專利名稱：巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及試驗(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O90HZ)，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 (2000C )、高壓(HOMPa)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?？v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)容本實(shí)用新型的目的在于解決現(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)方案是一種巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)，它包括MTS815巖石伺服試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)的三軸室內(nèi)設(shè)有上壓頭與底壓頭，其特征在于，在底壓頭內(nèi)設(shè)置有聲發(fā)射檢波器，聲發(fā)射檢波器的屏蔽信號(hào)線從系統(tǒng)底座的預(yù)留通訊通道中穿出三軸室外，屏蔽信號(hào)線與三軸室外部的前置放大器相連，以實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射檢波器檢測(cè)信號(hào)的室外傳輸。為了便于聲發(fā)射檢波器置入空腔中，所述的底壓頭為凸臺(tái)狀，在底壓頭的粗徑部位加工上向一側(cè)開(kāi)口的空腔，空腔處于巖樣正下方的壓軸線上，通過(guò)開(kāi)口將聲發(fā)射檢波器置入空腔中。為了便于將上述底壓頭固定在三軸室內(nèi)，底壓頭的底部還設(shè)有凸緣，凸緣上均勻設(shè)置一圈螺紋孔。為了便于使聲發(fā)射檢波器的屏蔽信號(hào)線從預(yù)留通訊通道中穿出，在處于三軸室內(nèi)的底座面上鉆有與預(yù)留通訊通道相通的鉆孔，聲發(fā)射檢波器的屏蔽信號(hào)線穿過(guò)鉆孔后用環(huán)氧樹(shù)脂將鉆孔密封，以防高壓油泄露。上述聲發(fā)射檢波器的優(yōu)選構(gòu)造是，在一個(gè)圓筒體的頂面設(shè)有壓電陶瓷片。或在一個(gè)圓桶體的頂面設(shè)有壓電陶瓷片，桶體底部設(shè)有與三軸室相通的孔眼。試驗(yàn)時(shí)液壓油進(jìn)入聲發(fā)射檢波器體內(nèi)，使內(nèi)外等壓，保證其在圍壓作用下對(duì)聲發(fā)射波的正常接收。本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型基于MTS815巖石伺服試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)將聲發(fā)射檢波器放在底壓頭內(nèi)， 實(shí)現(xiàn)了聲發(fā)射檢波器可內(nèi)置于三軸室內(nèi)，并與巖樣合理接觸，使巖石在三軸壓縮條件下能夠監(jiān)測(cè)到更加全面、真實(shí)的聲發(fā)射信號(hào)，為利用巖石三軸壓縮聲發(fā)射信息預(yù)測(cè)巖石破裂進(jìn)而預(yù)防因巖體破裂發(fā)生的礦山災(zāi)害事故提供更可靠的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖1是現(xiàn)有巖石三軸壓縮聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)布置示意圖；圖2是本實(shí)用新型的巖石三軸壓縮聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)布置示意圖；圖3是實(shí)驗(yàn)壓頭的俯視圖；圖4是壓電陶瓷聲發(fā)射檢波器立體圖。圖例說(shuō)明1-三軸室；2-底壓頭；3-聲發(fā)射檢波器；4-屏蔽信號(hào)線；5-底座；6_鉆孔；7-預(yù)留通訊通道；8-空腔；9-前置放大器；10-螺紋孔；11-空腔；12-壓電陶瓷元件； 13-圓柱體；14-孔眼。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例做進(jìn)一步說(shuō)明。圖1是現(xiàn)有巖石三軸壓縮聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)布置示意圖，從圖中可以看出，由于底座上無(wú)法放置聲發(fā)射檢波器，所以聲發(fā)射檢波器只能置于三軸室外壁。如圖2和圖3所示，本實(shí)用新型的巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)是在現(xiàn)有MTS815巖石伺服試驗(yàn)系統(tǒng)的三軸室1內(nèi)設(shè)有上壓頭(圖中未畫(huà)出)與凸臺(tái)狀的底壓頭2，在底壓頭2的粗徑部位加工上向一側(cè)開(kāi)口的空腔8，空腔8處于巖樣正下方的壓軸線上，底壓頭2的底部還設(shè)有凸緣，凸緣上均勻設(shè)置一圈螺紋孔10，通過(guò)螺紋孔10用螺栓將底壓頭2固定在三軸室1內(nèi)?？涨?內(nèi)設(shè)置有聲發(fā)射檢波器3。為了使聲發(fā)射檢波器3的屏蔽信號(hào)線4從預(yù)留通訊通道7中穿出，在處于三軸室1內(nèi)的底座面上向底座5內(nèi)鉆取一個(gè)與預(yù)留通訊通道7相通的鉆孔6，并在聲發(fā)射檢波器 3的屏蔽信號(hào)線4穿過(guò)后用環(huán)氧樹(shù)脂密封鉆孔6，以防高壓油泄露。屏蔽信號(hào)線4從系統(tǒng)底座的預(yù)留通訊通道7中穿出后與三軸室外部的前置放大器9相連，從而實(shí)現(xiàn)三軸室內(nèi)聲發(fā)射檢波器檢測(cè)信號(hào)的室外傳輸。如圖4所示，聲發(fā)射檢波器3是在圓柱體13的上端面設(shè)有壓電陶瓷元件12，為了實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射檢波器的內(nèi)外等壓，圓柱體13內(nèi)設(shè)有空腔11，空腔11通過(guò)底部孔眼14與三軸室1相通。試驗(yàn)中液壓油通過(guò)孔眼14進(jìn)入聲發(fā)射檢波器空腔11內(nèi)，實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射檢波器內(nèi)外等壓，保證其在圍壓作用下對(duì)聲發(fā)射信息的正常接收。聲發(fā)射檢波器3的直徑18. 9mm，高度14. 8mm,內(nèi)為空腔，底部孔眼直徑3mm。
權(quán)利要求1.一種巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)，它包括MTS815巖石伺服試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)的三軸室內(nèi)設(shè)有上壓頭與底壓頭，其特征在于，在底壓頭內(nèi)設(shè)置有聲發(fā)射檢波器，聲發(fā)射檢波器的屏蔽信號(hào)線從系統(tǒng)底座的預(yù)留通訊通道中穿出三軸室外，屏蔽信號(hào)線與三軸室外部的前置放大器相連。
2.如權(quán)利要求1所述的巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的底壓頭為凸臺(tái)狀，在底壓頭的粗徑部位加工上向一側(cè)開(kāi)口的空腔，空腔處于巖樣正下方的壓軸線上， 通過(guò)開(kāi)口將聲發(fā)射檢波器置入空腔中。
3.如權(quán)利要求1所述的巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，底壓頭的底部設(shè)有凸緣，凸緣上均勻設(shè)置一圈螺紋孔。
4.如權(quán)利要求1所述的巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，在處于三軸室內(nèi)的底座面上鉆有與預(yù)留通訊通道相通的鉆孔，聲發(fā)射檢波器的屏蔽信號(hào)線穿過(guò)鉆孔后用環(huán)氧樹(shù)脂將鉆孔密封。
5.如權(quán)利要求1-4任一所述的巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的聲發(fā)射檢波器是在一個(gè)圓筒體的頂面設(shè)有壓電陶瓷片。
6.如權(quán)利要求1-4任一所述的巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的聲發(fā)射檢波器是在一個(gè)圓桶體的頂面設(shè)有壓電陶瓷片，桶體底部設(shè)有與三軸室相通的孔眼。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)，它包括MTS815巖石伺服試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)的三軸室內(nèi)設(shè)有上壓頭與底壓頭，在底壓頭內(nèi)設(shè)置有聲發(fā)射檢波器，聲發(fā)射檢波器的屏蔽信號(hào)線從系統(tǒng)底座的預(yù)留通訊通道中穿出三軸室外，然后將屏蔽信號(hào)線與三軸室外部的前置放大器相連，以實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射檢波器檢測(cè)信號(hào)的室外傳輸。本實(shí)用新型能夠監(jiān)測(cè)到更加全面、真實(shí)的聲發(fā)射信號(hào)，為利用巖石三軸壓縮聲發(fā)射信息預(yù)測(cè)巖石破裂進(jìn)而預(yù)防因巖體破裂發(fā)生的礦山災(zāi)害事故提供更可靠的試驗(yàn)結(jié)果。
文檔編號(hào)G01N29/14GK202216938SQ201120271169
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月19日
發(fā)明者楊永杰, 王德超, 王敏, 趙南南, 陳紹杰 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)