CN211784785U - 破碎岩体试验用试样内部检测单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种破碎岩体试验用试样内部检测单元，试样内部检测单元包括设置在破碎岩体试验系统的压力室单元的内筒内的多个非接触式动态固液分离传感装置和设置在破碎岩体试验系统的压力室单元的内筒壁上的磁场定位部件；非接触式动态固液分离传感装置包括支撑固定骨架、固液分离刚性隔离网、电子陀螺仪、试样水压传感器、空间电磁定位传感器、数据同步集成处理电控机构、空间三向应力传感器、应力测试解调器；磁场定位部件包括上磁场定位部件和下磁场定位部件。本实用新型能够在对破碎岩体内部实现测量的前提下实现监测数据的准确性和全面性，能够为破碎岩体试验提供更准确的试验数据，特别适用于破碎岩体试验。

Description

破碎岩体试验用试样内部检测单元

技术领域

本实用新型涉及一种检测单元，具体是一种适用于破碎岩体试验的试样内部检测单元，属于岩土工程试验技术及装备领域。

背景技术

地下资源开采过程中，采空区上覆岩层在矿山压力作用下会产生剧烈的运动，导致顶板断裂和垮落，会对地下水系统造成破坏，破碎岩体稳定后会在上部岩层载荷的作用下逐渐压实，垮落破碎岩体的渗透性也发生显著变化，水在破碎岩体的渗流过程中，往往伴随不同粒径水平颗粒的流失，引起破碎岩体内部颗粒的重排和压实特性的改变，最终导致地表的沉陷变化。在现阶段“绿色采矿”和“科学采矿”的理念指导下，固体充填开采技术取得了重要发展，用于充填的破碎岩体或胶结破碎岩体对控制地表变形和保护含水层具有重要作用。因此，垮落和充填的破碎岩体压实过程中的渗透性对地下水系统的保护具有重要影响。

然而，在上部岩层的垮落冲击、工程机械的振动扰动、充填设备的周期性推压夯实等动载荷的影响下，垮落后的破碎岩体的变形、破裂和渗透等力学行为变得更加复杂。在这一背景下，许多关键科学问题的研究工作亟待开展，如：冲击扰动对破碎岩体重排效果的影响、周期振动压实对破碎岩体密实度的影响、复杂原位工程扰动对破碎岩体渗透性的影响等。由于破碎岩体的非均质性、结构及表面形状的多样性、随机性，且研究涉及颗粒运动、破裂、损伤、渗透等多种复杂问题，采用理论和数值模拟的研究手段具有显著局限性，实验室试验是该领域研究的主要研究手段之一。

如何在破碎岩体试验过程中对破碎岩体内部实现准确测量是影响试验数据准确性的关键。但是现有的针对破碎岩体的试验装置通常简单使用万能试验机进行试验，设备适应性差，无法同时对破碎岩体进行压实、渗透、动力的耦合试验。而现有的针对破碎岩体的试验方法通常是将简化后的冲击动载施加到岩体试样，一方面，动载荷的控制和施加不精确、且载荷形式简单，无法将现场测试得到的真实复杂的振动、冲击等动载信号在实验室精确地施加到破碎岩体，无法反映实际情况，进而导致实验结果与实际偏差较大；另一方面，对破碎岩体试验的监测结果大多是进出口液体压力、流量、试验机静载力、位移、不控制粒径的颗粒流失质量等，而无法对决定破碎岩体渗流特性的颗粒破裂分形特征、筒壁表面渗流路径、压力室内部渗透压力分布、控制最大粒径的颗粒流失质量、压力室筒壁侧压力和振动特性等重要参数进行监测。

因此，研制一种适用于破碎岩体试验的、能够对破碎岩体内部实现准确测量的试样内部检测单元，以使破碎岩体试验实现监测数据准确、全面，对推动绿色保水采矿技术领域的研究有重要作用，具有重要的实用价值。

发明内容

针对上述问题，本实用新型提供一种破碎岩体试验用试样内部检测单元及使用方法，能够在对破碎岩体内部实现测量的前提下实现监测数据的准确性和全面性，能够为破碎岩体试验提供更准确的试验数据，特别适用于破碎岩体试验。

为实现上述目的，本破碎岩体试验用试样内部检测单元包括设置在破碎岩体试验系统的压力室单元的内筒内的多个非接触式动态固液分离传感装置和设置在破碎岩体试验系统的压力室单元的内筒壁上的磁场定位部件；

所述的非接触式动态固液分离传感装置包括围成方形立体框架结构的支撑固定骨架和包裹设置于支撑固定骨架上的固液分离刚性隔离网，以方形立体框架结构空间对置的两个顶点为基准点，方形立体框架结构被划分为分别以顶点为中心、具有空间相邻三个面的第一部分和第二部分两个部分，第一部分的支撑固定骨架的内表面上固定设有电子陀螺仪、试样水压传感器、空间电磁定位传感器、数据同步集成处理电控机构，且空间电磁定位传感器定位设置在方形立体框架结构的空间几何中心位置，数据同步集成处理电控机构包括传感控制器、电源回路，传感控制器分别与电子陀螺仪、试样水压传感器、空间电磁定位传感器电连接，第二部分的支撑固定骨架位于空间相邻三个面的外表面上分别设有空间三向应力传感器、且弹性支撑固定骨架的内表面上固定设有分别与三向应力传感器电连接的应力测试解调器，应力测试解调器与数据同步集成处理电控机构的传感控制器电连接，相邻的刚性支撑固定骨架与弹性支撑固定骨架固定安装连接形成整体方形立体框架结构；各个数据同步集成处理电控机构的传感控制器分别与破碎岩体试验系统集中电控单元的计算机电连接；

所述的磁场定位部件包括固定设置于破碎岩体试验系统的压力室单元的内筒壁顶端平面内的上磁场定位部件和固定设置于破碎岩体试验系统的压力室单元的内筒壁底端平面内的下磁场定位部件，上磁场定位部件和下磁场定位部件分别设置为沿内筒壁直径方向布置的两件，两件上磁场定位部件的连线与两件下磁场定位部件的连线空间垂直设置；磁场定位部件与破碎岩体试验系统集中电控单元的计算机电连接。

作为本实用新型的进一步改进方案，非接触式动态固液分离传感装置是正方体结构。

作为本实用新型的进一步改进方案，方形立体框架结构的第一部分的支撑固定骨架是刚性支撑固定骨架；方形立体框架结构的第二部分的支撑固定骨架是弹性支撑固定骨架。

作为本实用新型的进一步改进方案，方形立体框架结构第一部分的支撑固定骨架的内表面上还固定设有试样温度传感器，试样温度传感器与数据同步集成处理电控机构的传感控制器电连接。

作为本实用新型的进一步改进方案，电子陀螺仪定位设置在方形立体框架结构的空间几何中心位置。

作为本实用新型的进一步改进方案，数据同步集成处理电控机构还包括与传感控制器电连接的传感数据存储器。

作为本实用新型的进一步改进方案，数据同步集成处理电控机构和破碎岩体试验系统集中电控单元的计算机均设有无线收发模块，数据同步集成处理电控机构和破碎岩体试验系统集中电控单元的计算机无线电连接。

作为本实用新型的进一步改进方案，位于方形立体框架结构六个面上的支撑固定骨架均呈十字交叉结构、且十字交叉结构的几何中心分别位于方形立体框架结构六个面的几何中心位置上。

作为本实用新型的进一步改进方案，方形立体框架结构的第一部分的内部设有连接各支撑固定骨架的刚性支撑筋。

与现有技术相比，本破碎岩体试验用试样内部检测单元由于设有多个均布埋设于破碎岩体试样中的非接触式动态固液分离传感装置和设置在破碎岩体试验系统的压力室单元的内筒壁上的磁场定位部件，因此试验前，破碎岩体试验系统的计算机对磁场定位部件供电产生磁场后，一方面可通过空间电磁定位传感器和电子陀螺仪获得各个非接触式动态固液分离传感装置位于压力室内的具体三维坐标位置数据和空间角度姿态数据，另一方面计算机可以控制各个非接触式动态固液分离传感装置初始状态时间同步、以便于后续加载试验；加载试验过程中，各个数据同步集成处理电控机构按照相同的设定时间周期通过空间电磁定位传感器和电子陀螺仪同步向计算机反馈各个非接触式动态固液分离传感装置位于压力室内的实时具体三维坐标位置数据及空间角度姿态数据，便于计算机计算并建立试样内部测试点分布变化模型；各个数据同步集成处理电控机构按照相同的设定时间周期向计算机反馈非接触式动态固液分离传感装置承受的来自破碎岩体试样的三向土压数据、来自压力室内的渗流液的水压数据，便于计算机分析获得三向土压数据的具体空间方向和对应的应力数据、并计算得到任意方向的应力场数据，然后在试样内部测试点分布变化模型的基础上构建破碎岩体试样内部应力模型，便于计算机获得水压力梯度分布数据，并在试样内部测试点动态分布模型的基础上构建破碎岩体试样内部渗透水水压梯度分布模型，能够在对破碎岩体内部实现测量的前提下实现监测数据的准确性和全面性，能够为破碎岩体试验提供更准确的试验数据，特别适用于破碎岩体试验。

附图说明

图1是破碎岩体多场耦合试验及监测系统的结构示意图；

图2是破碎岩体多场耦合试验及监测系统采用液压控制结构的压力室顶压头拆卸单元时的结构示意图；

图3是破碎岩体多场耦合试验及监测系统压力室单元的结构示意图；

图4是本实用新型非接触式动态固液分离传感装置的结构示意图；

图5是本实用新型非接触式动态固液分离传感装置的方形立体框架结构分为两个部分的结构示意图；

图6是本实用新型非接触式动态固液分离传感装置的方形立体框架结构第一部分的结构示意图；

图7是本实用新型非接触式动态固液分离传感装置的方形立体框架结构第二部分的结构示意图；

图8是本实用新型磁场定位部件的布置示意图；

图9是破碎岩体多场耦合试验及监测系统下透水板的剖视结构示意图；

图10是破碎岩体多场耦合试验及监测系统流失颗粒粒径控制网的设置示意图。

图中：1、整体式框架，2、液压泵站，3、主油缸，4、压力室底座，5、渗液出口通道，6、渗液处理装置，9、夹层筒壁，9-1、刚性导热内筒壁，9-2、环形岩筒夹层，9-3、中部隔离层，9-4、环形供热夹层，9-5、环形岩筒试样，9-6、环形岩筒夹层盖，9-7、隔热垫圈，10、上透水板，11、下透水板，12、供热夹层温度传感器，13、紧固螺栓，14、压力室顶压头，15、液体入孔，16、顶盖装卸孔，17、直流励磁线圈，19、原位扰动动态压力传感器，20、交流励磁线圈，21、定位压头，22、驱动齿轮，23、伸缩式装卸臂，24、齿条导轨，25、孔口注液压力传感器，26、主油缸状态监测传感器，27、非接触式动态固液分离传感装置，27-1、刚性支撑固定骨架，27-2、固液分离刚性隔离网，27-3、电子陀螺仪，27-4、试样水压传感器，27-5、试样温度传感器，27-6、空间定位传感器，27-7、数据同步集成处理电控机构，27-8、空间三向应力传感器，27-9、应力测试解调器，28、试验机信息集成控制模块，29、渗流液供给箱，30、渗流液泵送装置，31、渗流稳压装置，32、渗流泵送电控装置，33、直流供电模块，34、可控交流激励模块，35、扰动信号激励电控装置，36、计算机，38、压力室，39、流失颗粒粒径控制网，40、入口液体加热装置，41、入口液体温度调控装置，42、磁场定位部件。

a、a’、b、b’、c、c’、d、d’是非接触式动态固液分离传感装置的方形立体框架结构的顶点。

具体实施方式

下面以将本破碎岩体试验用试样内部检测单元应用于为研究复杂载荷条件下深部地热开采技术的破碎岩体多场耦合试验及监测系统为例，结合附图对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，破碎岩体多场耦合试验及监测系统包括整体式框架1、压力室单元、压力加载控制单元、渗透液体供给控制单元、原位扰动激励控制单元、试样内部检测单元和集中电控单元。

所述的压力加载控制单元固定设置在整体式框架1的内底部，包括液压泵站2和加载液压缸3，加载液压缸3竖直固定设置在整体式框架1上、且加载液压缸3的伸缩端竖直向上顶出设置，加载液压缸3通过液压管路和控制阀组与液压泵站2连接。

所述的压力室单元包括设置在整体式框架1内部的压力室38，如图3所示，压力室38包括压力室底座4、夹层筒壁9和压力室顶压头14；压力室底座4通过压力室底座定位安装部件同轴可拆卸定位安装在加载液压缸3的伸缩端顶端，压力室底座4内部设有贯穿压力室底座4设置的渗液出口通道5，渗液出口通道5的入口端与压力室底座4的顶平面贯通，渗液出口通道5的出口端通过出口渗液流量传感器连接渗液处理装置6，夹层筒壁9的底部同轴密闭固定设置在压力室底座4上，夹层筒壁9与压力室底座4共同围成桶型结构，夹层筒壁9内部沿其径向方向自内向外依次设有刚性导热内筒壁9-1、环形岩筒夹层9-2、环形供热夹层9-4和刚性绝热外筒壁，刚性导热内筒壁9-1上设有筒壁侧压力动态传感器和内筒壁温度传感器，环形岩筒试样9-5通过环形岩筒夹层盖9-6配合安装在环形岩筒夹层9-2内、且环形岩筒试样9-5的上下两端均设有隔热垫圈9-7，环形供热夹层9-4内部设有供热夹层温度传感器12和自下而上均布设置的电加热丝；刚性导热内筒壁9-1的内腔底部设有外径尺寸与刚性导热内筒壁9-1的内径尺寸配合的下透水板11，且如图9所示，下透水板11上均布设有多个与渗液出口通道5连通设置的透水通孔；压力室顶压头14同轴设置在夹层筒壁9的顶部、且压力室顶压头14底部的外径尺寸与刚性导热内筒壁9-1的内径尺寸配合，压力室顶压头14上设有贯穿压力室顶压头14的液体入孔15、且液体入孔15的孔口位置设有孔口注液压力传感器25，压力室顶压头14的底端设有外径尺寸与刚性导热内筒壁9-1的内径尺寸配合的上透水板10、且上透水板10上均布设有多个与液体入孔15连通设置的透水通孔，压力室顶压头14的顶端的对称中心位置设有凹形球面结构、且压力室顶压头14的顶部设有直流励磁线圈17，为了便于注液过程中的放气，液体入孔15可以额外设置一放气通道，可以在放气通道上设置放气控制阀，注液过程中可以通过开启放气控制阀实现放气，试验完毕后拆卸过程中也可以通过开启放气控制阀使破碎岩体试样进气去真空；渗液处理装置6包括固液分离机构，固液分离机构可以简单地采用滤网或滤袋结构、也可以采用旋流器等其他固液分离结构，固液分离机构上设有用于称量排出的试样岩粒的电子称。

所述的渗透液体供给控制单元包括渗流液泵送装置30和与渗流液泵送装置30电连接的渗流泵送电控装置32，渗流液泵送装置30的输入端通过管路与渗流液供给箱29连接，渗流液泵送装置30的输出端通过管路与入口液体加热装置40的输入端连接，入口液体加热装置40的输出端通过入口液体温度调控装置41和管路与液体入孔15连通连接。

所述的原位扰动激励控制单元包括扰动信号执行装置和扰动信号激励电控装置35；扰动信号执行装置包括定位压头21，定位压头21对应压力室顶压头14的位置竖直安装在整体式框架1上、且定位压头21上设有定位压头升降结构，定位压头21的底端是配合压力室顶压头14顶端的凹形球面结构设置的凸形球面结构，定位压头21上设有交流励磁线圈20，定位压头21或压力室顶压头14上还设有原位扰动动态压力传感器19；扰动信号激励电控装置35包括可控交流激励模块34和直流供电模块33，可控交流激励模块34与交流励磁线圈20电连接，直流供电模块33与直流励磁线圈17电连接。

所述的试样内部检测单元包括设置在压力室单元桶型结构内的多个非接触式动态固液分离传感装置27和设置在刚性导热内筒壁9-1上的磁场定位部件42；如图4所示，非接触式动态固液分离传感装置27包括围成方形立体框架结构的支撑固定骨架27-1和包裹设置于支撑固定骨架27-1上的固液分离刚性隔离网27-2，以方形立体框架结构空间对置的两个顶点(如图6、图7所示的顶点c’和顶点b)为基准点，方形立体框架结构被如图5所示划分为分别以顶点为中心、具有空间相邻三个面的第一部分和第二部分两个部分，如图6所示，第一部分的支撑固定骨架27-1采用能够减小变形误差、实现准确定位的刚性支撑固定骨架，且刚性支撑固定骨架的内表面上固定设有电子陀螺仪27-3、试样水压传感器27-4、试样温度传感器27-5、空间电磁定位传感器27-6、数据同步集成处理电控机构27-7，且空间电磁定位传感器27-6定位设置在方形立体框架结构的空间几何中心位置，数据同步集成处理电控机构27-7包括传感控制器、电源回路，传感控制器分别与电子陀螺仪27-3、试样水压传感器27-4、试样温度传感器27-5、空间电磁定位传感器27-6电连接，如图7所示，第二部分的支撑固定骨架27-1采用能够实现弹性变形、并通过骨架变形测试三向应力的刚度较大的弹性支撑固定骨架，弹性支撑固定骨架位于空间相邻三个面的外表面上分别设有空间三向应力传感器27-8、且弹性支撑固定骨架的内表面上固定设有分别与三向应力传感器27-8电连接的应力测试解调器27-9，应力测试解调器27-9与数据同步集成处理电控机构27-7的传感控制器电连接，相邻的刚性支撑固定骨架与弹性支撑固定骨架固定安装连接；如图8所示，磁场定位部件42包括固定设置于刚性导热内筒壁9-1顶端平面内的上磁场定位部件和固定设置于刚性导热内筒壁9-1底端平面内的下磁场定位部件，上磁场定位部件和下磁场定位部件分别设置为沿刚性导热内筒壁9-1径向方向布置的两件，两件上磁场定位部件的连线与两件下磁场定位部件的连线空间垂直设置。

所述的集中电控单元包括计算机36、数据采集模块28、压力加载控制回路、温度控制回路、注液控制回路、原位扰动激励控制回路、试样内部检测控制回路、数据分析计算回路，计算机36分别与液压泵站2、渗流泵送电控装置32、入口液体温度调控装置41、扰动信号激励电控装置35、数据采集模块28、磁场定位部件42和环形供热夹层9-4的电加热丝电连接，数据采集模块28分别与孔口注液压力传感器25、出口渗液流量传感器、筒壁侧压力动态传感器、供热夹层温度传感器12、原位扰动动态压力传感器19、数据同步集成处理电控机构27-7、渗液处理装置6的电子称电连接。

使用破碎岩体多场耦合试验及监测系统在进行试验前，先将夹层筒壁9与压力室底座4固定安装形成桶型结构的压力室38，将环形岩筒试样9-5通过隔热垫圈9-7安装在环形岩筒夹层9-2内后加装环形岩筒夹层盖9-6，然后将单一种类破碎岩体试样或不同岩性及粒径的层状组合破碎岩体试样、和多个非接触式动态固液分离传感装置27置入压力室38内、并使多个非接触式动态固液分离传感装置27均布设置在破碎岩体试样内，然后加装压力室顶压头14，调整定位压头21上的升降结构使定位压头21上移让位后，将压力室38整体吊装或通过平移输送机送入整体式框架1内，并通过加载液压缸3伸缩端顶面上的定位结构和压力室底座定位安装部件将压力室底座4同轴定位安装在加载液压缸3的伸缩端顶端，再次调整定位压头21上的升降结构使定位压头21下降并与贴近压力室顶压头14后连接水路管路和电气管路，即可启动集中电控单元。

计算机36首先给磁场定位部件42通电产生磁场，通过空间电磁定位传感器27-6和电子陀螺仪27-3的实时反馈，计算机36一方面获得各个非接触式动态固液分离传感装置27位于压力室38内的具体三维坐标位置数据和空间角度姿态数据，另一方面实现各个非接触式动态固液分离传感装置27初始状态时间同步；计算机36通过控制环形供热夹层9-4的电加热丝可以实现对环形岩筒试样9-5的加热、进而实现环形岩筒试样9-5与破碎岩体试样之间的热交换，通过内筒壁温度传感器和非接触式动态固液分离传感装置27的温度反馈便于研究岩石与岩石之间的热交换规律；计算机36通过控制入口液体温度调控装置41可以实现对注入的渗流液进行加热，便于研究不同温度的渗流液对破碎岩体渗流场的影响。

试验过程中，计算机36通过压力加载控制回路控制液压泵站2工作使加载液压缸3顶升对压力室38内的破碎岩体试样输入压力载荷，同时计算机36通过注液控制回路控制渗流泵送电控装置32工作使渗流液经入口液体加热装置40、入口液体温度调控装置41加热后进入液体入孔15，计算机36通过试样内部检测控制回路控制各个非接触式动态固液分离传感装置27同时工作；各个数据同步集成处理电控机构27-7按照相同的设定时间周期通过空间电磁定位传感器27-6和电子陀螺仪27-3同步向数据采集模块28反馈各个非接触式动态固液分离传感装置27位于压力室38内的具体三维坐标位置数据及空间角度姿态数据，计算机36根据数据采集模块28采集的各个非接触式动态固液分离传感装置27的具体三维坐标位置数据及空间角度姿态数据和内置程序计算并建立试样内部测试点动态分布模型；各个数据同步集成处理电控机构27-7按照相同的设定时间周期向数据采集模块28反馈非接触式动态固液分离传感装置27承受的来自破碎岩体试样的三向土压数据、来自压力室38内的渗流液的水温数据及水压数据，计算机36根据数据采集模块28采集的三向土压数据和电子陀螺仪27-3反馈的空间角度姿态数据、应力测试解调器27-9反馈的应力数据分析获得三向土压数据的具体空间方向和对应的应力数据、并通过差值法计算得到任意方向的应力场数据，然后在试样内部测试点动态分布模型的基础上构建破碎岩体试样内部应力模型，计算机36根据数据采集模块28采集的渗流液的水温数据及水压数据和内置程序计算获得温度场数据、水压力梯度分布数据，并在试样内部测试点动态分布模型的基础上构建破碎岩体试样内部温度模型、破碎岩体试样内部渗透水水压梯度分布模型；原位扰动动态压力传感器19实时向数据采集模块28反馈压力室顶压头14承受的压力数据，孔口注液压力传感器25实时向数据采集模块28反馈注入的渗流液初始压力数据，出口渗液流量传感器实时向数据采集模块28反馈排出的渗流液压力数据，筒壁侧压力动态传感器实时向数据采集模块28反馈刚性导热内筒壁9-1对破碎岩体试样的围压数据，内筒壁温度传感器实时向数据采集模块28反馈刚性导热内筒壁9-1的温度数据，渗液处理装置6的电子称向数据采集模块28反馈渗漏排出的岩粒的质量数据，计算机36分别对数据采集模块28采集的压力室顶压头14承受的压力数据、注入的渗流液初始压力数据、排出的渗流液压力数据、刚性导热内筒壁9-1的围压数据、刚性导热内筒壁9-1的温度数据、排出的岩粒质量数据进行误差分析计算和均值输出；

进行静载试验时，计算机36控制加载液压缸3输出稳定的额定静载荷，可模拟破碎岩体承受长时稳定载荷的情况；

进行静载+预设动载荷试验时，在计算机36中设定静载荷大小、加载速度、动载荷的形式、周期、振幅、峰值大小、循环次数、叠加方式等特征数据，然后计算机36控制加载液压缸3输出稳定的额定静载荷的同时，计算机36通过原位扰动激励控制回路控制扰动信号激励电控装置35工作使直流励磁线圈17和交流励磁线圈20产生磁通，定位压头21和压力室顶压头14之间产生电磁力，定位压头21和压力室顶压头14发生相对激振实现静载扰动，可模拟破碎岩体在承受长时稳定载荷的同时承受预设形式的周期性扰动载荷、冲击载荷等载荷叠加作用的情况；

进行静载+原位扰动载荷或修改后的原位扰动载荷试验时，在计算机36中设定静载荷大小、加载速度，然后将现场测到的原位扰动信号导入计算机36中，然后在计算机36中设定原位扰动的介入条件，或者先对原位扰动信号进行人为修改(如调整原位扰动信号峰值大小模拟极端条件、叠加周期载荷或冲击载荷模拟多种扰动因素的叠加影响等)再设定修改后的原位扰动介入条件；然后计算机36控制加载液压缸3输出稳定的额定静载荷的同时，计算机36监控静载加载状态，当静载加载条件达到设定的原位扰动介入条件时，计算机36通过原位扰动激励控制回路控制扰动信号激励电控装置35工作使直流励磁线圈17和交流励磁线圈20产生磁通，定位压头21和压力室顶压头14之间产生电磁力，定位压头21和压力室顶压头14发生相对激振实现原位扰动或修改后的原位扰动，可模拟破碎岩体在承受静载荷的同时承受原位扰动载荷或修改后的原位扰动载荷的情况。

由于试验加载过程中破碎岩体试样被压实成为密实的一体结构，且注液过程使破碎岩体试样内部的裂隙充斥渗透液体，因此密实的一体结构破碎岩体试样内部呈几乎真空的状态，这样就造成试验完成后压力室顶压头14与密实的一体结构破碎岩体试样压实黏连、难以分离，进而造成试样很难被取出。为了便于取出试样，夹层筒壁9的底部通过紧固螺栓13同轴密闭固定安装在压力室底座4上；破碎岩体多场耦合试验及监测系统还包括压力室顶压头拆卸单元，压力室顶压头拆卸单元包括设置在整体式框架1上的压力室顶压头升降控制机构和安装在压力室顶压头升降控制机构上的定位压座夹持机构，定位压座夹持机构用于在试验完成后拆卸压力室顶压头14时对压力室顶压头14进行夹持定位，压力室顶压头升降控制机构用于在试验完成后拆卸压力室顶压头14时对压力室顶压头14进行升降动作，压力室顶压头升降控制机构和定位压座夹持机构分别与计算机36电连接，在试验完成后拆卸压力室顶压头14时，通过控制压力室顶压头升降控制机构和定位压座夹持机构的动作可以实现对压力室顶压头14进行提升动作，进而实现压力室顶压头14与密实的一体结构破碎岩体试样的分离拆卸，完成拆卸压力室顶压头14并将压力室38移出整体式框架1后，通过向压力室38内注水和拆卸紧固螺栓13，可以实现夹层筒壁9与试样的分离拆卸。

作为压力室顶压头拆卸单元的一种实施方式，压力室顶压头升降控制机构是如图1所示的相对于压力室顶压头14中心对称设置的齿轮齿条结构，包括齿条导轨24和驱动齿轮22，齿条导轨24竖直固定安装在整体式框架1上，具有驱动电机的驱动齿轮22啮合配合设置在齿条导轨24上、且驱动齿轮22通过驱动齿轮支撑架竖直方向滑移配合安装在整体式框架1上，驱动齿轮支撑架与整体式框架1之间设有如T型槽结构、燕尾槽结构等水平限位结构，水平限位结构可以限制驱动齿轮支撑架脱离整体式框架1；定位压座夹持机构是如图1所示的水平伸缩夹持结构，包括水平安装在驱动齿轮支撑架上的伸缩式装卸臂23，压力室顶压头14上对应伸缩式装卸臂23的位置上还设有顶盖装卸孔16。拆卸压力室顶压头14时，先控制驱动齿轮22动作使伸缩式装卸臂23对正顶盖装卸孔16，然后控制伸缩式装卸臂23伸出并穿入顶盖装卸孔16内，然后控制驱动齿轮22动作使驱动齿轮支撑架整体举升，即可实现压力室顶压头14的拆卸。

作为压力室顶压头拆卸单元的另一种实施方式，压力室顶压头升降控制机构是如图2所示的相对于压力室顶压头14中心对称设置的液压缸结构，包括定位压座升降液压缸，定位压座升降液压缸是缸底端低、伸缩端高倾斜设置，定位压座升降液压缸的缸底端铰接安装在整体式框架1上，定位压座升降液压缸通过液压管路和控制阀组与液压泵站2连接；定位压座夹持机构是如图2所示的卡口夹持结构，包括铰接安装在定位压座升降液压缸的伸缩端端部的夹持卡块，压力室顶压头14上对应夹持卡块的位置上还设有限位卡环结构。拆卸压力室顶压头14时，控制定位压座升降液压缸伸出使夹持卡块卡接在压力室顶压头14的限位卡环结构上后，继续控制定位压座升降液压缸伸出，由于定位压座升降液压缸倾斜设置，因此定位压座升降液压缸继续伸出时夹持卡块受力分解为两部分，一部分是沿压力室顶压头14径向方向的夹持力，另一部分是沿压力室顶压头14轴向方向的举升力，即可实现压力室顶压头14的拆卸。

为了避免原位扰动激励控制单元加载时影响动载控制精度，同时为了提高非接触式动态固液分离传感装置27的电磁定位精度，整体式框架1表面设有磁屏蔽包裹层，磁屏蔽包裹层的设置可以在原位扰动激励控制单元加载时避免因电磁场对整体式框架1的磁化作用而造成的动载控制精度降低的现象，可以在通过磁场定位部件42定位非接触式动态固液分离传感装置27时避免因电磁场对整体式框架1的磁化作用而造成的非接触式动态固液分离传感装置27定位精度降低的现象。

为了实现监测控制最大粒径条件下的颗粒流失质量、且实现防堵效果，如图10所示，下透水板11上方还设有可更换的流失颗粒粒径控制网39，且流失颗粒粒径控制网39的孔径小于下透水板11的透水通孔的孔径。通过更换不同孔径的流失颗粒粒径控制网39，可以实现控制颗粒流失的最大粒径，同时可以实现下透水板11的防堵效果，进而提高下透水板11的使用寿命。

由于破碎岩体具有显著的非均质性，而地下多种岩样混合分层布置的形式更加剧了破碎岩体的非均质性，因此为了便于研究多种岩样混合分层布置形式下不同种类岩样及不同种类岩样的分布厚度、不同的加载压力与渗流形式之间的关系，加载液压缸3上设有与数据采集模块28电连接的主油缸状态监测传感器26。试验过程中，主油缸状态监测传感器26实时向数据采集模块28反馈加载液压缸3的输出压力数据，计算机36对数据采集模块28采集的加载液压缸3的输出压力数据进行误差分析计算和均值输出。

为了保证注入的渗流液初始压力的稳定性、进而得到更准确的试验数据，渗透液体供给控制单元还包括渗流稳压装置31，渗流液泵送装置30的输出端通过渗流稳压装置31和管路与液体入孔15连通连接。

为了使环形岩筒试样9-5的温度分布可以控制得更加均匀，环形岩筒夹层9-2与环形供热夹层9-4之间还设有中部隔离层9-3，中部隔离层9-3的设置可以避免电加热丝与环形岩筒试样9-5直接接触，进而可以使环形岩筒试样9-5的温度分布可以控制得更加均匀。

为了提高非接触式动态固液分离传感装置27反馈数据的安全性、防止数据丢失，作为本实用新型的进一步改进方案，数据同步集成处理电控机构27-7还包括与传感控制器电连接的传感数据存储器。试验过程中，各个数据同步集成处理电控机构27-7按照相同的设定时间周期向数据采集模块28反馈数据的同时，分别通过传感数据存储器进行存储，试验完成后可取出非接触式动态固液分离传感装置27导出数据，实现提高数据的安全性。

为了避免非接触式动态固液分离传感装置27采用有线布置方式时因导线的设置在加载试验过程中对数据测量准确度造成影响，作为本实用新型的进一步改进方案，数据同步集成处理电控机构27-7和数据采集模块28均设有无线收发模块，数据同步集成处理电控机构27-7和数据采集模块28无线电连接。

为了准确反馈非接触式动态固液分离传感装置27在受挤压发生变形、位置姿态变化时的变化情况、且便于安装传感器，作为本实用新型的进一步改进方案，非接触式动态固液分离传感装置27是正方体结构。

为了准确反馈非接触式动态固液分离传感装置27在受挤压发生位置姿态变化时的变化情况，作为本实用新型的进一步改进方案，电子陀螺仪27-3也定位设置在方形立体框架结构的空间几何中心位置。

为了便于安装传感器、且保证足够的支撑强度，作为本实用新型的进一步改进方案，位于方形立体框架结构六个面上的支撑固定骨架27-1均呈十字交叉结构、且十字交叉结构的几何中心分别位于方形立体框架结构六个面的几何中心位置上。

为了保证足够的支撑强度，作为本实用新型的进一步改进方案，方形立体框架结构的第一部分的内部设有连接各支撑固定骨架27-1的刚性支撑筋。

本破碎岩体试验用试样内部检测单元便于计算机分析获得三向土压数据的具体空间方向和对应的应力数据、并计算得到任意方向的应力场数据，然后构建破碎岩体试样内部应力模型，便于计算机获得水压力梯度分布数据、构建破碎岩体试样内部渗透水水压梯度分布模型，能够在对破碎岩体内部实现测量的前提下实现监测数据的准确性和全面性，能够为破碎岩体试验提供更准确的试验数据，特别适用于破碎岩体试验。

Claims (9)

1.一种破碎岩体试验用试样内部检测单元，其特征在于，包括设置在破碎岩体试验系统的压力室单元的内筒内的多个非接触式动态固液分离传感装置(27)和设置在破碎岩体试验系统的压力室单元的内筒壁上的磁场定位部件(42)；

所述的非接触式动态固液分离传感装置(27)包括围成方形立体框架结构的支撑固定骨架(27-1)和包裹设置于支撑固定骨架(27-1)上的固液分离刚性隔离网(27-2)，以方形立体框架结构空间对置的两个顶点为基准点，方形立体框架结构被划分为分别以顶点为中心、具有空间相邻三个面的第一部分和第二部分两个部分，第一部分的支撑固定骨架(27-1)的内表面上固定设有电子陀螺仪(27-3)、试样水压传感器(27-4)、空间电磁定位传感器(27-6)、数据同步集成处理电控机构(27-7)，且空间电磁定位传感器(27-6)定位设置在方形立体框架结构的空间几何中心位置，数据同步集成处理电控机构(27-7)包括传感控制器、电源回路，传感控制器分别与电子陀螺仪(27-3)、试样水压传感器(27-4)、空间电磁定位传感器(27-6)电连接，第二部分的支撑固定骨架(27-1)位于空间相邻三个面的外表面上分别设有空间三向应力传感器(27-8)、且第二部分的支撑固定骨架(27-1)的内表面上固定设有分别与三向应力传感器(27-8)电连接的应力测试解调器(27-9)，应力测试解调器(27-9)与数据同步集成处理电控机构(27-7)的传感控制器电连接，相邻的刚性支撑固定骨架与弹性支撑固定骨架固定安装连接形成整体方形立体框架结构；各个数据同步集成处理电控机构(27-7)的传感控制器分别与破碎岩体试验系统集中电控单元的计算机(36)电连接；

所述的磁场定位部件(42)包括固定设置于破碎岩体试验系统的压力室单元的内筒壁顶端平面内的上磁场定位部件和固定设置于破碎岩体试验系统的压力室单元的内筒壁底端平面内的下磁场定位部件，上磁场定位部件和下磁场定位部件分别设置为沿内筒壁直径方向布置的两件，两件上磁场定位部件的连线与两件下磁场定位部件的连线空间垂直设置；磁场定位部件(42)与破碎岩体试验系统集中电控单元的计算机(36)电连接。

2.根据权利要求1所述的破碎岩体试验用试样内部检测单元，其特征在于，非接触式动态固液分离传感装置(27)是正方体结构。

3.根据权利要求1所述的破碎岩体试验用试样内部检测单元，其特征在于，方形立体框架结构的第一部分的支撑固定骨架(27-1)是刚性支撑固定骨架；方形立体框架结构的第二部分的支撑固定骨架(27-1)是弹性支撑固定骨架。

4.根据权利要求1或2或3所述的破碎岩体试验用试样内部检测单元，其特征在于，方形立体框架结构第一部分的支撑固定骨架(27-1)的内表面上还固定设有试样温度传感器(27-5)，试样温度传感器(27-5)与数据同步集成处理电控机构(27-7)的传感控制器电连接。

5.根据权利要求1或2或3所述的破碎岩体试验用试样内部检测单元，其特征在于，电子陀螺仪(27-3)定位设置在方形立体框架结构的空间几何中心位置。

6.根据权利要求1或2或3所述的破碎岩体试验用试样内部检测单元，其特征在于，数据同步集成处理电控机构(27-7)还包括与传感控制器电连接的传感数据存储器。

7.根据权利要求1或2或3所述的破碎岩体试验用试样内部检测单元，其特征在于，数据同步集成处理电控机构(27-7)和破碎岩体试验系统集中电控单元的计算机(36)均设有无线收发模块，数据同步集成处理电控机构(27-7)和破碎岩体试验系统集中电控单元的计算机(36)无线电连接。

8.根据权利要求1或2或3所述的破碎岩体试验用试样内部检测单元，其特征在于，位于方形立体框架结构六个面上的支撑固定骨架(27-1)均呈十字交叉结构、且十字交叉结构的几何中心分别位于方形立体框架结构六个面的几何中心位置上。

9.根据权利要求1或2或3所述的破碎岩体试验用试样内部检测单元，其特征在于，方形立体框架结构的第一部分的内部设有连接各支撑固定骨架(27-1)的刚性支撑筋。

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