CN114236361B - 一种高温下岩石受载微电流测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温下岩石受载微电流测试装置及方法，该装置包括高温炉，高温炉上部保温盖开设有预制孔和预制洞，高温炉底部为第一高强度云母板；高温炉放置在压机承台上，压机承台上布设有位移传感器和压力传感器；还包括微电流监测仪，微电流监测仪连接的测试导线穿过预制孔进入高温炉内，测试导线与固定在岩样侧面的测试电极连接；岩样上方放置有第二高强度云母板，第二高强度云母板上方放置有加载杆，加载杆穿过保温盖上的预制洞。基于本发明上述试验装置而设计的试验方法，能够实现不同高温条件下岩石受载变形破坏过程微电流的连续监测，且能够对外部环境中的电磁干扰信号进行屏蔽，大大提高微电流测试精度。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学和应用地球物理领域，具体涉及一种高温下岩石受载微电流测试装置及方法。
背景技术
在“碳达峰”、“碳中和”战略背景下，我国能源供应多元化、清洁化势在必行，清洁能源的开发利用将进入高速发展期。地热能和核能是我国清洁能源的重要组成部分，在我国能源结构中的地位愈加显著。然而，地热资源开发存储、核废料处理等地下工程会伴随高温岩石受载变形过程中的力学性能问题，岩石在高温-应力耦合作用下产生的损伤会导致地热能损耗严重或核废料泄露，造成资源浪费、环境污染、生态破坏甚至危害人类生命健康等问题。因此，对地下工程高温-应力耦合作用下岩体的损伤进行监测非常必要，是及时采取应急措施、防治重大灾害的基础和依据。
研究表明，受载岩石变形破裂过程会激发出微电流信号，微电流能够很好地反映岩石的受载和变形情况，可对受载岩石的损伤演化过程进行表征，且岩石失稳破坏前微电流具有明显的前兆响应；另一方面，由于微电流法具有响应灵敏、抗干扰能力强、灾害预警超前性好等优点，在地下工程岩体应力观测、稳定性评价及动力灾害监测预警中应用前景广阔，对于冲击地压、滑坡、地震等地质灾害的监测预警具有指导作用。
对于岩石受载损伤过程中的微电流效应的研究多通过实验室试验进行开展，且均在室温下进行。那么，在高温-应力耦合作用下，岩石损伤过程微电流将呈现怎样的响应规律。基于微电流响应的岩石失稳破坏前兆特征如何。热-力耦合作用下微电流的响应机制是什么。由于目前缺少用于测试高温条件下岩石受载过程微电流的试验装置，上述问题尚未有答案。
发明内容
针对以上技术空白，本发明的目的在于，提出一种测试高温条件下岩石受载过程微电流的装置及方法，解决现有的装置无法用来测试高温下岩石受载微电流的技术问题。
一种高温下岩石受载微电流测试装置，包括高温炉，所述高温炉包括高温仓体和保温盖，所述高温仓体由外到内包括金属外壳、保温仓、热电阻丝和碳纤维增强合金；所述保温盖由上到下包括金属外壳、保温仓和碳纤维增强合金，所述保温盖开设有预制孔和预制洞，所述预制洞位于保温盖中心位置，所述保温盖通过螺栓与高温仓体中的保温仓相连接固定。
所述高温炉内部还布置有热电偶，所述热电偶与温度监测控制仪相连；所述高温炉底部为第一高强度云母板，所述第一高强度云母板表面涂有高温隔热涂料。
所述高温炉和第一高强度云母板放置在压机承台上，所述压机承台下方为加载油缸，所述加载油缸下方为压机底座，所述压机底座上安装有与其垂直连接的立柱，所述立柱顶端通过顶座连接，所述顶座下方连接自动平衡装置，所述自动平衡装置下方连接有加载板。
所述压机承台上安装有位移传感器，压机承台与加载油缸之间布设有压力传感器。
还包括微电流监测仪，所述微电流监测仪分别与计算机、三同轴线缆相连，所述三同轴线缆包括一根屏蔽导线和两根测试导线，所述测试导线表面涂有高温隔热涂料，所述测试导线分别穿过预制孔进入高温炉内，所述测试导线的末端均连接有测试电极，所述测试电极相对固定在岩样侧面的中间高度处。
所述的岩样上方放置有第二高强度云母板，所述第二高强度云母板上方放置有加载杆，所述加载杆表面涂有高温隔热涂料，所述加载杆穿过预制洞且头端处于高温炉内。
预制孔与测试导线之间、预制洞与加载杆之间用玻璃纤维隔热棉进行填充。
本发明还提供一种高温下岩石受载微电流测试方法，包括以下步骤：
步骤一，先将高温仓体放置在压机承台上，二者中心处于同一轴线上，然后将底部涂有高温隔热涂料的第一高强度云母板放置在高温仓体内部区域底部的压机承台上；
步骤二，将测试电极相对粘贴在待加载岩样侧面中间高度位置处，并用耐高温金属丝将其环绕固定；将岩样放置在第一高强度云母板上方，将第二高强度云母板放置在待测岩样上方，将表面涂有高温隔热涂料的加载杆放置在第二高强度云母板上方，岩样、第二高强度云母板及加载杆中心与第一高强度云母板中心处于同一轴线；
步骤三，将两个测试导线分别穿过两个预制孔，将测试导线末端分别与测试电极连接，然后将三同轴线缆与微电流采集仪连接；连接热电偶与温度监测控制仪；将预制洞穿过加载杆使保温盖盖在高温仓体上，用固定螺栓将保温盖固定在高温仓体上；用玻璃纤维隔热棉将预制孔和预制洞填堵密实；
步骤四，开启温度监测与控制仪，将高温炉内温度升高至试验所需温度；
步骤五，将微电流监测仪与计算机连接，开启微电流监测仪、计算机和压机控制器，调整压机承台高度使加载杆距加载板约1 mm，再以0.2 mm/min的速率将载荷调整至约10 N并保持，观察微电流变化；
步骤六，待电流平稳后，根据试验方案对岩样进行加载，并利用微电流采集仪和计算机同步采集微电流；
步骤七，按照试验方案实施完成或岩样破碎后，高温下岩石受载微电流测试完成；
步骤八，试验完成后，关闭温度控制器并断电，待温度降至200℃以下后再揭开保温盖，待温度降至室温后拆除高温炉及其他设备，并清理实验室。
有益效果：本发明的一种高温下岩石受载微电流测试装置及方法，填补了目前缺少用于测试高温条件下岩石受载过程微电流的试验装置的技术空白，可对不同高温条件下岩石受载变形破裂过程中的微电流进行测量；另一方面，高温炉外部金属外壳与压机承台形成一个金属密闭空间，能够对高温炉外部环境中的电磁干扰信号进行屏蔽，大大减少电磁干扰对试验结果的影响，提高微电流测试精度。
附图说明
图1为本发明高温下岩石受载微电流测试装置的结构示意图；
图2为本发明中用于测试高温下岩石受载微电流的高温炉俯视图。
其中：1-高温炉、2-高温仓体、3-保温盖、4-金属外壳、5-保温仓、6-热电阻丝、7-碳纤维增强合金、8-预制孔、9-预制洞、10-螺栓、11-热电偶、12-温度监测控制仪、13-第一高强度云母板、14-压机承台、15-加载油缸、16-压机底座、17-立柱、18-顶座、19自动平衡装置、20-加载板、21-位移传感器、22-压力传感器、23-微电流监测仪、24-计算机、25-三同轴线缆、26-屏蔽导线、27-测试导线、28-测试电极、29-岩样、30-第二高强度云母板、31-加载杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的说明。
如图1所示，一种高温下岩石受载微电流测试装置，包括高温炉1，所述高温炉1包括高温仓体2和保温盖3，所述高温仓体2由外到内包括金属外壳4、保温仓5、热电阻丝6和碳纤维增强合金7；所述保温盖3由上到下包括金属外壳4、保温仓5和碳纤维增强合金7，所述保温盖3开设有预制孔8和预制洞9，所述预制洞位于保温盖3中心位置，所述保温盖3通过螺栓10与高温仓体2中的保温仓5相连接固定；
所述高温炉1内部还布置有热电偶11，所述热电偶11与温度监测控制仪12相连；所述高温炉1底部为第一高强度云母板13，所述第一高强度云母板13表面涂有高温隔热涂料；
所述高温炉1和第一高强度云母板13放置在压机承台14上，所述压机承台14下方为加载油缸15，所述加载油缸15下方为压机底座16，所述压机底座16上安装有与其垂直连接的立柱17，所述立柱17顶端通过顶座18连接，所述顶座18下方连接自动平衡装置19，所述自动平衡装置19下方连接有加载板20；
所述压机承台14上安装有位移传感器21，压机承台14与加载油缸15之间布设有压力传感器22。
一种高温下岩石受载微电流测试装置，还包括微电流监测仪23，所述微电流监测仪23分别与计算机24、三同轴线缆25相连，所述三同轴线缆25包括一根屏蔽导线26和两根测试导线27，所述测试导线27表面涂有高温隔热涂料，所述测试导线27分别穿过预制孔8进入高温炉内，所述测试导线27的末端均连接有测试电极28，所述测试电极28相对固定在岩样29侧面的中间高度处；
所述的岩样29上方放置有第二高强度云母板30，所述第二高强度云母板30上方放置有加载杆31，所述加载杆31表面涂有高温隔热涂料，所述加载杆31穿过预制洞9且头端处于高温炉1内；
所述预制孔8与测试导线27之间、预制洞9与加载杆31之间用玻璃纤维隔热棉进行填充。
一种高温下岩石受载微电流测试方法，包括以下步骤：
步骤一，先将高温仓体2放置在压机承台14上，二者中心处于同一轴线上，然后将底部涂有高温隔热涂料的第一高强度云母板13放置在高温仓体2内部区域底部的压机承台14上；
步骤二，将测试电极27相对粘贴在待加载岩样29侧面中间高度位置处，并用耐高温金属丝将其环绕固定；将岩样29放置在第一高强度云母板13上方，将第二高强度云母板30放置在待测岩样29上方，将表面涂有高温隔热涂料的加载杆31放置在第二高强度云母板30上方，岩样29、第二高强度云母板30及加载杆31中心与第一高强度云母板13中心处于同一轴线；
步骤三，将两个测试导线27分别穿过两个预制孔8，将测试导线（27）末端分别与测试电极28连接，然后将三同轴线缆25与微电流采集仪23连接；连接热电偶11与温度监测控制仪12；将预制洞9穿过加载杆31使保温盖3盖在高温仓体2上，用固定螺栓10将保温盖3固定在高温仓体2上；用玻璃纤维隔热棉将预制孔8和预制洞9填堵密实；
步骤四，开启温度监测与控制仪12，将高温炉1内温度升高至试验所需温度；
步骤五，将微电流监测仪23与计算机24连接，开启微电流监测仪23、计算机24和压机控制器21，调整压机承台14高度使加载杆31距加载板20约1 mm，再以0.2 mm/min的速率将载荷调整至约10 N并保持，观察微电流变化；
步骤六，待电流平稳后，根据试验方案对岩样29进行加载，并利用微电流采集仪23和计算机24同步采集微电流；
步骤七，按照试验方案实施完成或岩样29破碎后，高温下岩石受载微电流测试完成；
步骤八，试验完成后，关闭温度控制器并断电，待温度降至200℃以下后再揭开保温盖3，待温度降至室温后拆除高温炉1及其他设备，并清理实验室。
Claims (7)
1.一种高温下岩石受载微电流测试装置，包括高温炉（1），所述高温炉（1）包括高温仓体（2）和保温盖（3），所述高温仓体（2）由外到内包括金属外壳（4）、保温仓（5）、热电阻丝（6）和碳纤维增强合金（7）；所述保温盖（3）由上到下包括金属外壳（4）、保温仓（5）和碳纤维增强合金（7），其特征在于，所述保温盖（3）开设有预制孔（8）和预制洞（9），所述预制洞位于保温盖（3）中心位置，所述保温盖（3）通过螺栓（10）与高温仓体（2）中的保温仓（5）相连接固定；所述高温炉（1）底部为第一高强度云母板（13）；所述高温炉（1）和第一高强度云母板（13）放置在压机承台（14）上，所述压机承台（14）下方为加载油缸（15），所述加载油缸（15）下方为压机底座（16）；所述压机底座（16）上安装有与其垂直连接的立柱（17），所述立柱（17）顶端通过顶座（18）连接，所述顶座（18）下方连接自动平衡装置（19），所述自动平衡装置（19）下方连接有加载板（20）；所述压机承台（14）上安装有位移传感器（21），压机承台（14）与加载油缸（15）之间布设有压力传感器（22）；还包括微电流监测仪（23），所述微电流监测仪（23）分别与计算机（24）、三同轴线缆（25）相连，所述三同轴线缆（25）包括一根屏蔽导线（26）和两根测试导线（27），所述测试导线（27）分别穿过预制孔（8）进入高温炉内，所述测试导线（27）的末端均连接有测试电极（28），所述测试电极（28）相对固定在岩样（29）侧面的中间高度处；所述的岩样（29）上方放置有第二高强度云母板（30），所述第二高强度云母板（30）上方放置有加载杆（31），所述加载杆（31）穿过预制洞（9）且头端处于高温炉（1）内。
2.根据权利要求1所述的高温下岩石受载微电流测试装置，其特征在于：所述高温炉（1）内部还布置有热电偶（11），所述热电偶（11）与温度监测控制仪（12）相连。
3.根据权利要求1所述的高温下岩石受载微电流测试装置，其特征在于：所述预制孔（8）与测试导线（27）之间、预制洞（9）与加载杆（31）之间用玻璃纤维隔热棉进行填充。
4.根据权利要求1所述的高温下岩石受载微电流测试装置，其特征在于：所述第一高强度云母板（13）表面涂有高温隔热涂料。
5.根据权利要求1所述的高温下岩石受载微电流测试装置，其特征在于：所述测试导线（27）表面涂有高温隔热涂料。
6.根据权利要求1所述的高温下岩石受载微电流测试装置，其特征在于：所述加载杆（31）表面涂有高温隔热涂料。
7.一种高温下岩石受载微电流测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，先将高温仓体（2）放置在压机承台（14）上，二者中心处于同一轴线上，然后将底部涂有高温隔热涂料的第一高强度云母板（13）放置在高温仓体（2）内部区域底部的压机承台（14）上；
步骤二，将测试电极（28）相对粘贴在待加载岩样（29）侧面中间高度位置处，并用耐高温金属丝将其环绕固定；将岩样（29）放置在第一高强度云母板（13）上方，将第二高强度云母板（30）放置在待测岩样（29）上方，将表面涂有高温隔热涂料的加载杆（31）放置在第二高强度云母板（30）上方，岩样（29）、第二高强度云母板（30）及加载杆（31）中心与第一高强度云母板（13）中心处于同一轴线；
步骤三，将两个测试导线（27）分别穿过两个预制孔（8），将测试导线（27）末端分别与测试电极（28）连接，然后将三同轴线缆（25）与微电流监测仪（23）连接；连接热电偶（11）与温度监测控制仪（12）；将预制洞（9）穿过加载杆（31）使保温盖（3）盖在高温仓体（2）上，用固定螺栓（10）将保温盖（3）固定在高温仓体（2）上；用玻璃纤维隔热棉将预制孔（8）和预制洞（9）填堵密实；
步骤四，开启温度监测与控制仪（12），将高温炉（1）内温度升高至试验所需温度；
步骤五，将微电流监测仪（23）与计算机（24）连接，开启微电流监测仪（23）、计算机（24）和位移传感器（21），调整压机承台（14）高度使加载杆（31）距加载板（20）1 mm，再以0.2 mm/min的速率将载荷调整至10 N并保持，观察微电流变化；
步骤六，待电流平稳后，根据试验方案对岩样（29）进行加载，并利用微电流监测仪（23）和计算机（24）同步采集微电流；
步骤七，按照试验方案实施完成或岩样（29）破碎后，高温下岩石受载微电流测试完成；
步骤八，试验完成后，关闭温度控制器并断电，待温度降至200℃以下后再揭开保温盖（3），待温度降至室温后拆除高温炉（1）及其他设备，并清理实验室。
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