一种二氧化碳相变致裂压力测试装置的制作方法

本发明涉及破岩技术领域，尤其涉及一种二氧化碳相变致裂压力测试装置。

背景技术：

随着社会的发展，城市开挖工程对振动和环境的要求越来越高，常见的炸药爆破在一些情况下不能使用，二氧化碳相变致裂技术作为目前的炸药爆破首要代替手段，得到了广泛的应用。但由于二氧化碳相变致裂技术的实用水平远远高于理论水平，对二氧化碳相变致裂技术的荷载研究还处于初级阶段。已有的二氧化碳相变致裂技术研究通常先利用理论计算求出二氧化碳相变致裂能量，然后将相变致裂能量转化为TNT当量作为相变致裂荷载。但是，炸药荷载产生的冲击波作用远远大于爆生气体的静楔作用，可以说，炸药破岩时主要是冲击波作用为主，而二氧化碳相变致裂破岩过程中的气楔作用在岩体裂纹扩展中起到了不可忽视的作用，二氧化碳相变致裂破岩过程中应力波与气体协同作用能量比例尚未明晰，直接将二氧化碳相变致裂荷载转换为炸药荷载进行理论研究存在一定的缺陷。相比之下，直接研究二氧化碳相变致裂的压力时程曲线能更简洁准确的反应二氧化碳的相变荷载特征。

现有的二氧化碳相变压力时程曲线测试有多种。一种是测试二氧化碳相变致裂管中的压力，即膛压测试，膛压测试的压力是二氧化碳相变致裂管中的压力，与二氧化碳相变致裂器泄能口喷射的高压气体压力之间存在一定的差异，不能准确反映二氧化碳相变泄爆的压力。一种是采用密封钢管内套单泄能孔二氧化碳相变致裂器，用钢管模拟钻孔，钢管横卧进行二氧化碳相变致裂压力测试，但此测试方法有部分缺陷，在大多数情况中，二氧化碳相变致裂器是近垂直设置，横卧时测得的二氧化碳相变致裂压力时程曲线仅仅满足水平掘进时二氧化碳相变致裂器与钻孔的相对位置关系，不符合大多数情况下二氧化碳相变致裂器与钻孔的相对位置关系。

由于二氧化碳相变致裂进行现场试验耗时耗力，且浪费人力物力，实验室测定二氧化碳相变致裂压力时程曲线是一种经济快捷的方法。由于现有测试所得的二氧化碳相变致裂时程曲线精度不高，且二氧化碳相变致裂技术是一种点式聚能爆破技术，同断面内不同位置的压力时程曲线存在一定的差异，因此亟需一种能精确获得不同致裂参数下的钻孔内不同位置二氧化碳相变泄爆压力时程曲线的测试装置和测试方法，以求能精确描述二氧化碳相变泄爆威力，为现场实际应用提供理论基础。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种能有效测试二氧化碳相变致裂装置垂直工况下的泄爆压力的二氧化碳相变致裂压力测试装置。

本发明的一种二氧化碳相变致裂压力测试装置，包括基座；套筒，所述套筒竖直设置在所述基座上，所述套筒的顶端敞口，所述套筒内壁设有多个压力传感器，所述套筒下端设有泄气孔；二氧化碳相变致裂装置，所述二氧化碳相变致裂装置竖直设置在所述套筒中，且所述二氧化碳相变致裂装置与所述套筒内壁之间具有间隙，所述间隙内填充有填充物；所述二氧化碳相变致裂装置的泄能口位于所述泄气孔下方；数据采集处理系统，所述数据采集处理系统与所述压力传感器电连接。

优选的，所述泄气孔设有防止填充物由其漏出的铁丝网。

优选的，多个所述压力传感器8沿所述套筒2的轴向和圆周内壁间隔设置，沿所述套筒2轴向设置的压力传感器8等距间隔设置在同一直线上，沿所述圆周内壁间隔设置的压力传感器8在同一水平面，且在同一水平面的压力传感器8至少设置有4个。

优选的，所述泄能口351所在的水平面也设有多个沿所述圆周内壁间隔设置的压力传感器8，至少两个压力传感器8与所述泄能口351相对应。

优选的，所述二氧化碳相变致裂装置包括充装头、储液管、发热管、定压剪切片和泄能头；所述储液管竖直设置在所述套筒内，所述充装头设置在所述储液管的顶端，所述泄能头可拆卸的设置在储液管的底端，定压剪切片可设置在储液管的底端，所述发热管设置在所述储液管内用于对储液管内的液态二氧化碳加热；所述泄能口设置在所述泄能头上。

优选的，所述二氧化碳相变致裂装置通过固定机构可拆卸的竖直设置在所述套筒内。

优选的，所述固定机构包括多个螺栓，所述套筒的侧壁沿其轴向间隔设有多个固定螺纹孔，所述螺栓与所述固定螺纹孔一一对应，所述螺栓的一端穿过所述固定螺纹孔与所述储液管的外管壁相抵。

优选的，所述套筒通过安装机构可拆卸的竖直设置在所述基座。

优选的，所述安装机构包括固定设置在所述套筒底端的安装螺杆，所述基座上设有安装螺孔，所述安装螺杆螺旋在所述安装螺孔内。

优选的，所述安装机构还包括至少两个支撑杆，所述套筒外壁设有至少两个支撑凹槽，所述支撑凹槽与所述支撑杆一一对应，所述支撑杆的一端铰接在所述基座上，另一端伸至所述支撑凹槽内。

本发明的一种二氧化碳相变致裂压力测试装置，激发发热管，使其短时间内发出大量的热，液态二氧化碳吸热相变为超临界状态，储液管内腔中压力超过定压剪切片的破断压力时，二氧化碳冲出相变为高压气体；相变冲出的高压气体冲击压力传感器，压力传感器时刻将采集的压力值传输到数据采集处理系统，能有效测试二氧化碳相变致裂装置垂直工况下的泄爆压力，能获取不同位置的二氧化碳相变泄爆压力时程曲线与不同时刻二氧化碳相变泄爆压力沿程分布曲线，对研究二氧化碳相变致裂技术的点式聚能作用有重要意义。

附图说明

图1为本发明的的一种二氧化碳相变致裂压力测试装置的结构示意图；

图2为图1中1-1的横剖面图。

1-基座；11-安装螺孔；2-套筒；21-泄气孔；211-铁丝网；22-固定螺纹孔；23-支撑凹槽；3-二氧化碳相变致裂装置；31-充装头；32-储液管；33-发热管；34-定压剪切片；35-泄能头；351-泄能口；4-填充物；5-数据采集处理系统；6-固定机构；61-螺栓；7-安装机构；71-安装螺杆；72-支撑杆；8-压力传感器。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1和2所示，本发明的一种二氧化碳相变致裂压力测试装置，包括基座1；套筒2，套筒2竖直设置在基座1上，套筒2的顶端敞口，套筒2内壁设有多个压力传感器8，套筒2下端设有泄气孔21；二氧化碳相变致裂装置3，二氧化碳相变致裂装置3竖直设置在套筒2中，且二氧化碳相变致裂装置3与套筒2内侧壁之间具有间隙，间隙内填充有填充物4；二氧化碳相变致裂装置3的泄能口351位于泄气孔21下方；数据采集处理系统5，数据采集处理系统5与压力传感器8电连接。

本发明的的一种二氧化碳相变致裂压力测试装置，激发发热管33，使其短时间内发出大量的热，液态二氧化碳吸热相变为超临界状态，储液管32内腔中压力超过定压剪切片34的破断压力时，二氧化碳冲出相变为高压气体；相变冲出的高压气体冲击压力传感器8，压力传感器8时刻将采集的压力值传输到数据采集处理系统5。能有效测试二氧化碳相变致裂装置3垂直工况下的泄爆压力，能获取不同位置的二氧化碳相变泄爆压力时程曲线与不同时刻二氧化碳相变泄爆压力沿程分布曲线，对研究二氧化碳相变致裂技术的点式聚能作用有重要意义。

二氧化碳相变致裂装置3与套筒2之间保持一定的间隙，用以模拟二氧化碳相变致裂装置3与钻孔之间的不耦合状态。

泄气孔21可以设有防止填充物4由其漏出的铁丝网211。保证气流通畅的同时填充物4不从泄气孔21被吹出。其中填充物4可以为粘土炮泥等材料。泄气孔21用以模拟二氧化碳相变致裂岩体时气体楔入岩体时的压力降低过程，能有效表示二氧化碳相变生成的高压气体在破岩过程中的压力耗散过程。

多个压力传感器8沿套筒2的轴向和圆周内壁间隔设置，沿套筒2轴向设置的压力传感器8等距间隔设置在同一直线上，沿圆周内壁间隔设置的压力传感器8在同一水平面，且在同一水平面的压力传感器8至少设置有4个。水平面上设置多个压力传感器8，水平面不同位置的压力传感器8采集到的数据能有效对比点式聚能爆破过程中同断面不同位置的压力差异。

其中压力传感器8可以为PVDF压力传感器或高量程压阻式传感器。

泄能口351所在的水平面也设有多个沿套筒圆周内壁间隔设置的压力传感器8，至少两个压力传感器8与泄能口351相对应。保证高压二氧化碳相变致裂气体能直接冲击两个压力传感器8，精确获得压力数据；

二氧化碳相变致裂装置3包括充装头31、储液管32、发热管33、定压剪切片34和泄能头35；储液管32竖直设置在套筒2内，充装头31设置在储液管32的顶端，泄能头35可拆卸的设置在储液管32的底端，定压剪切片34可设置在储液管32的底端，发热管33设置在储液管32内用于对储液管32内的液态二氧化碳加热；泄能口351设置在泄能头35上。泄能口351可以设有两个，分别可以设置在泄能头35的两侧，两个压力传感器8分别与两侧的泄能口351相对应。

二氧化碳相变致裂装置3可以通过固定机构6可拆卸的竖直设置在套筒2内。

固定机构6的结构有多种，在这里不做限定，在本实施例中，固定机构6可以包括多个螺栓61，套筒2的侧壁沿其轴向间隔设有多个固定螺纹孔22，螺栓61与固定螺纹孔22一一对应，螺栓61的一端穿过固定螺纹孔22与储液管32的外壁相抵。为了进一步的固定稳定，可以在储液管外壁设置凹槽，不穿透储液管外壁，螺栓61的一端穿过固定螺纹孔22插入该凹槽中。多个螺栓61的布置位置的方式可以有多种，在这里不做限定，例如：为螺栓61设置的位置可以沿其轴线在四条直线上，四条直线上分别设置在垂直的两个直径面的两端。

套筒2可以通过安装机构7可拆卸的竖直设置在基座1。

安装机构7的结构有多种，在这里不做限定，在本实施例中，安装机构7可以包括固定设置在套筒2底端的安装螺杆71，基座1上设有安装螺孔11，安装螺杆71螺旋在安装螺孔11内。

安装机构7还可以包括至少两个支撑杆72，套筒2外壁设有至少两个支撑凹槽23，支撑凹槽23与支撑杆72一一对应，支撑杆72的一端铰接在基座1上，另一端伸至支撑凹槽23内。保证二氧化碳相变致裂装置3和无盖厚壁钢套筒2在试验测试时能垂直于基座1，有效模拟二氧化碳相变致裂装置3垂直设置于钻孔中的情况，保证试验时二氧化碳相变致裂装置3保持垂直稳定状态。

以上未涉及之处，适用于现有技术。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。