轴加载装置31内，并将石英力环45装在活塞7上，使活塞7正对回收套33，此时根据所需模拟的地应力数值，通过开启千斤顶32使三轴加载装置31对试样6施加三轴围压；
S2、试验准备：将子弹9位于发射管25靠近发射体23一端，开启空气压缩机11制造压缩气体，然后将压缩气体经过干燥机12除去水分后进入高压无缝瓶式压力容器13，接着压缩气体由高压无缝瓶式压力容器13注入高压气室21，通过数显流量计14显示的实时流量对压缩气体的流量进行控制，在压缩气体注入过程中观察气压表22获得高压气室21内的实时压力值，当实时压力值达到本次试验所需模拟的燃爆当量冲击波压力值要求时关闭高压无缝瓶式压力容器13停止注气；最后将激光测速装置、冲击测量装置、应变测量装置和加速度测量装置处于工作状态；
S3、试验开始：打开电磁阀24使高压气室21内的压缩气体瞬间释放，压缩气体经过发射体23对子弹9进行冲击，从而使子弹9获得动能在发射管25中高速运动，并经过回收套33后撞击活塞7，撞击后子弹9停留在回收套33内；此时活塞7会对钻孔内的水进行冲击，使水中粒子获得一定初速度，进而钻孔内的水会对钻孔周围产生高强度冲击波荷载，最终实现等效模拟燃爆冲击对煤岩体的冲击作用，由此完成一次非药式燃爆冲击等效加载试验；
S4、数据采集：整个试验过程中，通过激光测速装置得到子弹9的撞击速度，通过冲击监测装置得到活塞处的高强度冲击压力值、并通过计算机绘制不同测点处的等效冲击波压力时程曲线，通过应变监测装置得到试样动态冲击下的应变数据，通过加速度传感器410得到试样6被子弹9撞击时的加速度冲击响应谱；从而能获取该次试验的各项数据，将其存储在计算机412内；
S5、本次试验结束后，将子弹9从回收套33内取出放入发射管25内，此时开启真空泵26通过对发射管25内抽真空的方式使子弹9返回发射管25靠近发射体23的一端，同时将监测系统的各个装置关闭；然后重新确定一个燃爆当量的冲击波压力值，进而重新确定高压气室21所需的压力值及通过改变子弹9长度来控制子弹9的撞击速度，并重复步骤S1至S4，再次获得当前燃爆当量的冲击波压力值条件下的各项数据，如此重复，最终能得出不同当量等效燃爆冲击波条件下试样6的各项数据，综合分析后能获得不同当量等效燃爆冲击波在煤岩体内的传播规律及煤岩体在受到不同冲击力时的动态性能数据及变形破坏规律。
以上所述仅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 (6)

1.一种非药式燃爆冲击等效加载装置，其特征在于，包括储气系统、发射系统、加载系统、监测系统和防护系统，
所述储气系统包括空气压缩机、干燥机和高压无缝瓶式压力容器，空气压缩机通过管路与干燥机连接，干燥机通过管路与高压无缝瓶式压力容器的进口连接；储气系统用于生产高压气源为发射系统提供动力；
所述发射系统包括高压气室、气压表、发射体、电磁阀、发射管、真空泵、子弹、铸铁平台和调节支架，高压气室固定在铸铁平台上，气压表设置在高压气室上，发射体装在高压气室的出口端，高压气室的进口端通过管路与高压无缝瓶式压力容器的出口连接，发射管通过多个调节支架固定在铸铁平台上，通过调整多个调节支架使发射体和发射管同轴，发射管一端通过电磁阀与发射体连接，发射管另一端装有变径法兰，靠近发射管一端的管壁上开有抽气孔，抽气孔通过抽气管与真空泵连接；子弹设置在发射管内，子弹的形状为圆柱体，其端面直径略小于发射管的内径，发射系统对子弹提供初始速度及运动方向的导引；
所述加载系统包括三轴加载装置、千斤顶和回收套，试样放置在三轴加载装置内，三轴加载装置和千斤顶连接，用于对试样施加三轴应力模拟储层中的地应力环境，回收套侧壁装有透明视窗，回收套一端与变径法兰连接、另一端伸入三轴加载装置内与试样的表面接触，且回收套与发射管同轴，所述回收套用于回收对试样撞击后的子弹；所述试样一侧开设钻孔，钻孔内注满水，钻孔的孔口处装有活塞，活塞一端伸入钻孔对其进行封堵，且活塞另一端正对回收套；
所述监测系统包括激光测速装置、冲击测量装置、应变测量装置、加速度测量装置和计算机，所述激光测速装置包括激光发射器、激光接收器和激光测速仪，激光测速仪分别与激光发射器和激光接收器连接，激光发射器和激光接收器均对准透明视窗，用于对经过回收套时的子弹测速；所述冲击测量装置包括第一动态信号测试仪、石英力环和多个高频压电传感器，石英力环装在活塞另一端，试样侧部开设多个安装孔，多个高频压电传感器分别一一对应装在各个安装孔内，石英力环和多个高频压电传感器均通过数据线与第一动态信号测试仪连接，第一动态信号测试仪通过数据线与计算机连接，冲击测量装置用于测量子弹对试样冲击后试样各个位置的冲击压力；所述应变测量装置包括超动态应变采集仪和多个应变片，多个应变片粘贴在试样表面不同位置处，各个应变片分别通过数据线与超动态应变采集仪连接，超动态应变采集仪通过数据线与计算机连接，应变测量装置用于采集试样的应变数据；所述加速度测量装置包括第二动态信号测试仪、电荷适配器和多个加速度传感器，多个加速度传感器固定在试样表面不同位置处，各个加速度传感器通过数据线与电荷适配器连接，电荷适配器通过数据线与第二动态信号测试仪连接，第二动态信号测试仪通过数据线与计算机连接，所述加速度测量装置用于采集试样被子弹撞击后的加速度数据；
所述防护系统包括防护罩、能量吸收器和支撑架，防护罩罩在三轴加载装置上，能量吸收器固定在与发射管相对的三轴加载装置另一侧，且防护罩与能量吸收器接触；支撑架一端与地面固定、另一端与能量吸收器固定；所述防护系统用于在子弹对试样撞击后保持三轴加载装置的稳固。
2.根据权利要求1所述的一种非药式燃爆冲击等效加载装置，其特征在于，所述试样为立方体，所述钻孔的深度不超过试样边长的3/4，钻孔直径略大于子弹端面直径；所述活塞伸入钻孔的部分开设两个凹槽，两个凹槽内分别装有O型橡胶密封圈，通过活塞及O型橡胶密封圈对钻孔封堵，防止钻孔内的水流出。
3.根据权利要求1所述的一种非药式燃爆冲击等效加载装置，其特征在于，储气系统还包括数显流量计，数显流量计装在高压无缝瓶式压力容器上，用于测量气体的流量。
4.根据权利要求1所述的一种非药式燃爆冲击等效加载装置，其特征在于，所述回收套直径大于发射管的外径、回收套的长度大于子弹的长度。
5.根据权利要求1所述的一种非药式燃爆冲击等效加载装置，其特征在于，所述发射管的内径与子弹的端面直径之间差值小于0.2mm。
6.一种利用权利要求1至5任一项所述的非药式燃爆冲击等效加载装置的岩体破裂监测方法，其特征在于，具体步骤为：
S1、试样准备：选择所需试验的煤岩体，并将其加工成立方体形的试样，然后将加工好的试样进行中心钻孔、注水、并安装活塞，完成后将试样放置于三轴加载装置内，并将石英力环装在活塞上，使活塞正对回收套，此时根据所需模拟的地应力数值，通过开启千斤顶使三轴加载装置对试样施加三轴围压；
S2、试验准备：将子弹位于发射管靠近发射体一端，开启空气压缩机制造压缩气体，然后将压缩气体经过干燥机除去水分后进入高压无缝瓶式压力容器，接着压缩气体由高压无缝瓶式压力容器注入高压气室，通过数显流量计显示的实时流量对压缩气体的流量进行控制，在压缩气体注入过程中观察气压表获得高压气室内的实时压力值，当实时压力值达到本次试验所需模拟的燃爆当量冲击波压力值的要求时关闭高压无缝瓶式压力容器停止注气；最后将激光测速装置、冲击测量装置、应变测量装置和加速度测量装置处于工作状态；
S3、试验开始：打开电磁阀使高压气室内的压缩气体瞬间释放，压缩气体经过发射体对子弹进行冲击，从而使子弹获得动能在发射管中高速运动，并经过回收套后撞击活塞，撞击后子弹停留在回收套内；此时活塞会对钻孔内的水进行冲击，使水中粒子获得一定初速度，进而钻孔内的水会对钻孔周围产生高强度冲击波荷载，最终实现等效模拟燃爆冲击对煤岩体的冲击作用，由此完成一次非药式燃爆冲击等效加载试验；
S4、数据采集：整个试验过程中，通过激光测速装置得到子弹的撞击速度，通过冲击监测装置得到活塞处的高强度冲击压力值、并通过计算机绘制不同测点处的等效冲击波压力时程曲线，通过应变监测装置得到试样动态冲击下的应变数据，通过加速度传感器得到试样被子弹撞击时的加速度冲击响应谱；从而能获取该次试验的各项数据，将其存储在计算机内；
S5、本次试验结束后，将子弹从回收套内取出放入发射管内，此时开启真空泵通过对发射管内抽真空的方式使子弹返回发射管靠近发射体的一端，同时将监测系统的各个装置关闭；然后重新确定一个燃爆当量的冲击波压力值，进而重新确定高压气室所需的压力值及通过改变子弹长度来控制子弹的撞击速度，并重复步骤S1至S4，再次获得当前燃爆当量的冲击波压力值条件下的各项数据，如此重复，最终能得出不同当量等效燃爆冲击波条件下试样的各项数据，综合分析后能获得不同当量等效燃爆冲击波在煤岩体内的传播规律及煤岩体在受到不同冲击力时的动态性能数据及变形破坏规律。
CN202110954871.7A 2021-08-19 2021-08-19 一种非药式燃爆冲击等效加载装置及岩体破裂监测方法 Active CN113670552B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110954871.7A CN113670552B (zh) 2021-08-19 2021-08-19 一种非药式燃爆冲击等效加载装置及岩体破裂监测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110954871.7A CN113670552B (zh) 2021-08-19 2021-08-19 一种非药式燃爆冲击等效加载装置及岩体破裂监测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113670552A true CN113670552A (zh) 2021-11-19
CN113670552B CN113670552B (zh) 2022-04-05

Family

ID=78543994

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110954871.7A Active CN113670552B (zh) 2021-08-19 2021-08-19 一种非药式燃爆冲击等效加载装置及岩体破裂监测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113670552B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101718660A (zh) * 2009-11-20 2010-06-02 中国石油大学(华东) 爆炸动载压裂模拟试验装置
CN105547871A (zh) * 2015-12-10 2016-05-04 东北大学 一种静压岩石冲击漏斗破坏实验装置及方法
CN106969897A (zh) * 2017-03-21 2017-07-21 哈尔滨工程大学 可实现材料水下爆炸冲击波冲击压缩的等效加载实验装置
CN206772734U (zh) * 2017-03-06 2017-12-19 中国矿业大学(北京) 一种基于三轴加载的岩石霍普金森动态冲击加载装置
CN108801577A (zh) * 2018-08-14 2018-11-13 同济大学 一种模拟深层隧道爆炸的试验装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101718660A (zh) * 2009-11-20 2010-06-02 中国石油大学(华东) 爆炸动载压裂模拟试验装置
CN105547871A (zh) * 2015-12-10 2016-05-04 东北大学 一种静压岩石冲击漏斗破坏实验装置及方法
CN206772734U (zh) * 2017-03-06 2017-12-19 中国矿业大学(北京) 一种基于三轴加载的岩石霍普金森动态冲击加载装置
CN106969897A (zh) * 2017-03-21 2017-07-21 哈尔滨工程大学 可实现材料水下爆炸冲击波冲击压缩的等效加载实验装置
CN108801577A (zh) * 2018-08-14 2018-11-13 同济大学 一种模拟深层隧道爆炸的试验装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吴飞鹏 等: "《燃爆冲击作用下岩石初始破坏区形成机制与主控因素》", 《爆炸与冲击》 *
徐鹏 等: "《爆炸压裂试验系统研制及应用》", 《爆破器材》 *
王浩宇 等: "《真三轴冲击试验中加载杆变截面段应力波的传播特性分析》", 《矿冶工程》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113670552B (zh) 2022-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108362584B (zh) 一种水中冲击爆炸复合加载的激波管实验装置
CN106226176B (zh) 水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试方法
CN106525686B (zh) 一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置及其实验方法
CN112858024A (zh) 用于测量水力耦合作用下深部岩石动态性能的装置及方法
Wang et al. Experimental study on the radial vibration characteristics of a coal briquette in each stage of its life cycle under the action of CO2 gas explosion
CN104458918A (zh) 超临界二氧化碳压裂页岩损伤定位监测装置及方法
CN108801816A (zh) 一种大当量地下浅埋爆炸效应模拟装置
CN104535727B (zh) 一种水力加砂压裂系统
EP2245422A2 (en) An improved method for the development and quality control of flow-optimized shaped charges
CN207336262U (zh) 一种大当量地下浅埋爆炸效应模拟装置
CN111665123B (zh) 一种深地下爆炸效应模拟试验装置与测试方法
Feng et al. A testing system to understand rock fracturing processes induced by different dynamic disturbances under true triaxial compression
CN103076242A (zh) 材料高围压温控动态特性测试系统
CN106198543A (zh) 一种验证动态负压射孔孔道清理程度的实验装置
CN115575263A (zh) 一种可视化含瓦斯煤真三轴冲击试验系统及其方法
CN107762466A (zh) 用于水平井动态冲击破裂的模拟装置
CN113670552B (zh) 一种非药式燃爆冲击等效加载装置及岩体破裂监测方法
CN110308246B (zh) 一种突出煤层注水消突技术及消突效果检验方法
CN105738215A (zh) 一种通过声发射和差应变联合测试地应力的新方法
CN112414852A (zh) 一种含水裂隙动力损伤性能测试系统与测试方法
Ehrgott et al. Design and fabrication of an impulse measurement device to quantify the blast environment from a near-surface detonation in soil
CN211318054U (zh) 用于研究围岩爆炸应力波作用机理的实验系统
CN103115745B (zh) 高超声速激波风洞吊摆式冲击缓冲装置
CN111896396A (zh) 岩石动态力学特性实验装置及其实验方法
CN109142103B (zh) 一种大当量地下爆炸效应模拟装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant