CN205538785U - 一种岩石中***径向运动速度测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种岩石中***径向运动速度测试装置，属于深部工程测试技术领域。装置主要包括：安全容器、直螺线管、电磁感应测速环和电动势测量装置。本装置利用***时电磁感应测速环随岩石介质向外扩张，切割直螺线管中的磁力线，由于岩石介质径向膨胀速度与电磁感应测速环切割磁力线运动时所感生的电动势成正比，因而可以通过测量电磁感应测速环的感生电动势获得岩石介质径向速度信号。本装置解决了现有技术无法精确得到岩石中***径向运动的速度的难题。对揭示岩石中***运动参数具有工程价值。

Description

一种岩石中***径向运动速度测试装置

技术领域

本实用新型涉及深部工程技术领域的一种测速装置，尤其涉及一种适用于测量岩石中***径向运动速度的试验装置。

背景技术

近年来，随着国民经济建设的迅猛发展，人类在向空中发展的同时，地下空间的开发也不断地走向深部。矿井开采、水电工程引水隧道、公路隧道及核废料处理等工程的深度已经达到千米，甚至数千米。战争、恐怖袭击和偶然性***时有发生，岩石中***对上述工程的毁伤效应不可忽视。这就要求对***作用引起的应力、变形及其它运动参数和破坏效应做出比较准确的评估。

由于深部工程与浅部工程所处的环境明显不同，工程岩体所表现出的基本力学特性及其工程响应也明显不同。由此造成工程灾害成灾机理、工程稳定性控制及其设计理论等方面也有显著的差异，引发了诸多与浅部工程完全不同的，亟需解决的深部工程技术问题，且这些问题无法全部用传统的连续介质力学理论圆满解释。由于现场监测存在许多难以解决的技术问题、经费问题和安全问题，必须利用现有的试验条件在实验室内对岩石中***的动力学行为展开研究，尤其是岩石中***近区和中远场介质运动规律的试验研究。因此，设计一套特殊的试验装置揭示岩石中***运动参数具有重要的理论意义和工程价值。

目前，如果希望测得岩石中***运动的参数，通常只能采取在岩石试样中设置应变片的方式，通过测量应变片的变形情况来得到相应的参数。但是应变片很容易在***过程中损坏，从而影响测量。而且，这种测量方式的灵敏度不高，无法得到精确的岩石中***运动的参数，更无法得到***中径向运动的速度。

实用新型内容

本实用新型提供一种岩石中***径向运动速度测试装置。解决了现有技术中无法准确测得岩石在***过程中由于形变而产生的径向运动的速度的问题。进一步，通过设置安全容器和选用漆包铜线缠绕玻璃钢筒制作直螺线管，解决了***径向运动速度测试装置不能够重复利用的不足。

本实用新型采用如下技术方案：

一种岩石中***径向运动速度测试装置，包括岩石试样、***荷载，***荷载设置于岩石试样的横截面内，其特征在于岩石试样外套有直螺线管，岩石试样的横截面内还设有电磁感应测速环。

本实用新型在岩石试样中嵌入的电磁感应测速环，并在岩石试样外套设直螺线管，在直螺线管中产生相对稳定的电磁场。在***过程中，嵌入的电磁感应测速环随着岩石试样的***变形而往外扩张，产生切割磁感线的径向运动，且径向运动速度与岩石试样向外膨胀的速度相同。由于铜线的磁感应强度、单个电磁感应测速环的周长及螺线管的匝数都固定，因而，每圈电磁感应测速环所产生的感生电动势与岩石试样径向运动的速度成正比。测量电磁感应测速环的感生电动势即可得到岩石试样在***过程中径向运动的速度。电磁感应测速环的电动势可以方便地由现有的电动势测量装置测得，因而本实用新型可以方便的得到***中岩石的径向运动速度的精确值。

如上所述的岩石中***径向运动速度测试装置，其特征在于，所述的电磁感应测速环由漆包铜线制成，由环氧树脂固定在岩石试样内，与岩石试样的横截面同心。电磁感应测试环可以同心地设置几组。当***荷载较大，岩石介质在***过程中径向运动的速度较大时需要适当减小电磁感应测速环之间的间距，以得到更精确的速度值；而当岩石介质在***过程中径向运动的速度较小时，可以适当增大电磁感应测速环之间的间距，而不会影响测试的精度。

本装置的***荷载设置在电磁感应测速环的圆心位置，导爆索从岩石试样内的***荷载处引出。

本装置所述的岩石中***径向运动速度测试装置的直螺线管为外部缠绕有漆包铜线的玻璃钢筒。当直螺线管内的磁感应强度稳定后，设置在本装置外的电动势测量装置在***荷载触发的同时开始测量电磁感应测速环的电动势。

如上所述的岩石中***径向运动速度测试装置，其特征在于，所述的直螺线管外设有安全容器，安全容器由圆柱形钢筒构成，分为上部和下部，安全容器的上部和下部通过法兰盘连接。安全容器的下部设有光窗。试验中可以将高速摄影机设置在观察孔外，通过光窗向安全容器内摄入满足高速摄影机拍摄要求的光线。这样就可以在测量岩石试样在***中的径向运动的速度的同时直观地观察***过程。

试验时，当直螺线管内的磁感应强度稳定，进入“平台”段时，起爆装置通过导爆索引爆***荷载并同时触发电动势测量装置测量电磁感应测速环的电动势。由于电磁感应测速环通过环氧树脂或其他方式与岩石试样紧密结合，电磁感应测速环的变形与岩石试样的变形相协调。在***荷载作用下，岩石试样将出现由爆荷载处向外快速膨胀的径向运动，此时预埋的电磁感应测速环也随之一起向外快速扩张并垂直切割磁力线。根据法拉第电磁感应原理，直螺线管的磁感应强度、单个电磁感应测速环的周长及螺线管的匝数都是固定的，因而每个电磁感应测速环所感生的电动势都与岩石在***中径向运动的速度成正比关系。因此，通过电动势测量装置测得的电磁感应测速环的电动势就能得到岩石试样介质在***中沿径向运动的速度。改变***当量的大小，即可改变施加在模型上***荷载的大小，就可以较精确地得到不同装药条件下岩石介质的运动参数。

由于采用漆包铜线缠绕玻璃钢筒制作直螺线管、由钢筒制作安全容器并通过法兰盘连接。整个装置的强度和刚度足以保证在***过程中装置的形变很小，使得本装置比现有的应变片的方式更可靠，不易损坏，可以重复使用。而且安全容器可以保证***时的岩石碎片不会飞溅，保护了人员及设备的安全。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

本实用新型通过设计一套基于法拉第电磁感应原理的测试装置，在直螺线管内磁感应强度稳定时，测量由于岩石***形变而使得电磁感应测速环垂直切割磁力线产生的电动势。由于电磁感应测速环产生的电动势与岩石介质径向运动的速度成正比，因而，本装置在测量电磁感应测速环产生电动势后能精确地获得***条件下岩石介质的径向运动速度，为进一步试验研究提供有力工具。而传统的应变片只能粗略地反应岩石介质的径向运动情况，无法准确地得出径向运动的速度。而且，由于直螺线管采用了强度足够高的玻璃钢，本装置在***过程中的形变很小，不会在实验过程中出现损坏的现象，既可以保证测试的精度，又可以重复使用。

此外，由于安全容器上部设有观察孔，下部设有光窗，试验中可以将高速摄影机设置在观察孔外，通过光窗向安全容器内摄入满足高速摄影机拍摄要求的光线。这样就可以在测量岩石试样在***中的径向运动的速度的同时直观地观察***过程。

本装置在整个试验过程中保持直螺线管中的磁场恒定，只需要在***过程中保证电动势测量装置能够测量电磁感应测速环产生的电动势即可得到的岩石介质径向运动的速度。测试装置操作简便、安全，且满足测试精度要求。

附图说明

图1是本实用新型的测试装置示意图。

图2是本实用新型的安全容器。

图3是本实用新型的直螺线管。

图4是本实用新型的电磁感应测速环。

具体实施方式

一种岩石中***径向运动速度测试装置，包括岩石试样5、***荷载4，***荷载4设置于岩石试样的横截面内，其特征在于岩石试样5外套有直螺线管2，岩石试样的横截面内还设有电磁感应测速环3。

如上所述的岩石中***径向运动速度测试装置，其中电磁感应测速环由漆包铜线制成，由环氧树脂固定在岩石试样内，与岩石试样的横截面同心。岩石试样的横截面内还可以同心地设置有两个以上电磁感应测速环，电磁感应测速环之间的间距为5~10mm。

如上所述的岩石中***径向运动速度测试装置，其中***荷载设置在电磁感应测速环的圆心位置，***荷载处还设有导爆索，导爆索从岩石试样内的***荷载处引出。

如上所述的岩石中***径向运动速度测试装置，其中直螺线管为外部缠绕有漆包铜线的玻璃钢筒9。

如上所述的岩石中***径向运动速度测试装置，其中直螺线管外设有安全容器1，安全容器由圆柱形钢筒构成，分为上部和下部，安全容器的上部和下部通过法兰盘连接6。安全容器的上部还可以设有观察孔8，此时安全容器的下部需要设有光窗7。

1、测试装置的设计思路

由于目前尚无成熟的测试装置可测得***中岩石介质的径向运动速度，本实用新型提出一种装置以测试岩石中***径向运动的速度。

本装置包括岩石试样、***荷载，***荷载设置于岩石试样的横截面内，岩石试样外套有直螺线管，岩石试样的横截面内还设有电磁感应测速环。

试验利用法拉第电磁感应原理，首先根据安全容器尺寸设计圆柱形岩石试样。试验前，先将圆柱形岩石试件截成两半，根据***当量大小估算介质运动速度，在其中一半试件的开设半球形装药空间，在这个半球形装药空间中填充***，构成一部分***荷载。同时，在这一截面中，沿径向均匀开设圆环形凹槽，用于预埋电磁感应测速环3。电磁感应测速环与试样岩石试样的凹槽紧密结合，变形协调，从而确保电磁感应测速环在***过程中的扩张速度与岩石介质的径向运动速度一致。装置由***荷载使岩石试样***变形，***荷载分为两半，一半已经设置在刚刚的一半试件的截面上了。因而需要在另一半试件的截面上开设半球形装药空间，以布设另一半球形***。将上述两半圆柱形试件重新粘合。将重新粘合的岩石试样放置在直螺线管中，设置好直螺线管外的电动势测量装置，完成试验装置的预备工作。

测试装置安装好之后，脉冲电源放电，在直螺线管中产生脉冲磁场。经过恰当延时（通常需要120μs），当脉冲磁场进入磁感应强度相对稳定的“平台”段后，发出起爆信号引爆***荷载，并同时触发电动势测量装置。电动势测量装置测量电磁感应测速环切割磁力线所产生的电动势。在***荷载***的作用下，岩石介质5将出现由***荷载出向外快速膨胀的径向运动，此时预埋的粒子测速计也随岩石介质一起向外快速扩张并垂直切割磁力线。根据法拉第电磁感应原理，由于铜线的磁感应强度、单个电磁感应测速环的周长及螺线管的匝数都固定，则每圈电磁感应测速环所产生的感生电动势与岩石试样径向运动的速度成正比，因而测得电磁感应测速环的感生电动势即可得到岩石试样在***过程中径向运动的速度。

改变***当量的大小，即可改变施加在模型上***荷载的大小。实验不同***当量即可较精确地得到不同装药条件下岩石介质的运动参数。

2、测试装置的具体结构及特点

进一步的，为了使得本装置能够在***后还能够重复使用，增设了安全容器进行保护。同时为了使得***荷载更易被引爆，增设了导爆索。为了使得测得的径向速度更加精确，增设了多道电磁感应测速环。装置包括岩石试样5、安全容器1、***荷载4、电磁感应测速环3、直螺线管2和电动势测量装置。安全容器1内设有直螺线管2，直螺线管2为外部缠绕有漆包铜线的玻璃钢筒9，直螺线管由脉冲电源对其放电，在直螺线管内部产生磁场，直螺线管内套有岩石试样5，岩石试样的横截面内设有电磁感应测速环3和***荷载4，其中电磁感应测速环与岩石试样的横截面同心，安全容器外设有电动势测量装置。

实验先根据安全容器尺寸设计圆柱形岩石试样，将圆柱形岩石试件截成两半，根据***当量大小估算介质运动速度，在其中一半试件的开设半球形装药空间，在这个半球形装药空间中填充***，构成一部分***荷载。同时，在这一截面中，沿径向均匀开设若干圆环形凹槽，凹槽之间的间距为5~10mm，用于预埋电磁感应测速环3。电磁感应测速环由漆包铜线制成。当***荷载较大，即***当量较大时，岩石介质在***过程中径向运动的速度较大时需要适当减小电磁感应测速环之间的间距，以得到更精确的速度值。利用环氧树脂将电磁感应测速环与岩石试样固定。电磁感应测速环与试样岩石试样的凹槽紧密结合，变形协调，从而确保电磁感应测速环在***过程中的扩张速度与岩石介质的径向运动速度一致。装置由***荷载使岩石试样***变形，***荷载分为两半，通过导爆索引爆。一半***荷载已经设置在刚刚的一半试件的截面上了，因而需要在另一半试件的截面上开设半球形装药空间以布设另一半球形***，同时开设安装导爆索的通道。最后将上述两半圆柱形试件重新粘合，并将重新粘合的岩石试样放置在直螺线管中，并将直螺线管放置于安全容器中，固定好安全容器的法兰盘，设置好直螺线管外的电动势测量装置，完成试验装置的预备工作。

（a）安全容器（图2）

由圆柱形钢箱构成，分上下两部分，上部设有观察孔，下部设有光窗，通过法兰盘将上下两部分连接。安全容器为内径400mm、长800mm的圆柱形钢箱。上部的观察孔和下部的光窗的直径为100mm，可以满足高速摄影的需求。该安全容器可以容纳试样的最大尺寸为：直径300mm，长600mm。安全容器起到防止***碎片向外飞溅，达到保护设备安全的目的。试验中可以将高速摄影机设置在观察孔外，通过光窗向安全容器内摄入满足高速摄影机拍摄要求的光线。这样就可以在测量岩石试样在***中的径向运动的速度的同时直观地观察***过程。

装置在***过程中的形变很小，不会在实验过程中出现损坏的现象，既可以保证测试的精度，又可以重复使用。

（b）直螺线管（图3）

直螺线管为外部缠绕漆包铜线的玻璃钢筒，可根据试验需求调整匝数。铜丝选用线径3mm、耐温180℃、耐压5000V的漆包线，玻璃钢筒内径不小于400mm，直螺线管匝数为360，内阻约0.58Ω，电感约3.98mH，由脉冲电源对其放电，在直螺线管内部产生磁场，直螺线管内套有岩石试样5。玻璃钢筒的强度同样可以保护装置不在***中损坏。

脉冲电源放电，在直螺线管中产生脉冲磁场。经过恰当延时（通常需要120μs），当脉冲磁场进入磁感应强度相对稳定的“平台”段后，发出起爆信号通过导爆索引爆***荷载，并同时触发电动势测量装置。电动势测量装置测量电磁感应测速环切割磁力线所产生的电动势。在***荷载***的作用下，岩石介质5将出现由***荷载出向外快速膨胀的径向运动，此时预埋的粒子测速计也随岩石介质一起向外快速扩张并垂直切割磁力线。根据法拉第电磁感应原理，由于铜线的磁感应强度、单个电磁感应测速环的周长及直螺线管的匝数都固定，则每圈电磁感应测速环所产生的感生电动势与岩石试样径向运动的速度成正比，因而测得电磁感应测速环的感生电动势即可得到岩石试样在***过程中径向运动的速度。

（c）电磁感应测速环（图4）

由Ø0.22mm漆包铜线制成，呈圆环形，通过环氧树脂固定在岩石试件中预留的圆环形凹槽中，与之紧密结合。在***作用下，电磁感应测速环的扩张速度与岩石试样径向运动速度一致。电磁感应测速环的响应时间约0.3μs，满足最低0.4m/s的速度测量需求。

当***荷载较大，岩石介质在***过程中径向运动的速度较大时，需要适当减小电磁感应测速环之间的间距，以得到更精确的速度值；而当岩石介质在***过程中径向运动的速度较小时，可以适当增大电磁感应测速环之间的间距，而不会影响测试的精度。

3、装置的特点

（a）本装置，在直螺线管内磁感应强度稳定时，测量由于岩石***形变而使得电磁感应测速环垂直切割磁力线产生的电动势。由于电磁感应测速环产生的电动势与岩石介质径向运动的速度成正比，因而，本装置在测量电磁感应测速环产生电动势后能精确地获得***条件下岩石介质的径向运动速度，精度较高且度数直观。

（b）本装置在整个试验过程中保持直螺线管中的磁场恒定，只需要在***过程中保证电动势测量装置能够测量电磁感应测速环产生的电动势即可得到的岩石介质径向运动的速度。测试装置操作简便灵活，使用安全、方便，且满足测试精度要求。

（c）本装置的直螺线管中会形成恒定的电磁场，保证电磁感应测速环的扩张速度与岩石介质径向运动速度一致。

（d）本装置结构简单，整体刚性好。而且，由于采用了强度足够高的玻璃钢，本装置结构整体强度和刚度安全，在***过程中的形变很小，不会在实验过程中出现损坏的现象。既可以保证测试的精度，又可以重复使用。

（e）此外，由于安全容器上部设有观察孔，下部设有光窗，试验中可以将高速摄影机设置在观察孔外，通过光窗向安全容器内摄入满足高速摄影机拍摄要求的光线。这样就可以在测量岩石试样在***中的径向运动的速度的同时直观地观察***过程。

Claims (7)

1.一种岩石中***径向运动速度测试装置，包括岩石试样（5）、***荷载（4），***荷载(4)设置于岩石试样的横截面内，其特征在于岩石试样（5）外套有直螺线管（2），岩石试样的横截面内还设有电磁感应测速环(3)。

2.如权利要求1所述的岩石中***径向运动速度测试装置，其特征在于，所述的电磁感应测速环由漆包铜线制成，由环氧树脂固定在岩石试样内，与岩石试样的横截面同心。

3.如权利要求2所述的岩石中***径向运动速度测试装置，其特征在于，所述的岩石试样的横截面内同心地设置有两个以上电磁感应测速环，电磁感应测速环之间的间距为5~10mm。

4.如权利要求1所述的岩石中***径向运动速度测试装置，其特征在于，所述的***荷载设置在电磁感应测速环的圆心位置，***荷载处还设有导爆索，导爆索从岩石试样内的***荷载处引出。

5.如权利要求1所述的岩石中***径向运动速度测试装置，其特征在于，所述的直螺线管为外部缠绕有漆包铜线的玻璃钢筒（9）。

6.如权利要求1所述的岩石中***径向运动速度测试装置，其特征在于，所述的直螺线管外设有安全容器（1），安全容器由圆柱形钢筒构成，分为上部和下部，安全容器的上部和下部通过法兰盘连接（6）。

7.如权利要求6所述的岩石中***径向运动速度测试装置，其特征在于，所述的安全容器的上部设有观察孔（8），安全容器的下部设有光窗（7）。