專利名稱：巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及試驗系統(tǒng)，尤其涉及用于巖石三軸壓縮聲發(fā)射的試驗系統(tǒng)。
背景技術：
礦山井下冒頂、頂底板突水、沖擊地壓等災害事故時有發(fā)生，給國家和人民的生命財產造成極大危害，這些災害事故的發(fā)生均與巖體破裂失穩(wěn)密切相關。巖石材料在承受荷載時，其內部將產生局部彈塑性能集中現象，當能量積聚到某一臨界值之后，引起微裂隙的產生與擴展，必然伴隨彈性波或應力波在周圍巖體中的快速釋放和傳播，產生聲發(fā)射現象。 通過對聲發(fā)射信號的采集、處理、分析研究，可以推斷其內部的形態(tài)變化，反演其破壞機理， 預測其破裂失穩(wěn)。彈性波或應力波的釋放過程，相對于較大尺度的巖體，由于高頻衰減得快，檢測到信號的頻率較低但是能量大，通常在20 200Hz，稱為微地震；對于小尺度的巖樣，檢測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能量差別很大，但其原理是相似的。聲發(fā)射現象是巖石壓縮破裂失穩(wěn)的重要前兆信息，研究科學合理的巖石壓縮破裂聲發(fā)射實驗方法，在實驗基礎上探討聲發(fā)射信息與巖石內部損傷演化過程的關系，得出符合實際情況的巖石壓縮破裂聲發(fā)射預測方法，對于采用聲發(fā)射(微地震)監(jiān)測技術預防相關災害事故發(fā)生具有重要理論及實際意義。巖石力學試驗系統(tǒng)與聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)相結合，能夠監(jiān)測巖石壓縮破裂過程中產生的聲發(fā)射信息，進而利用聲發(fā)射信息預測巖石損傷演化過程。目前比較先進的巖石力學試驗系統(tǒng)是美國引進的MTS815電液伺服巖石試驗系統(tǒng)，它是具有世界先進水平的大型精密巖石力學儀器設備。該設備能夠進行巖石單軸壓縮、三軸壓縮、孔隙水壓和水滲透等試驗。系統(tǒng)的主要特點是①全程計算機控制，可實現自動數據采集及處理；②配備三套獨立的伺服系統(tǒng)分別控制軸壓、圍壓與孔隙(滲透) 壓力；③實心鋼制荷重架只儲存很小的彈性能從而實現剛性壓力試驗；④伺服閥反應敏捷O90HZ)，試驗精度高；⑤與試件直接接觸的引伸儀(美國MTS公司專利)可在高溫 OO(TC)、高壓(HOMPa)油中精確工作，可對巖石破壞前后的應力應變進行最精確測量；⑥ 試驗可采用任意加載波形與速率，三種控制方式試驗中可自動轉換；⑦調節(jié)范圍寬廣的閉環(huán)加熱系統(tǒng)可提供均勻的溫度場。存在的不足是這種巖石試驗系統(tǒng)很容易進行巖石單軸壓縮聲發(fā)射試驗。因為單軸壓縮不存在施加圍壓問題，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行耦合，所以聲發(fā)射信號的可靠采集容易實現。但進行巖石三軸壓縮聲發(fā)射實驗時，由于試驗系統(tǒng)的三軸室內無法放置聲發(fā)射檢波器，只能置于三軸室外壁(巖樣在三軸室內)，如圖1所示。這種情況下，聲發(fā)射檢波器難以檢測到全部真實的聲發(fā)射信號，且檢測到的聲發(fā)射信號信噪比低。主要原因有以下幾個方面(1)巖樣壓縮破裂過程中，通常會產生多種類型的振動波，如壓縮波(縱波)、剪切波(橫波)等。縱波是指質點的振動方向和波的傳播方向一致的波，凡能產生拉伸或壓縮應力的介質都能傳播縱波，因此縱波能夠在各種介質中傳播；橫波是指質點的振動方向和波的傳播方向相互垂直的波，介質中的質點受到交變剪切應力而產生的波形，只有能夠承受剪切應力的介質才能夠傳播橫波，因此橫波不能穿過液體和氣體而只能通過固體傳播。而巖樣壓縮破裂產生的振動波其能量較強的成分往往是巖樣內部裂隙破裂擴展產生的橫波。 按照圖1所示將檢波器放置在三軸室外壁的檢測方法，存在波的類型與傳播路徑轉換，雖然可以接收到部分聲發(fā)射信號，但無法接收到聲發(fā)射直達波信號，會有很大一部分能量較強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上下壓頭和三軸室外壁沿轉換路徑傳播。(2)檢波器安置在三軸室外壁時會增加振動波(聲發(fā)射信號)的傳播距離，造成振動波能量衰減。根據波的球面擴散效應和吸收衰減效應，波的傳播距離越大，其能量的吸收、衰減、擴散損失越大。(3)檢波器置于三軸室外壁時受到的電磁噪聲信號的干擾相對較大，接收到的信號信噪比較低。因此，需要對上述MTS815電液伺服巖石試驗系統(tǒng)進行改進。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于解決現有巖石伺服試驗系統(tǒng)無法對巖石進行三軸壓縮試驗的問題，對MTS815巖石伺服試驗系統(tǒng)進行改進，提供一種巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗系統(tǒng)。解決上述問題的技術方案是一種巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗系統(tǒng)，它包括MTS815巖石伺服試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)的三軸室內設有上壓頭與底壓頭，其特征在于，在底壓頭內設置有聲發(fā)射檢波器，聲發(fā)射檢波器的屏蔽信號線從系統(tǒng)底座的預留通訊通道中穿出三軸室外，屏蔽信號線與三軸室外部的前置放大器相連，以實現聲發(fā)射檢波器檢測信號的室外傳輸。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狀，在底壓頭的粗徑部位加工上向一側開口的空腔，空腔處于巖樣正下方的壓軸線上，通過開口將聲發(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，底壓頭的底部還設有凸緣，凸緣上均勻設置一圈螺紋孔。為了便于使聲發(fā)射檢波器的屏蔽信號線從通訊通道中穿出，在處于三軸室內的底座面上鉆有與預留通訊通道相通的鉆孔，聲發(fā)射檢波器的屏蔽信號線穿過鉆孔后用環(huán)氧樹脂將鉆孔密封，以防高壓油泄露。上述聲發(fā)射檢波器的優(yōu)選構造是，在一個圓筒體的頂面設有壓電陶瓷片。或在一個圓桶體的頂面設有壓電陶瓷片，桶體底部設有與三軸室相通的孔眼。試驗時液壓油進入聲發(fā)射檢波器體內，使內外等壓，保證其在圍壓作用下對聲發(fā)射波的正常接收。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明基于MTS815巖石伺服試驗系統(tǒng)，通過將聲發(fā)射檢波器放在底壓頭內，實現了聲發(fā)射檢波器可內置于三軸室內，并與巖樣合理接觸，使巖石在三軸壓縮條件下能夠監(jiān)測到更加全面、真實的聲發(fā)射信號，為利用巖石三軸壓縮聲發(fā)射信息預測巖石破裂進而預防因巖體破裂發(fā)生的礦山災害事故提供更可靠的實驗方法和實驗結果。


圖1是現有巖石三軸壓縮聲發(fā)射實驗布置示意圖；圖2是本發(fā)明的巖石三軸壓縮聲發(fā)射實驗布置示意圖；圖3是實驗壓頭的俯視圖；圖4是壓電陶瓷聲發(fā)射檢波器立體圖。圖例說明1-三軸室；2-底壓頭；3-聲發(fā)射檢波器；4-屏蔽信號線；5-底座；6_鉆孔；7-備用通訊通道；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。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明實施例做進一步說明。圖1是現有巖石三軸壓縮聲發(fā)射實驗布置示意圖，從圖中可以看出，由于底座上無法放置聲發(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，本發(fā)明的巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗系統(tǒng)是在現有MTS815巖石伺服試驗系統(tǒng)的三軸室1內設有上壓頭(圖中未畫出)與凸臺狀的底壓頭2，在底壓頭2的粗徑部位加工上向一側開口的空腔8，空腔8處于巖樣正下方的壓軸線上，底壓頭2的底部還設有凸緣，凸緣上均勻設置一圈螺紋孔10，通過螺紋孔10用螺栓將底壓頭2固定在三軸室1內?？涨?內設置有聲發(fā)射檢波器3。為了使聲發(fā)射檢波器3的屏蔽信號線4從備用通訊通道7中穿出，在處于三軸室1內的底座面上向底座5內鉆取一個與預留通訊通道7 相通的鉆孔6，并在聲發(fā)射檢波器3的屏蔽信號線4穿過后用環(huán)氧樹脂密封鉆孔6，以防高壓油泄露。屏蔽信號線4從系統(tǒng)底座的通訊通道7中穿出后與三軸室外部的前置放大器9 相連，從而實現三軸室內檢波器檢測信號的室外傳輸。如圖4所示，聲發(fā)射檢波器3是在圓柱體13的上端面設有壓電陶瓷元件12，為了實現聲發(fā)射檢波器的內外等壓，圓柱體13內設有空腔11，空腔11通過底部孔眼14與三軸室1相通。試驗中液壓油通過孔眼14進入檢波器空腔11內，實現檢波器內外等壓，保證其在圍壓作用下對聲發(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,內為空腔，底部孔眼直徑3mm。
權利要求
1.一種巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗系統(tǒng)，它包括MTS815巖石伺服試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)的三軸室內設有上壓頭與底壓頭，其特征在于，在底壓頭內設置有聲發(fā)射檢波器，聲發(fā)射檢波器的屏蔽信號線從系統(tǒng)底座的預留通訊通道中穿出三軸室外，屏蔽信號線與三軸室外部的前置放大器相連。
2.如權利要求1所述的巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的底壓頭為凸臺狀，在底壓頭的粗徑部位加工上向一側開口的空腔，空腔處于巖樣正下方的壓軸線上， 通過開口將聲發(fā)射檢波器置入空腔中。
3.如權利要求1所述的巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗系統(tǒng)，其特征在于，底壓頭的底部設有凸緣，凸緣上均勻設置一圈螺紋孔。
4.如權利要求1所述的巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗系統(tǒng)，其特征在于，在處于三軸室內的底座面上鉆有與預留通訊通道相通的鉆孔，聲發(fā)射檢波器的屏蔽信號線穿過鉆孔后用環(huán)氧樹脂將鉆孔密封。
5.如權利要求1-4任一所述的巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的發(fā)射檢波器是在一個圓筒體的頂面設有壓電陶瓷片。
6.如權利要求1-4任一所述的巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的發(fā)射檢波器是在一個圓桶體的頂面設有壓電陶瓷片，桶體底部設有與三軸室相通的孔眼。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗系統(tǒng)，它包括MTS815巖石伺服試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)的三軸室內設有上壓頭與底壓頭，在底壓頭內設置有聲發(fā)射檢波器，聲發(fā)射檢波器的屏蔽信號線從系統(tǒng)底座的預留通訊通道中穿出三軸室外，然后將屏蔽信號線與三軸室外部的前置放大器相連，以實現聲發(fā)射檢波器檢測信號的室外傳輸。本發(fā)明能夠監(jiān)測到更加全面、真實的聲發(fā)射信號，為利用巖石三軸壓縮聲發(fā)射信息預測巖石破裂進而預防因巖體破裂發(fā)生的礦山災害事故提供更可靠的試驗方法和試驗結果。
文檔編號G01N29/14GK102305829SQ20111021277
公開日2012年1月4日 申請日期2011年7月19日 優(yōu)先權日2011年7月19日
發(fā)明者楊永杰, 王德超, 王敏, 趙南南, 陳紹杰 申請人:山東科技大學