CN212301381U - 多点全方位co2相变致裂压力时程曲线测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统，系统包括：变长多尺寸二氧化碳相变致裂器、二氧化碳相变致裂器充填设备、应力测试计、套筒式承能仓和动态应变测试仪；利用二氧化碳相变致裂在岩体内部激发应力波的特点，通过应力波衰减规律反演二氧化碳相变致裂时致裂孔孔壁处峰值荷载；通过多次室内试验，建立剪切片强度、CO₂充装量、套筒式承能仓各泄气孔合理泄压面积之间的函数关系式，并用得到的函数关系确定任意剪切片强度、CO₂充装量条件下的合理泄压面积；本实用新型提供的系统有益效果是：采用此系统测试获得的二氧化碳相变荷载压力时候曲线准确度高，能够作为二氧化碳相变荷载测试的有效手段。

Description

多点全方位CO2相变致裂压力时程曲线测试系统

技术领域

本实用新型涉及勘探岩土建筑领域，尤其涉及采用原位测试与室内试验相结合的多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统。

背景技术

二氧化碳相变致裂目前是炸药爆破最有效的替代手段，二氧化碳相变致裂对岩石介质做功的能量来源为超临界二氧化碳气化时的膨胀能，与炸药爆破相比，二氧化碳相变致裂具有威力大，振动小，无污染，无火花等优点。二氧化碳相变致裂原材料液态二氧化碳不属于管制品，其工业应用前景广阔。目前，此技术已被广泛运用于市政工程、玉石开采、水下爆破、煤层增透等方面的岩体开挖工程中。现阶段二氧化碳相变致裂理论仍落后于实际，明晰二氧化碳相变致裂荷载是二氧化碳相变致裂荷载理论研究的重要环节。

目前，二氧化碳相变致裂荷载定量描述时多采用TNT当量法，该方法中二氧化碳相变致裂荷载常常被等效为同断面等压荷载。实际上，二氧化碳相变致裂时，泄能口对应的孔壁所受峰值压力较不与泄能口相对的孔壁峰值压力更大，TNT当量法不能很好的描述二氧化碳相变致裂这一荷载特征。除此之外，部分学者采用二氧化碳相变致裂时程曲线描述二氧化碳相变致裂荷载，时程曲线测试方法主要有三种，一种是二氧化碳相变致裂管膛压测试，膛压测试的压力是二氧化碳相变致裂管中的压力，这与二氧化碳相变致裂器泄能口喷射口处的气体压力之间存在一定的差异，不能准确反映二氧化碳相变泄出压力；一种是采用卧式钢管内置二氧化碳相变致裂器，对钢管进行气动加载，沿致裂器长度方向设置一排传感器，测试沿致裂器长度方向各点的压力时程曲线，此方法仅仅测试了二氧化碳相变致裂器的沿程压降，无法测试二氧化碳相变致裂的同断面不等压荷载；此外，还有一种压力时程曲线获取方法，该方法利用PVDF压电薄膜传感器开展相变致裂荷载原位测试，测试时压电薄膜传感器设置在致裂器外壁，此方法测试获得的压力时程曲线无法准确描述泄能口正对孔壁岩石所受荷载，存在一定的误差。

实用新型内容

由于现有测试方法获取的相变致裂压力时程曲线与原位测试结果存在一定误差，且无法准确描述实际相变致裂时同断面不等压的特点，有鉴于此，本实用新型设计了一套多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统，采用该系统测试的压力时程曲线不仅能有效反映二氧化碳相变致裂同断面不等压的特点，还能充分反映二氧化碳相变致裂器的沿程压力损失，是一种高精度二氧化碳相变致裂压力时程曲线测试系统。

本实用新型提供的多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统，所述测试系统包括以下：

应力测试计、二氧化碳相变致裂器和套筒式承能仓；

所述应力测试计，包括光面钢筋和铁片；所述光面钢筋从上至下均匀间隔设置有4个应变监测点；每个应变监测点均设置有三个铁片；三个铁片之间两两互相垂直，且其中一个铁片沿所述光面钢筋轴向贴合设置于所述光面钢筋的外表面；

所述二氧化碳相变致裂器，包括充装头、电阻芯、活化器、储液管、泄能头和剪切片；所述充装头和所述泄能头均通过螺纹与所述储液管连接；所述电阻芯设置安装于所述充装头内部；所述活化器和所述充装头通过插槽连接；所述剪切片位于所述储液管和所述泄能头之间，用于控制二氧化碳相变致裂泄爆压力；所述泄能头的侧壁上对称设置有两个泄能口；

所述套筒式承能仓，包括承能仓仓筒、高频弹道压力传感器、护盖、贯通孔和拉环；所述承能仓仓筒从上至下均匀间隔设置有4组所述高频弹道压力传感器，每组4个所述高频弹道压力传感器，且相邻两组所述高频弹道压力传感器之间的间隔与相邻两个所述应变监测点之间的间隔一致；在套筒式承能仓横断面内任选一个方向为标准走向，每组4个所述高频弹道压力传感器分别设置在与所述套筒式承能仓标准走向成0°、30°、60°和90°夹角处；所述承能仓仓筒底部密封，顶部设置有护盖；所述护盖与所述承能仓仓筒通过螺纹连接；所述护盖中心设置有贯通的泄气孔，并设置有拉环；

所述二氧化碳相变致裂器的外部设置有环形固定圈；所述环形固定圈的外径与所述承能仓仓筒的内径一致；所述二氧化碳相变致裂器与所承能仓仓筒相契合；所述二氧化碳相变致裂器插入所述套筒承能仓，并被所述套筒式承能仓的护盖固定于所述承能仓仓筒中。

进一步地，所述应力测试计还包括原岩垫片和应变片；所述原岩垫片由原岩切割磨平，大小与所述铁片匹配；所述原岩垫片有12个，与所述铁片之间一一对应；所述原岩垫片的下表面通过环氧树脂与所述铁片耦合，上表面通过环氧树脂耦合粘贴有一个应变片；所述应变片、所述原岩垫片和所述铁片均呈长条形，且长轴方向平行。

进一步地，所述套筒式承能仓还包括泄气孔；所述泄气孔的面积可通过旋转挡片进行调节，每个所述高频弹道压力传感器下方的承能仓仓筒的侧壁上设置有一个所述泄气孔；所述泄气孔分别设置在与所述套筒式承能仓标准走向成0°、30°、60°和90°夹角处。所述一种多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统还包括二氧化碳相变致裂器充填设备和动态应变测试仪；所述二氧化碳相变致裂器充填设备用于充填所述二氧化碳相变致裂器；所述动态应变测试仪与所述应力测试计的应变片电性连接，用于测试高压二氧化碳冲击下岩体中的动态应变。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：采用此系统测试获得的二氧化碳相变荷载压力时候曲线准确度高，能够作为二氧化碳相变荷载测试的有效手段。

附图说明

图1是本实用新型多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统的应力测试计结构图。

图2是本实用新型多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统的套筒式承能仓结构图；

图3是本实用新型多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统中二氧化碳相变致裂器插入套筒式承能仓后套筒式承能仓的剖视图；

图4是本实用新型多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统中二氧化碳相变致裂器插入套筒式承能仓后套筒式承能仓的剖视图的横断面1；

图5是本实用新型多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统中二氧化碳相变致裂器插入套筒式承能仓后套筒式承能仓的剖视图的横断面2；

图6是本实用新型多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试方法的流程图；

图7是本实用新型多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试方法的钻孔平面图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

请参考图1-图5，本实用新型的提供了多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统，包括以下：

应力测试计、二氧化碳相变致裂器和套筒式承能仓；

所述应力测试计，包括光面钢筋11和铁片12；所述光面钢筋11从上至下均匀间隔设置有4个应变监测点；每个应变监测点均设置有三个铁片12；三个铁片12之间两两互相垂直，且其中一个铁片12沿所述光面钢筋11轴向贴合设置于所述光面钢筋11的外表面；

所述二氧化碳相变致裂器，包括充装头27、电阻芯28、活化器29、储液管210、泄能头211和剪切片212；所述充装头27和所述泄能头211均通过螺纹与所述储液管210连接；所述电阻芯28设置安装于所述充装头27内部；所述活化器29和所述充装头27通过插槽连接；所述剪切片212位于所述储液管210和所述泄能头211之间，用于控制二氧化碳相变致裂泄爆压力；所述泄能头211的侧壁上对称设置有两个泄能口213；

所述套筒式承能仓，包括承能仓仓筒21、和高频弹道压力传感器22、护盖24、贯通孔25和拉环26；所述贯通孔25，便于连接二氧化碳相变致裂器起爆器，同时多余二氧化碳气体也可从贯通孔25逸出；

所述承能仓仓筒21从上至下均匀间隔设置有4组所述高频弹道压力传感器22，每组4个所述高频弹道压力传感器22，且相邻两组所述高频弹道压力传感器22之间的间隔与相邻两个所述应变监测点之间的间隔一致；在套筒式承能仓横断面内任选一个方向为标准走向，每组4个所述高频弹道压力传感器22分别设置在与所述套筒式承能仓标准走向成0°、30°、60°和90°夹角处；所述承能仓仓筒21底部密封，顶部设置有护盖24；所述护盖24与所述承能仓仓筒21通过螺纹连接；所述护盖24中心设置有贯通的贯通孔25，并设置有拉环26；

所述二氧化碳相变致裂器的外部设置环形固定圈214；所述环形固定圈214的外径与所述承能仓仓筒21的内径一致；所述二氧化碳相变致裂器与所承能仓仓筒21相契合；所述二氧化碳相变致裂器插入所述套筒式承能仓，并被所述套筒式承能仓的护盖24固定于所述承能仓仓筒21中。

所述应力测试计还包括原岩垫片13和应变片14；所述原岩垫片13由原岩切割磨平，大小与所述铁片12匹配；所述原岩垫片13有12个，与所述铁片12之间一一对应；所述原岩垫片13的下表面通过环氧树脂与所述铁片12耦合，上表面通过环氧树脂耦合粘贴有一个应变片14；所述应变片14、所述原岩垫片13和所述铁片12均呈长条形，且长轴方向平行。

所述套筒式承能仓还包括泄气孔23；所述泄气孔23的面积可通过旋转挡片(图中未视出)进行调节，每个所述高频弹道压力传感器22下方的承能仓仓筒21的侧壁上设置有一个所述泄气孔23；所述泄气孔23分别设置在与所述套筒式承能仓标准走向成0°、30°、60°和90°夹角处。所述一种多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统还包括二氧化碳相变致裂器充填设备和动态应变测试仪；所述二氧化碳相变致裂器充填设备用于充填所述二氧化碳相变致裂器；所述动态应变测试仪与所述应力测试计的应变片14电性连接，用于测试高压二氧化碳冲击下岩体中的动态应变。

请参考图6，所述多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统的测试流程，具体包括以下步骤：

S101：进行原位测试：在岩体致密完整、岩体质量等级为Ⅰ级的岩体中钻取致裂孔与应力波测试孔；

S102：利用所述二氧化碳相变致裂器充填设备充填所述二氧化碳相变致裂器，并将充填完毕的所述二氧化碳相变致裂器插入致裂孔；用封孔材料封住所述致裂孔；将所述应力测试计的应变片14与所述动态应变测试仪电性连接，并将所述应力测试计插入所述应力波测试孔；

S103：用试验区岩石相似材料浇筑所述应力波测试孔，并在相似材料完全凝固后，连接二氧化碳相变致裂器起爆器，引爆所述二氧化碳相变致裂器；

S104：处理二氧化碳相变致裂的应变测试数据，利用应力波衰减特征反演炮孔壁不同方向上不同位置处冲击荷载峰值P_t；

S105：将所述套筒式承能仓的高频弹道压力传感器22与压力测试仪连接；另取一个与步骤S102中相同规格的二氧化碳相变致裂器，作为第二二氧化碳相变致裂器；利用二氧化碳相变致裂器充填设备对第二二氧化碳相变致裂器进行充填；充填完毕后，将所述第二二氧化碳相变致裂器插入所述套筒式承能仓；

S106：调节所述套筒式承能仓的泄气孔23面积，并利用二氧化碳相变致裂器起爆器引爆所述第二二氧化碳相变致裂器，进行多次致裂加载，测试各个所述高频弹道压力传感器22的压力时程曲线，拟合峰值压力P与泄压面积S之间的关系，如式(1)：

S＝f(P) (1)

通过式(1)计算合理泄压面积S_r：

S_r＝f(P_t) (2)

S107：改变所述二氧化碳相变致裂器和所述第二二氧化碳相变致裂器对应的剪切片212强度与二氧化碳充装量，循环步骤S101-步骤S106，得到不同剪切片强度和二氧化碳充装量对应的高频弹道压力传感器下方各泄气孔的合理泄压面积；

S108：根据式(1)、(2)建立剪切片强度P、二氧化碳充装量Q、套筒式承能仓泄气孔合理泄压面积S_r之间的关系式，如式(3)：

S_r＝f(P,Q) (3)

S109：利用式3获得任意剪切片强度及二氧化碳充装量对应的套筒式承能仓泄气孔合理泄压面积；利用所述套筒式承能仓测试其对应的压力时程曲线；

S110：以获取的二氧化碳相变荷载压力时程曲线为基础，以原位测试得到的切向应力与垂向应力为依据，利用数值试验软件对S109中测试获得的二氧化碳相变压力时程曲线进行校核检验，并作出修正。

请参考图7，图7中31为原位测试的岩体，32为致裂孔，33为应力波测试孔；步骤S101中，所述致裂孔半径大于所述二氧化碳相变致裂器的外径；所述应力波测试孔围绕所述致裂孔设置，共4列应力波测试孔；各列应力波测试孔布置时，选取任意一列应力波测试孔布置方向为标准走向，且各列应力波测试孔分别与标准走向成0°、30°、60°、90°夹角；各列应力波测试孔分别设置5个应力波测试孔，分别与致裂孔孔壁距离2m、3m、4m、5m、6m。

步骤S102中，将充填完毕的所述二氧化碳相变致裂器插入致裂孔，具体为：将充填完毕的所述二氧化碳相变致裂器插入致裂孔时，所述二氧化碳相变致裂器上的两个泄能口213的连线方向与设置的应力波测试孔标准走向一致；

步骤S102中所述应力测试计插入所述应力波测试孔，具体为：所述应力测试计插入所述应力波测试孔时，所述应力测试计上水平排布的两块铁片中的一块铁片长边方向与所述应力波测试孔的中心和所述致裂孔中心的连线重合，同时保证应力测试计最下部的铁片12与致裂器泄能口213中心处于同一水平高度；所述应力测试计上应变测试方向分别为径向、切向和垂向。

步骤S103中，所述岩石相似材料具体为，与原岩波阻抗、弹性模量相匹配的相似材料；

步骤S104中，处理二氧化碳相变致裂的应变测试数据，利用应力波衰减特征反演炮孔壁不同方向上不同位置处冲击荷载峰值P_t具体为：

将所述应变片14测试获得的峰值应变信号转换为峰值应力，获得不同方向二氧化碳相变致裂应力波衰减规律；根据不同方向上径向二氧化碳相变致裂应力波衰减规律计算不同方向不同高度处的致裂孔孔壁荷载峰值P_t。

步骤S105中，将所述套筒式承能仓的高频弹道压力传感器22与压力测试仪连接；另取一个与步骤S102中相同规格的二氧化碳相变致裂器，作为第二二氧化碳相变致裂器；利用二氧化碳相变致裂器充填设备对第二二氧化碳相变致裂器进行充填；充填完毕后，将所述第二二氧化碳相变致裂器插入所述套筒式承能仓，具体为：

所述高频弹道压力传感器22与所述套筒式承能仓通过螺纹连接；所述高频弹道压力传感器22与压力测试仪电性连接。

所述第二二氧化碳相变致裂器插入所述套筒式承能仓中时，所述第二二氧化碳相变致裂器的一个泄能口213与所述套筒式承能仓最下部的一个高频弹道压力传感器22正对，并旋紧护盖24。

本实用新型关键点在于：

1.由于二氧化碳相变致裂器特殊的机械构造，不同方向上的钻孔壁承受的二氧化碳相变荷载不同。本实用新型考虑二氧化碳相变致裂器的这一特点，室外试验测试时设置与气体泄能方向角度不同的多组应力测试计，室内试验设置多组高频弹道压力传感器，用以全方位测试二氧化碳相变致裂荷载；

2.本实用新型充分利用二氧化碳相变致裂在岩体内部激发应力波的特点，通过应力波衰减规律反演二氧化碳相变致裂时致裂孔孔壁荷载；

3.应力测试计上的应变片与原岩垫片耦合，测试孔封孔材料应为与原岩波阻抗、弹性模量相匹配的相似材料，保证原位测试时整个致裂孔封孔后变形特征与原始变形特征相符，用于有效模拟二氧化碳相变致裂时该点的真实应变值；

4.二氧化碳相变致裂器与承能仓仓筒之间通过环形固定圈与护盖耦合，保证室内测试时二氧化碳相变致裂器与承能仓仓筒上设置的高频弹道压力传感器相对位置保持不变；

5.高频弹道压力传感器下部设置有面积可调节的泄气孔，通过调节泄气孔面积，可以有效控制室内测试时的二氧化碳相变峰值压力，使之与反演结果相匹配。

6.通过多次试验，建立剪切片强度、CO₂充装量、套筒式承能仓各泄气孔合理泄压面积之间的函数关系式，并用得到的函数关系确定任意剪切片强度、CO₂充装量条件下的合理泄压面积。

7.室内获取二氧化碳相变荷载时空分布特征后，以获取的二氧化碳相变荷载压力时程曲线为基础，以原位测试得到的切向应力与垂向应力为依据，利用数值试验软件对室内测试获得的二氧化碳相变压力时程曲线进行校核检验、合理修正，保证测试结果与原位试验结果吻合良好。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：采用此系统及方法测试获得的二氧化碳相变荷载压力时候曲线准确度高，能够作为二氧化碳相变荷载测试的有效手段。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统，其特征在于：具体包括：

应力测试计、二氧化碳相变致裂器和套筒式承能仓；

所述应力测试计，包括光面钢筋(11)和铁片(12)；所述光面钢筋(11)从上至下均匀间隔设置有4个应变监测点；每个应变监测点均设置有三个铁片(12)；三个铁片(12)之间两两互相垂直，且其中一个铁片(12)沿所述光面钢筋(11)轴向贴合设置于所述光面钢筋(11)的外表面；

所述二氧化碳相变致裂器，包括充装头(27)、电阻芯(28)、活化器(29)、储液管(210)、泄能头(211)和剪切片(212)；所述充装头(27)和所述泄能头(211)均通过螺纹与所述储液管(210)连接；所述电阻芯(28)设置安装于所述充装头(27)内部；所述活化器(29)和所述充装头(27)通过插槽连接；所述剪切片(212)位于所述储液管(210)和所述泄能头(211)之间，用于控制二氧化碳相变致裂泄爆压力；所述泄能头(211)的侧壁上对称设置有两个泄能口(213)；

所述套筒式承能仓，包括承能仓仓筒(21)、高频弹道压力传感器(22)、护盖(24)、贯通孔(25)和拉环(26)；所述承能仓仓筒(21)从上至下均匀间隔设置有4组所述高频弹道压力传感器(22)，每组4个所述高频弹道压力传感器(22)，且相邻两组所述高频弹道压力传感器(22)之间的间隔与应力测试计上相邻两个所述应变监测点之间的间隔一致；在套筒式承能仓横断面内任选一个方向为套筒式承能仓标准走向，每组4个所述高频弹道压力传感器(22)分别设置在与所述套筒式承能仓标准走向成0°、30°、60°和90°的夹角处；所述承能仓仓筒(21)底部密封，顶部设置有护盖(24)；所述护盖(24)与所述承能仓仓筒(21)通过螺纹连接；所述护盖(24)中心设置有贯通的贯通孔(25)，并设置有拉环(26)；

所述二氧化碳相变致裂器的外部设置环形固定圈(214)；所述环形固定圈(214)的外径与所述承能仓仓筒(21)的内径一致；所述二氧化碳相变致裂器与所承能仓仓筒(21)相契合；所述二氧化碳相变致裂器插入所述套筒式承能仓，并被所述套筒式承能仓的护盖(24)固定于所述承能仓仓筒(21)中。

2.如权利要求1所述的一种多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统，其特征在于：

所述应力测试计还包括原岩垫片(13)和应变片(14)；所述原岩垫片(13)由原岩切割磨平，大小与所述铁片(12)匹配；所述原岩垫片(13)有12个，与所述铁片(12)之间一一对应；所述原岩垫片(13)的下表面通过环氧树脂与所述铁片(12)耦合，上表面通过环氧树脂耦合粘贴有一个应变片(14)；所述应变片(14)、所述原岩垫片(13)和所述铁片(12)均呈长条形，且长轴方向平行。

3.如权利要求1所述的一种多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统，其特征在于：所述套筒式承能仓还包括泄气孔(23)；所述泄气孔(23)的面积可通过旋转挡片进行调节，每个所述高频弹道压力传感器(22)下方的承能仓仓筒(21)的侧壁上设置有一个所述泄气孔(23)；所述泄气孔(23)分别与所述套筒式承能仓标准走向成0°、30°、60°和90°夹角。

4.如权利要求2所述的一种多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统，其特征在于：所述一种多点全方位CO₂相变致裂压力时程曲线测试系统还包括二氧化碳相变致裂器充填设备和动态应变测试仪；所述二氧化碳相变致裂器充填设备用于充填所述二氧化碳相变致裂器；所述动态应变测试仪与所述应力测试计的应变片(14)电性连接，用于测试高压二氧化碳冲击下岩体中的动态应变。

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