本發(fā)明涉及工程爆破，尤其涉及一種模擬寒區(qū)爆破的試驗系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、根據(jù)自然資源部公布的找礦突破戰(zhàn)略行動十年(2011-2020年)成果，未來西部地區(qū)將成為我國礦產(chǎn)資源開采的一個重要基地，但是西部地區(qū)位于我國的高寒地區(qū)。在寒冷的冬季或常年低溫的條件下，處于寒區(qū)的露天礦地表下一定深度內(nèi)的巖體會被凍結(jié)，影響爆破的效率和效果，因此，研究高寒地區(qū)的爆破對于提高礦山開采效率具有重要影響。

2、在礦山現(xiàn)場開展大量的爆破實驗，一方面影響礦山的生產(chǎn)，另一方面受制于礦山復(fù)雜的現(xiàn)場條件，很難進(jìn)行單一變量試驗來分析爆破破巖機(jī)理。因此，在實驗室內(nèi)開展爆破試驗研究寒區(qū)爆破機(jī)理成為首選。目前在實驗室內(nèi)開展爆破實驗，一種方法是利用小藥量的炸藥進(jìn)行模型試驗，另一種方法是利用動態(tài)沖擊實驗激發(fā)應(yīng)力波模擬爆破應(yīng)力波來研究爆破的動態(tài)作用和利用高壓氣體進(jìn)行爆破。第一種方法中炸藥的使用受到限制，第二種方法成為研究爆破破巖機(jī)理的常用方法，但是目前的實驗室試驗主要是模擬爆破的應(yīng)力波作用或者進(jìn)行高壓氣體爆破，并未完整模擬爆破的兩個作用階段，此外對于模擬爆破的試驗裝置也不是很成熟，沒有可以完整的完成爆破兩階段模擬的一套試驗裝置。同時，目前的爆破研究主要針對常溫地區(qū)，寒區(qū)爆破的實驗室內(nèi)試驗還有待深入。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種模擬寒區(qū)爆破的試驗系統(tǒng)及方法，針對爆破破巖的兩個階段：爆破應(yīng)力波作用階段和爆生氣體階段進(jìn)行研究；

2、一方面，一種模擬寒區(qū)爆破的試驗系統(tǒng)，包括擺錘沖擊系統(tǒng)和氣體壓裂系統(tǒng)。

3、所述擺錘沖擊系統(tǒng)包括加載系統(tǒng)、桿件系統(tǒng)、凍融箱和數(shù)據(jù)采集與記錄系統(tǒng)；所述加載系統(tǒng)包括擺錘支架、擺桿和錘頭，擺桿一端連接支架，另一端用螺母連接錘頭，所述桿件系統(tǒng)包括校準(zhǔn)支架、入射桿和透射桿，所述入射桿和透射桿放置于校準(zhǔn)支架上，入射桿、透射桿和錘頭的軸心在同一直線上，入射桿和透射桿中間夾持巖石試樣和沖擊組件，用于測試巖石試樣的動態(tài)損傷和使巖石試樣產(chǎn)生裂紋。

4、所述沖擊組件包括螺母狀沖頭和轉(zhuǎn)向錐體，所述螺母狀沖頭和入射桿連接，轉(zhuǎn)向錐體放置在試樣孔底，轉(zhuǎn)向錐體的底面積和試樣孔底的底面積相同；

5、所述凍融箱用于巖石試樣保持低溫狀態(tài)，其中低溫狀態(tài)指和現(xiàn)場溫差小于設(shè)定閾值；入射桿和透射桿從凍融箱的兩端穿過凍融箱并在箱內(nèi)夾住試樣；所述數(shù)據(jù)采集與記錄系統(tǒng)包括應(yīng)變片、前置放大器、示波記錄儀以及計算機(jī)，所述應(yīng)變片粘貼于入射桿和透射桿上，應(yīng)變片通過前置信號放大器與示波記錄儀的輸入端相連接，示波記錄儀的輸出端與計算機(jī)相連，用于記錄應(yīng)力被加載在巖石試樣的變形。

6、所述氣體壓裂系統(tǒng)包括:二氧化碳?xì)庠础⒍趸贾?、活塞式耐高壓中間容器、巖芯夾持器、溫度控制單元、數(shù)據(jù)監(jiān)測單元；二氧化碳?xì)庠?、二氧化碳柱塞泵、活塞式耐高壓中間容器、巖芯夾持器依次通過高壓氣體導(dǎo)管和閥門開關(guān)連接；所述溫度控制單元為一個箱體，內(nèi)部包裹活塞式耐高壓中間容器和巖芯夾持器，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測單元安裝在需要的管路上實時監(jiān)測數(shù)據(jù)；

7、所述二氧化碳?xì)庠从糜谔峁毫延枚趸迹龆趸贾糜糜谥苽湓囼炈韪邏簹怏w，所述巖芯夾持器用于夾持巖石試樣，所述活塞式耐高壓中間容器用于暫時儲存用于壓裂的高壓二氧化碳?xì)怏w；所述溫度控制單元用于精準(zhǔn)控制巖芯溫度，其適用范圍為-40℃～100℃；

8、所述數(shù)據(jù)監(jiān)測單元用于監(jiān)測壓裂過程的多源數(shù)據(jù)，具體包括壓力表，用監(jiān)測金屬導(dǎo)管中的氣體壓力；第一壓力傳感器，用于監(jiān)測注入巖芯的高壓氣體壓力；巖芯溫度傳感器，用于監(jiān)測和記錄巖芯壓裂時的溫度；第一溫度傳感器，用于監(jiān)測恒溫水浴槽的溫度，以上數(shù)據(jù)可實時記錄并保存于控制主機(jī)。

9、另一方面，一種基于擺錘沖擊和氣壓致裂模擬寒區(qū)爆破的試驗方法，基于前述一種基于擺錘沖擊和氣壓致裂模擬寒區(qū)爆破的試驗系統(tǒng)實現(xiàn)，包括以下步驟：

10、步驟1:準(zhǔn)備圓柱形含孔巖石試樣。

11、步驟2:將含孔巖石試樣先進(jìn)行飽水，飽水后進(jìn)行凍融，得到不同凍融損傷程度和凍結(jié)的試樣，然后用ct掃描量化凍融產(chǎn)生的損傷與裂紋特征；

12、步驟3:利用試驗系統(tǒng)進(jìn)行沖擊試驗，調(diào)整擺錘的大小、形狀和擺桿角度，沖擊入射桿產(chǎn)生應(yīng)力波；將試樣夾持于入射桿和透射桿中間，并放置于凍融箱，同時用示波器記錄入射桿和透射桿上的波形，模擬爆破的應(yīng)力波作用階段；沖擊結(jié)束后，利用ct對巖石試樣進(jìn)行掃描，并進(jìn)行三維重構(gòu)，分析應(yīng)力波作用下巖石的損傷與裂紋特征。

13、步驟4:將掃描完的試樣插上金屬導(dǎo)管與氣體壓裂系統(tǒng)相連，通過空氣壓縮機(jī)和液壓機(jī)升壓進(jìn)行氣體壓裂，在壓裂過程中，利用凍融箱使試樣保持低溫狀態(tài)，用來模擬爆破的氣楔作用過程。

14、步驟5:取出壓裂試樣拼接成整體并從不同方位拍照記錄，表征壓裂結(jié)果；

15、采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：

16、和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明應(yīng)用于爆破試驗可以避免使用炸藥，降低成本和危險性，同時，本發(fā)明分開爆破的沖擊波作用階段和氣壓致裂階段，更貼合實際。

17、本發(fā)明提供一種模擬寒區(qū)爆破的試驗系統(tǒng)及方法，

18、圖1為本發(fā)明實施例中寒區(qū)爆破室內(nèi)模擬系統(tǒng)示意圖；

19、其中，1-二氧化碳?xì)庠矗?-氣源減壓器；3-升壓系統(tǒng)；4-第一截止閥；5-第一活塞式耐高壓中間容器；6-第二截止閥；7-盤管；8-壓力表；9-第一壓力傳感器；10-巖芯夾持器；11-巖芯溫度傳感器；12-溫度控制系統(tǒng)；13-第一溫度傳感器；14-恒溫水浴槽；15-控制主機(jī)及顯示器

20、圖2為本發(fā)明實施例中模擬爆破沖擊波的結(jié)構(gòu)示意圖；

21、其中16-轉(zhuǎn)向錐體；17-螺母狀沖頭。

技術(shù)特征：

1.一種模擬寒區(qū)爆破的試驗系統(tǒng)，其特征在于，包括擺錘沖擊系統(tǒng)和氣體壓裂系統(tǒng)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬寒區(qū)爆破的試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述沖擊組件包括螺母狀沖頭和轉(zhuǎn)向錐體，所述螺母狀沖頭和入射桿連接，轉(zhuǎn)向錐體放置在試樣孔底。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種模擬寒區(qū)爆破的試驗系統(tǒng)，其特征在于，轉(zhuǎn)向錐體的底面積和試樣孔底的底面積相同。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬寒區(qū)爆破的試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述凍融箱用于巖石試樣保持低溫狀態(tài)，其中低溫狀態(tài)指和現(xiàn)場溫差小于設(shè)定閾值。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬寒區(qū)爆破的試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述入射桿和透射桿從凍融箱的兩端穿過凍融箱并在箱內(nèi)夾住試樣；所述數(shù)據(jù)采集與記錄系統(tǒng)包括應(yīng)變片、前置放大器、示波記錄儀以及計算機(jī)，所述應(yīng)變片粘貼于入射桿和透射桿上，應(yīng)變片通過前置信號放大器與示波記錄儀的輸入端相連接，示波記錄儀的輸出端與計算機(jī)相連，用于記錄應(yīng)力被加載在巖石試樣的變形。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬寒區(qū)爆破的試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測單元用于監(jiān)測壓裂過程的多源數(shù)據(jù)，具體包括壓力表，用監(jiān)測金屬導(dǎo)管中的氣體壓力；第一壓力傳感器，用于監(jiān)測注入巖芯的高壓氣體壓力；巖芯溫度傳感器，用于監(jiān)測和記錄巖芯壓裂時的溫度；第一溫度傳感器，用于監(jiān)測恒溫水浴槽的溫度，以上數(shù)據(jù)可實時記錄并保存于控制主機(jī)。

7.一種模擬寒區(qū)爆破的試驗方法，基于權(quán)利要求1所述的一種模擬寒區(qū)爆破的試驗系統(tǒng)實現(xiàn)，其特征在于，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種模擬寒區(qū)爆破的試驗系統(tǒng)及方法，涉及工程爆破技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明通過擺錘沖擊加載激發(fā)應(yīng)力模擬爆破的應(yīng)力波作用，利用氣壓致裂模擬爆生氣體的壓裂作用。利用不同形狀大小的擺錘從不同高度處擺下，沖擊鋼桿產(chǎn)生應(yīng)力波，夾在入射桿和透射桿中間的試樣在試驗之前先進(jìn)行凍融，試驗過程中在凍融箱中保持凍融狀態(tài)，應(yīng)力波作用后，利用CT進(jìn)行掃描定量表征裂紋。氣壓致裂階段，將試樣放置在巖心夾持器中，利用二氧化碳壓裂設(shè)備，產(chǎn)生與應(yīng)力波峰值相對應(yīng)的壓力的二氧化碳?xì)怏w，注入巖石試樣中壓裂巖石試樣，在壓裂過程中通過改變外置金屬導(dǎo)管的插入深度來模擬真實爆破中改變裝藥量的過程，壓裂后進(jìn)行分析爆破破巖機(jī)理和爆破效果。

技術(shù)研發(fā)人員：牛雷雷,趙蔚,朱萬成,尹秋芳,陳張林,陳廷鈺,駱柯,王良贏
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東北大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14