一种检测岩心破裂信号的系统及方法与流程

本发明涉及岩石力学检测领域，更具体地，涉及一种检测岩心破裂信号的系统及方法。

背景技术：

激光测振技术是利用激光来接收超声波实现材料特性和缺陷检测的技术,是完全非接触式超声波检测技术。在激光超声检测系统中，激光器及其光学元件可以远离被测试件几十厘米之远，需要时可达数十米远。因此，这种技术不仅是一种非接触式，而且是远距离遥测式的检测技术。尽管电磁超声换能器(emat)，空气超声换能器以及电容换能器(esat)等也具有非接触式的特点，但这些换能器离开试件的距离不能太大(<lmm)，换能器的换能效率与换能器和试件表面间的距离关系甚大。从这方面来讲激光超声无损检测技术的应用范围更大。比如，当试件的温度超过500℃以上，或者更高，没有可靠的超声换能器可以接近试件表面，而激光超声技术则可遥测。激光束可以透过一个透明窗口，进入密封的试件舱，因此可以应用在有毒、高压、有放射性的恶劣环境之下。

从原理上讲，光学技术具有快速扫描的特点，利用棱镜、反射镜或者电光装置，可以方便地进行全方位快速扫描。采用全光学型的激光超声测量系统，可以利用这一特点，对试件进行快速扫描。扫描的上限速度与压电换能器的扫描速度相比高得多，它仅受激光脉冲的复重频率及数据采样频率的限制。

应力应变实验是岩石力学性质测量的一种重要手段，通常是在岩石样品上施加一定方向的力，利用形变测量仪和力学传感器监测岩石受压过程中在不同方向上的变形程度。岩石的各类弹性模量和力学参数都可以通过应力应变实验直接测量或者计算得到。但是，岩石形变和内部裂缝的产生监测受限于形变测量装置的精度，对于塑性较差的岩石，如灰岩、白云岩等，在应力应变实验过程中，由形变测量装置测得的岩石破裂参数存在一定的误差。

因此，有必要开发一种检测岩石破裂信号的系统，利用激光测震技术和光学扫描技术，对岩石内部裂缝信号进行精确的监测。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明提出了一种检测岩心破裂信号的系统及方法，其能够通过激光测震技术和光学扫描技术，实现对岩石内部裂缝信号进行精确的监测。

根据本发明的一方面，提出了一种检测岩心破裂信号的系统，该系统包括：

压力加载装置，所述压力加载装置与待测岩心连接，用于对所述待测岩心加载压力；

激光测振仪，用于发射激光束和检测待测岩心表面的振动信号；

控制设备，所述控制设备分别与所述激光测振仪和所述压力加载装置通信连接，用于控制所述激光测振仪和所述压力加载装置的运行，并记录分析所述激光测振仪接收到的数据。

根据本发明的另一方面，提出了一种检测岩心破裂信号的方法，该方法包括：

基于压力加载装置对待测岩心加载压力，使所述待测岩心发生形变；

基于激光测振仪的激光发射器发射激光束，进行激光测振试验；

基于激光测振仪的激光检测探头，检测所述待测岩心表面的振动信号；

基于控制设备对振动信号进行记录与分析。

本发明提供检测方法将激光测振技术与应力应变实验方法相结合，在岩石应力应变实验过程中，利用激光测振仪监测岩石表面的震动能量，由此判断岩石内部产生裂缝的时间点和破裂能量强度，建立了一种更高精度的岩石力学参数检测方法。

本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的检测岩心破裂信号的系统的示意图。

图2示出了根据本发明的检测岩心破裂信号的方法的扫描网格示意图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的待测岩心加压1分钟后的扫描图像。

图4示出了根据本发明的一个实施例的待测岩心加压5分钟后的扫描图像。

图5示出了根据本发明的一个实施例的待测岩心加压15分钟后的扫描图像。

附图说明

1、压力加载装置2、激光检测探头3、激光测振仪4、平行轴压方向的应变片5、垂直轴压方向的应变片

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本发明的检测岩心破裂信号的系统的示意图。

如图1所示，根据本发明的一方面提供了一种检测岩心破裂信号的系统，该系统包括：

压力加载装置1，所述压力加载装置1与待测岩心连接，用于对所述待测岩心加载压力；

激光测振仪3，用于发射激光束和检测待测岩心表面的振动信号；

控制设备(未示出)，所述控制设备分别与所述激光测振仪3和所述压力加载装置1通信连接，用于控制所述激光测振仪3和所述压力加载装置1的运行，并记录分析所述激光测振仪3接收到的数据。

作为优选方案，待测岩心的上下两端分别与压力加载装置1连接，通过压力加载装置1对待测岩心施加轴向压力。

优选地，所述激光测振仪3为多普勒激光测振仪。

优选地，所述控制设备为计算机。

在一个示例中，所述系统还包括应变片和应变计量设备(未示出)，所述应变片设置于待测岩心上，并与所述应变计量设备连接，用于计量所述待测岩心发生的形变量。

所述应变计量设备，用于显示并记录待测岩心受压后的形变量。

在一个示例中，所述激光测振仪3包括激光检测探头2，用于检测所述待测岩心表面的振动信号。

具体的，激光检测探头2将检测到的被测物体表面的振动信号转换为电信号，然后通过激光测振仪3发送给控制设备进行分析处理。所述振动信号包括位移或速度。

作为优选方案，激光检测探头2负责检测待测岩心表面的振动信号，应变片用于计量待测岩心的形变，在实验开始时，两者同时从零时刻开始检测，得到的数据以时间为轴进行匹配。

在一个示例中，所述激光测振仪3包括激光发射器(未示出)，用于发射激光束。

在一个示例中，所述应变片为多个。优选为2个。

在一个示例中，所述应变片包括平行轴压方向的应变片4和垂直轴压方向的应变片5。

作为优选方案，多个所述应变片尽量设置于待测岩心的表面中部。

根据本发明的另一方面提供了一种检测岩心破裂信号的方法，利用本发明提供的检测岩心破裂信号的系统，该方法包括：

基于压力加载装置1对待测岩心加载压力，使所述待测岩心发生形变；

基于激光测振仪3的激光发射器发射激光束，进行激光测振试验；

基于激光测振仪3的激光检测探头2，检测所述待测岩心表面的振动信号；

基于控制设备对振动信号进行记录与分析。

本发明提供的检测方法，通过激光测震技术和光学扫描技术，实现对岩石内部裂缝信号进行精确的监测。

下面详细说明根据本发明的检测岩心破裂信号的方法的具体步骤。

基于压力加载装置1对待测岩心加载压力，使所述待测岩心发生形变。

作为优选方案，所述待测岩心的制备方法为：将岩石制作成长、宽均为50毫米，高度为80-100毫米的长方体样品；将长方体样品两端切割平整，端面水平误差小于0.01毫米，并使得两端面与侧面垂直；

作为优选方案，压力加载装置1对待测岩心加载轴向压力。

基于激光测振仪3的激光发射器发射激光束，进行激光测振试验。

在一个示例中，所述激光束垂直于面向所述激光发射器的所述待测岩心的端面。

作为优选方案将待测岩心放置于激光测振仪3的样品台上，调整样品台和激光发射器的水平角度，确保激光束与待测岩心的端面垂直。

基于激光测振仪3的激光检测探头2，接收所述待测岩心表面的振动信号。

在一个示例中，还包括基于应变片计量所述待测岩心发生的形变量。

在一个示例中，所述应变片设置于所述面向激光发射器的所述待测岩心的端面的对侧端面，具体放置方式如图1所示。

作为优选方案，激光检测探头2负责检测待测岩心表面的振动信号，应变片用于计量待测岩心的形变，在实验开始时，两者同时从零时刻开始检测，得到的数据以时间为轴进行匹配。

本发明根据激光振动检测原理，在激光测振仪上对待测岩心进行振动检测实验。在待测岩心受力产生形变过程中，当待测岩心内部产生裂缝时，会伴随有能量的释放，待测岩心破裂能量将以波的形式传播到待测岩心表面，并被激光检测探头2检测到。

基于控制设备对振动信号进行记录与分析。

优选地，所述控制设备为计算机。

具体的，在与激光测振仪3连接的计算机上打开操作软件，对激光束进行聚焦；通过操作软件可以在计算机屏幕上看到待测岩心，设定扫描方式为面扫描，在软件操作界面上划定待进行扫描的范围、扫描网格和扫描时间；启动激光扫描，由操作软件自动记录下扫描网格设定的每个点的振动信号；在待测岩心两端加载一个持续增加的压力，同时对扫描网格进行激光扫描，当激光测振仪3检测到待测岩心表面产生振动信号时表明待测岩心内部已经产生微裂缝；继续扫描，直至待测岩心破裂，记录下实验全程记录。

图2示出了根据本发明的检测岩心破裂信号的方法的一个扫描网格示意图。

如图2所示，在待测岩心端面上选择需要进行测量的区域，按照实验的需要在操作软件中输入网格的形状(图2中为方形)、网格点间隔、扫描次数等参数。

实施例

图3示出了根据本发明的一个实施例的待测岩心加压1分钟后的扫描图像。

图4示出了根据本发明的一个实施例的待测岩心加压5分钟后的扫描图像。

图5示出了根据本发明的一个实施例的待测岩心加压15分钟后的扫描图像。

选择一块煤岩作为检测样品，基于煤岩检测样品制作待测岩心：将煤岩检测样品制作成长、宽均为50毫米，高度为80-100毫米的长方体样品。

利用本发明提供的检测岩心破裂信号的系统(如图1所示)，本发明提供了一种检测岩心破裂信号的方法：在待测岩心的上、下两端以每分钟1千牛的速度加载一个机械压力，在待测岩心面向激光发射器的所述待测岩心的端面的对侧端面上选定了一个长5厘米，宽5厘米的面作为观测面，按图3-图5所示的网格样式画好扫描网格，以每秒100次的覆盖次数进行扫描。图3为加压1分钟后的扫描图像，图4和图5为继续加压过程中的扫描图像，如图3-图5所示，三幅图中，灰色较浅的地方代表接收到较弱振动信号，灰色较深的地方代表接收到较强振动信号。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。