CN114112739A - 一种气体相变冲击破岩模型试验系统及其使用方法 - Google Patents

一种气体相变冲击破岩模型试验系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种气体相变冲击破岩模型试验系统，试验系统包括注气加载系统、反应釜、释放冲击系统、数据采集系统、试样与围压加载系统；注气加载系统通过第一管道连通压力釜，注气加载系统用于向压力釜提供带有压力的气体；压力釜通过第二管道连通释放冲击系统，压力釜用于给释放冲击系统提供高压气体，以使释放冲击系统完成对试样的冲击作业；试样设置在围压加载系统中；数据采集系统包括多个压力传感器，压力传感器设置在试样上，压力传感器用于监测气体冲击破岩时的压力时程曲线。该试验系统可以通过控制压力釜内的初始压力、释放时压力以及流量三个变量来研究其对二氧化碳相变冲击破岩效果的影响。

Description

一种气体相变冲击破岩模型试验系统及其使用方法
技术领域
本发明属于气体破岩模型试验技术领域，具体涉及一种气体相变破岩模型试验系统及其使用方法。
背景技术
在现有技术中多数工程需要使用炸药进行爆破，但是炸药爆破技术不能满足多数工程环保需求。而二氧化碳相变致裂作为一种新兴的爆破开采技术，可以很好应用于矿山开采及基础开挖中，该技术具有安全、爆破成本低、施工操作简便、可循环利用且无污染等一系列优点；该技术可广泛应用于路基开挖、采煤、采矿石、清堵、建筑物拆除等工程中。
目前该技术广泛应用于工程实际中，但针对该技术，在室内试验的研究仍存在不足，尤其是气流初始压力，相变后压力，试样强度参数对相变致裂效果的影响规律的研究还处于初步研究阶段，从而缺少对现场工程相关的理论性指导。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体相变冲击破岩模型试验系统及其使用方法，以至少解决目前缺少对二氧化碳相变致裂技术的试验研究装置等问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种气体相变冲击破岩模型试验系统，所述试验系统包括注气加载系统、反应釜、释放冲击系统、数据采集系统、试样与围压加载系统；
所述注气加载系统通过第一管道连通压力釜，所述注气加载系统用于向所述压力釜提供带有压力的气体；
所述压力釜通过第二管道连通所述释放冲击系统，所述压力釜用于给所述释放冲击系统提供高压气体，以使所述释放冲击系统完成对试样的冲击作业；
所述试样设置在所述围压加载系统中；所述数据采集系统包括多个压力传感器，所述压力传感器设置在所述试样上，所述压力传感器用于监测气体冲击破岩时的压力时程曲线。
如上所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，优选地，所述注气加载系统包括二氧化碳储气瓶、空气压缩机与二氧化碳增压泵；
所述二氧化碳储气瓶通过高压气管连通所述二氧化碳增压泵的进气口，所述二氧化碳增压泵的出气口通过所述第一管道连通所述反应釜；
所述高压气管上设置有第一阀门，所述第一阀门用于控制所述高压气管的通断；
所述空气压缩机通过导流管与所述二氧化碳增压泵连通，所述空气压缩机用于驱动二氧化碳增压泵，使二氧化碳增压泵对二氧化碳进行增压。
如上所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，优选地，所述第一管道上沿气体流通方向依次设置有第一电磁阀、第一数显压力表以及第二阀门；
所述第二阀门为三通阀门。
如上所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，优选地，所述压力釜的外围包裹有电阻加热丝，所述电阻加热丝用于对所述压力釜加热，以对其内部二氧化碳进行增压。
如上所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，优选地，所述压力釜上设置有传感器接口，所述传感器接口上连接有温度传感器，所述温度传感器用于测量压力釜中二氧化碳的温度。
如上所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，优选地，所述释放冲击系统包括释放管；所述释放管通过所述第二管道与所述反应釜连接；
所述第二管道上设置有第二电磁阀与第二数显压力表。
如上所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，优选地，所述围压加载系统包括承载框架，所述承载框架为长方体结构；
所述承载框架内部设置有固定夹板，所述固定夹板上固定有试样，所述试样的中心设置有预留孔，所述预留孔用于放置所述释放管；
所述承载框架的顶部设置有避让孔，所述避让孔用于避让所述释放管。
如上所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，优选地，所述预留孔的中心位于所述试样中心，所述预留孔的深度为所述试样高度的1/3—2/3。
如上所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，优选地，所述压力传感器为压电薄膜传感器，多个所述压电薄膜传感器沿所述预留孔轴向均布于其孔壁上；
所述数据采集系统还包括数据采集仪，所述数据采集仪与多个所述压电薄膜传感器通过数据信号线连接，所述数据采集仪用于对预留孔内压力时程曲线测试；
所述数据采集仪与所述温度传感器通过数据信号线连接，用于采集温度传感器的测量数据。
本申请还提供一种气体相变冲击模型试验系统的使用方法，该使用方法使用如上述所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，该使用方法包括以下步骤：
步骤1，预制试样，根据试验要求的试样结构、强度与材料类型预制试样，试样为正方体结构，在试样的中心设置一个用于放置释放管的预留孔；
步骤2，在试样的预留孔中安装压电薄膜传感器，然后将释放管安装到预制孔中；在将试样固定在固定夹板上，封闭承载框架的顶板；将第二管道连通释放管，完成气体相变冲击破岩模型试验系统的组装；
步骤3，对试样进行冲击实验；打开空气压缩机，利用压缩空气驱动二氧化碳增压泵，以将二氧化碳增压后通过第一管道充入压力釜中；当第一管道上的第一电磁阀达到设定压力时，第一电磁阀关闭；手动关闭第二阀门；
缠绕在压力釜外围的电阻加热丝开始加热，以提高压力釜内的二氧化碳的压力；
当压力釜中的压力达到第二电磁阀的设定压力时，第二电磁阀打开，压力釜中的高压二氧化碳充入到释放管中进行冲击释放；
压电薄膜传感器对试样受力参数变化情况进行连续采集，并将采集到的数据传输到数据采集仪中；经过多次模拟实验后，得到压力釜初始压力、释放时压力以及流量三个变量数据以及压力时程曲线，研究上述变量数据对二氧化碳相变冲击破岩的影响。
有益效果：
本发明中试验系统中通过控制二氧化碳的初始压力以及电阻丝加热相变后释放时的压力，同时可以通过更换压力釜的容量的大小来控制释放的二氧化碳的流量大小，借此可以通过控制压力釜内的初始压力、释放时压力以及流量三个变量来研究其对二氧化碳相变冲击破岩效果的影响。
不仅如此本发明可有效满足多种材料类型混凝土块、岩石试块等的二氧化碳室内相变冲击试验的需求，并能完成冲击后的损伤检测需求，并可以通过布置的压电薄膜传感器实时检测孔内的冲击荷载情况。
附图说明
图1为本发明具体实施例中气体相变破岩模型试验系统的结构示意图；
图2为本发明具体实施例中试验系统中围压加载系统的结构示意图。
图中：1、二氧化碳储气瓶；2、空气压缩机；3、二氧化碳增压泵；4、第一电磁阀；5、压力釜；6、电阻加热丝；7、温度传感器；8、第二电磁阀；91、第一数显压力表；92、第二数显压力表；10、释放管；11、压电薄膜传感器；12、围压加载系统；121、承载框架；122、试样；123、固定夹板；13、数据采集仪；1#、第一阀门；2#、第二阀门。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，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的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
根据本发明的具体实施例，如图1-2所示，本发明提供一种气体相变冲击破岩模型试验系统，试验系统包括注气加载系统、反应釜、释放冲击系统、数据采集系统、试样122与围压加载系统12；试样122设置在所述围压加载系统12中；注气加载系统通过第一管道连通压力釜5，注气加载系统用于向压力釜5提供带有压力的气体；压力釜5通过第二管道连通释放冲击系统，压力釜5用于给释放冲击系统提供高压气体，以使释放冲击系统完成对试样122的冲击作业；数据采集系统包括多个压力传感器，压力传感器用于监测气体冲击破岩时的压力时程曲线。注气加载系统包括二氧化碳储气瓶1、空气压缩机2与二氧化碳增压泵3；二氧化碳储气瓶1通过高压气管连通二氧化碳增压泵3的进气口，二氧化碳增压泵3的出气口通过第一管道连通反应釜；高压气管上设置有第一阀门1#，第一阀门1#用于控制高压气管的通断；空气压缩机2通过导流管与二氧化碳增压泵3连通，空气压缩机2用于驱动二氧化碳增压泵3，使二氧化碳增压泵3对二氧化碳进行增压。
第一管道上从左至右依次设置有第一电磁阀4、第一数显压力表91以及第二阀门2#；第二阀门2#为三通阀门。第一电磁阀4用于控制压力釜5中充入二氧化碳的初始压力。
在本实施例中，第二阀门2#为三通阀。在充气完毕后，关闭第二阀门2#，不仅能防止加热过程中压力过大，破坏第一电磁阀4；而且设置第二阀门2#为三通阀，能够防止第二电磁阀8发生故障而无法释放压力时，此时打开第二阀门2#进行泄压，从而保证试验系统的安全。
压力釜5的外围包裹有电阻加热丝6，电阻加热丝6用于对压力釜5加热，以对其内部二氧化碳进行增压。
压力釜5上设置有传感器接口，传感器接口上连接有温度传感器7，温度传感器7用于测量压力釜5中二氧化碳的温度。
释放冲击系统包括释放管10；释放管10通过第二管道与反应釜连接；第二管道上设置有第二电磁阀8与第二数显压力表92。第二电磁阀8用于控制压力釜5被加热后，其内部二氧化碳释放时的压力。
在本实施例中，压力釜5可以更换不同的容量大小，从而来控制释放二氧化碳的流量大小。压力釜5可以选择250ml，500ml，1000ml等，从而实现不同充填压力、不同温度、不同充填量等参数下的相变致裂实验。
围压加载系统12包括承载框架121，承载框架121为长方体结构；承载框架121内部设置有固定夹板123，固定夹板123上固定有试样122，试样122的中心设置有预留孔，预留孔用于放置释放管10；承载框架121的顶部设置有避让孔，避让孔用于避让释放管10。
在本实施例中，根据试验需要，试样122可以采用岩石类、混凝土类、煤体类等材质，试样122内部结构可以为层状结构、倾斜层状结构等。
在其它实施例中，可以不对试样122施加围压，此时可以增设高速摄像机，记录试样122的裂纹扩展过程。
在本实施例中，承载框架121的长*宽为250mm*250mm；承载框架121使用六片10mm的钢板制作而成，承载框架121的侧板与底板焊接连接，顶面为盖板，盖板中心设有直径为15mm的圆孔，该圆孔为避让孔，以方便与释放管10连接，盖板与侧板采取可拆卸的螺丝连接。
预留孔的中心位于试样122中心，预留孔的深度为试样122高度的1/3—2/3，预留孔中心位于试样122中心，孔径为15-20mm中任意数值。
在本实施例中，压力传感器为压电薄膜传感器11，多个压电薄膜传感器11沿上下方向均布与预留孔的孔壁上；数据采集系统还包括数据采集仪13，数据采集仪13与多个压电薄膜传感器11通过数据信号线连接，数据采集仪13用于对预留孔内压力时程曲线测试；数据采集仪13还信号连接有温度传感器7，用于采集温度传感器7的测量数据。
在其它实施例中，试样122中还可以设置试样122内部应力传感器、应变片、振动传感器，这些传感器可以以预埋件的形式预埋在试样122的内部。试样122内部还可以设置监测裂纹扩展的装置，从而实时监测试样122的裂纹扩展情况。
压电薄膜传感器11为PVDF压电薄膜传感器11，预留孔孔壁沿孔轴线均匀布置有2-5个压电薄膜传感器11。PVDF压电薄膜传感器11可以设置2、3、4、5任一数值。在本实施例中，PVDF压电薄膜传感器11设置有三个，分别设置在预留孔的孔口、孔中部与孔底各一个。数据采集仪13为十六通道以上，数据采集仪13的型号为DH5922N。
本申请还提供一种气体相变冲击模型试验系统的使用方法，该使用方法使用上述的气体相变冲击破岩模型试验系统，该使用方法包括以下步骤：
步骤1，预制试样122，根据试验要求的试样122结构、强度与材料类型预制试样122，试样122为正长方体结构，在试样122的中心设置一个用于放置释放管10的预留孔。
步骤2，在试样122的预留孔中安装压电薄膜传感器11，然后将释放管10安装到预制孔中；在将试样122固定在固定夹板123上，封闭承载框架121的顶板；将第二管道连通释放管10，完成气体相变冲击破岩模型试验系统的组装。
步骤3，对试样122进行冲击实验；打开空气压缩机2，利用压缩空气驱动二氧化碳增压泵3，以将二氧化碳增压后通过第一管道充入压力釜5中；当第一管道上的第一电磁阀4达到设定压力时，第一电磁阀4关闭；手动关闭第二阀门2#。
缠绕在压力釜5外围的电阻加热丝6开始加热，以提高压力釜5内的二氧化碳的压力。
当压力釜5中的压力达到第二电磁阀8的设定压力时，第二电磁阀8打开，压力釜5中的高压二氧化碳充入到释放管10中进行冲击释放。
压电薄膜传感器11对试样122受力参数变化情况进行连续采集，并将采集到的数据传输到数据采集仪13中；经过多次模拟实验后，得到压力釜5初始压力、释放时压力以及流量三个变量数据以及压力时程曲线，研究上述变量数据对二氧化碳相变冲击破岩的影响。
综上所述，在本发明提供的试验系统中，利用在压力釜两端设置两个电磁阀用于控制二氧化碳的初始压力以及电阻丝加热相变后释放时的压力，同时可以通过更换压力釜的容量的大小来控制释放的二氧化碳的流量大小，试验系统通过控制压力釜内的初始压力、释放时压力以及流量三个变量来研究其对二氧化碳相变冲击破岩效果的影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气体相变冲击破岩模型试验系统，其特征在于，所述试验系统包括注气加载系统、反应釜、释放冲击系统、数据采集系统、试样与围压加载系统；
所述注气加载系统通过第一管道连通压力釜，所述注气加载系统用于向所述压力釜提供带有压力的气体；
所述压力釜通过第二管道连通所述释放冲击系统，所述压力釜用于给所述释放冲击系统提供高压气体，以使所述释放冲击系统完成对试样的冲击作业；
所述试样设置在所述围压加载系统中；所述数据采集系统包括多个压力传感器，所述压力传感器设置在所述试样上，所述压力传感器用于监测气体冲击破岩时的压力时程曲线。
2.根据权利要求1所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，其特征在于，所述注气加载系统包括二氧化碳储气瓶、空气压缩机与二氧化碳增压泵；
所述二氧化碳储气瓶通过高压气管连通所述二氧化碳增压泵的进气口，所述二氧化碳增压泵的出气口通过所述第一管道连通所述反应釜；
所述高压气管上设置有第一阀门，所述第一阀门用于控制所述高压气管的通断；
所述空气压缩机通过导流管与所述二氧化碳增压泵连通，所述空气压缩机用于驱动二氧化碳增压泵，使二氧化碳增压泵对二氧化碳进行增压。
3.根据权利要求1所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，其特征在于，所述第一管道上沿气体流通方向依次设置有第一电磁阀、第一数显压力表以及第二阀门；
所述第二阀门为三通阀门。
4.根据权利要求3所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，其特征在于，所述压力釜的外围包裹有电阻加热丝，所述电阻加热丝用于对所述压力釜加热，以对其内部二氧化碳进行增压。
5.根据权利要求4所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，其特征在于，所述压力釜上设置有传感器接口，所述传感器接口上连接有温度传感器，所述温度传感器用于测量压力釜中二氧化碳的温度。
6.根据权利要求5所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，其特征在于，所述释放冲击系统包括释放管；所述释放管通过所述第二管道与所述反应釜连接；
所述第二管道上设置有第二电磁阀与第二数显压力表。
7.根据权利要求6所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，其特征在于，所述围压加载系统包括承载框架，所述承载框架为长方体结构；
所述承载框架内部设置有固定夹板，所述固定夹板上固定有试样，所述试样的中心设置有预留孔，所述预留孔用于放置所述释放管；
所述承载框架的顶部设置有避让孔，所述避让孔用于避让所述释放管。
8.根据权利要求7所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，其特征在于，所述预留孔的中心位于所述试样中心，所述预留孔的深度为所述试样高度的1/3—2/3。
9.根据权利要求7所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，其特征在于，所述压力传感器为压电薄膜传感器，多个所述压电薄膜传感器沿所述预留孔轴向均布于其孔壁上；
所述数据采集系统还包括数据采集仪，所述数据采集仪与多个所述压电薄膜传感器通过数据信号线连接，所述数据采集仪用于对预留孔内压力时程曲线测试；
所述数据采集仪与所述温度传感器通过数据信号线连接，用于采集温度传感器的测量数据。
10.一种气体相变冲击模型试验系统的使用方法，该使用方法使用上述权利要求1～9中任一项所述的气体相变冲击破岩模型试验系统，其特征在于，该使用方法包括以下步骤：
步骤1，预制试样，根据试验要求的试样结构、强度与材料类型预制试样，试样为正方体结构，在试样的中心设置一个用于放置释放管的预留孔；
步骤2，在试样的预留孔中安装压电薄膜传感器，然后将释放管安装到预制孔中；在将试样固定在固定夹板上，封闭承载框架的顶板；将第二管道连通释放管，完成气体相变冲击破岩模型试验系统的组装；
步骤3，对试样进行冲击实验；打开空气压缩机，利用压缩空气驱动二氧化碳增压泵，以将二氧化碳增压后通过第一管道充入压力釜中；当第一管道上的第一电磁阀达到设定压力时，第一电磁阀关闭；手动关闭第二阀门；
缠绕在压力釜外围的电阻加热丝开始加热，以提高压力釜内的二氧化碳的压力；
当压力釜中的压力达到第二电磁阀的设定压力时，第二电磁阀打开，压力釜中的高压二氧化碳充入到释放管中进行冲击释放；
压电薄膜传感器对试样受力参数变化情况进行连续采集，并将采集到的数据传输到数据采集仪中；经过多次模拟实验后，得到压力釜初始压力、释放时压力以及流量三个变量数据以及压力时程曲线，研究上述变量数据对二氧化碳相变冲击破岩的影响。
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