CN115290752A - 微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置及其使用方法，属于深部工程硬岩破碎技术领域。所述微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置包括多端口敞开式微波致裂装置、微波致裂过程监测装置和微波参数主动调节系统，微波参数主动调节系统的控制器根据红外热成像仪采集的硬岩微波照射面温度控制微波辐射器输出端口的开闭，根据破裂信号采集装置采集的破裂声波信号调整微波旋转装置的转速，根据高速摄像头拍摄的硬岩裂纹扩展图像控制套管式波导的伸缩。所述微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置及其使用方法既能够用于岩土工程现场又能够在实验室内展开研究，实现敞开式微波致裂，为TBM刀盘上微波辐射器的布置提供依据。

Description

微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及深部工程硬岩破碎技术领域，特别涉及一种微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置及其使用方法。
背景技术
在岩土工程中，机械破岩作为一种主要的破岩方法，具有安全可靠、施工质量高的特点。但随着工程埋深与岩石强度的增加，全断面硬岩隧道掘进机(TBM)破碎岩石的性能降低，刀具更易磨损变形，严重影响TBM破岩掘进效率。微波因具有穿透深度大、高效加热、绿色环保的特点，将微波-TBM耦合破岩，提高掘进破碎效率是一个重要的研究课题。因此有必要改变传统破岩方法，利用微波破岩方法与TBM相结合，从而提高破岩掘进效率，保障深部硬岩隧道安全高效开挖。
目前用于研究微波破岩效果影响因素及破裂机理的装置有如下特征：(1)工业微波炉，密闭空间内微波照射岩石；(2)单模腔微波设备，单端口微波固定照射岩石。微波-TBM耦合破岩作为一种具有潜力的技术，在硬岩隧道工程应用中，需将微波辐射器安装到TBM刀盘上，与TBM刀盘同步转动。通过微波辐射器敞开式旋转照射降低岩石强度，从而提高TBM破岩掘进效率。现有装置存在以下不足：(1)无法调节微波辐射器的间距，也无法进行微波辐射器类型选择，即无法实现模拟现场与TBM同步转动下，微波辐射器旋转照射致裂硬岩效果；(2)无法进行多端口微波辐射器不同间距下照射硬岩研究，为TBM刀盘上微波辐射器布置提供依据。
现有微波破岩装置以封闭式微波炉为主，多在室内展开研究，缺少具有微波参数主动调节功能、敞开式的微波致裂装置，导致研究微波辐射器参数(类型，转速，间距)变化对不同岩性硬岩微波致裂效果影响为空白。微波与机械设备耦合破岩时，缺乏合理的TBM刀盘上微波辐射器布置方案，比如，缺乏确定TBM刀盘上微波辐射器类型、转速、间距参数的参考依据，缺乏深埋硬岩现场微波破岩效果及破裂机理研究，使实现微波辅助机械破岩掘进存在一定的技术难题。
因此，有必要研发一种既能够用于岩土工程现场又能够用于室内试验的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置及其使用方法。
发明内容
为了解决背景技术中的技术问题，本发明提供了一种微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置及其使用方法，既能够用于岩土工程现场又能够在实验室内展开研究，实现敞开式微波致裂，能够实现微波辐射器同步转动照射硬岩、选择微波辐射器类型、调节微波辐射器转速、动态调节微波辐射器间距，为TBM刀盘上微波辐射器布置提供依据，为TBM刀盘上确定微波辐射器的转速、布置间距、类型、数量参数提供一个全新的方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置，包括多端口敞开式微波致裂装置、微波致裂过程监测装置和微波参数主动调节系统；
所述多端口敞开式微波致裂装置包括依次设置的微波发生器、微波旋转装置和微波分流装置，所述微波分流装置的每个输出端口均依次连接套管式波导、多端口微波转接器和微波辐射器组，所述微波辐射器组包括若干个微波辐射器；
所述微波致裂过程监测装置包括设置于硬岩的破裂信号采集装置以及设置于硬岩微波照射面前方的红外热成像仪和高速摄像头；
所述微波参数主动调节系统包括分别与破裂信号采集装置、红外热成像仪、高速摄像头、微波旋转装置、套管式波导和微波辐射器相连的控制器，所述控制器根据红外热成像仪采集的硬岩微波照射面温度控制微波辐射器输出端口的开闭，根据破裂信号采集装置采集的硬岩破裂声波信号调整微波旋转装置的转速，根据高速摄像头拍摄的硬岩裂纹扩展图像控制套管式波导的伸缩。
进一步的，所述微波辐射器组包括三个微波辐射器，分别为收敛形微波辐射器、标准形微波辐射器和喇叭形微波辐射器，三个微波辐射器分别与多端口微波转接器的三个输出端口相连。
进一步的，所述收敛形微波辐射器、标准形微波辐射器和喇叭形微波辐射器的输出端口均通过转轴转动安装有挡板，所述转轴与挡板驱动相连，以实现微波辐射器输出端口的开闭。
进一步的，所述微波旋转装置包括与微波发生器相连的矩形波导以及与所述矩形波导转动连接的圆波导，所述圆波导外部沿周向设置有外齿，所述外齿与旋转驱动输出端的轴承齿轮啮合；所述矩形波导与微波发生器之间的连接波导上设置有微波反射功率计和微波反射调节器。
进一步的，所述套管式波导包括滑动连接的外波导和内波导，所述外波导的一端与微波分流装置的输出端口固连，所述外波导的内部设置有电动推杆，所述电动推杆的伸出端与内波导的一端相连，所述内波导的另一端与多端口微波转接器的输入端口相连。
进一步的，所述破裂信号采集装置采用破裂信号接受器或者声发射传感器，所述破裂信号接受器安装于硬岩内部，用于在工程现场采集硬岩破裂声波信号；所述声发射传感器与硬岩表面贴合，用于在实验室采集硬岩破裂声波信号。
进一步的，所述微波发生器与高压电源相连，并且微波发生器设置有远程操作屏，所述远程操作屏用于远程开启微波发生器、输入微波功率和照射时间。
进一步的，所述微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置还包括距离调节装置，所述距离调节装置包括设置于微波发生器下方的移动平台以及设置于多端口微波转接器靠近硬岩一侧的红外测距仪，所述红外测距仪采集微波辐射器与硬岩之间的距离发送给控制器，控制器控制移动平台移动，将微波辐射器与硬岩之间的距离调整到设置值。
一种微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置的使用方法，在实验室内采用微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置致裂硬岩试样，包括以下步骤：
步骤1、制备硬岩试样；
步骤2、将硬岩试样放置于真三轴应力加载装置，调整微波辐射器与硬岩试样微波照射面之间的距离至设定值；
步骤3、启动真三轴应力加载装置，对硬岩试样进行三个主应力方向加载；同时，预热微波发生器，打开所有微波辐射器的输出端口；
步骤4、当三个主应力方向加载的应力均达到设定值时，设置微波功率及照射时间，开启微波及启动微波致裂过程监测装置，进行试验：
步骤4.1、硬岩试样微波照射面升温阶段，选择微波辐射器的类型：
红外热成像仪实时监测硬岩试样微波照射面的温度发送给控制器，控制器根据硬岩试样微波照射面的温度与照射时间的关系得到每个微波辐射器输出端口对应的硬岩试样微波照射面的升温速率v，控制器控制升温速率v最快的照射面位置对应的微波辐射器保持打开，控制其他微波辐射器的输出端口关闭；
步骤4.2、硬岩试样初始致裂时，调整微波辐射器的转速：
微波旋转装置带动微波辐射器旋转，声发射传感器采集硬岩试样破裂声波信号发送给控制器，控制器根据破裂声波信号得到硬岩初始破裂时间t，并进行如下判断：
如果t≤t1，保持微波辐射器的转速不变；
如果t＞t1，提高微波辐射器的转速至转速设定值V；
式中，t1为破裂时间阈值；
步骤4.3、硬岩试样致裂阶段，调整微波辐射器之间的间距：
高速摄像头实时拍摄硬岩试样的裂纹扩展图像发送给控制器，控制器根据裂纹扩展图像获取实时裂纹密度g，并进行如下判断：
如果g＜G，套管式波导的缩回，缩小微波辐射器之间的间距，直至g＝G时停止缩回；
如果G＜g＜G0，套管式波导的伸出，扩大微波辐射器之间的间距，直至g＝G时停止伸出；
如果g≥G0，微波发生器停止微波照射，试验结束；
式中，G为裂纹密度阈值下限；G0为裂纹密度阈值上限。
一种微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置的使用方法，在岩土工程现场采用微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置致裂硬岩，包括以下步骤：
S1、在岩土工程现场安装微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置；
S2、调整微波辐射器与硬岩微波照射面之间的距离至设定值；
S3、预热微波发生器，打开所有微波辐射器的输出端口；
S4、设置微波功率及照射时间，开启微波及启动微波致裂过程监测装置，致裂硬岩：
S4.1、硬岩微波照射面升温阶段，选择微波辐射器的类型：
红外热成像仪实时监测硬岩微波照射面的温度发送给控制器，控制器根据硬岩微波照射面的温度与照射时间的关系得到每个微波辐射器输出端口对应的硬岩微波照射面的升温速率v，控制器控制升温速率v最快的照射面位置对应的微波辐射器保持打开，控制其他微波辐射器的输出端口关闭；
步骤4.2、硬岩初始致裂时，调整微波辐射器的转速：
微波旋转装置带动微波辐射器旋转，破裂信号接受器采集硬岩破裂声波信号发送给控制器，控制器根据破裂声波信号得到硬岩初始破裂时间t，并进行如下判断：
如果t≤t1，保持微波辐射器的转速不变；
如果t＞t1，提高微波辐射器的转速至转速设定值V；
式中，t1为破裂时间阈值；
步骤4.3、硬岩致裂阶段，调整微波辐射器之间的间距：
高速摄像头实时拍摄硬岩的裂纹扩展图像发送给控制器，控制器根据裂纹扩展图像获取实时裂纹密度g，并进行如下判断：
如果g＜G，套管式波导的缩回，缩小微波辐射器之间的间距，直至g＝G时停止缩回；
如果G＜g＜G0，套管式波导的伸出，扩大微波辐射器之间的间距，直至g＝G时停止伸出；
如果g≥G0，微波发生器停止微波照射，试验结束；
式中，G为裂纹密度阈值下限；G0为裂纹密度阈值上限。
本发明的有益效果为：
1)本发明提供的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置能够用于实验室内也能够用于深部硬岩工程现场，在实验室开展真三向应力下或者深部硬岩工程现场环境下，微波旋转照射致裂硬岩，通过微波挡板驱动开启对应微波辐射器的输出端口，通过实时监测硬岩微波照射面的温度选择微波辐射器的类型、通过微波旋转装置实现微波辐射器转速动态可调、通过电动推杆动态调节微波辐射器之间的间距；
2)本发明可开展不同微波敏感性硬岩在不同应力条件下，微波参数优化试验，针对不同岩性的硬岩，为确定TBM刀盘上微波辐射器布置参数的提供依据，有助于建立TBM刀盘上微波辐射器布置方法，对微波-TBM耦合应用提供一个新的视角，本发明可广泛应用于科学研究、教学、工程现场等；
3)本发明能够实现微波辐射器同步转动照射硬岩，为优化TBM刀盘上微波辐射器转速提供参考；能够动态选择微波辐射器类型，为研究不同岩性下微波辐射器选型对硬岩致裂效果影响提供依据；通过动态调节微波辐射器之间的间距，为研究不同岩性下微波辐射器间距对硬岩致裂效果影响提供依据；总之，本发明为TBM刀盘上确定微波辐射器转速、布置间距、类型、数量等参数提供一个全新的方法。
本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置(用于实验室)的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置(用于岩土工程现场)的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的红外热成像仪和高速摄像头的布置示意图；
图4是本发明实施例提供的多端口微波转接器的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的转轴、挡板、挡板驱动的连接示意图；
图6是本发明实施例提供的微波旋转装置的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的套管式波导的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的在实验室内采用微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置致裂硬岩试样的流程图；
图9是本发明实施例提供的在岩土工程现场采用微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置致裂硬岩的流程图。
说明书附图中的附图标记包括：
1-微波发生器，2-微波旋转装置，3-微波分流装置，4-套管式波导，5-多端口微波转接器，6-破裂信号采集装置，7-红外热成像仪，8-高速摄像头，9-控制器，10-上位机，11-硬岩，12-硬岩试样，13-球状微波调配器，14-收敛形微波辐射器，15-标准形微波辐射器，16-喇叭形微波辐射器，17-转轴，18-挡板，19-挡板驱动，20-矩形波导，21-圆波导，22-外齿，23-旋转驱动，24-轴承齿轮，25-微波反射功率计，26-微波反射调节器，27-U型波导，28-外波导，29-内波导，30-L型波导，31-高压电源，32-远程操作屏，33-移动平台，34-红外测距仪，35-真三轴应力加载装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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。
为了解决现有技术存在的问题，如图1至图9所示，本发明提供了一种微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置，包括多端口敞开式微波致裂装置、微波致裂过程监测装置和微波参数主动调节系统；
多端口敞开式微波致裂装置包括依次设置的微波发生器1、微波旋转装置2和微波分流装置3，微波分流装置3的每个输出端口均依次连接套管式波导4、多端口微波转接器5和微波辐射器组，微波辐射器组包括若干个微波辐射器，微波发生器1产生的微波经微波分流装置3分流后进入多端口微波转接器5，再经微波辐射器输出端口输出微波对硬岩11进行微波照射；
微波致裂过程监测装置包括设置于硬岩11的破裂信号采集装置6以及设置于硬岩11微波照射面前方两侧的红外热成像仪7和高速摄像头8；
微波参数主动调节系统包括分别与破裂信号采集装置6、红外热成像仪7、高速摄像头8、微波旋转装置2、套管式波导4和微波辐射器相连的控制器9，控制器9根据红外热成像仪7采集的硬岩11微波照射面温度控制微波辐射器输出端口的开闭，根据破裂信号采集装置6采集的硬岩11破裂声波信号调整微波旋转装置2的转速，根据高速摄像头8拍摄的硬岩11的裂纹扩展图像控制套管式波导4的伸缩。
本实施例中，如图1至图3所示，控制器9与上位机10相连，控制器9将数据发送到上位机10显示和存储；红外热成像仪7和高速摄像头8设置于微波分流装置3的两侧，试验起初，打开所有类型的微波辐射器的输出端口，固定照射硬岩11一定时间，红外热成像仪7实时监测硬岩11微波照射面温度，控制器9根据硬岩11微波照射面温度与照射时间的关系得到升温速率，控制器9比较微波分流装置3每个输出端口连接的所有类型微波辐射器对应的升温速率大小，保持微波分流装置3每个输出端口上升温速率最快的微波辐射器输出端口打开，控制微波分流装置3每个输出端口上另外两个微波辐射器的输出端口关闭，实现微波辐射器的类型的选择。破裂信号采集装置6采集硬岩11破裂声波信号发送给控制器9，并在上位机10显示和存储，控制器9根据硬岩11破裂声波信号得到硬岩11初始破裂时间(从微波发生器1输出微波时开始计时，控制器9收到硬岩11破裂声波信号的时间即为硬岩11初始破裂时间)，控制根据硬岩11初始破裂时间与破裂时间阈值的关系，控制微波旋转装置2的转速，进而实现控制微波辐射器的转速。高速摄像头8采用VIC-2D高速摄像头8，高速摄像头8实时拍摄硬岩11的裂纹扩展图像发送给控制器9，并在上位机10显示和存储，控制器9内置的图像识别算法根据裂纹扩展图像获取实时裂纹密度，控制器9根据实时裂纹密度与裂纹密度阈值下限和裂纹密度阈值上限的关系，控制套管式波导4伸出或缩回，进而实现两个微波辐射器之间间距的调节。具体实施时，微波发生器1、微波旋转装置2和微波分流装置3之间通过多个连接波导相连，连接波导的形状和数量根据外部安装环境和各个装置之间的位置需求进行确定。本实施例中，微波分流装置3采用3dB微波分流装置3，3dB微波分流装置3设有两个输出端口，3dB微波分流装置3内部安装球状微波调配器13，球状微波调配器13实现微波均匀分流至两个输出端口。
如图1至图4所示，微波辐射器组包括三个微波辐射器，分别为收敛形微波辐射器14、标准形微波辐射器15和喇叭形微波辐射器16，三个微波辐射器分别与多端口微波转接器5的三个输出端口相连，使用时，通过收敛形微波辐射器14、标准形微波辐射器15或喇叭形微波辐射器16输出微波照射硬岩11。
如图5所示，收敛形微波辐射器14、标准形微波辐射器15和喇叭形微波辐射器16的输出端口均通过转轴17转动安装有挡板18，转轴17与挡板驱动19相连，以实现微波辐射器输出端口的开闭，本实施例中，挡板驱动19可采用电机，收敛形微波辐射器14、标准形微波辐射器15和喇叭形微波辐射器16的挡板驱动19均与控制器9相连，控制器9根据每个微波辐射器输出端口对应的硬岩11微波照射面的升温速率，确定每个微波辐射器的输出端口打开或者关闭，以进行收敛形微波辐射器14、标准形微波辐射器15或喇叭形微波辐射器16的选择，即，实现微波辐射器类型的选择，通过挡板驱动19驱动转轴17转动，带动挡板18转动，实现微波辐射器输出端口的打开或者关闭。
如图6所示，微波旋转装置2包括与微波发生器1相连的矩形波导20以及与矩形波导20转动连接的圆波导21，圆波导21外部沿周向设置有外齿22，外齿22与旋转驱动23输出端的轴承齿轮24啮合；矩形波导20与微波发生器1之间的连接波导上设置有微波反射功率计25和微波反射调节器26。本实施例中，旋转驱动23固定在矩形波导20上方的框架上，旋转驱动23可采用电机，旋转驱动23输出端设置轴承齿轮24，旋转驱动23带动轴承齿轮24转动，轴承齿轮24与圆波导21上的外齿22连续啮合运动，带动U型波导27回转运动，进而实现收敛形微波辐射器14、标准形微波辐射器15和喇叭形微波辐射器16的转速动态可调。优选的，微波旋转装置2与微波分流装置3之间设置有U型波导27，以保证微波旋转装置2带动微波辐射器旋转过程中的设备稳定性，具体的，圆波导21远离微波发生器1的一侧通过连接波导与U型波导27的一端相连，U型波导27的另一端通过连接波导与微波分流装置3的输入端口相连。使用时，通过手动调节微波反射调节器26来降低微波反射系数，减少微波反射到微波发生器1，损坏设备，通过微波反射功率计25来监测微波反射系数。
如图7所示，套管式波导4包括滑动连接的外波导28和内波导29，外波导28的一端与微波分流装置3的输出端口固连，外波导28的内部设置有电动推杆，电动推杆的伸出端与内波导29的一端相连，以带动内波导29从外波导28内伸出或缩回，内波导29的另一端与多端口微波转接器5的输入端口相连。本实施例中，内波导29的另一端与通过L型波导30与多端口微波转接器5的输入端口相连，具体实施时，可在多端口微波转接器5的输入端口转动设置圆形波导，圆形波导与L型波导30的端部固定连接，通过手动转动多端口微波转接器5实现三个微波辐射器的位置调节。调节两个微波辐射器之间的间距时，控制器9根据实时裂纹密度与裂纹密度阈值下限和裂纹密度阈值上限的关系，控制电动推杆工作，带动内波导29从外波导28内伸出或缩回，进而实现套管式波导4的伸缩。
破裂信号采集装置6采用破裂信号接受器或者声发射传感器，破裂信号接受器安装于硬岩11内部，用于在工程现场采集硬岩11破裂声波信号；声发射传感器与硬岩试样12表面贴合，用于在实验室采集硬岩试样12破裂声波信号。
微波发生器1与高压电源31相连，并且微波发生器1设置有远程操作屏32，远程操作屏32用于远程开启微波发生器1、输入微波功率和照射时间，并显示照射时间。
本实施例中，微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置还包括距离调节装置，距离调节装置包括设置于微波发生器1下方的移动平台33以及设置于多端口微波转接器5靠近硬岩11一侧的红外测距仪34，红外测距仪34采集微波辐射器与硬岩11微波照射面之间的距离发送给控制器9，控制器9控制移动平台33移动，将微波辐射器与硬岩11微波照射面之间的距离调整到设置值，使用时，移动平台33可进行上、下、左、右、前、后六个方位调节，能够满足工程现场及室内试验硬岩11工作面不同区域微波照射需求。
本发明中，硬岩11为岩土工程现场的深埋硬岩或者为放置于真三轴应力加载装置35的硬岩试样12，以实现微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置在岩土工程现场使用以及在实验室内研究。
如图8所示，本发明还提供了一种微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置的使用方法，在实验室内采用微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置致裂硬岩试样12时，包括以下步骤：
步骤1、制备硬岩试样12；
本实施例中，首先进行信息采集，具体的，对硬岩11的矿物成分信息、密度、波速、复介电常数、力学参数信息进行收集；然后制备成立方体结构的硬岩试样12；硬岩试样12制样完成后，对其6个表面进行网格划分，每个网格尺寸50mm×50mm，测试记录硬岩试样12每个网格位置的纵向波速，有助于试验完成以后处理数据时分析微波照射前后硬岩试样12波速降幅，以评价微波照射效果；
步骤2、将硬岩试样12放置于真三轴应力加载装置35，调整微波辐射器与硬岩试样12微波照射面之间的距离至设定值，并保持不变；调试确定微波致裂过程监测装置布置位置，确保能够清晰拍摄硬岩试样12微波照射面微波照射过程；
本实施例中，将硬岩试样12放置于真三轴应力加载装置35，控制器9根据红外测距仪34采集的微波辐射器到硬岩试样12微波照射面之间的距离，控制移动平台33移动，通过移动平台33调整收敛形微波辐射器14、标准形微波辐射器15和喇叭形微波辐射器16与硬岩试样12微波照射面之间的距离，使三个形微波辐射器与硬岩试样12微波照射面之间的距离小于二分之一微波波长，布置红外热成像仪7及高速摄像头8分别位于3dB微波分流装置3的两侧，调试红外热成像仪7及高速摄像头8的焦距，并设置每1s记录一次试验数据；
步骤3、启动真三轴应力加载装置35，对硬岩试样12进行三个主应力方向加载；同时，预热微波发生器1，打开所有微波辐射器的输出端口，由微波反射功率计25实时监测微波反射调节器26调节的微波反射系数；
本实施例中，启动真三轴应力加载装置35，对硬岩试样12进行X、Y、Z三个主应力方向加载，通过与真三轴应力加载装置35相连的上位机10输入加载目标值，当真三轴应力加载装置35对硬岩试样12X方向加载至目标值M kN、对硬岩试样12Y方向加载至目标值N kN、对硬岩试样12Z方向加载至目标值QkN后，开启微波。加载时，为避免硬岩试样12在Z方向滑移，当X、Y两方向加载的加载目标值分别达到M kN、N kN后，再进行Z方向的加载，其中，X、Y方向加载速度2kN/s，Z方向加载速度为1kN/s。在硬岩试样12加载的同时对微波发生器1预热，预热3-5min后，在低功率短时间内手动旋转微波反射调节器26，调节微波反射系数至最小，比如，在微波功率6kW条件下，1min内手动旋转微波反射调节器26，调节微波反射系数至0.02以下。由远程操作屏32输入微波功率P kW、照射时间T s。
步骤4、当三个主应力方向加载的应力均达到设定值时，设置微波功率及照射时间，开启微波及启动微波致裂过程监测装置，进行试验：
步骤4.1、硬岩试样12微波照射面升温阶段，选择微波辐射器的类型：
红外热成像仪7实时监测硬岩试样12微波照射面的温度发送给控制器9，控制器9根据硬岩试样12微波照射面的温度与照射时间的关系得到每个微波辐射器输出端口对应的硬岩试样12微波照射面的升温速率v，控制器9控制升温速率v最快的照射面位置对应的微波辐射器保持打开，控制其他微波辐射器的输出端口关闭；
本实施例中，通过选择微波辐射器的类型实现微波分流装置3每个输出端口只打开一个微波辐射器，控制器9比较微波分流装置3每个输出端口连接的所有类型微波辐射器对应的升温速率v大小，选择升温速率v最快的微波照射面位置对应的微波辐射器输出微波。
步骤4.2、硬岩试样12初始致裂时，调整微波辐射器的转速：
微波旋转装置2带动微波辐射器旋转，声发射传感器采集硬岩试样12破裂声波信号发送给控制器9，控制器9根据破裂声波信号得到硬岩试样12初始破裂时间t，并进行如下判断：
如果t≤t1，保持微波辐射器的转速不变；
如果t＞t1，提高微波辐射器的转速至转速设定值V；
式中，t1为破裂时间阈值；
本实施例中，微波辐射器的类型选择完成后，控制器9控制微波旋转装置2的旋转驱动23工作，带动微波辐射器旋转，同时，声发射传感器采集硬岩试样12破裂声波信号发送给控制器9。如果t≤t1，保持微波辐射器的转速不变，继续旋转照射硬岩试样12；如果t＞t1，控制器9通过控制旋转驱动23提高微波辐射器的转速至转速设定值V，进行微波辐射器转速的调整。
步骤4.3、硬岩试样12致裂阶段，调整微波辐射器之间的间距：
高速摄像头8实时拍摄硬岩试样12的裂纹扩展图像发送给控制器9，控制器9根据裂纹扩展图像获取实时裂纹密度g，并进行如下判断：
如果g＜G，套管式波导4的缩回，缩小微波辐射器之间的间距，直至g＝G时停止缩回；
如果G＜g＜G0，套管式波导4的伸出，扩大微波辐射器之间的间距，直至g＝G时停止伸出；
如果g≥G0，微波发生器1停止微波照射，试验结束；
式中，G为裂纹密度阈值下限；G0为裂纹密度阈值上限；
本实施例中，微波辐射器的类型选择完成后，微波分流装置3的每个输出端口只有一个微波辐射器能够输出微波，控制器9根据实时裂纹密度g，通过套管式波导4调整位于微波分流装置3两个输出端口的两个微波辐射器之间的间距。如果g＜G，控制器9控制两个套管式波导4的电动推杆缩回，带动内波导29缩回，以缩小两个微波辐射器之间的间距，直至g＝G时，控制器9控制电动推杆停止缩回。如果G＜g＜G0，控制器9控制两个套管式波导4的电动推杆伸出，带动内波导29伸出，以扩大两个微波辐射器之间的间距，直至g＝G时，控制器9控制电动推杆停止伸出。
本实施例中，采用微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置致裂硬岩试样12的试验结束后，标记硬岩试样12的裂纹，测量破裂区的面积S，测试试样波速，处理分析声发射传感器、红外热成像仪7、高速摄像头8的监测结果。针对不同岩性硬岩试样12，提出微波辐射器选型准则，微波辐射器转速及间距选用标准，为后续TBM刀盘上微波辐射器布置提供依据。
如图9所示，本发明还提供了一种微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置的使用方法，在岩土工程现场采用微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置致裂硬岩11时，包括以下步骤：
S1、在岩土工程现场安装微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置，岩土工程现场的硬岩11受到垂直地应力σ2，水平地应力σ3；
S2、调整微波辐射器与硬岩11微波照射面之间的距离至设定值，并保持不变；
S3、预热微波发生器1，打开所有微波辐射器的输出端口，由微波反射功率计25实时监测微波反射调节器26调节的微波反射系数；
S4、设置微波功率及照射时间，开启微波及启动微波致裂过程监测装置，致裂硬岩11：
S4.1、硬岩11微波照射面升温阶段，选择微波辐射器的类型：
红外热成像仪7实时监测硬岩11微波照射面的温度发送给控制器9，控制器9根据硬岩11微波照射面的温度与照射时间的关系得到每个微波辐射器输出端口对应的硬岩11微波照射面的升温速率v，控制器9控制升温速率v最快的照射面位置对应的微波辐射器保持打开，控制其他微波辐射器的输出端口关闭；
步骤4.2、硬岩11初始致裂时，调整微波辐射器的转速：
微波旋转装置2带动微波辐射器旋转，破裂信号接受器采集硬岩11破裂声波信号发送给控制器9，控制器9根据破裂声波信号得到硬岩11初始破裂时间t，并进行如下判断：
如果t≤t1，保持微波辐射器的转速不变；
如果t＞t1，提高微波辐射器的转速至转速设定值V；
式中，t1为破裂时间阈值；
步骤4.3、硬岩11致裂阶段，调整微波辐射器之间的间距：
高速摄像头8实时拍摄硬岩11的裂纹扩展图像发送给控制器9，控制器9根据裂纹扩展图像获取实时裂纹密度g，并进行如下判断：
如果g＜G，套管式波导4的缩回，缩小微波辐射器之间的间距，直至g＝G时停止缩回；
如果G＜g＜G0，套管式波导4的伸出，扩大微波辐射器之间的间距，直至g＝G时停止伸出；
如果g≥G0，微波发生器1停止微波照射，试验结束；
式中，G为裂纹密度阈值下限；G0为裂纹密度阈值上限。
本实施例中，将微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置用于岩土工程现场致裂硬岩11，与将其用于试验时相比，除了不需要真三轴应力加载装置35外，其他基本一致。
本实施例中，采用微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置致裂岩土工程现场硬岩11后，在硬岩11微波照射区域钻取岩芯测试强度变化，结合钻孔摄像设备采集钻孔内微波致裂硬岩11的裂纹信息，采用机械切削设备对微波照射后的硬岩11进行切削，评价微波照射效果，由不同岩性硬岩11微波照射及切削效果，确定微波辐射器选型准则、微波辐射器转速及间距选用标准，为后续TBM刀盘上微波辐射器布置提供参考。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置，其特征在于，包括多端口敞开式微波致裂装置、微波致裂过程监测装置和微波参数主动调节系统；
所述多端口敞开式微波致裂装置包括依次设置的微波发生器、微波旋转装置和微波分流装置，所述微波分流装置的每个输出端口均依次连接套管式波导、多端口微波转接器和微波辐射器组，所述微波辐射器组包括若干个微波辐射器；
所述微波致裂过程监测装置包括设置于硬岩的破裂信号采集装置以及设置于硬岩微波照射面前方的红外热成像仪和高速摄像头；
所述微波参数主动调节系统包括分别与破裂信号采集装置、红外热成像仪、高速摄像头、微波旋转装置、套管式波导和微波辐射器相连的控制器，所述控制器根据红外热成像仪采集的硬岩微波照射面温度控制微波辐射器输出端口的开闭，根据破裂信号采集装置采集的硬岩破裂声波信号调整微波旋转装置的转速，根据高速摄像头拍摄的硬岩裂纹扩展图像控制套管式波导的伸缩。
2.根据权利要求1所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置，其特征在于，所述微波辐射器组包括三个微波辐射器，分别为收敛形微波辐射器、标准形微波辐射器和喇叭形微波辐射器，三个微波辐射器分别与多端口微波转接器的三个输出端口相连。
3.根据权利要求2所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置，其特征在于，所述收敛形微波辐射器、标准形微波辐射器和喇叭形微波辐射器的输出端口均通过转轴转动安装有挡板，所述转轴与挡板驱动相连，以实现微波辐射器输出端口的开闭。
4.根据权利要求1所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置，其特征在于，所述微波旋转装置包括与微波发生器相连的矩形波导以及与所述矩形波导转动连接的圆波导，所述圆波导外部沿周向设置有外齿，所述外齿与旋转驱动输出端的轴承齿轮啮合；所述矩形波导与微波发生器之间的连接波导上设置有微波反射功率计和微波反射调节器。
5.根据权利要求1所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置，其特征在于，所述套管式波导包括滑动连接的外波导和内波导，所述外波导的一端与微波分流装置的输出端口固连，所述外波导的内部设置有电动推杆，所述电动推杆的伸出端与内波导的一端相连，所述内波导的另一端与多端口微波转接器的输入端口相连。
6.根据权利要求1所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置，其特征在于，所述破裂信号采集装置采用破裂信号接受器或者声发射传感器，所述破裂信号接受器安装于硬岩内部，用于在工程现场采集硬岩破裂声波信号；所述声发射传感器与硬岩表面贴合，用于在实验室采集硬岩破裂声波信号。
7.根据权利要求1所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置，其特征在于，所述微波发生器与高压电源相连，并且微波发生器设置有远程操作屏，所述远程操作屏用于远程开启微波发生器、输入微波功率和照射时间。
8.根据权利要求1所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置，其特征在于，还包括距离调节装置，所述距离调节装置包括设置于微波发生器下方的移动平台以及设置于多端口微波转接器靠近硬岩一侧的红外测距仪，所述红外测距仪采集微波辐射器与硬岩之间的距离发送给控制器，控制器控制移动平台移动，将微波辐射器与硬岩之间的距离调整到设置值。
9.一种微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置的使用方法，在实验室内采用权利要求1所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置致裂硬岩试样，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、制备硬岩试样；
步骤2、将硬岩试样放置于真三轴应力加载装置，调整微波辐射器与硬岩试样微波照射面之间的距离至设定值；
步骤3、启动真三轴应力加载装置，对硬岩试样进行三个主应力方向加载；同时，预热微波发生器，打开所有微波辐射器的输出端口；
步骤4、当三个主应力方向加载的应力均达到设定值时，设置微波功率及照射时间，开启微波及启动微波致裂过程监测装置，进行试验：
步骤4.1、硬岩试样微波照射面升温阶段，选择微波辐射器的类型：
红外热成像仪实时监测硬岩试样微波照射面的温度发送给控制器，控制器根据硬岩试样微波照射面的温度与照射时间的关系得到每个微波辐射器输出端口对应的硬岩试样微波照射面的升温速率v，控制器控制升温速率v最快的照射面位置对应的微波辐射器保持打开，控制其他微波辐射器的输出端口关闭；
步骤4.2、硬岩试样初始致裂时，调整微波辐射器的转速：
微波旋转装置带动微波辐射器旋转，声发射传感器采集硬岩试样破裂声波信号发送给控制器，控制器根据破裂声波信号得到硬岩初始破裂时间t，并进行如下判断：
如果t≤t1，保持微波辐射器的转速不变；
如果t＞t1，提高微波辐射器的转速至转速设定值V；
式中，t1为破裂时间阈值；
步骤4.3、硬岩试样致裂阶段，调整微波辐射器之间的间距：
高速摄像头实时拍摄硬岩试样的裂纹扩展图像发送给控制器，控制器根据裂纹扩展图像获取实时裂纹密度g，并进行如下判断：
如果g＜G，套管式波导的缩回，缩小微波辐射器之间的间距，直至g＝G时停止缩回；
如果G＜g＜G0，套管式波导的伸出，扩大微波辐射器之间的间距，直至g＝G时停止伸出；
如果g≥G0，微波发生器停止微波照射，试验结束；
式中，G为裂纹密度阈值下限；G0为裂纹密度阈值上限。
10.一种微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置的使用方法，在岩土工程现场采用权利要求1所述的微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置致裂硬岩，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在岩土工程现场安装微波参数主动调节旋转致裂深部硬岩装置；
S2、调整微波辐射器与硬岩微波照射面之间的距离至设定值；
S3、预热微波发生器，打开所有微波辐射器的输出端口；
S4、设置微波功率及照射时间，开启微波及启动微波致裂过程监测装置，致裂硬岩：
S4.1、硬岩微波照射面升温阶段，选择微波辐射器的类型：
红外热成像仪实时监测硬岩微波照射面的温度发送给控制器，控制器根据硬岩微波照射面的温度与照射时间的关系得到每个微波辐射器输出端口对应的硬岩微波照射面的升温速率v，控制器控制升温速率v最快的照射面位置对应的微波辐射器保持打开，控制其他微波辐射器的输出端口关闭；
步骤4.2、硬岩初始致裂时，调整微波辐射器的转速：
微波旋转装置带动微波辐射器旋转，破裂信号接受器采集硬岩破裂声波信号发送给控制器，控制器根据破裂声波信号得到硬岩初始破裂时间t，并进行如下判断：
如果t≤t1，保持微波辐射器的转速不变；
如果t＞t1，提高微波辐射器的转速至转速设定值V；
式中，t1为破裂时间阈值；
步骤4.3、硬岩致裂阶段，调整微波辐射器之间的间距：
高速摄像头实时拍摄硬岩的裂纹扩展图像发送给控制器，控制器根据裂纹扩展图像获取实时裂纹密度g，并进行如下判断：
如果g＜G，套管式波导的缩回，缩小微波辐射器之间的间距，直至g＝G时停止缩回；
如果G＜g＜G0，套管式波导的伸出，扩大微波辐射器之间的间距，直至g＝G时停止伸出；
如果g≥G0，微波发生器停止微波照射，试验结束；
式中，G为裂纹密度阈值下限；G0为裂纹密度阈值上限。
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