空气爆冲与脉动真三轴测试系统

本发明涉及岩石力学性能测试，具体涉及一种空气爆冲与脉动真三轴测试系统。

背景技术：

1、在自然界中，岩石在复杂应力作用下，会在深部洞室开挖过程中发生变形。这种变形会导致临空面释放岩体内部积累的应变能，从而引发应力重新分布。这种现象会促使岩体内部产生新的裂纹，并且这些裂纹会相互扩展和贯通。最终，这些裂纹的累积可能导致岩体的失稳破坏。

2、因此，研究深部岩石力学特性，特别是开采作用下的深部岩石力学响应、破坏特性及规律对于重大工程建设、能源资源高效开发、地球深部断层活化认识与评价至关重要。

3、目前，在研究深部围岩开采过程中所经历的受力状态的试验中，随着技术的进步,可通过真三轴试验机开展岩体试件在三向应力状态下的力学特性试验研究，现有空气爆冲与脉动真三轴测试系统在岩样三个方向，通过液压加压的方式施加互不相等的压应力，从而模拟岩石在地层中真实的受力状态，在r向位移固定、y向加载、z向卸载真三轴应力路径下的冲击岩样进行了试验研究。

4、由于部分岩体结构完整，内部节理裂隙较少，在发生突发性失稳破坏前，岩体卸荷面上无异常现象发生，即岩石受载破坏过程中，岩石表面温度场会随应力增加而发生变化，极易对现场施工人员的生命造成威胁。

技术实现思路

1、本发明为解决当前岩体试件在三向应力状态下的力学特性试验研究问题，提供一种空气爆冲与脉动真三轴测试系统。将热红外与声发射引入岩石真三轴加载过程中，分析研究岩石在真三轴加载破坏过程中声发射和热红外变化特征，为岩石破坏提供前兆预警。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种空气爆冲与脉动真三轴测试系统，包括真三轴模型，所述真三轴模型通过电路连接有伺服加载系统、注入系统、计量系统、数据采集控制系统、声发射、红外热像仪以及安全防护系统；

3、所述真三轴模型包括上法兰和下法兰，上下法兰之间共同连接有承压主体，上下法兰及承压主体之间形成内部腔体，所以内部腔体内安装有正方体岩样，岩样的四周及底部的轴压加载腔内均分别安装有活塞加载装置，岩样的顶部且位于上法兰的下部安装有上压板，所述活塞加载装置的输出端与岩样的侧壁之间均连接有上压板；

4、所述伺服加载系统用于提供高/低压液压回路以控制活塞加载装置工作，伺服加载系统与计量系统通讯；所述伺服加载系统与多个活塞加载装置之间分别连接有z轴加载系统、y轴加载系统和x轴加载系统；

5、所述注入系统包括tc-300恒速恒压泵、中间容器、气体增压系统及预热器，用于使溶液在任何压力条件下都能精确流动和高速流动平稳；计量系统包括自动背压系统及电子天平及气体计量系统，用于计量质量和气体体积、自动降压以及自动调压；数据采集控制系统包括压力监测系统、温度监测系统、软件及计算机，所述压力监测系统包括分别连接于z轴加载系统、y轴加载系统、x轴加载系统与活塞加载装置之间的管路上的z轴压力测试系统、y轴压力测试系统和x轴压力测试系统；用于所有应力信号和输入反馈控制的自动化、处理测试和量测信号的a/d转换、自动采集处理数据、实时监测并采集加载系统的应力及位移系统、实时采集进出口流体的压力和温度、实时监测渗流过程中岩体温度场的变化规律以及岩样的变形速率；声发射对岩样破裂过程进行动态监测，获得破裂区附近破裂声发射信息；红外热像仪对岩样破裂过程进行动态监测，获得破裂区附近温度；安全防护系统包括管路安全阀控制系统、超温超压软件及电器防护系统、电路安全系统、操作安全系统，用于调节系统内部压力和电路防护，保护系统安全。

6、工作原理:真三轴模型采用最先进的腔体内部活塞加载结构，采用压力容器类型，内部安装套活塞加载装置（安装位置为样品四周及底部），选用超高强度2205不锈钢加工制造，可长时间加载及长时间稳压，内部适用岩样：300×300×300mm，岩样密封采用铜套密封形式，焊接将岩样的条边进行焊接包裹，样品四周及顶部、下部安装活塞加载装置，四周及底部液压缸设计为活塞并联结构，为保证位移测量精度，模型主机参与变形测量部分刚度≥10gn/m，三向加载装置全部采用独立伺服系统+中央数字系统控制；

7、所述伺服加载系统，用于高/低压液压回路，伺服加载泵选用叶片泵，用于优化高/低压液压回路，伺服阀选用力士乐直动式比例方向控制阀，用于极高精度的液压位置控制以及压力与速度控制，伺服控制系统选用delta控制系统，用于优化系统和提升机器性能来提高效率，压力传感器采用316l不锈钢隔离膜片结构，可与计算机通讯；

8、所述注入系统，用于使溶液在任何压力条件下都能精确流动和高速流动平稳，用于岩样气爆冲压裂、水力压裂的测试；tc-300恒速恒压泵采用数字定位监测伺服控制电路，使溶液在任何压力条件下都能精确流动，并使高速流动平稳，精度高、操作简单、维护保养方便、工作噪声小，tc-300恒速恒压泵包含多接口的控制面板，可以进行模拟压力、模拟流速的输入和输出以及数字信号的输入，中间容器材质为2205双相不锈钢，用于定量注入流体，气体增压系统选用tc-60型气体增压系统，可调节驱动气压，应用工作介质广范（可为甲烷、空气、氢气、氧气、氮气、沼气、天然气等特殊气体），预热器由电加热管、盘管及保温层组成，可有效把热量均匀传递至流体盘管；

9、所述计量系统包含自动背压系统、电子天平及气体计量系统，用于计量质量和气体体积、自动降压以及自动调压，自动背压系统选用by-70型高精度回压柱塞泵，用于自动降压和调压，电子天平选用赛多利斯品牌，确保长期、高质量的称量结果，气体计量系统，用于气体体积计量；

10、所述数据采集控制系统，包括压力监测系统、温度监测系统、软件及计算机，用于所有应力信号和输入反馈控制的自动化、处理测试和量测信号的a/d转换、自动采集处理数据、实时监测并采集加载系统的应力及位移系统、实时采集进出口流体的压力和温度、实时监测渗流过程中岩体温度场的变化规律以及岩样的变形速率，软件在windows环境下运行，可进行后期开发使用，软件数据可自动储存，可恢复和续存数据，能长时间可靠工作，可生成原始数据报表、分析报表以及曲线图，同时生成数据库文件格式，以便用户灵活使用，压力监测系统和温度监测系统可确保试验安全可靠，以防误操作，计算机主机及液晶显示器，选用dell牌，cpu为12代i7，内存为16gb ddr4，硬盘为1tb机械硬盘，win10操作系统，21寸液晶显示器；

11、所述声发射，对岩样破裂过程进行动态监测，获得破裂区附近破裂声发射信息，能反映岩石应力水平和破裂阶段。

12、所述红外热像仪，对岩样破裂过程进行动态监测，获得破裂区附近温度，通过热像走势可以预测未来裂纹扩展趋势。

13、所述安全防护系统，包括管路安全阀控制系统、超温超压软件及电器防护系统、电路安全系统、操作安全系统，用于调节系统内部压力和电路防护，保护系统安全，安全阀选用30～40mpa，可调节压力，保护系统安全，超温超压软件通过压力、温度采集仪表设定报警数值，通过计算机软件设定超压、超温数值，确保数据及时储存。

14、作为本发明技术方案的进一步限定，所述活塞加载装置包括活塞加载腔，活塞加载腔内通过活塞腔法兰安装有九个加载活塞，加载活塞的端部覆盖有隔热云母板，活塞加载腔的外侧壁连通有退油管路和进油管路。

15、作为本发明技术方案的进一步限定，所述伺服加载系统包括液压缸和液压伺服控制器，液压缸通过管路连接有储油罐，液压缸和储油罐连接的管路上设置有伺服控制阀、伺服驱动器和伺服电机；所述液压缸的两端分别设置有一个压力传感器；所述伺服控制阀、液压缸、压力传感器、伺服驱动器均与液压伺服控制器电连接。

16、作为本发明技术方案的进一步限定，所述真三轴模型采用选用高强度模具用钢42crmo制作；液压缸选用超高强度2205不锈钢加工制造；压力传感器采用316l不锈钢隔离膜片结构，与计算机通讯；液压伺服控制器的伺服控制系统选用delta控制系统。

17、作为本发明技术方案的进一步限定，所述岩样上开设有压裂注入口，并在压裂注入口的下部开设有压裂预埋井，所述岩样的边缘均包裹有密封铜套。

18、作为本发明技术方案的进一步限定，所述气体增压系统与真三轴模型连接的管路上还设置有气动装置和入口温度测试系统，所述真三轴模型还连接有入口压力测试系统。

19、作为本发明技术方案的进一步限定，所述气体增压系统选用tc-60型气体增压系统。

20、与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

21、本发明空气爆冲与脉动真三轴测试系统，它能够完成常规力学加载、页岩气爆冲压裂、水力压裂、渗透率测试以及预留声发射检测口来进行后续工作，功能齐全，整套设备无需大量人力协助，提高了工作效率和安全性。

22、本发明的整套设备材料大量运用高强度钢材质，特别是加载液压缸选用超高强度2205不锈钢加工制造，此材料具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性，固溶处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。

23、本发明的tc-300d型恒速恒压泵通过数字定位监测伺服控制电路，使溶液在任何压力条件下都能精确流动，并使高速流动平稳，精度高、维护保养方便、工作噪声小，可连续无脉冲稳定运行30天以上；伺服控制系统选用delta控制系统，会让设计、诊断和系统优化速度更快，而且比任何同类控制编程软件都更容易掌握，还能依靠delta优化系统，提高效率；可通过恒速恒压泵操作界面进行恒流流速设定和横流定量设定。

24、本发明可通过计算机显示储存各项数据，可保证系统软件在实际的实验环境中能长时间可靠工作，可生成原始数据报表、分析报表以及曲线图，同时生成数据库文件格式，以便用户灵活使用，对于实验中出现的异常高温、高压等现象具有自动报警和断电保护功能。

25、本发明通过管路安全阀调节系统内部压力保护系统安全；传感器超温超压报警，通过压力、温度采集仪表设定报警数值，通过计算机软件设定超压、超温数值，当超压或者超温情况发生时，仪表、计算机软件自动进行声光报警，自动储存数据，并断开压力舱加压加热线路。

26、将热红外与声发射引入岩石真三轴加载过程中，分析研究岩石在真三轴加载破坏过程中声发射和热红外变化特征，通过岩石破坏前各项指标的异常变化，为岩石破坏提供前兆预警。