CN116858307B - 一种微波破岩热损伤及氡析出实时监测试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波破岩热损伤及氡析出实时监测试验装置及方法，该装置包括微波加热试验箱、热损伤实时监测系统、以及上位机；热损伤实时监测系统包括分布式光纤监测子系统和电阻率监测子系统；该方法包括：一、岩样制备和分类；二、注气；三、微波加热等功率试验组的岩样；四、微波加热等时间试验组的岩样；五、微波加热分段加热试验组的岩样；六、分析岩样。本发明将耐高温光纤布置于岩样表面，通过分布式光纤解调器实现对岩样表面温度的分布、裂纹扩展过程进行实时监测与分析；对微波破岩过程中实时高温条件下岩样破裂过程中氡析出量进行监测，揭示微波对氡析出影响机理，评估微波破岩对环境的影响。
Description
技术领域
本发明属于地下工程技术领域，尤其是涉及一种微波破岩热损伤及氡析出实时监测试验装置及方法。
背景技术
传统机械破岩技术在破碎强度高的硬岩时，存在刀具磨损、维修量大以及侵入率低等问题，直接影响了破岩效率。微波辅助机械破岩技术是混合型的破岩技术，它是通过引入微波系统对岩石进行预处理达到预先损伤、软化岩石的效果，提高了钻头的工作效率，从而实现机械高效破岩石，具有广泛的应用前景。
另外，氡(Rn)是一种射气，它是镭的衰变产物，在常温、常压状态下以气态形式存在，具有无色、无味、透明的性质，人们很难感知氡在环境中的存在，且有着较强的扩散能力。当其浓度超过100Bq/m3，会对人体健康和环境造成危害。岩石中因含有铀、镭、钍等放射性物质，存在氡析出的情况。因此，在微波破岩过程中氡的感知与评价是该技术发展过程中的重要组成部分。
然而，由于微波辐射对施工人员具有危害，很难在现场对上述产量进行实时感知。现有技术大多只关注了微波加热停止冷却后岩石的体积、波速、裂纹特征等参数的变化，且很少关注破岩过程中的氡析出情况。因此，基于现场微波破岩原理，研究出一种对微波破岩过程中的热损伤以及氡析出实时监测的试验装置和方法是十分必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种微波破岩热损伤及氡析出实时监测试验装置，在模拟微波破岩过程中，将耐高温光纤布置于岩样表面，通过分布式光纤解调器感知并解调光纤上的瑞利散射信号变化，可实现对岩样表面温度的分布、裂纹扩展过程进行实时监测与分析，揭示破岩过程中微波高温条件下温度分布特征、裂纹实时演化规律与岩石破坏的机理；利用石英连接杆体，将第一电阻率测试探头和第二电阻率测试探头分别与岩样连接，实时测定微波破岩过程中高温条件下岩样电阻率，实现了对微波破岩过程中岩样实时热损伤的量化，可实时评估岩样的破岩效果；对第一氡气传感器和第二氡气传感器的测量值取平均值，对微波破岩过程中实时高温条件下岩样破裂过程中氡析出量进行监测，揭示微波对氡析出影响机理，评估微波破岩对环境的影响；利用气体交换结构改变加热腔内的气体组分，可进行不同气体组分下破岩效果影响的系列试验，为预测不同气体环境下破岩效果提供指导。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种微波破岩热损伤及氡析出实时监测试验装置，其特征在于：包括用于放置岩样的微波加热试验箱、连接在所述岩样上的热损伤实时监测系统、以及与微波加热试验箱和所述热损伤实时监测系统均连接的上位机；
所述微波加热试验箱内设置有气体交换结构、氡析出监测系统、以及加热腔，所述岩样布设在所述加热腔内；
所述热损伤实时监测系统包括均连接在所述岩样上的分布式光纤监测子系统和电阻率监测子系统；所述分布式光纤监测子系统的输出信号、所述电阻率监测子系统的输出信号、气体交换结构的输出信号以及所述氡析出监测系统的输出信号均与所述上位机连接。
上述的一种微波破岩热损伤及氡析出实时监测试验装置，其特征在于：所述气体交换结构包括对称开设在所述加热腔顶部的注气孔和抽气孔，所述注气孔和抽气孔均与外界连通；所述加热腔的顶部还设置有多组气体浓度传感器；每组所述气体浓度传感器均包括布设在所述注气孔一侧的第一气体浓度传感器和布设在所述抽气孔一侧的第二气体浓度传感器；所述第一气体浓度传感器的输出信号和第二气体浓度传感器的输出信号均与所述上位机连接。
上述的一种微波破岩热损伤及氡析出实时监测试验装置，其特征在于：所述氡析出监测系统包括设置在所述加热腔顶部的第一氡气传感器和第二氡气传感器，所述第一氡气传感器的输出信号和第二氡气传感器的输出信号均与所述上位机连接；所述第一氡气传感器和第二氡气传感器布设在所述注气孔和抽气孔之间。
上述的一种微波破岩热损伤及氡析出实时监测试验装置，其特征在于：所述分布式光纤监测子系统包括缠绕在所述岩样上的耐高温光纤和设置在所述微波加热试验箱外侧且与所述耐高温光纤连接的分布式光纤解调器；所述分布式光纤解调器的输出信号与所述上位机连接。
上述的一种微波破岩热损伤及氡析出实时监测试验装置，其特征在于：所述电阻率监测子系统包括连接在所述岩样上的第一电阻率测试探头和第二电阻率测试探头、以及设置在所述微波加热试验箱外侧且与第一电阻率测试探头和第二电阻率测试探头连接的电阻率监测器；所述第一电阻率测试探头和第二电阻率测试探头均通过电线和电阻率监测器连接，所述电阻率监测器的输出信号与所述上位机连接。
上述的一种微波破岩热损伤及氡析出实时监测试验装置，其特征在于：所述岩样的两侧均水平设置有石英连接杆体，所述石英连接杆体的一端抵接在所述岩样上，所述石英连接杆体的另一端穿过所述微波加热试验箱延伸至所述微波加热试验箱外侧；所述第一电阻率测试探头和第二电阻率测试探头分别夹持在两侧的石英连接杆体上。
上述的一种微波破岩热损伤及氡析出实时监测试验装置，其特征在于：所述石英连接杆体和所述微波加热试验箱的连接处设置有石英密封圈。
本发明还提供一种微波破岩热损伤及氡析出实时监测试验装置对岩样进行实时监测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、岩样制备和分类：利用切割机将待试验的岩石切割成多个圆柱形结构的岩样，将多个所述岩样均分为三组，一组为等功率试验组，一组为等时间试验组，最后一组为分段加热试验组；
步骤二、注气：按照试验中对湿度的要求，通过注气孔向加热腔注气，并利用多组气体浓度传感器对加热腔内的气体浓度进行测量，利用氡析出监测系统对加热腔内的氡气浓度进行测量，并将测量数据存储至上位机中；
步骤三、微波加热等功率试验组的岩样，过程如下：
步骤301、将等功率试验组中的第一个岩样安装在加热腔的中心，启动微波加热试验箱并将微波加热试验箱的加热功率设定为加热目标功率W1，对岩样进行微波加热；
步骤302、利用多组气体浓度传感器对加热腔内的气体浓度进行测量；利用氡析出监测系统对加热腔内的氡气浓度进行测量；通过分布式光纤监测子系统对岩样的表面温度、裂纹的位置和大小进行测量，通过电阻率监测子系统分别对岩样的电阻进行测量，并将测量数据存储至上位机中；加热T1min后，关闭微波加热试验箱，并取出第一个岩样；其中，T1为试验加热时间，且T1的取值范围为1min～30min；
步骤303、重复步骤301和步骤302，将所述等功率试验组中剩余的岩样依次放入加热腔内进行微波加热，且所述等功率试验组中相邻两个岩样的加热时间相差1min；直至完成所述等功率试验组中所有岩样的微波加热；
步骤四、微波加热等时间试验组的岩样，过程如下：
步骤401、将等时间试验组中的第一个岩样安装在加热腔的中心，启动微波加热试验箱并将微波加热试验箱的初始加热功率设定为W2，对岩样进行微波加热；其中，W2的取值范围为1kW～30kW；
步骤402、利用多组气体浓度传感器对加热腔内的气体浓度进行测量；利用氡析出监测系统对加热腔内的氡气浓度进行测量；通过分布式光纤监测子系统对岩样的表面温度、裂纹的位置和大小进行测量，通过电阻率监测子系统分别对岩样的电阻进行测量，并将测量数据存储至上位机中；待达到等时间试验加热目标时间T2后，关闭微波加热试验箱，并取出第一个岩样；T2为等时间试验加热目标时间，且T2的取值范围为1min～30min；
步骤403、重复步骤401和步骤402，将所述等时间试验组中剩余的岩样依次放入加热腔内进行微波加热，且所述等时间试验组中相邻两个岩样的加热功率相差1kW；直至完成所述等时间试验组中所有岩样的微波加热；
步骤五、微波加热分段加热试验组的岩样，过程如下：
步骤501、将分段加热试验组中的第一个岩样安装在加热腔的中心，启动微波加热试验箱，对岩样进行微波加热；将分段加热目标时间T3等分成多个时间梯度，在第一个时间梯度内对岩样进行微波加热，分段加热初始功率设定为W3；其中，T3为分段加热目标时间，且T3的取值范围为1min～30min；W3的取值范围为1kW～30kW；
步骤502、利用多组气体浓度传感器对加热腔内的气体浓度进行测量；利用氡析出监测系统对加热腔内的氡气浓度进行测量；通过分布式光纤监测子系统对岩样的表面温度、裂纹的位置和大小进行测量，通过电阻率监测子系统分别对岩样的电阻进行测量，并将测量数据存储至上位机中；待结束第一个时间梯度后；维持微波加热试验箱的加热功率；
步骤503、重复步骤501和步骤502，增大微波加热试验箱的加热功率，使所述分段加热试验组中的第一个岩样在加热腔内继续进行微波加热，直至完成剩余时间梯度的微波加热，且第一个岩样中相邻两个时间梯度内的加热功率的差值范围为3kW～5kW；
步骤504、重复步骤501至步骤503，将所述分段加热试验组中剩余的岩样依次放入加热腔内进行微波加热，直至完成所述分段加热试验组中所有岩样的微波加热；
步骤六、分析岩样：将步骤三年至步骤五中存储至上位机中的测量数据在各自的坐标系中标出并进行对比，得到岩样的损伤率和电阻值的变化情况、以及加热腔内各气体浓度的变化情况。
上述的对岩样进行实时监测的方法，其特征在于：步骤三、步骤四和步骤五中，安装岩样的过程均相同，且安装岩样的过程如下：
步骤a、利用切割机将待实验的岩石切割成多个圆柱形结构的岩样，在岩样上缠绕耐高温光纤，并将岩样放置在加热腔的中心；
步骤b、将耐高温光纤从微波加热试验箱中引出并与分布式光纤解调器连接；
步骤c、从微波加热试验箱两侧插装石英连接杆体，使石英连接杆体伸入至微波加热试验箱内的端部和所述岩样抵接，所述石英连接杆体延伸至微波加热试验箱外侧的端部分别与所述第一电阻率测试探头和第二电阻率测试探头连接。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明在模拟微波破岩过程中，将耐高温光纤布置于岩样表面，通过分布式光纤解调器感知并解调光纤上的瑞利散射信号变化，可实现对岩样表面温度的分布、裂纹扩展过程进行实时监测与分析，揭示破岩过程中微波高温条件下温度分布特征、裂纹实时演化规律与岩石破坏的机理。
2、本发明利用石英连接杆体，将第一电阻率测试探头和第二电阻率测试探头分别与岩样连接，实时测定微波破岩过程中高温条件下岩样电阻率，实现了对微波破岩过程中岩样实时热损伤的量化，可实时评估岩样的破岩效果。
3、本发明对第一氡气传感器和第二氡气传感器的测量值取平均值，对微波破岩过程中实时高温条件下岩样破裂过程中氡析出量进行监测，揭示微波对氡析出影响机理，评估微波破岩对环境的影响。
4、本发明利用气体交换结构改变加热腔内的气体组分，可进行不同气体组分下破岩效果影响的系列试验，为预测不同气体环境下破岩效果提供指导。
综上所述，本发明在模拟微波破岩过程中，将耐高温光纤布置于岩样表面，通过分布式光纤解调器感知并解调光纤上的瑞利散射信号变化，可实现对岩样表面温度的分布、裂纹扩展过程进行实时监测与分析，揭示破岩过程中微波高温条件下温度分布特征、裂纹实时演化规律与岩石破坏的机理；利用石英连接杆体，将第一电阻率测试探头和第二电阻率测试探头分别与岩样连接，实时测定微波破岩过程中高温条件下岩样电阻率，实现了对微波破岩过程中岩样实时热损伤的量化，可实时评估岩样的破岩效果；对第一氡气传感器和第二氡气传感器的测量值取平均值，对微波破岩过程中实时高温条件下岩样破裂过程中氡析出量进行监测，揭示微波对氡析出影响机理，评估微波破岩对环境的影响；利用气体交换结构改变加热腔内的气体组分，可进行不同气体组分下破岩效果影响的系列试验，为预测不同气体环境下破岩效果提供指导。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的电路原理框图。
图3为本发明方法的流程框图。
附图标记说明:
1—岩样； 2—微波加热试验箱； 3—石英连接杆体；
4—第一电阻率测试探头；5—加热腔； 6—第二电阻率测试探头；
7—耐高温光纤； 8—第一气体浓度传感器；9—第一氡气传感器；
10—第二氡气传感器； 11—第二气体浓度传感器；12—注气孔；
13—抽气孔； 14—电阻率监测器； 15—分布式光纤解调器；
16—上位机； 17—电线。
具体实施方式
如图1和图2所示的一种微波破岩热损伤及氡析出实时监测试验装置，该装置包括用于放置岩样1的微波加热试验箱2、连接在所述岩样1上的热损伤实时监测系统、以及与微波加热试验箱2和所述热损伤实时监测系统均连接的上位机16；
所述微波加热试验箱2内设置有气体交换结构、氡析出监测系统、以及加热腔5，所述岩样1布设在所述加热腔5内；
所述热损伤实时监测系统包括均连接在所述岩样1上的分布式光纤监测子系统和电阻率监测子系统；所述分布式光纤监测子系统的输出信号、所述电阻率监测子系统的输出信号、气体交换结构的输出信号以及所述氡析出监测系统的输出信号均与所述上位机16连接。
本发明在模拟微波破岩过程中，将耐高温光纤7布置于岩样1表面，通过分布式光纤解调器15感知并解调光纤上的瑞利散射信号变化，可实现对岩样1表面温度的分布、裂纹扩展过程进行实时监测与分析，揭示破岩过程中微波高温条件下温度分布特征、裂纹实时演化规律与岩石破坏的机理。
本发明利用石英连接杆体3，将第一电阻率测试探头4和第二电阻率测试探头6分别与岩样1连接，实时测定微波破岩过程中高温条件下岩样1电阻率，实现了对微波破岩过程中岩样1实时热损伤的量化，可实时评估岩样1的破岩效果。
本发明对第一氡气传感器9和第二氡气传感器10的测量值取平均值，对微波破岩过程中实时高温条件下岩样1破裂过程中氡析出量进行监测，揭示微波对氡析出影响机理，评估微波破岩对环境的影响。
本发明利用气体交换结构改变加热腔5内的气体组分，可进行不同气体组分下破岩效果影响的系列试验，为预测不同气体环境下破岩效果提供指导。
需要说明的是，利用所述气体交换结构中的多组气体浓度传感器对加热腔5内的气体组分进行测量时，通过多组气体浓度传感器分别对水蒸气、氧气、氮气和二氧化碳等气体的浓度进行测量，通过对第一气体浓度传感器8和第二气体浓度传感器11的结果取均值，确保测量的准确性。
如图1和图2所示，本实施例中，所述气体交换结构包括对称开设在所述加热腔5顶部的注气孔12和抽气孔13，所述注气孔12和抽气孔13均与外界连通；所述加热腔5的顶部还设置有多组气体浓度传感器；每组所述气体浓度传感器均包括布设在所述注气孔12一侧的第一气体浓度传感器8和布设在所述抽气孔13一侧的第二气体浓度传感器11；所述第一气体浓度传感器8的输出信号和第二气体浓度传感器11的输出信号均与所述上位机16连接。
实际使用时，根据试验要求确定气体注气的组分，利用所述注气孔12和抽气孔13改变所述加热腔5内气体组分、空气湿度，可通过存储气体的气体瓶等存储容器进行注气；根据第一气体浓度传感器8和第二气体浓度传感器11传输的数据设置各气体组分浓度，并在上位机16设置微波加热的功率、时间。
如图1和图2所示，本实施例中，所述氡析出监测系统包括设置在所述加热腔5顶部的第一氡气传感器9和第二氡气传感器10，所述第一氡气传感器9的输出信号和第二氡气传感器10的输出信号均与所述上位机16连接；所述第一氡气传感器9和第二氡气传感器10布设在所述注气孔12和抽气孔13之间。
如图1和图2所示，本实施例中，所述分布式光纤监测子系统包括缠绕在所述岩样1上的耐高温光纤7和设置在所述微波加热试验箱2外侧且与所述耐高温光纤7连接的分布式光纤解调器15；所述分布式光纤解调器15的输出信号与所述上位机16连接。
实际使用时，所述微波加热试验箱2上开设有供所述耐高温光纤7穿过的通孔；同时需要对通孔做好密封，防止气体外泄。
如图1和图2所示，本实施例中，所述电阻率监测子系统包括连接在所述岩样1上的第一电阻率测试探头4和第二电阻率测试探头6、以及设置在所述微波加热试验箱2外侧且与第一电阻率测试探头4和第二电阻率测试探头6连接的电阻率监测器14；所述第一电阻率测试探头4和第二电阻率测试探头6均通过电线17和电阻率监测器14连接，所述电阻率监测器14的输出信号与所述上位机16连接。
如图1所示，本实施例中，所述岩样1的两侧均水平设置有石英连接杆体3，所述石英连接杆体3的一端抵接在所述岩样1上，所述石英连接杆体3的另一端穿过所述微波加热试验箱2延伸至所述微波加热试验箱2外侧；所述第一电阻率测试探头4和第二电阻率测试探头6分别夹持在两侧的石英连接杆体3上。
本实施例中，所述石英连接杆体3和所述微波加热试验箱2的连接处设置有石英密封圈。
如图1至图3所示的一种微波破岩热损伤及氡析出实时监测试验装置对岩样进行试验的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、岩样制备和分类：利用切割机将待试验的岩石切割成多个圆柱形结构的岩样1，将多个所述岩样1均分为三组，一组为等功率试验组，一组为等时间试验组，最后一组为分段加热试验组；
步骤二、注气：按照试验中对湿度的要求，通过注气孔12向加热腔5注气，并利用多组气体浓度传感器对加热腔5内的气体浓度进行测量，利用氡析出监测系统对加热腔5内的氡气浓度进行测量，并将测量数据存储至上位机16中；
步骤三、微波加热等功率试验组的岩样，过程如下：
步骤301、将等功率试验组中的第一个岩样1安装在加热腔5的中心，启动微波加热试验箱2并将微波加热试验箱2的加热功率设定为加热目标功率W1，对岩样1进行微波加热；
步骤302、利用多组气体浓度传感器对加热腔5内的气体浓度进行测量；利用氡析出监测系统对加热腔5内的氡气浓度进行测量；通过分布式光纤监测子系统对岩样1的表面温度、裂纹的位置和大小进行测量，通过电阻率监测子系统分别对岩样1的电阻进行测量，并将测量数据存储至上位机16中；加热T1min后，关闭微波加热试验箱2，并取出第一个岩样1；其中，T1为试验加热时间，且T1的取值范围为1min～30min；
步骤303、重复步骤301和步骤302，将所述等功率试验组中剩余的岩样1依次放入加热腔5内进行微波加热，且所述等功率试验组中相邻两个岩样1的加热时间相差1min；直至完成所述等功率试验组中所有岩样1的微波加热；
步骤四、微波加热等时间试验组的岩样，过程如下：
步骤401、将等时间试验组中的第一个岩样1安装在加热腔5的中心，启动微波加热试验箱2并将微波加热试验箱2的初始加热功率设定为W2，对岩样1进行微波加热；其中，W2的取值范围为1kW～30kW；
步骤402、利用多组气体浓度传感器对加热腔5内的气体浓度进行测量；利用氡析出监测系统对加热腔5内的氡气浓度进行测量；通过分布式光纤监测子系统对岩样1的表面温度、裂纹的位置和大小进行测量，通过电阻率监测子系统分别对岩样1的电阻进行测量，并将测量数据存储至上位机16中；待达到等时间试验加热目标时间T2后，关闭微波加热试验箱2，并取出第一个岩样1；T2为等时间试验加热目标时间，且T2的取值范围为1min～30min；
步骤403、重复步骤401和步骤402，将所述等时间试验组中剩余的岩样1依次放入加热腔5内进行微波加热，且所述等时间试验组中相邻两个岩样1的加热功率相差1kW；直至完成所述等时间试验组中所有岩样1的微波加热；
步骤五、微波加热分段加热试验组的岩样，过程如下：
步骤501、将分段加热试验组中的第一个岩样1安装在加热腔5的中心，启动微波加热试验箱2，对岩样1进行微波加热；将分段加热目标时间T3等分成多个时间梯度，在第一个时间梯度内对岩样1进行微波加热，分段加热初始功率设定为W3；其中，T3为分段加热目标时间，且T3的取值范围为1min～30min；W3的取值范围为1kW～30kW；
步骤502、利用多组气体浓度传感器对加热腔5内的气体浓度进行测量；利用氡析出监测系统对加热腔5内的氡气浓度进行测量；通过分布式光纤监测子系统对岩样1的表面温度、裂纹的位置和大小进行测量，通过电阻率监测子系统分别对岩样1的电阻进行测量，并将测量数据存储至上位机16中；待结束第一个时间梯度后；维持微波加热试验箱2的加热功率；
步骤503、重复步骤501和步骤502，增大微波加热试验箱2的加热功率，使所述分段加热试验组中的第一个岩样1在加热腔5内继续进行微波加热，直至完成剩余时间梯度的微波加热，且第一个岩样1中相邻两个时间梯度内的加热功率的差值范围为3kW～5kW；
步骤504、重复步骤501至步骤503，将所述分段加热试验组中剩余的岩样1依次放入加热腔5内进行微波加热，直至完成所述分段加热试验组中所有岩样1的微波加热；
步骤六、分析岩样：将步骤三年至步骤五中存储至上位机16中的测量数据在各自的坐标系中标出并进行对比，得到岩样1的损伤率和电阻值的变化情况、以及加热腔5内各气体浓度的变化情况。
步骤302、步骤402和步骤502中，利用气体浓度传感器对加热腔5内的气体浓度进行测量；利用氡析出监测系统对加热腔5内的氡气浓度进行测量；通过分布式光纤监测子系统对岩样1的表面温度、裂纹的位置和大小进行测量，通过电阻率监测子系统分别对岩样1的电阻进行测量时，均为实时测量，对反应岩样1变化的情况更为准确。
实际使用时，所述微波加热试验箱2为变频式微波加热装置，所述微波加热试验箱2的微波频率变换范围800MHz～3200MHz，在试验过程中，可先对所述微波加热试验箱2的微波频率进行确定，重复上述步骤一至步骤六，对该确定微波频率下的岩样1情况进行分析；然后更换所述微波加热试验箱2的微波频率，继续重复上述步骤一至步骤六，对变换微波频率后的岩样1情况进行分析，能更好的对岩样1进行分析；其中，相邻两次所述微波加热试验箱2的微波频率的差值为100MHz。
本实施例中，步骤三、步骤四和步骤五中，安装岩样1的过程均相同，且安装岩样1的过程如下：
步骤a、利用切割机将待实验的岩石切割成多个圆柱形结构的岩样1，在岩样1上缠绕耐高温光纤7，并将岩样1放置在加热腔5的中心；
步骤b、将耐高温光纤7从微波加热试验箱2中引出并与分布式光纤解调器15连接；
步骤c、从微波加热试验箱2两侧插装石英连接杆体3，使石英连接杆体3伸入至微波加热试验箱2内的端部和所述岩样1抵接，所述石英连接杆体3延伸至微波加热试验箱2外侧的端部分别与所述第一电阻率测试探头4和第二电阻率测试探头6连接。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (4)
1.一种微波破岩热损伤及氡析出实时监测试验装置，其特征在于：包括用于放置岩样（1）的微波加热试验箱（2）、连接在所述岩样（1）上的热损伤实时监测系统、以及与微波加热试验箱（2）和所述热损伤实时监测系统均连接的上位机（16）；
所述微波加热试验箱（2）内设置有气体交换结构、氡析出监测系统、以及加热腔（5），所述岩样（1）布设在所述加热腔（5）内；
所述热损伤实时监测系统包括均连接在所述岩样（1）上的分布式光纤监测子系统和电阻率监测子系统；所述分布式光纤监测子系统的输出信号、所述电阻率监测子系统的输出信号、气体交换结构的输出信号以及所述氡析出监测系统的输出信号均与所述上位机（16）连接；
所述气体交换结构包括对称开设在所述加热腔（5）顶部的注气孔（12）和抽气孔（13），所述注气孔（12）和抽气孔（13）均与外界连通；所述加热腔（5）的顶部还设置有多组气体浓度传感器；每组所述气体浓度传感器均包括布设在所述注气孔（12）一侧的第一气体浓度传感器（8）和布设在所述抽气孔（13）一侧的第二气体浓度传感器（11）；所述第一气体浓度传感器（8）的输出信号和第二气体浓度传感器（11）的输出信号均与所述上位机（16）连接；
所述氡析出监测系统包括设置在所述加热腔（5）顶部的第一氡气传感器（9）和第二氡气传感器（10），所述第一氡气传感器（9）的输出信号和第二氡气传感器（10）的输出信号均与所述上位机（16）连接；所述第一氡气传感器（9）和第二氡气传感器（10）布设在所述注气孔（12）和抽气孔（13）之间；
所述分布式光纤监测子系统包括缠绕在所述岩样（1）上的耐高温光纤（7）和设置在所述微波加热试验箱（2）外侧且与所述耐高温光纤（7）连接的分布式光纤解调器（15）；所述分布式光纤解调器（15）的输出信号与所述上位机（16）连接；
所述电阻率监测子系统包括连接在所述岩样（1）上的第一电阻率测试探头（4）和第二电阻率测试探头（6）、以及设置在所述微波加热试验箱（2）外侧且与第一电阻率测试探头（4）和第二电阻率测试探头（6）连接的电阻率监测器（14）；所述第一电阻率测试探头（4）和第二电阻率测试探头（6）均通过电线（17）和电阻率监测器（14）连接，所述电阻率监测器（14）的输出信号与所述上位机（16）连接；
所述岩样（1）的两侧均水平设置有石英连接杆体（3），所述石英连接杆体（3）的一端抵接在所述岩样（1）上，所述石英连接杆体（3）的另一端穿过所述微波加热试验箱（2）延伸至所述微波加热试验箱（2）外侧；所述第一电阻率测试探头（4）和第二电阻率测试探头（6）分别夹持在两侧的石英连接杆体（3）上。
2.根据权利要求1所述的一种微波破岩热损伤及氡析出实时监测试验装置，其特征在于：所述石英连接杆体（3）和所述微波加热试验箱（2）的连接处设置有石英密封圈。
3.根据权利要求1所述的一种微波破岩热损伤及氡析出实时监测试验装置对岩样进行实时监测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、岩样制备和分类：利用切割机将待试验的岩石切割成多个圆柱形结构的岩样（1），将多个所述岩样（1）均分为三组，一组为等功率试验组，一组为等时间试验组，最后一组为分段加热试验组；
步骤二、注气：按照试验中对湿度的要求，通过注气孔（12）向加热腔（5）注气，并利用多组气体浓度传感器对加热腔（5）内的气体浓度进行测量，利用氡析出监测系统对加热腔（5）内的氡气浓度进行测量，并将测量数据存储至上位机（16）中；
步骤三、微波加热等功率试验组的岩样，过程如下：
步骤301、将等功率试验组中的第一个岩样（1）安装在加热腔（5）的中心，启动微波加热试验箱（2）并将微波加热试验箱（2）的加热功率设定为加热目标功率W1，对岩样（1）进行微波加热；
步骤302、利用多组气体浓度传感器对加热腔（5）内的气体浓度进行测量；利用氡析出监测系统对加热腔（5）内的氡气浓度进行测量；通过分布式光纤监测子系统对岩样（1）的表面温度、裂纹的位置和大小进行测量，通过电阻率监测子系统分别对岩样（1）的电阻进行测量，并将测量数据存储至上位机（16）中；加热T1min后，关闭微波加热试验箱（2），并取出第一个岩样（1）；其中，T1为试验加热时间，且T1的取值范围为1min~30min；
步骤303、重复步骤301和步骤302，将所述等功率试验组中剩余的岩样（1）依次放入加热腔（5）内进行微波加热，且所述等功率试验组中相邻两个岩样（1）的加热时间相差1min；直至完成所述等功率试验组中所有岩样（1）的微波加热；
步骤四、微波加热等时间试验组的岩样，过程如下：
步骤401、将等时间试验组中的第一个岩样（1）安装在加热腔（5）的中心，启动微波加热试验箱（2）并将微波加热试验箱（2）的初始加热功率设定为W2，对岩样（1）进行微波加热；其中，W2的取值范围为1kW~30kW；
步骤402、利用多组气体浓度传感器对加热腔（5）内的气体浓度进行测量；利用氡析出监测系统对加热腔（5）内的氡气浓度进行测量；通过分布式光纤监测子系统对岩样（1）的表面温度、裂纹的位置和大小进行测量，通过电阻率监测子系统分别对岩样（1）的电阻进行测量，并将测量数据存储至上位机（16）中；待达到等时间试验加热目标时间T2后，关闭微波加热试验箱（2），并取出第一个岩样（1）；T2为等时间试验加热目标时间，且T2的取值范围为1min~30min；
步骤403、重复步骤401和步骤402，将所述等时间试验组中剩余的岩样（1）依次放入加热腔（5）内进行微波加热，且所述等时间试验组中相邻两个岩样（1）的加热功率相差1kW；直至完成所述等时间试验组中所有岩样（1）的微波加热；
步骤五、微波加热分段加热试验组的岩样，过程如下：
步骤501、将分段加热试验组中的第一个岩样（1）安装在加热腔（5）的中心，启动微波加热试验箱（2），对岩样（1）进行微波加热；将分段加热目标时间T3等分成多个时间梯度，在第一个时间梯度内对岩样（1）进行微波加热，分段加热初始功率设定为W3；其中，T3为分段加热目标时间，且T3的取值范围为1min~30min；W3的取值范围为1kW~30kW；
步骤502、利用多组气体浓度传感器对加热腔（5）内的气体浓度进行测量；利用氡析出监测系统对加热腔（5）内的氡气浓度进行测量；通过分布式光纤监测子系统对岩样（1）的表面温度、裂纹的位置和大小进行测量，通过电阻率监测子系统分别对岩样（1）的电阻进行测量，并将测量数据存储至上位机（16）中；待结束第一个时间梯度后；维持微波加热试验箱（2）的加热功率；
步骤503、重复步骤501和步骤502，增大微波加热试验箱（2）的加热功率，使所述分段加热试验组中的第一个岩样（1）在加热腔（5）内继续进行微波加热，直至完成剩余时间梯度的微波加热，且第一个岩样（1）中相邻两个时间梯度内的加热功率的差值范围为3kW~5kW；
步骤504、重复步骤501至步骤503，将所述分段加热试验组中剩余的岩样（1）依次放入加热腔（5）内进行微波加热，直至完成所述分段加热试验组中所有岩样（1）的微波加热；
步骤六、分析岩样：将步骤三年至步骤五中存储至上位机（16）中的测量数据在各自的坐标系中标出并进行对比，得到岩样（1）的损伤率和电阻值的变化情况、以及加热腔（5）内各气体浓度的变化情况。
4.根据权利要求3所述的对岩样进行实时监测的方法，其特征在于：步骤三、步骤四和步骤五中，安装岩样（1）的过程均相同，且安装岩样（1）的过程如下：
步骤a、利用切割机将待实验的岩石切割成多个圆柱形结构的岩样（1），在岩样（1）上缠绕耐高温光纤（7），并将岩样（1）放置在加热腔（5）的中心；
步骤b、将耐高温光纤（7）从微波加热试验箱（2）中引出并与分布式光纤解调器（15）连接；
步骤c、从微波加热试验箱（2）两侧插装石英连接杆体（3），使石英连接杆体（3）伸入至微波加热试验箱（2）内的端部和所述岩样（1）抵接，所述石英连接杆体（3）延伸至微波加热试验箱（2）外侧的端部分别与所述第一电阻率测试探头（4）和第二电阻率测试探头（6）连接。
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