一种微波液氮协同真三轴孔内冷热冲击试验装置及方法

本发明属于岩石力学与破岩试验，特别是涉及一种微波液氮协同真三轴孔内冷热冲击试验装置及方法。

背景技术：

1、近年来，水压致裂技术、微波致裂技术、气压致裂技术、水利相变冻融致裂技术等破岩技术得到快速发展。但是，在一些水资源较为匮乏的地区，由于水压致裂技术和水利相变冻融致裂技术的用水量较大，导致该技术难以实际开展应用。针对气压致裂技术来说，其对对储层岩体的完整性要求较高，在节理裂隙相对发育的岩体内，气压致裂效果较差。针对微波致裂技术来说，其破岩效果受岩石吸收微波能力的影响较大，同时由于微波设备及地质条件的限制，很多情况下微波致裂效果无法达到工程要求，更无法实现破岩。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种微波液氮协同真三轴孔内冷热冲击试验装置及方法，能够在真三轴加载下模拟地应力环境，能够在模拟的地应力环境下对岩石试样开展单孔或多孔内的冷热冲击试验，可研究孔内冷热冲击作用对岩石的损伤破裂效果及相关规律，为实际工程中应用微波液氮协同破岩技术提供理论指导。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种微波液氮协同真三轴孔内冷热冲击试验装置，包括真三轴加载单元、微波热冲击单元、液氮冷冲击单元及数据监测单元；岩石试样位于真三轴加载单元内，在岩石试样上加工有钻孔；所述微波热冲击单元通过钻孔对岩石试样进行热冲击；所述液氮冷冲击单元通过钻孔对岩石试样进行冷冲击；所述数据监测单元用于对岩石试样在真三轴加载下进行冷热冲击时产生的温度数据、声发射数据及应变数据进行监测。

3、所述真三轴加载单元包括压力室、封闭门、液压加载缸及液压站；所述压力室采用矩形结构，压力室的一侧面为敞口结构，所述封闭门设置在压力室的敞口处；所述液压加载缸数量为三个且互为垂直分布，第一个液压加载缸竖直设置在压力室顶部，第二个液压加载缸和第三个液压加载缸均水平设置在压力室的侧部，第二个液压加载缸与封闭门正对，与第三个液压加载缸正对的压力室侧壁上设置有冷热冲击让行外孔；三个所述液压加载缸均接入液压站，通过液压站对三个液压加载缸进行动作控制；三个所述液压加载缸的活塞杆与岩石试样均设置有加载压头，岩石试样与压力室和封闭门之间均设置有垫块；与所述冷热冲击让行外孔同侧的垫块上设置有冷热冲击让行内孔，冷热冲击让行外孔、冷热冲击让行内孔及岩石试样钻孔数量和孔径相同且位置一一对应，同一位置处的冷热冲击让行外孔、冷热冲击让行内孔及岩石试样钻孔同轴分布。

4、所述微波热冲击单元包括微波发生器、同轴传输电缆及微波发射器；所述同轴传输电缆一端与微波发生器相连，同轴传输电缆另一端与微波发射器相连；所述微波发射器采用直管式结构，微波发射器的直径小于冷热冲击让行外孔、冷热冲击让行内孔及岩石试样钻孔的孔径。

5、所述液氮冷冲击单元包括液氮储罐、液氮输出管、液氮泵及液氮释放管；所述液氮输出管一端与液氮储罐相连，液氮输出管另一端与液氮泵的进口相连，液氮泵的出口与液氮释放管相连；所述液氮输出管的直径小于冷热冲击让行外孔、冷热冲击让行内孔及岩石试样钻孔的孔径。

6、所述数据监测单元包括计算机、温度监测仪、声发射监测仪、应变监测仪、温度传感器、声发射传感器及应变片；所述温度传感器和声发射传感器均设置在加载压头与岩石试样之间，温度传感器与温度监测仪电连接，温度监测仪与计算机电连接；所述声发射传感器与声发射监测仪电连接，声发射监测仪与计算机电连接；所述应变片贴装在岩石试样表面，应变片与应变监测仪电连接，应变监测仪与计算机电连接。

7、一种微波液氮协同真三轴孔内冷热冲击试验方法，采用了所述的微波液氮协同真三轴孔内冷热冲击试验装置，当开展单孔冷热冲击试验时，包括如下步骤：

8、步骤一：在制备好的岩石试样上加工一个钻孔，钻孔的深度为岩石试样边长的一半；

9、步骤二：将温度传感器和声发射传感器安装到加载压头上；

10、步骤三：将压力室底部的垫块和设有冷热冲击让行内孔的垫块安装到位；

11、步骤四：将加工有一个钻孔的岩石试样送入压力室内；

12、步骤五：将应变片贴装到岩石试样表面；

13、步骤六：将封闭门同侧的垫块安装到位；

14、步骤七：将封闭门安装到压力室的敞口处，完成压力室的封闭；

15、步骤八：启动液压站，控制三台液压加载缸对岩石试样进行真三轴加载；

16、步骤九：将微波发射器依次穿过冷热冲击让行外孔和冷热冲击让行内孔插入岩石试样的钻孔内；

17、步骤十：启动微波发生器，产生的微波依次经同轴传输电缆及微波发射器射入钻孔内，微波会在钻孔内对岩石试样进行热冲击，同时由温度传感器、声发射传感器、应变片采集数据，数据则实时反馈至计算机中进行存储；

18、步骤十一：关闭微波发生器，将微波发射器从岩石试样的钻孔内移出；

19、步骤十二：将液氮释放管依次穿过冷热冲击让行外孔和冷热冲击让行内孔插入岩石试样的钻孔内；

20、步骤十三：打开液氮储罐的阀门，同时启动液氮泵，液氮依次经液氮输出管、液氮泵及液氮释放管进入钻孔内，液氮会在钻孔内对岩石试样进行冷冲击，同时由温度传感器、声发射传感器、应变片采集数据，数据则实时反馈至计算机中进行存储；

21、步骤十四：关闭液氮储罐的阀门，关闭液氮泵，将液氮释放管从岩石试样的钻孔内移出；

22、步骤十五：重复步骤九至步骤十四，在同一个钻孔内交替进行微波热冲击和液氮冷冲击，直至岩石试样发生破裂；

23、步骤十六：重复步骤一至步骤十五，区别在于，调整真三轴应力值、微波热冲击温度值、液氮冷冲击温度值、冷热冲击温度差值、升温速率或降温速率。

24、一种微波液氮协同真三轴孔内冷热冲击试验方法，采用了所述的微波液氮协同真三轴孔内冷热冲击试验装置，当开展多孔冷热冲击试验时，包括如下步骤：

25、步骤一：在制备好的岩石试样上加工至少两个钻孔，钻孔的深度为岩石试样边长的一半；

26、步骤二：将温度传感器和声发射传感器安装到加载压头上；

27、步骤三：将压力室底部的垫块和设有冷热冲击让行内孔的垫块安装到位；

28、步骤四：将加工有一个钻孔的岩石试样送入压力室内；

29、步骤五：将应变片贴装到岩石试样表面；

30、步骤六：将封闭门同侧的垫块安装到位；

31、步骤七：将封闭门安装到压力室的敞口处，完成压力室的封闭；

32、步骤八：启动液压站，控制三台液压加载缸对岩石试样进行真三轴加载；

33、步骤九：将微波发射器依次穿过冷热冲击让行外孔和冷热冲击让行内孔插入岩石试样的其中一个钻孔内；将液氮释放管依次穿过冷热冲击让行外孔和冷热冲击让行内孔插入岩石试样的另一个钻孔内；

34、步骤十：启动微波发生器，产生的微波依次经同轴传输电缆及微波发射器射入钻孔内，微波会在钻孔内对岩石试样进行热冲击；打开液氮储罐的阀门，同时启动液氮泵，液氮依次经液氮输出管、液氮泵及液氮释放管进入钻孔内，液氮会在钻孔内对岩石试样进行冷冲击；由温度传感器、声发射传感器、应变片采集数据，数据则实时反馈至计算机中进行存储；

35、步骤十一：关闭微波发生器，将微波发射器从岩石试样的钻孔内移出；关闭液氮储罐的阀门，关闭液氮泵，将液氮释放管从岩石试样的钻孔内移出；

36、步骤十二：将微波发射器依次穿过冷热冲击让行外孔和冷热冲击让行内孔插入岩石试样上已经完成液氮冷冲击的钻孔内；将液氮释放管依次穿过冷热冲击让行外孔和冷热冲击让行内孔插入岩石试样上已经完成微波热冲击的钻孔内；

37、步骤十三：启动微波发生器，产生的微波依次经同轴传输电缆及微波发射器射入钻孔内，微波会在已经完成液氮冷冲击的钻孔内对岩石试样进行热冲击；打开液氮储罐的阀门，同时启动液氮泵，液氮依次经液氮输出管、液氮泵及液氮释放管进入钻孔内，液氮会在已经完成微波热冲击的钻孔内对岩石试样进行冷冲击；由温度传感器、声发射传感器、应变片采集数据，数据则实时反馈至计算机中进行存储；

38、步骤十四：关闭微波发生器，将微波发射器从岩石试样的钻孔内移出；关闭液氮储罐的阀门，关闭液氮泵，将液氮释放管从岩石试样的钻孔内移出；

39、步骤十五：重复步骤九至步骤十四，在不同钻孔内交替进行微波热冲击和液氮冷冲击，直至岩石试样发生破裂；

40、步骤十六：重复步骤一至步骤十五，区别在于，调整真三轴应力值、微波热冲击温度值、液氮冷冲击温度值、冷热冲击温度差值、升温速率或降温速率。

41、本发明的有益效果：

42、本发明的微波液氮协同真三轴孔内冷热冲击试验装置及方法，通过真三轴加载单元对岩石试样进行应力加载，能够更加真实的模拟现场地应力条件，使试验结果更具指导意义。

43、本发明的微波液氮协同真三轴孔内冷热冲击试验装置及方法，通过微波热冲击与液氮冷冲击的结合，可对岩石试样进行循环冷热冲击，使岩石试样内部产生连续的交变热应力，实现裂隙的不断发育和扩展，最终产生疲劳破坏，用以实现微波液氮协同破岩的目的。

44、本发明的微波液氮协同真三轴孔内冷热冲击试验装置及方法，装置的真三轴加载单元、微波热冲击单元及液氮冷冲击单元采用离散式设计，使其具有操作更灵活、检修维护更方便的特点。

45、本发明的微波液氮协同真三轴孔内冷热冲击试验装置及方法，采用孔内冷热冲击的方式，可分别开展单孔或多孔下的冷热冲击试验，通过将单孔冷热冲击破岩效果与多孔冷热冲击耦合破岩效果进行对比分析，可获得岩石在冷热冲击作用下的响应行为，使获得的试验结果更具工程指导意义。

46、本发明的微波液氮协同真三轴孔内冷热冲击试验装置及方法，可全程监测记录冷热冲击过程中的应力、应变、温度、声发射数据，通过冷热冲击过程中相关参数的变化，可研究冷热冲击参数对岩石损伤破裂效果的影响。