[發(fā)明專利]巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110212775.1
• 申請(qǐng)日: 2011-07-19
• 公開（公告）號(hào): CN102305829A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊永杰;王德超;陳紹杰;趙南南;王敏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N29/14
• 分類號(hào): G01N29/14
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及試驗(yàn)系統(tǒng)，尤其涉及用于巖石三軸壓縮聲發(fā)射的試驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

礦山井下冒頂、頂?shù)装逋凰_擊地壓等災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生，給國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成極大危害，這些災(zāi)害事故的發(fā)生均與巖體破裂失穩(wěn)密切相關(guān)。巖石材料在承受荷載時(shí)，其內(nèi)部將產(chǎn)生局部彈塑性能集中現(xiàn)象，當(dāng)能量積聚到某一臨界值之后，引起微裂隙的產(chǎn)生與擴(kuò)展，必然伴隨彈性波或應(yīng)力波在周圍巖體中的快速釋放和傳播，產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的采集、處理、分析研究，可以推斷其內(nèi)部的形態(tài)變化，反演其破壞機(jī)理，預(yù)測(cè)其破裂失穩(wěn)。彈性波或應(yīng)力波的釋放過(guò)程，相對(duì)于較大尺度的巖體，由于高頻衰減得快，檢測(cè)到信號(hào)的頻率較低但是能量大，通常在20～200Hz，稱為微地震；對(duì)于小尺度的巖樣，檢測(cè)到波的頻率通常大于200Hz并且能量很小，稱為聲發(fā)射。雖然巖樣和巖體的尺度及微震信號(hào)能量差別很大，但其原理是相似的。聲發(fā)射現(xiàn)象是巖石壓縮破裂失穩(wěn)的重要前兆信息，研究科學(xué)合理的巖石壓縮破裂聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)方法，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上探討聲發(fā)射信息與巖石內(nèi)部損傷演化過(guò)程的關(guān)系，得出符合實(shí)際情況的巖石壓縮破裂聲發(fā)射預(yù)測(cè)方法，對(duì)于采用聲發(fā)射(微地震)監(jiān)測(cè)技術(shù)預(yù)防相關(guān)災(zāi)害事故發(fā)生具有重要理論及實(shí)際意義。

巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，能夠監(jiān)測(cè)巖石壓縮破裂過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信息，進(jìn)而利用聲發(fā)射信息預(yù)測(cè)巖石損傷演化過(guò)程。

目前比較先進(jìn)的巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)是美國(guó)引進(jìn)的MTS815電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)，它是具有世界先進(jìn)水平的大型精密巖石力學(xué)儀器設(shè)備。該設(shè)備能夠進(jìn)行巖石單軸壓縮、三軸壓縮、孔隙水壓和水滲透等試驗(yàn)。系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：①全程計(jì)算機(jī)控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集及處理；②配備三套獨(dú)立的伺服系統(tǒng)分別控制軸壓、圍壓與孔隙(滲透)壓力；③實(shí)心鋼制荷重架只儲(chǔ)存很小的彈性能從而實(shí)現(xiàn)剛性壓力試驗(yàn)；④伺服閥反應(yīng)敏捷(290HZ)，試驗(yàn)精度高；⑤與試件直接接觸的引伸儀(美國(guó)MTS公司專利)可在高溫(200℃)、高壓(140MPa)油中精確工作，可對(duì)巖石破壞前后的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行最精確測(cè)量；⑥試驗(yàn)可采用任意加載波形與速率，三種控制方式試驗(yàn)中可自動(dòng)轉(zhuǎn)換；⑦調(diào)節(jié)范圍寬廣的閉環(huán)加熱系統(tǒng)可提供均勻的溫度場(chǎng)。存在的不足是：

這種巖石試驗(yàn)系統(tǒng)很容易進(jìn)行巖石單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)。因?yàn)閱屋S壓縮不存在施加圍壓?jiǎn)栴}，聲發(fā)射檢波器很容易與巖樣合理接觸，聲發(fā)射檢波器與巖樣之間還可以加層黃油等進(jìn)行耦合，所以聲發(fā)射信號(hào)的可靠采集容易實(shí)現(xiàn)。但進(jìn)行巖石三軸壓縮聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于試驗(yàn)系統(tǒng)的三軸室內(nèi)無(wú)法放置聲發(fā)射檢波器，只能置于三軸室外壁(巖樣在三軸室內(nèi))，如圖1所示。這種情況下，聲發(fā)射檢波器難以檢測(cè)到全部真實(shí)的聲發(fā)射信號(hào)，且檢測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)信噪比低。主要原因有以下幾個(gè)方面：

(1)巖樣壓縮破裂過(guò)程中，通常會(huì)產(chǎn)生多種類型的振動(dòng)波，如壓縮波(縱波)、剪切波(橫波)等。縱波是指質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向一致的波，凡能產(chǎn)生拉伸或壓縮應(yīng)力的介質(zhì)都能傳播縱波，因此縱波能夠在各種介質(zhì)中傳播；橫波是指質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向相互垂直的波，介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)受到交變剪切應(yīng)力而產(chǎn)生的波形，只有能夠承受剪切應(yīng)力的介質(zhì)才能夠傳播橫波，因此橫波不能穿過(guò)液體和氣體而只能通過(guò)固體傳播。而巖樣壓縮破裂產(chǎn)生的振動(dòng)波其能量較強(qiáng)的成分往往是巖樣內(nèi)部裂隙破裂擴(kuò)展產(chǎn)生的橫波。按照?qǐng)D1所示將檢波器放置在三軸室外壁的檢測(cè)方法，存在波的類型與傳播路徑轉(zhuǎn)換，雖然可以接收到部分聲發(fā)射信號(hào)，但無(wú)法接收到聲發(fā)射直達(dá)波信號(hào)，會(huì)有很大一部分能量較強(qiáng)的剪切脈沖波被屏蔽掉，而只有一小部分剪切脈沖波能通過(guò)上下壓頭和三軸室外壁沿轉(zhuǎn)換路徑傳播。

(2)檢波器安置在三軸室外壁時(shí)會(huì)增加振動(dòng)波(聲發(fā)射信號(hào))的傳播距離，造成振動(dòng)波能量衰減。根據(jù)波的球面擴(kuò)散效應(yīng)和吸收衰減效應(yīng)，波的傳播距離越大，其能量的吸收、衰減、擴(kuò)散損失越大。

(3)檢波器置于三軸室外壁時(shí)受到的電磁噪聲信號(hào)的干擾相對(duì)較大，接收到的信號(hào)信噪比較低。

因此，需要對(duì)上述MTS815電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有巖石伺服試驗(yàn)系統(tǒng)無(wú)法對(duì)巖石進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)的問(wèn)題，對(duì)MTS815巖石伺服試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，提供一種巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)。

解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是：