一种用于岩石破裂信息采集的耐高温高压声发射装置

本发明属于岩石力学实验技术领域，具体涉及一种用于岩石破裂信息采集的耐高温高压声发射装置，适用于刚性加载条件下复杂恶劣环境下岩石破裂信息长时间采集需求。

背景技术：

深部硬岩灾害的形成普遍认为是岩石内部破裂引起的，因此，目前室内试验研究中，岩石破裂信息的获取变得越来越重要。最普遍被接受的方法是采用声发射传感器进行岩石破裂信息的采集。

现有声发射装置通常采用压电陶瓷进行岩石破裂信息采集，但是压电陶瓷不耐高压，不耐高温。为了实现高压或高温下岩石破裂信息采集，目前普遍方法如下：(1)高压力加载方式包括柔性加载，即围压采用高压液体进行加载时，将压电陶瓷晶片整体封装在刚性壳体内，岩石与封装有陶瓷晶片的刚性壳体直接接触进行声发射测量；(2)高压力加载方式均为刚性加载时，不含高压液体加载，将压电陶瓷探头直接封装在加载板上，并采用加载板内部提供反力形式实现探头与岩石表面的压紧。与此同时，为了实现高温下岩石破裂信息测量，一般将压电陶瓷四周加入低导热率材料实现短时间的耐高温试验。

上述方法虽然实现了岩石短时间高温或高压下的破裂信息测量，但进行长时间破裂信息测量难度还是较大。首先，将压电陶瓷晶片整体封装在刚性壳体内，不论柔性还是刚性加载，进行声发射破裂信息测量时，由于探头尺寸较小，耐热材料虽然导热率低，但是在长时间作用下，温度还是会逐渐到达压电陶瓷表面，使压电陶瓷失效；其次，刚性加载时，由于采用加载板内部提供反力形式实现探头与岩石表面的压紧，使得放置探头处施加给岩石的力与其他位置的力不同，使岩石局部受力不均匀。因此，有必要研制新的声发射装置，使其同时满足在高温高围压高水压下岩石破裂信息长时间监测的功能。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于岩石破裂信息采集的耐高温高压声发射装置，可以实现在复杂环境下，保证岩石受力均匀时，岩石破裂信息的长时监测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于岩石破裂信息采集的耐高温高压声发射装置，包括刚性压块；所述刚性压块一端与作动器连接，另一端置于岩样上表面，通过作动器施加力并传输至岩样的边界上；刚性压块中部开设有竖向孔，刚性压块侧壁开设有与竖向孔连通的水平孔，所述刚性压块的竖向孔底部安装有声发射装置，所述声发射装置包括隔热单元、密封底座及密封圈，所述密封底座为凸台状，密封底座的小直径部分外圆套装有密封圈，且密封圈抵在密封底座的凸台上表面处，密封底座的小直径部分中部设置有盲孔，盲孔内安装有隔热单元。

所述隔热单元包括隔热壳体、信号线ⅰ、循环空气进管路和循环空气出管路，隔热壳体的中心盲孔内安装有压电陶瓷，压电陶瓷的上表面低于密封底座的上表面，压电陶瓷顶部设置有传输信号线和静电屏蔽信号线组成的信号线ⅰ，密封底座的小直径部分顶部设置有隔热封盖，隔热封盖、隔热壳体及压电陶瓷一起形成密封空间，隔热封盖上设置有与密封空间连通的三个通孔，所述循环空气进管路安装于第一通孔内，循环空气出管路安装于第二通孔内，且循环空气进管路和循环空气出管路经过水平孔延伸至刚性压块的外侧与空气压缩机连接，循环空气出管路经过水平孔延伸至刚性压块的外侧与外部空气连通，信号线ⅱ一端穿过第三通孔与信号线ⅰ连接，另一端经过水平孔延伸至刚性压块外侧与声发射采集仪连接。

所述隔热封盖和隔热壳体均采用导波性能好及导热系数低的材料制作而成。

本发明的有益效果：

(1)通过采用凸台状密封底座设计，可以使传感器不受加载在刚性压块上的高压力影响，而且直接将密封底座倒扣进刚性压块内，密封底座受刚性压块施加的力可以完全作用于其与岩石表面的接触面上，使岩样受力均匀；(2)密封底座与刚性压块封装时采用密封圈密封，有利于在进行岩石内部高水压渗透试验时高压水密封，不至于影响压电陶瓷性能；(3)采用隔热壳体设计，使外部高温达到压电陶瓷经历时间较久，这个过程再进行空气循环，将内部余热带出，保证了压电陶瓷长时间耐高温的性能。

附图说明

图1本发明用于岩石长时破裂信息采集的耐高温高压声发射装置的结构示意图；

图2本发明用于岩石长时破裂信息采集的耐高温高压声发射装置剖示图；

图3本发明用于岩石长时破裂信息采集的耐高温高压声发射装置三维示意图；

1-刚性压块，2-岩样，3-隔热封盖，4-隔热壳体，5-密封底座，6-密封圈，7-压电陶瓷，8-信号线ⅰ，9-循环空气进管路，10-循环空气出管路，11-信号线ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图3所示，一种用于岩石破裂信息采集的耐高温高压声发射装置，包括刚性压块1；所述刚性压块1一端与作动器连接，另一端置于岩样2上表面，通过作动器施加力并传输至岩样2的边界上；刚性压块1中部开设有竖向孔，刚性压块1侧壁开设有与竖向孔连通的水平孔，所述刚性压块1的竖向孔底部安装有声发射装置，所述声发射装置包括隔热单元、密封底座5及密封圈6，所述密封底座5为凸台状，密封底座5的小直径部分外圆套装有密封圈6，且密封圈6抵在密封底座5的凸台上表面处，密封底座5的小直径部分中部设置有盲孔，盲孔内安装有隔热单元。

所述隔热单元包括隔热壳体4、信号线ⅰ8、循环空气进管路9和循环空气出管路10，隔热壳体4的中心盲孔内安装有压电陶瓷7，压电陶瓷7的上表面低于密封底座5的上表面，压电陶瓷7顶部设置有传输信号线和静电屏蔽信号线组成的信号线ⅰ8，密封底座5的小直径部分顶部设置有隔热封盖3，隔热封盖3、隔热壳体4及压电陶瓷7一起形成密封空间，隔热封盖3上设置有与密封空间连通的三个通孔，所述循环空气进管路9安装于第一通孔内，循环空气出管路10安装于第二通孔内，且循环空气进管路9和循环空气出管路10经过水平孔延伸至刚性压块1的外侧与空气压缩机连接，循环空气出管路10经过水平孔延伸至刚性压块1的外侧与外部空气连通，信号线ⅱ11一端穿过第三通孔与信号线ⅰ8连接，另一端经过水平孔延伸至刚性压块1外侧与声发射采集仪连接。

所述隔热封盖3和隔热壳体4均采用导波性能好及导热系数低的材料制作而成。

一种用于岩石破裂信息采集的耐高温高压声发射装置的使用方法，包括以下步骤；

将耐高温高压声发射装置安装在刚性压块1的竖向孔内，将带有声发射装置的刚性压块1与岩样2完全贴合装配，且密封底座5一端与岩样2直接接触；将信号线ⅱ11与声发射采集系统通过信号放大器连接，将循环空气进管路9与外部的空气压缩机连接；对岩样2进行室内高温高水压高应力加载试验，试验过程中通过声发射采集系统采集岩石破裂信息，直至试验停止。

技术特征：

1.一种用于岩石破裂信息采集的耐高温高压声发射装置，其特征在于，包括刚性压块；所述刚性压块一端与作动器连接，另一端置于岩样上表面，通过作动器施加力并传输至岩样的边界上；刚性压块中部开设有竖向孔，刚性压块侧壁开设有与竖向孔连通的水平孔，所述刚性压块的竖向孔底部安装有声发射装置，所述声发射装置包括隔热单元、密封底座及密封圈，所述密封底座为凸台状，密封底座的小直径部分外圆套装有密封圈，且密封圈抵在密封底座的凸台上表面处，密封底座的小直径部分中部设置有盲孔，盲孔内安装有隔热单元。

2.根据权利要求1所述的一种用于岩石破裂信息采集的耐高温高压声发射装置，其特征在于：所述隔热单元包括隔热壳体、信号线ⅰ、循环空气进管路和循环空气出管路，隔热壳体的中心盲孔内安装有压电陶瓷，压电陶瓷的上表面低于密封底座的上表面，压电陶瓷顶部设置有传输信号线和静电屏蔽信号线组成的信号线ⅰ，密封底座的小直径部分顶部设置有隔热封盖，隔热封盖、隔热壳体及压电陶瓷一起形成密封空间，隔热封盖上设置有与密封空间连通的三个通孔，所述循环空气进管路安装于第一通孔内，循环空气出管路安装于第二通孔内，且循环空气进管路和循环空气出管路经过水平孔延伸至刚性压块的外侧与空气压缩机连接，循环空气出管路经过水平孔延伸至刚性压块的外侧与外部空气连通，信号线ⅱ一端穿过第三通孔与信号线ⅰ连接，另一端经过水平孔延伸至刚性压块外侧与声发射采集仪连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于岩石破裂信息采集的耐高温高压声发射装置，其特征在于：所述隔热封盖和隔热壳体均采用导波性能好及导热系数低的材料制作而成。

技术总结
一种用于岩石破裂信息采集的耐高温高压声发射装置，包括刚性压块；所述刚性压块一端与作动器连接，另一端置于岩样上表面；刚性压块中部开设有竖向孔，刚性压块侧壁开设有与竖向孔连通的水平孔，刚性压块的竖向孔底部安装有声发射装置，所述声发射装置包括隔热单元、密封底座及密封圈，所述密封底座为凸台状，密封底座的小直径部分外圆套装有密封圈，且密封圈抵在密封底座的凸台上表面处，密封底座的小直径部分中部设置有盲孔，盲孔内安装有隔热单元。通过采用凸台状密封底座使声发射装置不受加载在刚性压块上的高压力影响，而直接将密封底座倒扣进刚性压块内，密封底座受刚性压块施加的力可以完全作用于其与岩石表面的接触面上，使岩样受力均匀。

技术研发人员：赵骏;冯夏庭;江梦飞;杨成祥
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2021.05.13
技术公布日：2021.08.03