專(zhuān)利名稱(chēng)：一種含流體ct掃描的遠(yuǎn)程可控加載方法及裝備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)巖體進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的可控加載方法，特別涉及一種含流體 CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載方法及其實(shí)驗(yàn)設(shè)備，屬于實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
中國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)，根據(jù)1974-1980年第二次全國(guó)煤田預(yù)測(cè)，埋深在2000米以?xún)?nèi)的 全國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量為50592. 19億噸。從中國(guó)煤炭礦藏賦存條件來(lái)看，適合大型露天開(kāi)采條件的 礦藏不多，絕大多數(shù)煤炭礦藏的埋藏深度較深、煤層分布復(fù)雜，應(yīng)力集中和斷層的存在為眾 多礦井動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生提供了條件，使得我國(guó)煤礦安全形勢(shì)非常嚴(yán)峻。因此，研究煤巖動(dòng)力災(zāi) 害的發(fā)生機(jī)理，找出遏制災(zāi)害的有效手段和技術(shù)，對(duì)于提高我國(guó)煤炭生產(chǎn)企業(yè)的安全狀況 和降低百萬(wàn)噸死亡率具有重要的意義。煤巖動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象是煤巖體在外界應(yīng)力作用下短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的一種具有動(dòng)力效 應(yīng)和災(zāi)害后果的現(xiàn)象。煤巖動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象范圍很廣，涉及到許多工程領(lǐng)域和自然災(zāi)害。如地 震、火山噴發(fā)、山體或邊坡滑移、橋梁垮塌、隧道失穩(wěn)、井下突水、煤與瓦斯突出、沖擊地壓、 頂板塌陷等。發(fā)生災(zāi)害的介質(zhì)是煤巖體，煤巖是由許多大小可以小到微米以下，大到厘米以 上晶粒組成，其中存在有許多裂紋、孔隙、空位，是一種節(jié)理繁多、孔隙裂隙發(fā)育的多裂紋介 質(zhì)。而且，孔隙與裂紋中存在膠結(jié)物、瓦斯氣體等物質(zhì)，屬于典型的非均勻多相復(fù)合材料。由 于各相質(zhì)之間的相互作用，因而煤巖表現(xiàn)出的力學(xué)性能也非常復(fù)雜。煤巖變形過(guò)程中微結(jié) 構(gòu)的掃描電子顯微鏡分析表明，在受載之前，煤巖內(nèi)部已經(jīng)存在大量的空隙、孔隙，組構(gòu)單 元與晶體顆粒呈無(wú)序化分布。在外載荷作用下，煤巖顆粒表現(xiàn)出明顯的定向排列趨勢(shì)，與外 載荷作用方向垂直的天然裂隙閉合，而與平行的裂隙則沿長(zhǎng)度方向發(fā)展并且在應(yīng)力作用下 達(dá)到某一值產(chǎn)生新的裂隙。隨著載荷的增加，新的微裂紋就會(huì)萌生和擴(kuò)展。如果載荷進(jìn)一 步增加，微裂隙將進(jìn)一步發(fā)育和擴(kuò)展成宏觀裂紋，并最終導(dǎo)致煤巖材料的破壞。煤巖損傷破 壞在煤礦中就表現(xiàn)為煤與瓦斯突出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象。揭示這些災(zāi)害的機(jī)理對(duì)于保障生 產(chǎn)安全和降低災(zāi)害具有非常重要的意義。目前，大多假說(shuō)都是以力學(xué)為基礎(chǔ)從宏觀或者微觀方面建立的，很少考慮煤巖材 料的詳細(xì)變形及破裂過(guò)程，尤其是細(xì)觀層面與宏觀層面的行為聯(lián)系很模糊，這是目前煤與 瓦斯突出研究無(wú)法取得進(jìn)一步發(fā)展的主要原因。從細(xì)觀和微觀角度研究，揭示目前對(duì)于含流體煤巖的力學(xué)性質(zhì)，可以更深入地揭 示煤巖變形特征和災(zāi)害機(jī)理?，F(xiàn)有的對(duì)煤巖內(nèi)部細(xì)觀損傷進(jìn)行探測(cè)的技術(shù)主要包括掃描電子顯微鏡、透射電 鏡、長(zhǎng)距離高倍顯微鏡和CT掃描儀等。掃描電子顯微鏡是用極細(xì)的電子束在樣品表面掃 描，將產(chǎn)生的二次電子用特制的探測(cè)器收集，形成電信號(hào)運(yùn)送到顯像管，在熒光屏上顯示物 體。掃描電子顯微鏡的分辨率比較高，可放大十幾倍到幾十萬(wàn)倍，可達(dá)3nm。但是，掃描電 子顯微鏡不能揭示其動(dòng)態(tài)過(guò)程中的微觀機(jī)理，只能對(duì)煤巖的表面進(jìn)行檢測(cè)，不能得到被測(cè) 目標(biāo)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而且是靜態(tài)的檢測(cè)過(guò)程。透視電鏡是以電子束透過(guò)樣品經(jīng)過(guò)聚焦與放大后所產(chǎn)生的物象，透射到熒光屏上或者形成相片進(jìn)行觀察，分辨率可達(dá)到0. 1-0. 2nm，放大 倍數(shù)為幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)倍，但是透射電鏡的穿透力極低，很容易被物體吸收，所檢測(cè)目標(biāo)一般 都需要超薄片形式，對(duì)試件要求極高，因此也不適合研究煤巖材料的透視；為了動(dòng)態(tài)的觀測(cè) 煤體的變形及破裂過(guò)程，利用長(zhǎng)距離高倍顯微鏡觀測(cè)含瓦斯煤巖變形及破裂過(guò)程，取得了 不錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)效果，但是所得結(jié)果也只能從煤巖表面損傷裂紋進(jìn)行研究，觀測(cè)不到煤巖內(nèi)部 結(jié)構(gòu)損傷變化。而工業(yè)CT (computed tomography)掃描技術(shù)作為透視檢測(cè)儀器，有著其明 顯的優(yōu)點(diǎn)穿透力強(qiáng)、無(wú)損檢測(cè)，成像清晰等。CT技術(shù)可以清晰的描繪出煤巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的 細(xì)微變化，如受載條件下的巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞、演化過(guò)程，氣體或者液體對(duì)于煤巖體內(nèi)部結(jié) 構(gòu)的影響及變化規(guī)律，瓦斯吸附和滲流特征變化等。因此，利用CT掃描技術(shù)對(duì)含流體(水、 氣)煤巖體動(dòng)態(tài)變形過(guò)程及機(jī)理進(jìn)行研究是可行的方法和手段，對(duì)于研究巖體動(dòng)力災(zāi)害的 發(fā)生發(fā)展機(jī)理具有重要的意義。如何利用CT掃描技術(shù)對(duì)煤巖加載過(guò)程中內(nèi)部細(xì)觀損傷、動(dòng)態(tài)破壞進(jìn)行信息采集， 設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的高精度科學(xué)實(shí)驗(yàn)力學(xué)裝置，就成為本發(fā)明要解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
煤巖細(xì)觀損傷破壞是研究煤巖動(dòng)力災(zāi)害，特別是煤與瓦斯突出、沖擊礦壓等災(zāi)害 的基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)力學(xué)中得到廣泛實(shí)驗(yàn)測(cè)試。鑒于此，本發(fā)明旨在提供一種全新的、通用性強(qiáng) 的、可重復(fù)試驗(yàn)的巖體細(xì)觀損傷動(dòng)態(tài)破壞CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載方法及裝備。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載方法，包括在CT掃描屏蔽室內(nèi)的CT掃描旋 轉(zhuǎn)平臺(tái)上安裝加載機(jī)械裝置，將巖體樣本固定在加載機(jī)械裝置中，利用傳感器探測(cè)巖體樣 本在加載機(jī)械裝置中受到軸向和/或圍向壓力時(shí)的表面應(yīng)力變化，通過(guò)外界應(yīng)變測(cè)試儀隨 時(shí)采集探測(cè)信息并傳遞到CT主控制臺(tái)中；同時(shí)，CT掃描儀以固定旋轉(zhuǎn)1周模式，對(duì)旋轉(zhuǎn)中 的巖體樣本進(jìn)行加載過(guò)程中的多橫截面實(shí)時(shí)掃描，并發(fā)送巖體樣本內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化圖像到CT 主控制臺(tái)，對(duì)應(yīng)力變化與CT掃描圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析比較，確定巖體受力變化規(guī)律。所述巖體樣本在放入加載機(jī)械裝置前先做預(yù)測(cè)試試樣應(yīng)力破壞，得出破壞應(yīng)力 值，估算出試樣的一般破壞應(yīng)力，從零到估算破壞應(yīng)力值對(duì)巖體樣本進(jìn)行壓力受載試驗(yàn)。所述多橫截面實(shí)時(shí)掃描為上、中、下三橫截面的巖體樣本CT掃描。所述巖體樣本做軸向壓力測(cè)試時(shí)，傳感器的應(yīng)變片與軸向平行放置；和/或巖體 樣本做圍向壓力測(cè)試時(shí)，應(yīng)變片與軸向垂直放置；所述壓力調(diào)節(jié)采用CT屏蔽室外的遠(yuǎn)程控 制方式實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程控制方式包括手動(dòng)和/或自動(dòng)兩種；所述應(yīng)變片貼在巖體樣本的中部偏 下位置。所述巖體樣本測(cè)試前首先用細(xì)砂布將原樣本的待測(cè)面進(jìn)行消磨，除去氧化層，后 用酒精擦拭除去污塵，之后用快速膠體將傳感器的應(yīng)變片粘結(jié)于待測(cè)面上，壓實(shí)應(yīng)變片，并 用膠帶粘貼緊，應(yīng)變片導(dǎo)線與外界應(yīng)變測(cè)試儀連接。所述CT掃描屏蔽室內(nèi)還設(shè)有高清攝像儀，高清攝像儀與CT主控制臺(tái)連接，監(jiān)控CT 掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)工作狀態(tài)。一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載裝備，包括位于CT屏蔽室內(nèi)的CT掃描旋轉(zhuǎn)平 臺(tái)和CT掃描儀，以及位于遠(yuǎn)端CT屏蔽室外的CT主控制臺(tái)，CT屏蔽室內(nèi)還包括加載機(jī)械裝5置、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭和傳感器，以及位于遠(yuǎn)端CT屏蔽室外的應(yīng)變測(cè)試儀、壓力容器和壓力控制 裝置，加載機(jī)械裝置固定在CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，加載機(jī)械裝置通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭及高壓管路 與壓力容器連通，測(cè)試用巖體樣本固定在加載機(jī)械裝置中，傳感器的應(yīng)變片連接在巖體樣 本表面，傳輸導(dǎo)線通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭與應(yīng)變測(cè)試儀連接，應(yīng)變測(cè)試儀與CT主控制臺(tái)連接，壓 力控制裝置連接在高壓管路上，壓力控制裝置遠(yuǎn)程調(diào)控高壓管路的壓力。所述加載機(jī)械裝置包括上、下卡頭和中間罐體，所述上、下卡頭相互配合連接，中 間罐體卡緊在上、下卡頭之間。上卡頭內(nèi)設(shè)有活塞，活塞桿外端位于中間罐體的空腔中，下 卡頭固定在CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，活塞缸和中間罐體的密閉空腔通過(guò)高壓管路及旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換 頭分別與壓力容器連通，中間罐體空腔與高壓管路連接的進(jìn)出通道分別位于活塞桿和下卡 頭體內(nèi)。所述壓力容器包括氣壓容器和/或液壓容器，高壓管路分別對(duì)應(yīng)連接在氣壓和/ 或液壓容器上，壓力控制裝置包括手動(dòng)和/或自動(dòng)壓力控制裝置，手動(dòng)和/或自動(dòng)壓力控制 裝置連接在CT屏蔽室外的對(duì)應(yīng)高壓管路上，自動(dòng)控制裝置通過(guò)導(dǎo)線與CT主控制臺(tái)連接。一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載裝備，還包括高清攝像儀，高清攝像儀固定在 中間罐體外側(cè)，中間罐體為透明狀聚酯罐體，高清攝像儀通過(guò)導(dǎo)線與CT主控制臺(tái)連接。本發(fā)明所述的一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載方法及裝備，通過(guò)在CT掃描屏 蔽室內(nèi)的CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上安裝加載機(jī)械裝置及其多種傳感器，利用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的傳輸管 路和線路，通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭與外界壓力容器和應(yīng)變測(cè)試儀連通，保證了加載機(jī)械裝置旋轉(zhuǎn) 過(guò)程中管路和線路的有效連接，并通過(guò)在CT屏蔽室外的壓力控制裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)CT屏蔽室內(nèi) 的遠(yuǎn)程軸向和圍向加載控制，再現(xiàn)了巖體的受力環(huán)境，模擬了受力過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了 CT屏蔽室 內(nèi)無(wú)人操作狀態(tài)下，動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中CT的實(shí)時(shí)掃描，避免了因輻射造成的危險(xiǎn)。整個(gè)裝備 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、安裝方便、成本低廉、可反復(fù)使用，加載裝置中采用的高強(qiáng)度、低密度 的聚酯材料對(duì)于CT掃描密度的要求極其適合，減小了因罐體密度高、強(qiáng)度不夠造成的CT圖 像質(zhì)量差的缺點(diǎn)。整個(gè)裝置可以實(shí)現(xiàn)充氣或不充氣狀態(tài)下，巖體單軸加載或偽三軸加載動(dòng) 態(tài)過(guò)程中CT實(shí)時(shí)掃描工作，非常適合在CT掃描力學(xué)實(shí)驗(yàn)中推廣、使用。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的中心思想是通過(guò)在CT掃描屏蔽室內(nèi)的CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上安裝加載機(jī)械 裝置及多種傳感器，利用CT屏蔽室外手動(dòng)、自動(dòng)壓力控制裝置對(duì)室內(nèi)加載機(jī)械裝置進(jìn)行遠(yuǎn) 程軸向和/或圍向壓力控制，實(shí)現(xiàn)單軸加載和/或偽三軸加載動(dòng)態(tài)過(guò)程，并在CT屏蔽室內(nèi) 無(wú)人操作狀態(tài)下完成對(duì)巖體樣本動(dòng)態(tài)加載過(guò)程的CT實(shí)時(shí)掃描，為準(zhǔn)確判斷應(yīng)力變化對(duì)巖 體樣本的結(jié)構(gòu)影響提供了依據(jù)。本發(fā)明所述的一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載方法，具體包括首先，根據(jù)加載機(jī)械裝置的規(guī)格選取大小合適的巖體樣本，巖體樣本在放入加載 機(jī)械裝置前，先做預(yù)測(cè)試試樣應(yīng)力破壞，得出破壞應(yīng)力值，估算出試樣的一般破壞應(yīng)力，為 后期進(jìn)行的加載試驗(yàn)和特定位置的分段應(yīng)力掃描做準(zhǔn)備。6
接著，將已做應(yīng)力測(cè)試的巖體樣本用細(xì)砂布將待側(cè)面進(jìn)行消磨，除去氧化層，保證 巖體樣本表面狀態(tài)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，然后用酒精擦拭除去表面污塵，用快速膠體將傳感 器的應(yīng)變片粘結(jié)，壓實(shí)應(yīng)變片，并用膠帶粘帖緊。此處，以測(cè)試巖體樣本軸向壓力為例，傳感 器的應(yīng)變片與軸向平行放置，并粘貼在巖體樣本表面中部偏下的位置上，應(yīng)變片主要探測(cè) 巖體樣本在受到軸向壓力時(shí)，應(yīng)力最集中、表現(xiàn)最突出的巖體樣本中部偏下位置的表面應(yīng) 力變化情況，為實(shí)驗(yàn)研究提供數(shù)據(jù)依據(jù)。而當(dāng)巖體樣本需要做圍向壓力測(cè)試時(shí)，應(yīng)變片則與 軸向垂直放置，甚至，也可根據(jù)測(cè)試需要，在軸向和圍向同時(shí)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，應(yīng)變片相應(yīng)地 粘貼在巖體樣本的不同的預(yù)定測(cè)試位置上。再接著，將加載機(jī)械裝置固定在CT掃描屏蔽室內(nèi)的CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，將已做應(yīng) 力測(cè)試的巖體樣本放置在加載機(jī)械裝置中，傳感器的應(yīng)變片導(dǎo)線穿過(guò)加載機(jī)械裝置上的預(yù) 留孔后通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭與CT屏蔽室外的應(yīng)變測(cè)試儀連通，應(yīng)變測(cè)試儀可采集應(yīng)變片的探 測(cè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞到CT主控制臺(tái)中顯示。封閉加載機(jī)械裝置，使巖體樣本處于相對(duì)密 閉狀態(tài)。加載機(jī)械裝置能對(duì)巖體樣本提供軸向和/或圍向的壓力，模擬實(shí)現(xiàn)巖體樣本在真 實(shí)受壓過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化情況。其中，為保證CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中各種管路的 正常連接，加載機(jī)械裝置上的高壓管路通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭與外界連通。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭保證了旋 轉(zhuǎn)過(guò)程中各種管、線與外界的正常有效連接，滿(mǎn)足了加載機(jī)械裝置的旋轉(zhuǎn)需要。加載機(jī)械裝 置中高壓管路的壓力可以為氣壓，也可以為液壓，其情況可選擇而定。此處實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以 液壓方式產(chǎn)生軸向測(cè)試壓力，以觀測(cè)軸向壓力對(duì)巖體樣本的破壞過(guò)程。最后，通過(guò)CT屏蔽室外的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置對(duì)巖體樣本的軸向壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，壓 力從零到估算破壞應(yīng)力值逐漸遞增，以達(dá)到連續(xù)試驗(yàn)應(yīng)變對(duì)巖體樣本影響全過(guò)程的目的， 粘貼在巖體樣本上的應(yīng)變片隨時(shí)采集巖體樣本表面應(yīng)力變化情況并傳遞到應(yīng)變測(cè)試儀中， 并最終在CT主控制臺(tái)中顯示，保證了無(wú)輻射狀態(tài)下的壓力調(diào)控，模擬了巖體樣本受軸壓時(shí) 的真實(shí)環(huán)境。當(dāng)需采集巖體樣本的應(yīng)變圖像時(shí)，停止加壓過(guò)程，啟動(dòng)CT掃描儀，利用CT主 控制臺(tái)控制CT掃描儀以固定旋轉(zhuǎn)1周的模式，對(duì)旋轉(zhuǎn)中巖體樣本的加載進(jìn)行多截面實(shí)時(shí)掃 描，采集巖體樣本內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化圖像，此處，多橫截面實(shí)時(shí)掃描為上、中、下三橫截面的巖體 樣本CT掃描，在施加軸向壓力的同時(shí)，對(duì)巖體樣本的不同截面進(jìn)行掃描，可以擴(kuò)大探測(cè)范 圍，更全面、真實(shí)地反應(yīng)巖體樣本受到軸向壓力下不同位置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化情況。這樣多次 反復(fù)、分段比較應(yīng)力變化與CT掃描圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終，確定巖體受力變化規(guī)律，完 成試驗(yàn)過(guò)程。當(dāng)然，上述遠(yuǎn)程自動(dòng)控制也可為手動(dòng)控制，以方便不同的試驗(yàn)環(huán)節(jié)，提高使用方便 性。而為保證CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的可控性和可操作性，在CT掃描屏蔽室內(nèi)還可設(shè)有高清攝 像儀，高清攝像儀與CT主控制臺(tái)連接，在CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)工作時(shí)可隨時(shí)通過(guò)圖像對(duì)其進(jìn)行 監(jiān)控，保證試驗(yàn)過(guò)程順利進(jìn)行。巖體樣本所受?chē)鷫和ǔ？梢杂脷鈮旱姆绞叫纬?，氣壓圍繞在 巖體樣本周?chē)?，形成一個(gè)均勻的壓力環(huán)境，模擬真實(shí)環(huán)境狀況。下面結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明所述一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載裝備做進(jìn)一步 的詳細(xì)描述一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載裝備，包括位于CT屏蔽室15內(nèi)的CT掃描旋 轉(zhuǎn)平臺(tái)8、CT掃描儀、加載機(jī)械裝置、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭9、傳感器6和高清攝像儀14，以及位于遠(yuǎn) 端CT屏蔽室外的CT主控制臺(tái)11、應(yīng)變測(cè)試儀10、壓力容器13和壓力控制裝置12。
加載機(jī)械裝置固定在CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)8上，巖體樣本4固定在加載機(jī)械裝置上的 密閉空腔中，加載機(jī)械裝置通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭9及高壓管路與外界壓力容器13連通，壓力容 器13分為氣壓容器和液壓容器兩種，高壓管路分別對(duì)應(yīng)連接在兩種壓力容器上，其中，加 載機(jī)械裝置中的圍壓以氣壓形式形成，而軸壓則以液壓方式實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭9保證了加 載機(jī)械裝置在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中高壓管路的正常連接，保證了壓力持續(xù)供給。加載機(jī)械裝置包括上、下卡頭1，2和中間罐體3，上、下卡頭1，2相互配合連接，中 間罐體3卡緊在上、下卡頭1，2之間，上、下卡頭1，2和中間罐體3形成一個(gè)相對(duì)密閉的空 腔，保證了巖體樣本4在密閉空腔中的有效試驗(yàn)環(huán)境。其中，在上卡頭1內(nèi)還設(shè)有活塞5，活 塞桿外端位于中間罐體3的空腔中，活塞桿外端作為對(duì)巖體樣本4施加軸向壓力的壓桿使 用，活塞5的缸體上進(jìn)出壓力通道通過(guò)高壓管路和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭9與外界液壓容器連通，保證 產(chǎn)生的軸壓均勻、可靠。下卡頭2固定在CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)8上，通過(guò)CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)8帶 動(dòng)整個(gè)加載機(jī)械裝置旋轉(zhuǎn)。上、下卡頭1，2和中間罐體3間形成的密閉空腔通過(guò)高壓管路 及旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭9與外界氣壓容器連通，通過(guò)氣壓方式對(duì)放置在密閉空腔中的巖體樣本4形 成均勻地圍壓，再現(xiàn)真實(shí)狀況下巖體樣本4所處環(huán)境，保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性。受結(jié)構(gòu)限制和便于 加工、使用，密閉空腔與高壓管路連接的氣體進(jìn)出通道分別位于活塞桿和下卡頭體內(nèi)，氣體 進(jìn)出通道的出入口分別避開(kāi)了巖體樣本4與密閉空腔直接相通。傳感器6的應(yīng)變片連接在巖體樣本4的表面，當(dāng)需要巖體樣本4做軸向壓力測(cè)試 時(shí)，傳感器6的應(yīng)變片與軸向平行放置，并粘貼在巖體樣本4中部偏下的位置表面。巖體樣 本4做圍向壓力測(cè)試時(shí)，應(yīng)變片與軸向垂直，并粘貼在巖體樣本表面。當(dāng)巖體樣本4需同時(shí) 做軸向和圍向壓力測(cè)試時(shí)，傳感器6的應(yīng)變片會(huì)相應(yīng)粘貼在巖體樣本4的對(duì)應(yīng)表面上，以滿(mǎn) 足多方向壓力下的應(yīng)力變化測(cè)試。應(yīng)變片上的傳輸導(dǎo)線7通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭9與外界應(yīng)變測(cè) 試儀10連接，應(yīng)變測(cè)試儀10與CT主控制臺(tái)11連接，應(yīng)變測(cè)試儀10可將采集的應(yīng)力數(shù)據(jù) 傳遞到CT主控制臺(tái)11中。為保證傳輸導(dǎo)線7能夠正常進(jìn)出密閉空腔，在下卡頭2上設(shè)有 預(yù)留孔，以便導(dǎo)線進(jìn)出。此處，傳感器6的應(yīng)變片與軸向平行放置，并粘貼在巖體樣本4中 部偏下的位置表面，以測(cè)試軸向壓力對(duì)巖體樣本4內(nèi)部應(yīng)力變化的影響。壓力控制裝置12連接在CT屏蔽室外的高壓管路上，壓力控制裝置12為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 程調(diào)控高壓管路的壓力而設(shè)置。壓力控制裝置12包括手動(dòng)壓力控制裝置和自動(dòng)壓力控制 裝置，其分別對(duì)應(yīng)連接在高壓管路上。其中，自動(dòng)控制裝置通過(guò)導(dǎo)線與CT主控制臺(tái)11連接， 接受CT主控制臺(tái)11的調(diào)節(jié)控制。當(dāng)然，壓力控制裝置12也可根據(jù)需要只設(shè)置手動(dòng)壓力控 制裝置或者自動(dòng)壓力控制裝置，其方式依具體要求而定。高清攝像儀14固定在中間罐體3的外側(cè)，中間罐體3選用透明的聚酯罐體，其透 視性較好，對(duì)CT掃描儀發(fā)出的X-Ray放射源通過(guò)性強(qiáng)，可充分滿(mǎn)足高清攝像儀14和CT掃 描儀的使用需要，高清攝像儀14通過(guò)導(dǎo)線與CT主控制臺(tái)11連接，拍攝圖像可直接發(fā)送到 CT主控制臺(tái)11中顯示，以便及時(shí)了解CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)8的工作情況和巖體樣本4的旋轉(zhuǎn)位置。試驗(yàn)過(guò)程中，首先將加載機(jī)械裝置中的下卡頭2固定在CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)8上，巖 體樣本4放置在中間罐體3的空腔中，巖體樣本4底部與下卡頭2表面充分接觸，傳感器6 的應(yīng)變片與巖體樣本4的軸向平行放置，并粘貼在巖體樣本4中部偏下的位置表面，傳輸導(dǎo) 線7通過(guò)預(yù)留孔被引導(dǎo)到密閉空腔外側(cè)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭9與應(yīng)變測(cè)試儀10連通。將上卡頭1與下卡頭2及中間罐體3配合連接，在中間罐體3和上、下卡頭1，2間形成一個(gè)密閉空 腔。操作CT主控制臺(tái)11控制自動(dòng)壓力控制裝置開(kāi)啟，自動(dòng)壓力控制裝置控制高壓管路對(duì) 巖體樣本4施加軸向壓力，軸向壓力為液壓，液壓通過(guò)上卡頭1中的活塞5推動(dòng)活塞桿外端 伸出后壓在巖體樣本4的頂面形成。當(dāng)然，自動(dòng)壓力控制裝置也可同時(shí)控制產(chǎn)生圍壓，圍壓 為氣壓形式，氣壓通過(guò)位于下卡頭2內(nèi)的氣體進(jìn)出通道進(jìn)入密閉空腔，在巖體樣本4周?chē)?成均勻的圍壓。為準(zhǔn)確再現(xiàn)應(yīng)變過(guò)程，軸壓和圍壓的數(shù)值都是由零到估算破壞應(yīng)力值為止， 循序漸進(jìn)、逐步增加的，直到巖體樣本4被破壞為止。其中的估算破壞應(yīng)力值為試驗(yàn)前對(duì)巖 體樣本4做預(yù)測(cè)試試樣應(yīng)力破壞得到。當(dāng)軸壓增加過(guò)程中，應(yīng)變測(cè)試儀10會(huì)實(shí)時(shí)采集應(yīng)變 片探測(cè)到的巖體樣本4表面應(yīng)力變化數(shù)據(jù)，并傳送到CT主控制臺(tái)11中。當(dāng)需要掃描某一 壓力下巖體樣本4內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化情況時(shí)，停止加載過(guò)程，開(kāi)啟CT掃描儀，隨著CT掃描旋轉(zhuǎn) 平臺(tái)8旋轉(zhuǎn)一周，CT掃描儀對(duì)預(yù)定的巖體樣本4上、中、下三個(gè)橫截面進(jìn)行掃描，完成某一 壓力下巖體樣本4內(nèi)部不同位置的結(jié)構(gòu)圖像掃描，并在CT主控制臺(tái)11中顯示，依次類(lèi)推， 直至巖體樣本4被破壞，通過(guò)不斷對(duì)比采集的應(yīng)力變化和巖體樣本內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像之間的對(duì) 應(yīng)關(guān)系，最終完成含流體CT掃描的加載試驗(yàn)過(guò)程。整個(gè)試驗(yàn)，可通過(guò)高清攝像儀14全程記 錄，并隨時(shí)在CT主控制臺(tái)11上觀察巖體樣本4的運(yùn)動(dòng)、變化情況，并掌握CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái) 8的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，保證試驗(yàn)順利、有序進(jìn)行。
權(quán)利要求
1.一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載方法，其特征在于，包括在CT掃描屏蔽室內(nèi)的 CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上安裝加載機(jī)械裝置，將巖體樣本固定在加載機(jī)械裝置中，利用傳感器探 測(cè)巖體樣本在加載機(jī)械裝置中受到軸向和/或圍向壓力時(shí)的表面應(yīng)力變化，通過(guò)外界應(yīng)變 測(cè)試儀隨時(shí)采集探測(cè)信息并傳遞到CT主控制臺(tái)中；同時(shí)，CT掃描儀以固定旋轉(zhuǎn)1周模式， 對(duì)旋轉(zhuǎn)中的巖體樣本進(jìn)行加載過(guò)程中的多橫截面實(shí)時(shí)掃描，并發(fā)送巖體樣本內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化 圖像到CT主控制臺(tái)，對(duì)應(yīng)力變化與CT掃描圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析比較，確定巖體受力變化規(guī) 律。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載方法，其特征在于，所述 巖體樣本在放入加載機(jī)械裝置前先做預(yù)測(cè)試試樣應(yīng)力破壞，得出破壞應(yīng)力值，估算出試樣 的一般破壞應(yīng)力，從零到估算破壞應(yīng)力值對(duì)巖體樣本進(jìn)行壓力受載試驗(yàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載方法，其特征在于，所述 多橫截面實(shí)時(shí)掃描為上、中、下三橫截面的巖體樣本CT掃描。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載方法，其特征在于，所述 巖體樣本做軸向壓力測(cè)試時(shí)，傳感器的應(yīng)變片與軸向平行放置；和/或巖體樣本做圍向壓 力測(cè)試時(shí)，應(yīng)變片與軸向垂直放置；所述壓力調(diào)節(jié)采用CT屏蔽室外的遠(yuǎn)程控制方式實(shí)現(xiàn)， 遠(yuǎn)程控制方式包括手動(dòng)和/或自動(dòng)兩種；所述應(yīng)變片貼在巖體樣本的中部偏下位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載方法，其特征在于，所 述巖體樣本測(cè)試前首先用細(xì)砂布將原樣本的待測(cè)面進(jìn)行消磨，除去氧化層，后用酒精擦拭 除去污塵，之后用快速膠體將傳感器的應(yīng)變片粘結(jié)于待測(cè)面上，壓實(shí)應(yīng)變片，并用膠帶粘貼 緊，應(yīng)變片導(dǎo)線與外界應(yīng)變測(cè)試儀連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載方法，其特征在于，所述 CT掃描屏蔽室內(nèi)還設(shè)有高清攝像儀，高清攝像儀與CT主控制臺(tái)連接，監(jiān)控CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái) 工作狀態(tài)。
7.一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載裝備，包括位于CT屏蔽室內(nèi)的CT掃描旋轉(zhuǎn)平 臺(tái)和CT掃描儀，以及位于遠(yuǎn)端CT屏蔽室外的CT主控制臺(tái)，其特征在于，CT屏蔽室內(nèi)還包 括加載機(jī)械裝置、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭和傳感器，以及位于遠(yuǎn)端CT屏蔽室外的應(yīng)變測(cè)試儀、壓力容 器和壓力控制裝置，所述加載機(jī)械裝置固定在CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，加載機(jī)械裝置通過(guò)旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)換頭及高壓管路與壓力容器連通；所述測(cè)試用巖體樣本固定在加載機(jī)械裝置中，傳感器 的應(yīng)變片連接在巖體樣本表面，傳輸導(dǎo)線通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭與應(yīng)變測(cè)試儀連接，應(yīng)變測(cè)試儀 與CT主控制臺(tái)連接；所述壓力控制裝置連接在高壓管路上，壓力控制裝置遠(yuǎn)程調(diào)控高壓管 路的壓力。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載裝備，其特征在于，所述 加載機(jī)械裝置包括上、下卡頭和中間罐體，所述上、下卡頭相互配合連接，中間罐體卡緊在 上、下卡頭之間；所述上卡頭內(nèi)設(shè)有活塞，活塞桿外端位于中間罐體的空腔中；所述下卡頭 固定在CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上；所述活塞缸和中間罐體的密閉空腔通過(guò)高壓管路及旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換 頭分別與壓力容器連通，中間罐體空腔與高壓管路連接的進(jìn)出通道分別位于活塞桿和下卡 頭體內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載裝備，其特征在于，所述 壓力容器包括氣壓容器和/或液壓容器，高壓管路分別對(duì)應(yīng)連接在氣壓和/或液壓容器上；所述壓力控制裝置包括手動(dòng)和/或自動(dòng)壓力控制裝置，所述手動(dòng)和/或自動(dòng)壓力控制裝置 連接在CT屏蔽室外的對(duì)應(yīng)高壓管路上，自動(dòng)控制裝置通過(guò)導(dǎo)線與CT主控制臺(tái)連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載裝備，其特征在于，還包 括高清攝像儀，所述高清攝像儀固定在中間罐體外側(cè)，中間罐體為透明狀聚酯罐體，高清攝 像儀通過(guò)導(dǎo)線與CT主控制臺(tái)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種含流體CT掃描的遠(yuǎn)程可控加載方法及裝備，通過(guò)在CT掃描屏蔽室內(nèi)的CT掃描旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上安裝加載機(jī)械裝置及在巖體樣本上貼裝傳感器，利用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭將傳輸管路和線路與外界壓力容器和應(yīng)變測(cè)試儀連通，保證了加載機(jī)械裝置旋轉(zhuǎn)過(guò)程中管路和線路的有效連接，并通過(guò)在CT屏蔽室外的壓力控制裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)CT屏蔽室內(nèi)的遠(yuǎn)程軸向和/或圍向加載控制，再現(xiàn)了巖體的受力環(huán)境，模擬了受力過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了CT屏蔽室內(nèi)無(wú)人操作狀態(tài)下動(dòng)態(tài)加載過(guò)程的CT實(shí)時(shí)掃描，避免了因輻射造成的危險(xiǎn)，非常適合在CT掃描力學(xué)實(shí)驗(yàn)中推廣、使用。
文檔編號(hào)G01N23/04GK102042989SQ201010521399
公開(kāi)日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者聶百勝, 陳文學(xué) 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)