CN109459318A - 一种岩石破坏过程主、被动实时声波测试封样装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种岩石破坏过程主、被动实时声波测试封样装置及方法，属于岩石破裂测试技术领域。该装置包括荷载施加模块、位移监测模块、荷载超声波监测模块和声发射监测与定位模块，荷载施加模块包括刚性垫块和三轴电液伺服试验机，位移监测模块包括纵向引伸计上夹具、纵向引伸计下夹具、引伸计螺旋丝、引伸计螺旋丝套筒、径向引伸计圆形箍圈和微型螺丝钉，荷载超声波监测模块包括超声波探头和凹形超声波探头，声发射监测与定位模块包括声发射传感器和声发射夹持装置。该装置采用声波仪和六个超声波探头对岩石试件进行实时超声波测试，采用声发射采集仪和八个声发射探头获取岩石声发射损伤参数，具有较高的实验室指导意义。

Description

一种岩石破坏过程主、被动实时声波测试封样装置及方法
技术领域
本发明涉及岩石破裂测试技术领域，特别是指一种岩石破坏过程主、被动实时声波测试封样装置及方法。
背景技术
随着社会与经济发展需求的日益增长和矿山工程技术体系的进步和完善，资源开采不断地在向深部发展，深部高地应力对岩石的损伤越来越严重，获取高应力条件下的力学和声学参数信息则显得尤为重要。现实中原位实时获取扰动应力条件下的力学和声学信息较为困难，需要借助室内测试封样装置获取近似原位应力场下的岩石损伤力学与声学信息，实现对深部高应力条件下资源开采与地下工程进行统一的、三维的、***的多元研究，以揭示其中一系列基本科学问题，构筑我国在深部高应力条件下资源开采的相关的基础理论和地下工程技术体系。
在室内常规试验中，常需获取岩石的力学与声学参数信息，而在室内三轴压缩试验中，这些信息却不易实时采集得到，尤其在压力机加载过程中，很难一体性实时记录岩石的三轴抗压强度、围压，轴向应变、径向应变，声波波速，声发射(AE)损伤信息等。以往求取岩石的单轴抗压强度、轴向应变、径向应变，是通过普通的岩石刚性伺服试验机对岩石加载，在岩石表面安装LVDT位移传感器或粘贴电阻应变片的方法来求得；以往求取岩石的声波波速信息，是通过对未受载岩石进行超声波测试的方法来求得岩石纵波、横波声学信息，而对受载岩石实时超声波测试则研究较少；以往求取岩石的声发射(AE)损伤信息，是通过在试验机垫块底座或岩石表面安装一个或几个声发射探头的方法来求得，较难获得岩石的声发射定位信息。
在室内实践中，限于技术水平、复杂程度、使用频率及价格等原因，相对来说，三轴压缩试验等试验仪器应用较为普遍，而超声波垫块和声发射探头的安装方法则应用较少，所以需要集成一体化采集受载岩石的力学、声学和声发射参数信息，以获取近似地下高应力场岩石损伤破坏信息，为岩体的强度稳定性分析提供试验指标与依据。基于此种需求，急于研制基于常规岩石三轴压缩试验机的主、被动实时声波测试封样装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种岩石破坏过程主、被动实时声波测试封样装置及方法，对岩石进行室内三轴压缩试验，在获取岩石力学参数特性(轴向、径向应变变形和破坏强度)的基础上，采用声波仪对岩石试件进行声波测试，监测得到岩石损伤裂化过程中岩石的轴向和径向超声波波速的变化规律，以及采用声发射采集仪获取岩石声发射损伤参数，实现实时分析岩石在受荷全过程的声波数据和实现所有声发射事件的定位信息。
该装置包括荷载施加模块、位移监测模块、荷载超声波监测模块和声发射监测与定位模块，岩石试样置于整个装置中心；
荷载施加模块包括刚性垫块和三轴电液伺服试验机，三轴电液伺服试验机提供的轴向压力直接作用在刚性垫块上，三轴电液伺服试验机提供的围压直接作用在岩石试样上，刚性垫块上设置数据线套筒；
位移监测模块包括轴向位移监测部分和径向位移监测部分，轴向位移监测部分包括引伸计螺旋丝和引伸计螺旋丝套筒，引伸计螺旋丝和引伸计螺旋丝套筒依附在纵向引伸计上夹具和纵向引伸计下夹具上，纵向引伸计上夹具和纵向引伸计下夹具两端分别有一个引伸计螺旋丝和一个引伸计螺旋丝套筒；径向位移监测部分包括径向引伸计圆形箍圈和四个微型螺丝钉，四个微型螺丝钉分别紧扣于径向引伸计圆形箍圈的4个脚腿上的螺丝孔中，四个微型螺丝钉均匀依附于岩石试样中间腰线上；
荷载超声波监测模块包括轴向超声波监测部分和径向超声波监测部分，轴向超声波监测部分包括两个超声波探头，超声波探头外向紧贴刚性垫块，超声波探头内向夹住岩石试样，径向超声波监测部分包括四个凹形超声波探头，四个凹形超声波探头均匀布设在岩石试样四周的中间腰线上；
声发射监测与定位模块包括八个声发射传感器和声发射夹持装置，八个声发射传感器分别呈45°布设于岩石试样上下两端10mm处，声发射传感器通过声发射夹持装置固定。
岩石试样尺寸大小为Ф50mm×100mm，岩石试样在试验之前由热缩管包裹好。
两个超声波探头，一个为信号激励探头，另一个为信号接收探头，信号激励探头和信号接收探头在相对位置对称布设。
凹形超声波探头的凹形表面曲率半径为岩石试样的半径尺寸。
布设在岩石试样上下两端的声发射传感器对齐布设，或错位45°布设。
声发射传感器探头直径d＝3.5mm～10mm，声发射传感器与岩石试样之间可用凡士林或黄油耦合。
应用该装置的方法，包括步骤如下：
S1：制备标准岩石试样，用热缩管包裹后以备试验；
S2：在岩石试样表面标定好声发射传感器和凹形超声波探头的具体安装位置；
S3：依据S2标定好的具***置，在岩石试样上下两端安装八个声发射传感器，声发射传感器与岩石试样之间用凡士林或黄油做耦合剂，然后用电工胶布四周环绕固定好声发射传感器；在岩石试样中间腰线环形安装四个凹形超声波探头，用凡士林或黄油做耦合剂，用电工胶布四周环绕固定好凹形超声波探头；
S4：在岩石试样上下两端安装轴向超声波探头，用凡士林或黄油做耦合剂，上下轴线圆心对齐；
S5：安装径向引伸计圆形箍圈，将微型螺丝钉紧扣于引伸计圆形箍圈脚腿前端的圆孔中，并完好贴合于岩石试样上；
S6：安装纵向引伸计上夹具和纵向引伸计下夹具，并紧扣于刚性垫块上，将引伸计螺旋丝夹紧于引伸计螺旋丝套筒中；
S7：将整个装置，轻放于三轴试验机压力罐中，将纵向位移参数、横向位移参数调整归零，并调试超声波探头、凹形超声波探头和声发射传感器的连通性，准备就绪后，进行三轴压缩试验；
S8：上述S3-S7为一次三轴压缩主、被动实时声波测试试验，重复S3-S7，进行多次岩石试样的三轴压缩试验；
S9：分析所得试验数据，获取岩石损伤的内部损伤信息。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，能够进行包括岩石等固体材料在内的各种大型三轴加载试验，同时可扩展适用于单轴压缩试验的超声波声速和声发射实时监测试验。
本超声波测试装置克服了以往实验前单独测试声速的弊端，实现了对岩石受荷过程中超声波的变化规律实时监测，是一种主动形式的声波监测方法。同时开展损伤岩石的声发射实时监测与定位反演，获取岩石内部裂纹破坏与扩展参数信息，可以较好的获取三轴压缩情况下岩石的损伤劣化定位信息。
本发明可实现对受荷岩石进行位移、声波和声发射信息的三源一体实时信息采集，较好且真实地反演出岩石在接近真实地下环境情况下损伤劣化信息，具有较高的实验室指导意义。
附图说明
图1为本发明的岩石破坏过程主、被动实时声波测试封样装置结构示意图；
图2为本发明的岩石破坏过程主、被动实时声波测试封样装置正视图；
图3为本发明的岩石破坏过程主、被动实时声波测试封样装置侧视图；
图4为本发明的岩石破坏过程主、被动实时声波测试封样装置安装俯视结构示意图；
图5为径向引伸计环形箍圈的结构示意图；
图6为凹形超声波探头结构示意图；
图7为声发射夹持装置与声发射探头的***结构示意图。
其中：1-纵向引伸计上夹具，2-纵向引伸计下夹具，3-引伸计螺旋丝，4-引伸计螺旋丝套筒，5-径向引伸计圆形箍圈，6-微型螺丝钉，7-刚性垫块，8-数据线套筒，9-超声波探头，10-凹形超声波探头，11-声发射传感器，12-声发射夹持装置，13-岩石试样。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种岩石破坏过程主、被动实时声波测试封样装置及方法。
如图1、图2、图3和图4所示，该装置包括荷载施加模块、位移监测模块、荷载超声波监测模块和声发射监测与定位模块，岩石试样13置于整个装置中心；
荷载施加模块包括刚性垫块7和三轴电液伺服试验机，三轴电液伺服试验机提供的轴向压力直接作用在刚性垫块7上，三轴电液伺服试验机提供的围压直接作用在岩石试样13上，刚性垫块7上设置数据线套筒8；
位移监测模块包括轴向位移监测部分和径向位移监测部分，轴向位移监测部分包括引伸计螺旋丝3和引伸计螺旋丝套筒4，引伸计螺旋丝3和引伸计螺旋丝套筒4依附在纵向引伸计上夹具1和纵向引伸计下夹具2上，纵向引伸计上夹具1和纵向引伸计下夹具2两端分别有一个引伸计螺旋丝3和一个引伸计螺旋丝套筒4，监测岩石受载轴向变形情况；径向位移监测部分包括径向引伸计圆形箍圈5和四个微型螺丝钉6，如图5所示，四个微型螺丝钉6分别紧扣于径向引伸计圆形箍圈5的4个脚腿上的螺丝孔中，四个微型螺丝钉6均匀依附于岩石试样13中间腰线上，岩石试样13受载引起箍圈的脚腿产生挠度，从而监测得到岩石试样径向变形情况；
荷载超声波监测模块包括轴向超声波监测部分和径向超声波监测部分，轴向超声波监测部分包括两个超声波探头9，测量受载岩石z向声波波速，超声波探头9外向紧贴刚性垫块7，超声波探头9内向夹住岩石试样13，由于两个探头形状尺寸都相同，故在安装过程中，没有上下之分。径向超声波监测部分包括四个凹形超声波探头10，四个凹形超声波探头均匀布设在岩石试样13四周的中间腰线上；相对位置同样为激励探头和信号接收探头构成，分别测量受载岩石x向和y向声波波速。如图6所示，凹形超声波探头10探头凹形表面曲率半径为岩石试样的半径尺寸。
声发射监测与定位模块包括八个声发射传感器11和声发射夹持装置12，八个声发射传感器11分别呈45°布设于岩石试样13上下两端10mm处，如图7所示，声发射传感器11通过声发射夹持装置12固定，八个声发射传感器11可编号为传感器1、2、3、4，传感器5、6、7、8，上端和下端传感器依据不同定位算法，可以对齐布设，也可以错位45°布设。传感器与岩石试样之间可用凡士林或黄油等油性物质耦合。通过实时监测岩石试样的声发射信号后，经过波形降噪和定位反算，可实时呈现岩石声发射事件位置信息。
该装置的具体应用过程如下：
(1)首先，制备好若干标准岩石试样13，其尺寸为Ф50mm×100mm，用热缩管包裹后以备试验。岩石的材料属性及其数量可由具体试验需求而定；
(2)在岩石试样13表面标定好声发射传感器11和凹形超声波探头10的具体安装位置，以备后期安装相关设备。声发射传感器11环形布设于岩石试样上下两端10mm处，两两之间分别呈45°角。凹形超声波探头10环形布设于岩石试样13中间腰线处，两两之间分别呈45°角；
(3)依据步骤(2)标定好的具***置，在岩石试样13上下两端安装八个声发射传感器11，声发射传感器11与岩石试样13之间需用凡士林或黄油做耦合剂，然后用电工胶布四周环绕固定好声发射传感器11。同样，在岩石试样13中间腰线环形安装四个凹形超声波探头10，用凡士林或黄油做耦合剂，用电工胶布四周环绕固定好凹形超声波探头10；
(4)在岩石试样13上下两端安装轴向超声波探头9，用凡士林或黄油做耦合剂，上下轴线圆心对齐；
(5)安装径向引伸计圆形箍圈5，将微型螺丝钉6紧扣于箍圈脚腿前端的圆孔中，并完好贴合于岩石试样13上；
(6)安装纵向引伸计上夹具1和纵向引伸计下夹具2，并紧扣于刚性垫块7上，将引伸计螺旋丝3夹紧于引伸计螺旋丝套筒4中；
(7)将整个装置，轻放于三轴试验机压力罐中，将纵向位移参数、横向位移参数调整归零，并调试超声波探头9、凹形超声波探头10和声发射传感器11的连通性，准备就绪后，方可进行三轴压缩试验；
(8)以上(3)-(7)步骤为一次三轴压缩主、被动实时声波测试试验，重复(3)-(7)步骤，可进行多次岩石试样13的三轴压缩试验；
(9)分析所得试验数据，从而获取岩石损伤的内部损伤信息。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种岩石破坏过程主、被动实时声波测试封样装置，其特征在于：包括荷载施加模块、位移监测模块、荷载超声波监测模块和声发射监测与定位模块，岩石试样(13)置于整个装置中心；
荷载施加模块包括刚性垫块(7)和三轴电液伺服试验机，三轴电液伺服试验机提供的轴向压力直接作用在刚性垫块(7)上，三轴电液伺服试验机提供的围压直接作用在岩石试样(13)上，刚性垫块(7)上设置数据线套筒(8)；
位移监测模块包括轴向位移监测部分和径向位移监测部分，轴向位移监测部分包括引伸计螺旋丝(3)和引伸计螺旋丝套筒(4)，引伸计螺旋丝(3)和引伸计螺旋丝套筒(4)依附在纵向引伸计上夹具(1)和纵向引伸计下夹具(2)上，纵向引伸计上夹具(1)和纵向引伸计下夹具(2)两端分别有一个引伸计螺旋丝(3)和一个引伸计螺旋丝套筒(4)；径向位移监测部分包括径向引伸计圆形箍圈(5)和四个微型螺丝钉(6)，四个微型螺丝钉(6)分别紧扣于径向引伸计圆形箍圈(5)的4个脚腿上的螺丝孔中，四个微型螺丝钉(6)均匀依附于岩石试样(13)中间腰线上；
荷载超声波监测模块包括轴向超声波监测部分和径向超声波监测部分，轴向超声波监测部分包括两个超声波探头(9)，超声波探头(9)外向紧贴刚性垫块(7)，超声波探头(9)内向夹住岩石试样(13)，径向超声波监测部分包括四个凹形超声波探头(10)，四个凹形超声波探头均匀布设在岩石试样(13)四周的中间腰线上；
声发射监测与定位模块包括八个声发射传感器(11)和声发射夹持装置(12)，八个声发射传感器(11)分别呈45°布设于岩石试样(13)上下两端10mm处，声发射传感器(11)通过声发射夹持装置(12)固定。
2.根据权利要求1所述的岩石破坏过程主、被动实时声波测试封样装置，其特征在于：所述岩石试样(13)尺寸大小为Ф50mm×100mm，岩石试样(13)在试验之前由热缩管包裹好。
3.根据权利要求1所述的岩石破坏过程主、被动实时声波测试封样装置，其特征在于：所述两个超声波探头(9)，一个为信号激励探头，另一个为信号接收探头，信号激励探头和信号接收探头在相对位置对称布设。
4.根据权利要求1所述的岩石破坏过程主、被动实时声波测试封样装置，其特征在于：所述凹形超声波探头(10)的凹形表面曲率半径为岩石试样(13)的半径尺寸。
5.根据权利要求1所述的岩石破坏过程主、被动实时声波测试封样装置，其特征在于：所述布设在岩石试样(13)上下两端的声发射传感器(11)对齐布设，或错位45°布设。
6.根据权利要求1所述的岩石破坏过程主、被动实时声波测试封样装置，其特征在于：所述声发射传感器(11)探头直径d＝3.5mm～10mm，声发射传感器(11)与岩石试样(13)之间用凡士林或黄油耦合。
7.应用权利要求1所述的岩石破坏过程主、被动实时声波测试封样装置的方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：制备标准岩石试样(13)，用热缩管包裹后以备试验；
S2：在岩石试样(13)表面标定好声发射传感器(11)和凹形超声波探头(10)的具体安装位置；
S3：依据S2标定好的具***置，在岩石试样(13)上下两端安装八个声发射传感器(11)，声发射传感器(11)与岩石试样(13)之间用凡士林或黄油做耦合剂，然后用电工胶布四周环绕固定好声发射传感器(11)；在岩石试样(13)中间腰线环形安装四个凹形超声波探头(10)，用凡士林或黄油做耦合剂，用电工胶布四周环绕固定好凹形超声波探头(10)；
S4：在岩石试样(13)上下两端安装轴向超声波探头(9)，用凡士林或黄油做耦合剂，上下轴线圆心对齐；
S5：安装径向引伸计圆形箍圈(5)，将微型螺丝钉(6)紧扣于引伸计圆形箍圈脚腿前端的圆孔中，并完好贴合于岩石试样(13)上；
S6：安装纵向引伸计上夹具(1)和纵向引伸计下夹具(2)，并紧扣于刚性垫块(7)上，将引伸计螺旋丝(3)夹紧于引伸计螺旋丝套筒(4)中；
S7：将整个装置，轻放于三轴试验机压力罐中，将纵向位移参数、横向位移参数调整归零，并调试超声波探头(9)、凹形超声波探头(10)和声发射传感器(11)的连通性，准备就绪后，进行三轴压缩试验；
S8：上述S3-S7为一次三轴压缩主、被动实时声波测试试验，重复S3-S7，进行多次岩石试样的三轴压缩试验；
S9：分析所得试验数据，获取岩石损伤的内部损伤信息。
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