CN114965074B - 一种nmr原位超高动静协同加载试验装置及应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种NMR原位超高动静协同加载试验装置，通过动载机构、静载机构及三轴机构紧密配合，在外接机构控制与监控机构监测下，模拟地下资源开发引发的动静载及渗流灾害，原位还原试验样品动静载环境，在线捕获多源多参量致灾信息，其中动载机构和静载机构相结合的方式精准模拟原位地下矿层开采引发动静载灾害，再通过三轴机构和监测机构运行可以实现各向异性高应力和超高动载下的岩体孔裂隙扩展研究测试，还能通过外接机构实施全自动化操作和全过程数据监测，使获得的试验结果更加精确，为实际工程应用提供参考。

Description

一种NMR原位超高动静协同加载试验装置及应用方法
技术领域
本发明涉及煤岩试样加载试验装置领域，具体为一种NMR原位超高动静协同加载试验装置及应用方法。
背景技术
我国煤及共伴生资源赋存丰富，支撑国民经济稳定高质量发展，但是地下资源开发也面临诸多科技难题，其中因矿层开采引发的动静载荷致灾最为严重，因此积极开展矿层开采引发动静载荷致灾科学研究势在必行。矿层动静载致灾具有发生突然和破坏剧烈的特征，但从原岩应力状态演化至最终灾害发生具有诸多影响因素，目前三轴设备或者霍普金森杆等研究动载装备较为单一，仅能单纯模拟出静载或动载条件，复合动静载荷加载仍有待进一步完善，同时试样破坏过程的实时监控水平仍有待提升。基于上述情况，迫切需要一种NMR(核磁共振)原位超高动静协同加载试验装置，达到对原位矿层开采扰动地层动静灾害的精准模拟，探索致灾因素间耦合关系，服务实际工程需求。
发明内容
针对现有技术中上述的不足，本发明提供一种NMR原位超高动静协同加载试验装置，通过动载机构、静载机构及三轴机构紧密配合，在外接机构控制与监控机构监测下，模拟地下资源开发引发的动静载及渗流灾害，原位还原试验样品动静载环境，在线捕获多源多参量致灾信息，其中动载机构和静载机构相结合的方式精准模拟原位地下矿层开采引发动静载灾害，再通过三轴机构和监测机构运行可以实现各向异性高应力和超高动载下的岩体孔裂隙扩展研究测试，还能通过外接机构实施全自动化操作和全过程数据监测，使获得的试验结果更加精确，为实际工程应用提供参考。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种NMR原位超高动静协同加载试验装置，包括静载机构、动载机构、三轴机构和监控机构，所述三轴机构中，方形加载室内部为围压腔，传导块置于所述围压腔内，动载机构的动载轴、静载机构的静载轴分别穿过加载室的侧壁后与传导块连接，在加载室周向设置有围压孔，在加载室上还设置有渗流孔用于向试块提供流体；静载机构通过静载加载体内置于动载轴的内腔；所述监控机构中，六块功能板将包覆有密封圈的方形试块围合，功能板上设置有位移应力器、NMR感知线圈和温控电阻丝。
进一步的，在功能板临接处设置凹槽，凹槽内设置感知滑块，所述感知滑块通过位移应力器与功能板连接；相邻的功能板之间设置交接柱，在功能板内部设置NMR感知线圈、温控电阻丝，在交接柱上设置转接片，各功能板上的NMR感知线圈相互间通过插转槽、转接片连接。
进一步的，还包括用于控制该试验装置以及记录试验数据外接机构，外接机构还设置有围压泵和渗流泵，围压泵通过围压管与围压孔连接，渗流泵通过渗流管、渗流孔与试块连接。
进一步的，所述动载机构中，在动载加载体内部设置弹射磁轨，弹射磁轨上自外而内依次设置电磁发射器、力传导堵头、蓄能室，蓄能室通过传压阀与动载发生室连接，动载发生室与动载轴连接。
进一步的，所述静载机构中，在静载加载体内，自外而内依次连接有磁力加载器、蓄压室、传导阀、静载发生室、静载轴。
进一步的，在加载室周向侧壁设置有连接板，动载加载体通过连接螺栓固定于连接板上，动载轴及其内部的静载机构位于连接板内；所述静载加载体通过紧固螺钉固定于加载室周向侧壁；所述动载机构、静载机构设置在加载室的侧壁上。
上述试验装置的应用方法包括如下步骤：a、加工方形试块并用密封圈密封，将功能板与交接柱固于试块周边并放置于围压腔内；b、确定试验参数，启动试验设备进行数据采集与记录；c、向围压腔内注入液压油至指定围压；d、通过静载机构施加静载压力；e、通过动载机构施加动载压力；f、向试块内泵送气体和/或液体进行渗流试验，温控电阻丝加热试块至指定温度；g、循环c-f过程，实现原位工程环境模拟及试块多源多参量在线监控分析。
本发明具有如下优点：1.本发明将静载机构设置于动载机构内可以实现动静协同加载实时在线监测试验，且互补干扰。
2.本发明在功能板临接处设置凹槽，凹槽内设置感知滑块，感知滑块通过位移应力器与功能板连接，可避免功能板向试块施加压力后相互咬合影响试验，还能利于位移数据采集。且通过设置交接柱实现相邻的功能板之间NMR感知线圈、温控电阻丝的连接，实现NMR核磁信号的稳定传输。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的有益效果，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：
图1为本发明实施例中整体状态图；
图2为本发明实施例中剖面图；
图3为本发明实施例中功能板与交接柱俯视图；
图4为本发明实施例中功能板内侧结构图；
图5为本发明实施例中功能板内部结构图；
图6为本发明实施例中交接柱结构图；
图中：1-1-总控台；1-2-接收发射器；1-3-围压泵；1-4-渗流泵；1-5-围压管；1-6-渗流管；2-1-电磁发射器；2-2-蓄能室；2-3-弹射磁轨；2-4-力传导堵头；2-5-动载加载体；2-6-动载发生室；2-7-调压阀；2-8-传压阀；2-9-动载轴；2-10-动载指令器；3-1-连接螺栓；3-2-连接板；3-3-静载轴；3-4-磁力加载器；3-5-静载指令器；3-6-蓄压室；3-7-静载发生室；3-8-紧固螺钉；3-9-静载加载体；3-10-传导阀；4-1-加载腔；4-2-密封螺栓；4-3-试块；4-4-围压腔；4-5-密封圈；4-6-围压孔；4-7传导块；4-8渗流孔；5-1-感知滑块；5-2-NMR感知线圈；5-3-位移应力器；5-4-交接柱；5-5-转接片；5-6-信号发射器；6-1-功能板；6-2-插转槽；6-3-温控电阻丝。
具体实施方式
如图1-6所示，一种NMR原位超高动静协同加载试验装置，包括外接机构、静载机构、动载机构、三轴机构和监控机构，通过动载机构、静载机构及三轴机构紧密配合，在外接机构控制与监控机构监测下，模拟地下资源开发引发的动静载及渗流灾害，原位还原试验样品动静载环境，在线捕获多源多参量致灾信息。
所述外接机构包括总控台1-1、接收发射器1-2、围压泵1-3、渗流泵1-4、围压管1-5、渗流管1-6；所述围压泵1-3、渗流泵1-4、接收发射器1-2置于所述总控台1-1内，所述围压泵1-3与所述围压管1-5一端连接，所述渗流泵1-4与所述渗流管1-6一端连接。
所述动载机构包括电磁发射器2-1、蓄能室2-2、弹射磁轨2-3、力传导堵头2-4、动载加载体2-5、动载发生室2-6、调压阀2-7、传压阀2-8、动载轴2-9、动载指令器2-10；在动载加载体2-5内部设置有弹射磁轨2-3，弹射磁轨2-3上自外而内依次设置有电磁发射器2-1、力传导堵头2-4、蓄能室2-2，蓄能室2-2通过传压阀2-8与动载发生室2-6连接，动载发生室2-6与所述动载轴2-9连接，所述动载发生室2-6侧部设置有调压阀2-7以便于动载轴2-9回程，动载指令器2-10内置于电磁发射器2-1内，通过气体加压的方式施加动载。
所述静载机构包括静载轴3-3、磁力加载器3-4、静载指令器3-5、蓄压室3-6、静载发生室3-7、静载加载体3-9、传导阀3-10；静载机构通过静载加载体3-9内置于所述动载轴2-9的内腔，但不产生相互影响；在静载加载体3-9内，自外而内依次连接有磁力加载器3-4、蓄压室3-6、传导阀3-10、静载发生室3-7、静载轴3-3，静载指令器3-5内置于磁力加载器3-4内，通过液体加压(如液压油)的方式施加静载。
所述三轴机构包括加载室4-1、密封螺栓4-2、试块4-3、围压腔4-4、密封圈4-5、围压孔4-6、传导块4-7；所述加载室4-1为方形结构，采用两个对称的凹腔体通过密封螺栓4-2固定形成；所述加载室4-1内部为围压腔4-4，所述传导块4-7置于所述围压腔4-4内，动载轴2-9、静载轴3-3分别穿过加载室4-1的侧壁后与传导块4-7连接，并通过传导块4-7向试块4-3施加动载和/或静载，所述试块4-3包覆有密封圈4-5，在加载室4-1周向还设置有围压孔4-6，连接围压腔4-4与围压管1-5的另一端，在加载室4-1上还设置有渗流孔4-8，连接试块4-3与渗流管1-6另一端，围压用于保证渗流压力不破坏密封圈，围压压力用不小于渗流压力，围压泵泵入的为液体介质以提供围压；
在加载室4-1周向侧壁设置有连接板3-2，动载加载体2-5通过连接螺栓3-1固定于连接板3-2上，动载轴2-9及其内部的静载机构位于连接板3-2内部；所述静载加载体3-9通过紧固螺钉3-8固定于加载室4-1周向侧壁；所述动载机构、静载机构设置有6个或者5个，每个设置在加载室4-1的一个侧壁上。
所述监控机构包括感知滑块5-1、NMR感知线圈5-2、位移应力器5-3、交接柱5-4；转接片5-5、信号发射器5-6、功能板6-1、插转槽6-2、温控电阻丝6-3；六块功能板6-1将包覆有密封圈4-5的方形试块4-3围合，在功能板6-1临接处设置有凹槽，凹槽内设置有感知滑块5-1，所述感知滑块5-1通过所述位移应力器5-3与所述功能板6-1连接，试验时相邻的感知滑块5-1可在凹槽内背向移动，同时位移应力器5-3进程位移测量；相邻的功能板6-1之间设置有交接柱5-4，在功能板6-1内部设置有NMR感知线圈5-2，在交接柱5-4上设置有转接片5-5，各功能板6-1上的NMR感知线圈5-2相互间通过插转槽6-2、转接片5-5连接；在功能板6-1内部还设置有温控电阻丝6-3，在所述交接柱5-4内还设置有信号发射器5-6。
根据实际地层特征计算目标静载和动载，在总控台1-1设置试验参数，运行全流程数据监测程序，各机构开始工作，围压泵1-3通过围压管1-5向围压腔4-4提供围压，静载指令器3-5作用下磁力加载器3-4向蓄压室3-6、静载发生室3-7提供静荷载，并传递至静载轴3-3，静载轴3-3通过传导块、功能板、密封圈4-5将静载加载至试块4-3，电磁发射器1-2在动载指令器2-10作用下弹射，通过蓄能室2-2、动载发生室2-6向动载轴2-9提供动荷载，动载轴2-9通过传导块、功能板、密封圈4-5向试块4-3加载动载，渗流泵1-4通过渗流管1-6向试块4-3提供渗透压力；具体步骤如下：
a、加工方形试块4-3，用密封圈4-5密封试块4-3，然后将功能板6-1与交接柱5-4固于密封后的试块4-3周边，最后将其放置于围压腔4-4内，检查校正装置各部件，准备实验；
b、根据矿山地质条件和工程现场数据计算目标地层压力和地层扰动应力，在总控台1-1设置目标静载和动载，同时打开全程数据采集程序，通过无线方式记录实验数据；
c、在总控台1-1设置开始运行，静载机构、动载机构、三轴机构、监控机构运转，围压泵1-3通过围压管1-5向围压腔4-4内注入液压油至指定应力值；
d、磁力加载器3-4通过静载指令器3-5接收总控台1-1发出的加载指令，推进蓄压室3-6通过传导阀3-10向静载发生室3-7增压，静载发生室3-7通过内置液体(如液压油)推动静载轴3-3向传导块传递压力，传递块进一步挤压功能板、密封圈4-5向试块4-3传递压力；
e、电磁发射器1-2通过内置动载指令器2-10接收总控台1-1发出的动载加载指令，电磁发射器1-2通过弹射磁轨2-3推进力传导堵头2-4向蓄能室2-2增加动能，蓄能室2-2内压缩空气动能达到指定压力后，通过传压阀2-8将压缩空气动能传递至动载发生室2-6，动载发生室2-6瞬间释放动能推动动载轴2-9向传导块传递高压动能，传导块进一步将动能传递通过功能板、密封圈4-5传递给试块4-3；
f、渗流泵1-4接收总控台1-1指令，通过渗流管1-6向试块4-3内泵送气体和/或液体流体，实现渗流实验；温控电阻丝6-3通过功能板6-1加热试块4-3至指定温度，NMR感知线圈5-2、位移应力器5-3将试块4-3内部应力、应变、裂隙演化等数据通过信息发射器发送至总控台1-1，总控台1-1进一步分析实验数据；
g、根据实际工程条件循环c-f过程，最终实现原位工程环境模拟及试块4-3多源多参量在线监控分析，为工程决策提供依据，实验完毕依次关闭动载机构、静载机构、三轴机构、监控机构，总控台1-1记录全过程实验数据。
以上的各实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种NMR原位超高动静协同加载试验装置，其特征在于，包括静载机构、动载机构、三轴机构和监控机构，所述三轴机构中，方形加载室内部为围压腔，传导块置于所述围压腔内，动载机构的动载轴、静载机构的静载轴分别穿过加载室的侧壁后与传导块连接，在加载室周向设置有围压孔，在加载室上还设置有渗流孔用于向试块提供流体；静载机构通过静载加载体内置于动载轴的内腔；所述监控机构中，六块功能板将包覆有密封圈的方形试块围合，功能板上设置有位移应力器、NMR感知线圈和温控电阻丝；
在功能板临接处设置凹槽，凹槽内设置感知滑块，所述感知滑块通过位移应力器与功能板连接；相邻的功能板之间设置交接柱，在功能板内部设置NMR感知线圈、温控电阻丝，在交接柱上设置转接片，各功能板上的NMR感知线圈相互间通过插转槽、转接片连接；
在动载加载体内部设置弹射磁轨，弹射磁轨上自外而内依次设置电磁发射器、力传导堵头、蓄能室，蓄能室通过传压阀与动载发生室连接，动载发生室与动载轴连接；在静载加载体内，自外而内依次连接有磁力加载器、蓄压室、传导阀、静载发生室、静载轴；在加载室周向侧壁设置有连接板，动载加载体通过连接螺栓固定于连接板上，动载轴及其内部的静载机构位于连接板内；所述静载加载体通过紧固螺钉固定于加载室周向侧壁；所述动载机构、静载机构设置在加载室的侧壁上。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：还包括用于控制该试验装置以及记录试验数据外接机构，外接机构还设置有围压泵和渗流泵，围压泵通过围压管与围压孔连接，渗流泵通过渗流管、渗流孔与试块连接。
3.权利要求1-2任意一项所述的NMR原位超高动静协同加载试验装置的应用方法，包括如下步骤：a、加工方形试块并用密封圈密封，将功能板与交接柱固于试块周边并放置于围压腔内；b、确定试验参数，启动试验设备进行数据采集与记录；c、向围压腔内注入液压油至指定围压；d、通过静载机构施加静载压力；e、通过动载机构施加动载压力；f、向试块内泵送气体和/或液体进行渗流试验，温控电阻丝加热试块至指定温度；g、循环c-f过程，实现原位工程环境模拟及试块多源多参量在线监控分析。
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