一种基于真三轴应力下的微波智能加载致裂硬岩试验系统技术方案

一种基于真三轴应力下的微波智能加载致裂硬岩试验系统，属于岩石力学实验装置技术领域。所述基于真三轴应力下的微波智能加载致裂硬岩试验系统，包括：加载框架和岩样移动结构组成的真三轴应力加载装置；激励腔、矩形波导、磁控管、热电偶、环形器、冷水循环、流量计、功率计、自动阻抗调谐器、耦合器、微波加热器和屏蔽腔组成的硬岩微波致裂装置；以及CCD工业相机、温度采集装置和防电磁耐高温声波

【技术实现步骤摘要】
一种基于真三轴应力下的微波智能加载致裂硬岩试验系统


[0001]本专利技术涉及岩石力学实验装置
，特别涉及一种基于真三轴应力下的微波智能加载致裂硬岩试验系统。

技术介绍

[0002]在采矿、交通隧道、水力水电厂房、引水隧洞、石油钻井等硬岩工程中，机械法破岩(TBM、掘进机、深井钻机)经常遭遇割不动、钻不动及刀具、钻头磨损严重的问题，增加了施工成本及降低了施工进度，制约了机械法破岩在上述工程中的应用。工程实践表明，TBM开挖坚硬岩体时，刀具的检查、维修、更换约占总施工时间的1/3，刀具费用也约占总施工成本的1/3。微波辅助机械破岩被认为是一种具有较好应用前景的新破岩技术，受到国内外学者的广泛关注。微波预先处理坚硬岩体，降低岩体力学性质如单轴强度、抗拉强度、断裂韧性等，然后再采用机械法进行破裂岩石，可提高破岩效率及降低破岩成本。以往研究中均是在无应力状态下进行的，而工程岩体多处于三向不等应力状态，开挖过程中会经历复杂的应力调整，三向应力会显著影响岩体的强度及变形特征，因此，需要研究真三轴应力下的微波致裂岩体特征及机制。
[0003]进行微波致裂硬岩时会产生较强的电磁场，容易造成电传感器输出信号失真或者击穿烧坏电子元件，难以获取微波致裂硬岩过程中的温升、破裂过程、破裂程度，也难以评价微波致裂岩石的效果，需要开发一种强微波场下的岩石热响应与破裂过程动态监测。在工程应用中，当以恒定微波功率、加热时间状态下致裂硬岩，容易使微波致裂岩体程度不足或者过度，造成致裂效率不高或者微波能浪费，急需将岩石温升、破裂程度、破裂发展趋势与微波功率、加热时间联系起来，实现微波功率、加热时间智能动态调控，提高微波能利用率及致裂效率。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术存在的技术问题，本专利技术提供了一种基于真三轴应力下的微波智能加载致裂硬岩试验系统，其能够实现在真三轴应力下的微波致裂硬岩试验，能够实现微波辐射过程中的微波防护，并实现微波功率和微波加热时间的智能化调控。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
[0006]一种基于真三轴应力下的微波智能加载致裂硬岩试验系统，包括真三轴硬岩微波致裂装置、岩石响应动态监测与微波参数智能调控系统、控制器和计算机，所述真三轴硬岩微波致裂装置包括真三轴应力加载装置和硬岩微波致裂装置；
[0007]所述真三轴应力加载装置包括加载框架以及设置于加载框架的岩样移动结构，所述加载框架包括上水平框架、下水平框架、左垂直框架、右垂直框架以及设置于下水平框架上方的横向框架，所述横向框架包括通过4根拉杆连接的前加载板和后加载板，所述下水平框架的侧面设置有装样台；所述上水平框架的下方安装Y向荷载千斤顶，用于承载Y方向的反作用力；所述左垂直框架靠近岩样的一侧安装X向荷载千斤顶，用于承载X方向的反作用
力；所述后加载板安装有Z向荷载千斤顶，用于承载Z方向的反作用力；所述下水平框架的顶部、X向荷载千斤顶、Y向荷载千斤顶和Z向荷载千斤顶之间的空间构成用于放置岩样的三轴压力室；
[0008]所述硬岩微波致裂装置包括激励腔、矩形波导、磁控管、热电偶、环形器、冷水循环、流量计、功率计、自动阻抗调谐器、耦合器、微波加热器和屏蔽腔，所述矩形波导的一端与激励腔连接，所述矩形波导的另一端与微波加热器连接，所述矩形波导上依次设置环形器、耦合器和阻抗自动调谐器；所述磁控管安装于激励腔内部，并与微波电源连接，所述磁控管还依次与冷水循环和流量计连接，流量计用于监测和显示冷水的流量；所述环形器依次与水负载和热电偶连接，热电偶用于监测和显示水负载的温度；所述耦合器分别与功率计和阻抗自动调谐器连接；所述屏蔽腔设置于矩形波导的外部，并与前加载板固定连接，用于屏蔽未被岩样吸收的电磁能；
[0009]所述岩石响应动态监测与微波参数智能调控系统包括CCD工业相机、温度采集装置和防电磁耐高温声波-声发射一体化传感器；所述CCD工业相机实时记录微波致裂过程中的图像并传输到计算机保存和显示；所述温度采集装置采集岩石实时温度并传输到计算机保存和显示；所述防电磁耐高温声波-声发射一体化传感器与声发射仪连接，所述防电磁耐高温声波-声发射一体化传感器监测岩石实时波速和声发射并通过声发射仪传输到计算机保存和显示；计算机的内嵌程序根据岩石实时波速和声发射计算波速降、声发射累计数和声发射率，并把岩石实时温度、波速降、声发射累计数和声发射率发送至控制器，控制器根据波速降、岩石实时温度、声发射累计数和声发射率调整调整微波功率与微波加热时间。
[0010]进一步的，所述岩样移动结构包括移动式悬臂吊、Z向推移千斤顶和X向推移千斤顶，所述移动式悬臂吊连接于上水平框架的顶部，用于将岩样吊运或者吊离装样台；所述Z向推移千斤顶设置于装样台的上方，用于将岩样推至或者迁离右垂直框架的侧面；所述X向推移千斤顶设置于右垂直框架的内部，用于将右垂直框架侧面的岩样推至或者迁离三轴压力室。
[0011]进一步的，所述X向荷载千斤顶、Y向荷载千斤顶和Z向荷载千斤顶的油缸侧壁均分别安装有压力传感器，三个压力传感器均分别与计算机连接，将压力数据传输到计算机保存和显示。
[0012]进一步的，所述前加载板的中部开设矩形孔，所述矩形孔的长和宽均分别大于岩样前表面的长和宽，使岩样的微波辐射面完全不与前加载板接触。
[0013]进一步的，矩形波导穿过屏蔽腔并与屏蔽腔通过铝箔胶带和软质金属网连接。
[0014]进一步的，所述微波加热器采用微波表面加热器或者微波孔内加热器。
[0015]进一步的，所述温度采集装置为安装于岩样前方的红外热成像仪或者安装于岩样孔壁的分布式高温光纤；所述红外热成像仪采集岩石表面实时温度并传输到计算机保存和显示；所述分布式高温光纤与解调仪连接，所述分布式高温光纤采集岩石孔壁实时温度，岩石孔壁实时温度通过解调仪解调后传输到计算机保存和显示。
[0016]进一步的，所述红外热成像仪和CCD工业相机均分别设置于屏蔽盒内，所述屏蔽盒与截止圆波导连接，所述截止圆波导伸入到屏蔽腔内。
[0017]进一步的，所述防电磁耐高温声波-声发射一体化传感器包括压电元件、封装于压电元件外部的金属外壳和包裹于金属外壳外部的聚四氟乙烯隔热套；所述金属外壳的前端
连接石英质引波杆，石英质引波杆与岩样表面直接接触，所述压电元件与屏蔽线连接。
[0018]进一步的，所述岩石响应动态监测与微波参数智能调控系统调整微波功率与微波加热时间的具体过程包括：
[0019]首先，计算机通过内嵌程序预设微波初始功率、微波初始加热时间、岩石初始波速和波速降阈值，并将上述参数传输至控制器，控制器内置声发射累计数阈值、声发射率阈值、岩石临界破裂点的温度、裂纹稳定扩展起始点的温度、裂纹失稳扩展起始点的温度、裂纹失稳扩展起始点的加热时间和裂纹失稳扩展时间，控制器控制微波电源以预设的微波初始功率和微波初始加热时间进行致裂岩石；
[0020]其次，在致裂岩石过程中，防电磁耐高温声波-声发射一体化传感器监测岩石实时波速和声发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于真三轴应力下的微波智能加载致裂硬岩试验系统，其特征在于，包括真三轴硬岩微波致裂装置、岩石响应动态监测与微波参数智能调控系统、控制器和计算机，所述真三轴硬岩微波致裂装置包括真三轴应力加载装置和硬岩微波致裂装置；所述真三轴应力加载装置包括加载框架以及设置于加载框架的岩样移动结构，所述加载框架包括上水平框架、下水平框架、左垂直框架、右垂直框架以及设置于下水平框架上方的横向框架，所述横向框架包括通过4根拉杆连接的前加载板和后加载板，所述下水平框架的侧面设置有装样台；所述上水平框架的下方安装Y向荷载千斤顶，用于承载Y方向的反作用力；所述左垂直框架靠近岩样的一侧安装X向荷载千斤顶，用于承载X方向的反作用力；所述后加载板安装有Z向荷载千斤顶，用于承载Z方向的反作用力；所述下水平框架的顶部、X向荷载千斤顶、Y向荷载千斤顶和Z向荷载千斤顶之间的空间构成用于放置岩样的三轴压力室；所述硬岩微波致裂装置包括激励腔、矩形波导、磁控管、热电偶、环形器、冷水循环、流量计、功率计、自动阻抗调谐器、耦合器、微波加热器和屏蔽腔，所述矩形波导的一端与激励腔连接，所述矩形波导的另一端与微波加热器连接，所述矩形波导上依次设置环形器、耦合器和阻抗自动调谐器；所述磁控管安装于激励腔内部，并与微波电源连接，所述磁控管还依次与冷水循环和流量计连接，流量计用于监测和显示冷水的流量；所述环形器依次与水负载和热电偶连接，热电偶用于监测和显示水负载的温度；所述耦合器分别与功率计和阻抗自动调谐器连接；所述屏蔽腔设置于矩形波导的外部，并与前加载板固定连接，用于屏蔽未被岩样吸收的电磁能；所述岩石响应动态监测与微波参数智能调控系统包括CCD工业相机、温度采集装置和防电磁耐高温声波-声发射一体化传感器；所述CCD工业相机实时记录微波致裂过程中的图像并传输到计算机保存和显示；所述温度采集装置采集岩石实时温度并传输到计算机保存和显示；所述防电磁耐高温声波-声发射一体化传感器与声发射仪连接，所述防电磁耐高温声波-声发射一体化传感器监测岩石实时波速和声发射并通过声发射仪传输到计算机保存和显示；计算机的内嵌程序根据岩石实时波速和声发射计算波速降、声发射累计数和声发射率，并把岩石实时温度、波速降、声发射累计数和声发射率发送至控制器，控制器根据波速降、岩石实时温度、声发射累计数和声发射率调整调整微波功率与微波加热时间。2.根据权利要求1所述的基于真三轴应力下的微波智能加载致裂硬岩试验系统，其特征在于，所述岩样移动结构包括移动式悬臂吊、Z向推移千斤顶和X向推移千斤顶，所述移动式悬臂吊连接于上水平框架的顶部，用于将岩样吊运或者吊离装样台；所述Z向推移千斤顶设置于装样台的上方，用于将岩样推至或者迁离右垂直框架的侧面；所述X向推移千斤顶设置于右垂直框架的内部，用于将右垂直框架侧面的岩样推至或者迁离三轴压力室。3.根据权利要求1所述的基于真三轴应力下的微波智能加载致裂硬岩试验系统，其特征在于，所述X向荷载千斤顶、Y向荷载千斤顶和Z向荷载千斤顶的油缸侧壁均分别安装有压力传感器，三个压力传感器均分别与计算机连接，将压力数据传输到计算机保存和显示。4.根据权利要求1所述的基于真三轴应力下的微波智能加载致裂硬岩试验系统，其特征在于，所述前加载板的中部开设矩形孔，所述矩形孔的长和宽均分别大于岩样前表面的长和宽。5.根据权利要求1所述的基于真三轴应力下的微波智能加载致裂硬岩试验系统，其特
征在于，矩形波导穿过屏蔽腔并与屏蔽腔通过铝箔胶带和软质金属网连接。6.根据权利要求1所述的基于真三轴应力下的微波智能加载致裂硬岩试验系统，其特征在于，所述微波加热器采用微波表面加热器或者微波孔内加热器。7.根据权利要求1所述的基于真三轴应力下的微波智能加载致裂硬岩试验系统，其特征在于，所述温度采集装置为安装于岩样前方的红外热成像仪或者安装于岩样孔壁的分布式高温光纤；所述红外热成像仪采集岩石表面实时温度并传输到计算机保存和显示；所述分布式高温光纤与解调仪连接，所述分布式高温光纤采集岩...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯夏庭，张九雨，林峰，李世平，苏香馨，童天扬，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：