CN114264568B - 一种基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于激光熔融‑过冷液体射流的交变破岩试验系统，试验系统用于对岩石试样进行高低温交变破坏试验，试验系统包括：箱体、仪器安装台、温度监测装置和图像监测装置，箱体内底部设置有用于进行交变破坏的岩石试样；仪器安装台上设置有激光器和喷嘴，激光器和喷嘴可在横梁结构的长度方向上移动，仪器安装台的两端对应设置在箱体内的一对对立侧壁上；温度监测装置用于检测箱体内岩石试样的温度；图像监测装置用于获取岩石试样的图像；其中，当需要对岩石试样进行高低温交变破坏时，打开激光器和喷嘴的开关，使激光器发射激光以及使喷嘴喷出过冷液体，对岩石试样进行交变破坏，并记录岩石试样的温度后，获取岩石试样被破坏后的图像。

Description

一种基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统

技术领域

本发明属于岩体结构测试技术领域，特别涉及一种基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统。

背景技术

随着我国城市化进程的不断发展，水利、交通、地铁等隧道建设工程也随之加速发展。从传统的钻爆法施工破岩到如今的机械破岩，再到激光、液氮等射流在岩石破碎领域逐渐广泛应用，破岩的方法及形式多种多样，不断发展。然而在破岩过程中，地质条件复杂多变，岩体的不同结构导致破岩速率不能进一步提高，破岩的困难程度不断上升，将此技术大规模应用到如石油开发、勘探钻井等方面仍不成熟。现需要在实验室开展室内研究，探究激光熔融-过冷液体射流冷热交变破岩试验系统在什么情况下破岩的效率最高，为工程中岩体能够更省时省力的破坏提供必要的依据。

也即，对于在石油开发和勘探钻井的前期破岩过程而言，存在地质条件复杂多变，岩体的不同结构导致破岩速率不能进一步提高，破岩的困难程度不断上升的技术弊端；

可见，对于破岩技术而言，如何在地质条件复杂多变的情况下，为找到提高破岩速率，降低破岩困难的技术规律提供有力的试验参照，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明提供的一种基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统，以至少解决上述技术问题

为了解决上述问题，本发明的第一方面提供一种基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统，所述试验系统用于对岩石试样进行高低温交变破坏试验，所述试验系统包括：箱体，所述箱体内底部设置有用于进行交变破坏的所述岩石试样，所述箱体的侧壁设置有连通所述箱体内部的进口和出口；仪器安装台，所述仪器安装台为横梁结构，所述仪器安装台的所述横梁结构上设置有激光器和喷嘴，所述喷嘴通过一连接管与外部的水泵连接，所述激光器和所述喷嘴可在所述横梁结构的长度方向上移动，所述仪器安装台的两端对应设置在所述箱体内的一对对立侧壁上；温度监测装置，所述温度监测装置设置在所述箱体内，用于检测所述箱体内岩石试样的温度；图像监测装置，所述图像监测装置用于获取所述岩石试样的图像；其中，当需要对所述岩石试样进行高低温交变破坏时，打开所述激光器和所述喷嘴的开关，使所述激光器发射激光以及使所述喷嘴喷出过冷液体，对所述岩石试样进行交变破坏，并记录所述岩石试样的温度后，获取所述岩石试样被破坏后的图像。

在第一方面中，试验系统还包括一对支撑滑轨；一对所述支撑滑轨对应设置在所述箱体内的一对对立的侧壁上，所述支撑滑轨横向设置在所述箱体内，所述仪器安装台的两端对应设置在一对所述支撑滑轨上，并可沿所述滑轨的开设方向滑动。

在第一方面中，所述仪器安装台的底面，沿所述仪器安装台的长度方向设置有凹槽；所述激光器和所述喷嘴上对应设置有与所述凹槽相适配的凸块，所述凸块设置在所述凹槽内，所述激光器和所述喷嘴可通过对应的所述凸块沿所述凹槽的长度方向滑动。

在第一方面中，所述实验系统还包括一对伸缩杆，一对所述伸缩杆均包括固定部和伸缩部；一对所述伸缩杆对应设置与所述激光器和所述喷嘴连接，一对所述伸缩杆的伸缩部对应与所述激光器和所述喷嘴连接，一对所述伸缩杆的固定部对应与所述激光器和所述喷嘴的凸块连接。

在第一方面中，所述试验系统包括一对夹具和一对球形铰，一对所述夹具均包括夹持部和连接部；一对夹具的所述夹持部对应夹持一对所述球形铰，一对所述球形铰可相对于所述夹持部在预设角度内进行转动，一对所述夹具的所述连接部对应与一对所述伸缩杆的所述伸缩部连接；一对所述球形铰对应与所述激光器和所述喷嘴连接，以对应使所述激光器和所述喷嘴与所述球形铰发生同步转动。

在第一方面中，所述试验系统还包括水位尺；所述水位尺设置在所述箱体内，用于检测所述箱体内的水位。

在第一方面中，所述温度检测装置包括多个红外测温仪；所述多个红外测温仪分布在所述箱体的内部，且分布在所述箱体内部的四周，通过红外线测量所述岩石试样的温度。

在第一方面中，所述图像监测装置包括摄像头，用于获取所述岩体试块的图像。

在第一方面中，所述箱体的一侧侧面设置为推拉门。

在第一方面中，所述实验系统还包括不锈钢栅格网；所述不锈钢栅格网设置在所述箱体的底部，用于支撑所述岩石试样。

有益效果：本发明的一种基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统，通过在箱体内底部设置用于进行试验的岩体试块，以及在箱体内顶部设置激光器和喷嘴，通过激光器发射高温激光灼烧岩体试块，然后在通过喷嘴向岩体试块喷射过冷液体，使岩体试块的内外结构发生冷热交变后，在通过温度监测装置以及图像监测装置获取通过交变试验后岩体试块的温度和结构，进而为找到提高破岩速率，降低破岩困难的技术规律提供有力的试验参照。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一中一种基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统的主视图；

图2为本发明实施例一中一种基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统的左视图；

图3为本发明实施例一中仪器安装平台与支撑滑轨的安装放大结构图；

图4为本发明中实施例一的仪器安装平台与激光器、喷嘴的安装结构图；

图5为本发明中实施例一的激光器的安装结构图；

图6为本发明中实施例一中喷嘴的安装结构图；

图7为本发明中实施例一的水位尺的结构图。

附图标记说明：

1、箱体；

2、仪器安装台；

201、凹槽

3、岩石试样；

4、喷嘴；

5、激光器；

6、支撑滑轨；

7、不锈钢栅格网；

8、推拉门；

9、电机；

10、齿条；

11、齿轮；

12、凸块；

13、伸缩杆；

14、夹具；

15、球形铰；

16、水位尺。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明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。

同时，本说明书实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。

在对本发明的实施例进行解释之前，先对激光破岩和过冷液体破岩作一个具体解释，激光破岩的实质是使高能量激光束发射到岩体表面，使岩体表面被激光束照射到的部分迅速受热，温度迅速上升，当一部分激光束发射的高能量被岩石吸收以后，岩石内部产生热应力，当产生的热应力达到岩石的极限破坏强度时，岩石就会发生破坏。过冷现象是指在一定压力下，液体的温度已经低于该压力下液体的凝固点，但是该液体仍然处于流动状态的现象，此时的液体称为过冷液体；过冷液体射流破岩是指过冷液体在一定的冲击速度下以射流的方式击打到岩体表面，当达到岩石的极限破坏强度时，岩体破碎。过冷液体射流可以在岩样表面产生较低的温度，高能量激光可以在岩样表面产生较高的温度。

本发明目的是探究激光熔融-过冷液体射流冷热交变破岩系统在破岩的过程中采用不同温度交变破岩方式使岩样破碎的效果，以及岩石破碎的效率，以便获得最佳岩石破碎新方法，创建环保、安全、经济可靠的施工方法。

实施例一：

如图1-7所示，本实施例一提供了一种基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统，试验系统用于对岩石试样3进行高低温交变破坏试验，试验系统包括：箱体1，箱体1内底部设置有用于进行交变破坏的岩石试样3，箱体1的侧壁设置有连通箱体1内部的进口和出口；仪器安装台2，仪器安装台2为横梁结构，仪器安装台2的横梁结构上设置有激光器5和喷嘴4，喷嘴4通过一连接管与外部的水泵连接，激光器5和喷嘴4可在横梁结构的长度方向上移动，仪器安装台2的两端对应设置在箱体1内的一对对立侧壁上；温度监测装置，温度监测装置设置在箱体1内，用于检测箱体1内岩石试样3的温度；图像监测装置，图像监测装置用于获取岩石试样3的图像；其中，当需要对岩石试样3进行高低温交变破坏时，打开激光器5和喷嘴4的开关，使激光器5发射激光以及使喷嘴4喷出过冷液体，对岩石试样3进行交变破坏，并记录岩石试样3的温度后，获取岩石试样3被破坏后的图像。

在上述实施例一的技术方案中，通过在箱体1内底部设置用于进行试验的岩体试块，以及在箱体1内顶部设置激光器5和喷嘴4，通过激光器5发射高温激光灼烧岩体试块，然后在通过喷嘴4向岩体试块喷射过冷液体，使岩体试块的内外结构发生冷热交变后，在通过温度监测装置以及图像监测装置获取通过交变试验后岩体试块的温度和结构，进而为找到提高破岩速率，降低破岩困难的技术规律提供有力的试验参照；其中，在箱体1上设置有进口和出口，进口用于在通过喷嘴4喷射过冷液体对岩体试块之前，向箱体1内注入一定的过冷液体，出口用于当箱体1的过冷液体达到预设的高度时，通过出口将水排出，以将箱体1内的水位控制在预设的高度位置处，为了实现这一目的，进口设置在箱体1上高于预设的高度的位置处，并设置有第一通断开关，出口设置在箱体1的底部，闭关设置有第二通断开关；

具体来说，对于试验系统而言，为了使得激光器5和喷嘴4能够在垂直于仪器安装台2的空间方向上发生位移，本实施例一提出一种实施方式，以解决上述技术问题，该实施方式包括：设置一对支撑滑轨6；一对支撑滑轨6对应设置在箱体1内的一对对立的侧壁上，支撑滑轨6横向设置在箱体1内，仪器安装台2的两端对应设置在一对支撑滑轨6上，并可沿滑轨的开设方向滑动。

具体来说，对于仪器安装台2与激光器5和喷嘴4的连接方式而言，本实施例一提出一种具体实施方式，该实施方式包括：仪器安装台2的底面，沿仪器安装台2的长度方向设置有凹槽201；激光器5和喷嘴4上对应设置有与凹槽201相适配的凸块12，凸块12设置在凹槽201内，激光器5和喷嘴4可通过对应的凸块12沿凹槽201的长度方向滑动。

进一步地，对于仪器安装台2与激光器5和喷嘴4的连接方式而言，本实施例一提出一种具体实施方式，该实施方式包括：还包括丝杆装置，包括驱动电机9和滑块，滑块与凸块12连接，驱动电机9驱动丝杆转动时凸块12沿丝杆的转动方向发生位移。

具体而言，作为激光器5和喷嘴4在箱体1中的高度位置的一种调节方式，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：设置一对伸缩杆13，一对伸缩杆13均包括固定部和伸缩部；一对伸缩杆13的伸缩部对应与激光器5和喷嘴4连接，一对伸缩杆13的固定部对应与激光器5和喷嘴4的凸块12连接，当需要对激光器5和喷嘴4的高度进行调节时，即可通过调节伸缩杆13的伸缩部对应调节激光器5和喷嘴4的高度位置；

具体而言，作为激光器5和喷嘴4在箱体1中的高度位置的另一种调节方式，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式包括：在仪器安装台2两端的底面对应设置一对凹陷部，将一对支撑滑轨6中每一个支撑滑轨6的其中一个侧面设置为与凹陷部向匹配的突出部，突出部设置在凹陷部内，仪器安装台2可相对于突出部进行滑动；一对支撑滑轨6中每一个支撑滑轨6的另一个侧面通过一传动机构设置在箱体1的一对对立的侧壁上，传动机构包括电机9、齿轮11和齿条10，齿条10沿箱体1高度设置于其侧壁上，齿轮11的齿部与齿条10的齿部啮合，齿轮11的轴心与电机9的输出轴联动，当电机9做正反转运动时，带动齿轮11做同步转动，以使齿轮11与齿条10发生啮合传动，且电机9与支撑滑轨6的另一侧侧面连接。

进一步地，电机9、驱动电机通过一遥控装置连接，通过该遥控装置控制电机9启动，进而使电机驱动齿轮与齿条发生啮合，以调节仪器安装台相对于支撑滑轨的高度位置，通过该遥控装置控制驱动电机驱动，进去驱动丝杆发生转动，以带动丝杆上的滑块发生与丝杆的长度相适应的位移，进而使与滑块连接的仪器安装台发生水平方向的位移。

具体来说，对于激光器5和喷嘴4的空间位置改变而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：设置一对夹具14和一对球形铰15，一对夹具14均包括夹持部和连接部；一对夹具14的夹持部对应夹持一对球形铰15，一对球形铰15可相对于夹持部在预设角度内进行转动，一对夹具14的连接部对应与一对伸缩杆13的伸缩部连接；一对球形铰15对应与激光器5和喷嘴4连接，以对应使激光器5和喷嘴4与球形铰15发生同步转动；

具体来说，为了更加精确地监测箱体1内的水位变化，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：设置一水位尺16，水位尺16设置在箱体1内，用于检测箱体1内的水位。

进一步地，对于温度检测装置而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：温度检测装置包括多个红外测温仪；多个红外测温仪分布在箱体1的内部，且分布在所述箱体内部的四周，通过红外线测量岩石试样3的温度，测量方式包括，通过与每个红外测温仪连接的测温仪传感器获取箱体内被过冷液体的射流切割后的岩石试样的表面温度，然后将温度数据通过屏幕显示装置进行显示。

进一步地，对于图像监测装置而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：图像监测装置包括摄像头，用于获取岩体试块的图像。

进一步地，对于箱体1而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：将箱体1的一侧侧面设置为推拉门8，在试验开始之前，拉开该推拉门8，将岩体试块放入箱体1内，当试验结束后，打开推拉门8，清理箱体1内的岩石碎屑；

具体而言，为了使岩石试样3放置于箱体1内能够更稳定，且在试验过程中不会浸泡在水中，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：设置一不锈钢栅格网7；不锈钢栅格网7设置在箱体1的底部，用于支撑在岩石试样3的底部，使得岩石试样在实验过程中收到喷嘴4喷出的过冷液体冲击后，仍能稳固在试验原位。

进一步地，为了更加直观地从箱体1的外部观测到箱体1内部，对岩石试样的试验过程进行观测，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：箱体1由高强度保温合成透明材料组装而成；且整个试验过程处于密封环境，以防止岩石试样3被交变破坏后岩渣四处飞溅而对周边试验装置或者试验人员在成损伤。

其中，需要说明的是，过冷液体是指在一定压力下，液体的温度虽然低于该压力下的凝固点，却不凝固的液体，包括但不限于冷水，乙醇，盐水等液体，过冷液体射流是能使过冷液体高速运动冲击在岩样表面，使岩样表面出现裂隙、碎片等破坏，激光器5是一种能发射高能量激光束的装置。

最后应说明的是：以上上述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统，所述试验系统用于对岩石试样进行高低温交变破坏试验，其特征在于，所述试验系统包括：

箱体，所述箱体内底部设置有用于进行交变破坏的所述岩石试样，所述箱体的侧壁设置有连通所述箱体内部的进口和出口；

仪器安装台，所述仪器安装台为横梁结构，所述仪器安装台上设置有激光器和喷嘴，所述喷嘴通过一连接管与外部的水泵连接，所述激光器和所述喷嘴可在所述横梁结构的长度方向上移动，所述仪器安装台的两端对应设置在所述箱体内的一对对立侧壁上；

温度监测装置，所述温度监测装置设置在所述箱体内，用于检测所述箱体内岩石试样的温度；

图像监测装置，所述图像监测装置用于获取所述岩石试样的图像；

其中，当需要对所述岩石试样进行高低温交变破坏时，打开所述激光器和所述喷嘴的开关，以通过所述激光器发射激光和所述喷嘴喷出过冷液体，对所述岩石试样进行交变破坏，并记录所述岩石试样的温度后，获取所述岩石试样被破坏后的图像；

所述试验系统还包括一对支撑滑轨；

一对所述支撑滑轨对应设置在所述箱体内的一对对立的侧壁上，所述支撑滑轨横向设置在所述箱体内，所述仪器安装台的两端对应设置在一对所述支撑滑轨上，并可沿所述滑轨的开设方向滑动；

所述仪器安装台的底面，沿所述仪器安装台的长度方向设置有凹槽；

所述激光器和所述喷嘴上对应设置有与所述凹槽相适配的凸块，所述凸块设置在所述凹槽内，所述激光器和所述喷嘴可通过对应的所述凸块沿所述凹槽的长度方向滑动。

2.根据权利要求1所述的基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统，其特征在于，所述试验系统还包括一对伸缩杆，一对所述伸缩杆均包括固定部和伸缩部；

一对所述伸缩杆的伸缩部对应与所述激光器和所述喷嘴连接，一对所述伸缩杆的固定部对应与所述激光器和所述喷嘴的凸块连接。

3.根据权利要求2所述的基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统，其特征在于，所述试验系统包括一对夹具和一对球形铰，一对所述夹具均包括夹持部和连接部；

一对夹具的所述夹持部对应夹持一对所述球形铰，一对所述球形铰可相对于所述夹持部在预设角度内进行转动，一对所述夹具的所述连接部对应与一对所述伸缩杆的所述伸缩部连接；

一对所述球形铰对应与所述激光器和所述喷嘴连接，以对应使所述激光器和所述喷嘴与所述球形铰发生同步转动。

4.根据权利要求1所述的基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统，其特征在于，所述试验系统还包括水位尺；

所述水位尺设置在所述箱体内，用于检测所述箱体内的水位。

5.根据权利要求1所述的基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统，其特征在于，所述温度监测装置包括多个红外测温仪；

所述多个红外测温仪分布在所述箱体内部，且分布在所述箱体内部的四周，通过红外线测量所述岩石试样的温度。

6.根据权利要求1所述的基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统，其特征在于：

所述图像监测装置包括摄像头，用于获取所述岩石试样的图像。

7.根据权利要求1所述的基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统，其特征在于：

所述箱体的一侧侧面设置为推拉门。

8.根据权利要求1所述的基于激光熔融-过冷液体射流的交变破岩试验系统，其特征在于，所述试验系统还包括不锈钢栅格网；

所述不锈钢栅格网设置在所述箱体的底部，用于支撑所述岩石试样。