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专利号: 2021109548717
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种非药式燃爆冲击等效加载装置,其特征在于,包括储气系统、发射系统、加载系统、监测系统和防护系统,

所述储气系统包括空气压缩机、干燥机和高压无缝瓶式压力容器,空气压缩机通过管路与干燥机连接,干燥机通过管路与高压无缝瓶式压力容器的进口连接;储气系统用于生产高压气源为发射系统提供动力;

所述发射系统包括高压气室、气压表、发射体、电磁阀、发射管、真空泵、子弹、铸铁平台和调节支架,高压气室固定在铸铁平台上,气压表设置在高压气室上,发射体装在高压气室的出口端,高压气室的进口端通过管路与高压无缝瓶式压力容器的出口连接,发射管通过多个调节支架固定在铸铁平台上,通过调整多个调节支架使发射体和发射管同轴,发射管一端通过电磁阀与发射体连接,发射管另一端装有变径法兰,靠近发射管一端的管壁上开有抽气孔,抽气孔通过抽气管与真空泵连接;子弹设置在发射管内,子弹的形状为圆柱体,其端面直径略小于发射管的内径,发射系统对子弹提供初始速度及运动方向的导引;

所述加载系统包括三轴加载装置、千斤顶和回收套,试样放置在三轴加载装置内,三轴加载装置和千斤顶连接,用于对试样施加三轴应力模拟储层中的地应力环境,回收套侧壁装有透明视窗,回收套一端与变径法兰连接、另一端伸入三轴加载装置内与试样的表面接触,且回收套与发射管同轴,所述回收套用于回收对试样撞击后的子弹;所述试样一侧开设钻孔,钻孔内注满水,钻孔的孔口处装有活塞,活塞一端伸入钻孔对其进行封堵,且活塞另一端正对回收套;

所述监测系统包括激光测速装置、冲击测量装置、应变测量装置、加速度测量装置和计算机,所述激光测速装置包括激光发射器、激光接收器和激光测速仪,激光测速仪分别与激光发射器和激光接收器连接,激光发射器和激光接收器均对准透明视窗,用于对经过回收套时的子弹测速;所述冲击测量装置包括第一动态信号测试仪、石英力环和多个高频压电传感器,石英力环装在活塞另一端,试样侧部开设多个安装孔,多个高频压电传感器分别一一对应装在各个安装孔内,石英力环和多个高频压电传感器均通过数据线与第一动态信号测试仪连接,第一动态信号测试仪通过数据线与计算机连接,冲击测量装置用于测量子弹对试样冲击后试样各个位置的冲击压力;所述应变测量装置包括超动态应变采集仪和多个应变片,多个应变片粘贴在试样表面不同位置处,各个应变片分别通过数据线与超动态应变采集仪连接,超动态应变采集仪通过数据线与计算机连接,应变测量装置用于采集试样的应变数据;所述加速度测量装置包括第二动态信号测试仪、电荷适配器和多个加速度传感器,多个加速度传感器固定在试样表面不同位置处,各个加速度传感器通过数据线与电荷适配器连接,电荷适配器通过数据线与第二动态信号测试仪连接,第二动态信号测试仪通过数据线与计算机连接,所述加速度测量装置用于采集试样被子弹撞击后的加速度数据;

所述防护系统包括防护罩、能量吸收器和支撑架,防护罩罩在三轴加载装置上,能量吸收器固定在与发射管相对的三轴加载装置另一侧,且防护罩与能量吸收器接触;支撑架一端与地面固定、另一端与能量吸收器固定;所述防护系统用于在子弹对试样撞击后保持三轴加载装置的稳固。

2.根据权利要求1所述的一种非药式燃爆冲击等效加载装置,其特征在于,所述试样为立方体,所述钻孔的深度不超过试样边长的3/4,钻孔直径略大于子弹端面直径;所述活塞伸入钻孔的部分开设两个凹槽,两个凹槽内分别装有O型橡胶密封圈,通过活塞及O型橡胶密封圈对钻孔封堵,防止钻孔内的水流出。

3.根据权利要求1所述的一种非药式燃爆冲击等效加载装置,其特征在于,储气系统还包括数显流量计,数显流量计装在高压无缝瓶式压力容器上,用于测量气体的流量。

4.根据权利要求1所述的一种非药式燃爆冲击等效加载装置,其特征在于,所述回收套直径大于发射管的外径、回收套的长度大于子弹的长度。

5.根据权利要求1所述的一种非药式燃爆冲击等效加载装置,其特征在于,所述发射管的内径与子弹的端面直径之间差值小于0.2mm。

6.一种利用权利要求1至5任一项所述的非药式燃爆冲击等效加载装置的岩体破裂监测方法,其特征在于,具体步骤为:

S1、试样准备:选择所需试验的煤岩体,并将其加工成立方体形的试样,然后将加工好的试样进行中心钻孔、注水、并安装活塞,完成后将试样放置于三轴加载装置内,并将石英力环装在活塞上,使活塞正对回收套,此时根据所需模拟的地应力数值,通过开启千斤顶使三轴加载装置对试样施加三轴围压;

S2、试验准备:将子弹位于发射管靠近发射体一端,开启空气压缩机制造压缩气体,然后将压缩气体经过干燥机除去水分后进入高压无缝瓶式压力容器,接着压缩气体由高压无缝瓶式压力容器注入高压气室,通过数显流量计显示的实时流量对压缩气体的流量进行控制,在压缩气体注入过程中观察气压表获得高压气室内的实时压力值,当实时压力值达到本次试验所需模拟的燃爆当量冲击波压力值的要求时关闭高压无缝瓶式压力容器停止注气;最后将激光测速装置、冲击测量装置、应变测量装置和加速度测量装置处于工作状态;

S3、试验开始:打开电磁阀使高压气室内的压缩气体瞬间释放,压缩气体经过发射体对子弹进行冲击,从而使子弹获得动能在发射管中高速运动,并经过回收套后撞击活塞,撞击后子弹停留在回收套内;此时活塞会对钻孔内的水进行冲击,使水中粒子获得一定初速度,进而钻孔内的水会对钻孔周围产生高强度冲击波荷载,最终实现等效模拟燃爆冲击对煤岩体的冲击作用,由此完成一次非药式燃爆冲击等效加载试验;

S4、数据采集:整个试验过程中,通过激光测速装置得到子弹的撞击速度,通过冲击监测装置得到活塞处的高强度冲击压力值、并通过计算机绘制不同测点处的等效冲击波压力时程曲线,通过应变监测装置得到试样动态冲击下的应变数据,通过加速度传感器得到试样被子弹撞击时的加速度冲击响应谱;从而能获取该次试验的各项数据,将其存储在计算机内;

S5、本次试验结束后,将子弹从回收套内取出放入发射管内,此时开启真空泵通过对发射管内抽真空的方式使子弹返回发射管靠近发射体的一端,同时将监测系统的各个装置关闭;然后重新确定一个燃爆当量的冲击波压力值,进而重新确定高压气室所需的压力值及通过改变子弹长度来控制子弹的撞击速度,并重复步骤S1至S4,再次获得当前燃爆当量的冲击波压力值条件下的各项数据,如此重复,最终能得出不同当量等效燃爆冲击波条件下试样的各项数据,综合分析后能获得不同当量等效燃爆冲击波在煤岩体内的传播规律及煤岩体在受到不同冲击力时的动态性能数据及变形破坏规律。