矿岩三轴压缩下声发射Kaiser效应测试装置及方法与流程

本发明涉及到声发射，特别是指一种矿岩三轴压缩下声发射kaiser效应测试装置及方法。

背景技术：

1、为了满足经济发展对资源的需求，矿山开采规模和生产总量不断扩大，资源开采逐渐从浅部露天矿转向地下和深部。随着开采深度的增加，三高问题（高地应力、高地温、高渗透压）也随之而来，三轴压缩条件下岩石受载情况与工程实际较为相似，所以开展三轴压缩试验能够更好的研究高应力情况下岩石力学行为。

2、现有的岩石三轴压缩试验是通过在三轴试验机油缸内添加高压液压油来施加围压，以模拟深部高应力环境。三轴压缩试验过程中添加声发射装置，在油缸外布置2-6个声发射探头，且在试验前先设置门槛值，以防止受到外界因素的干扰。利用声发射探头获取加载过程中岩石内部裂隙发育、裂纹扩展等行为产生的应力波，通过声发射法研究声发射特征、测量地应力。

3、声发射法测量地应力就是通过岩石具有的kaiser效应进行测量。kaiser效应是指岩石在受载过程中声发射具有不可逆性，即只有其受应力的水平超过曾经受过的最大压力时，才会发出大量声发射信号的现象。与应力解除法、水压致裂法等其他传统方法相比，该方法既简单又低成本，还能在室内完成地应力测量工作。

4、在三轴压缩试验中，试件受到复杂的应力和应变状态，声发射信号的产生和传播可能会受到试件内部的应力和应变分布的影响。目前在三轴压缩下试件的声发射监测方面已经取得了进展，探索了三轴压缩条件下试件的声发射监测方法和数据分析技术，探究了声发射信号在三轴压缩试验中的特征，但仍需要进一步的研究来解决数据同步性方面的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对声发射信号在三轴压缩试验中难以保证数据同步性的问题，提供一种矿岩三轴压缩下声发射kaiser效应测试装置及方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的。

3、本发明的一种矿岩三轴压缩下声发射kaiser效应测试装置，包括：三轴压缩试验装置，其特征在于，还包括试件组件和声发射采集及处理系统，

4、所述的试件组件包括上垫块、下垫块、热缩管、径向引伸计、轴向引伸计、试件固定装置和岩芯试件，所述的热缩管上端与上垫块密封连接，下端与下垫块密封连接，形成带有容腔容器，在固定上圆环和固定下圆环上分别开有轴向引伸计定位卡槽，所述的轴向引伸计放在轴向引伸计定位卡槽内，径向引伸计放在岩芯试件上；在所述的下垫块的底部安装有可拆卸的定位销；

5、所述的试件固定装置包括固定上圆环和固定下圆环，在固定上圆环和固定下圆环上径向等距离开有螺柱孔；所述的固定上圆环2-1-6和固定下圆环套装在试件组件热缩管外侧，分别通过顶丝固定在热缩管外的上部和下部；

6、所述的试件组件置于三轴压缩试验装置的中心位置，三轴加载压头位于试件组件的正上方；

7、所述的发射采集及处理系统，包括多个声发射探头、前置放大器以及声发射采集及处理主机；

8、所述的试件组件上的轴向引伸计、径向引伸计通过变形传输线与三轴压缩试验装置的变形感应器连接，变形感应器再通过变形传输线与试验机控制计算机连接，三轴压缩试验装置的压力位移感应器通过应力传输线与试验机控制计算机连接，用于实时采集试件进行三轴加载时应力参数，且试验机控制计算机通过声发射专用应力传输线与声发射采集及处理主机进行电性连接。

9、优选地，所述的声发射采集及处理主机包括声发射采集模块，三轴压缩试验装置的外参数采集模块、数据储存模块和数据处理模块。

10、本发明一种矿岩三轴压缩下声发射kaiser效应测试方法，采用权利要求1-3所述的矿岩三轴压缩条件下声发射kaiser效应测试装置，其特征在于，包括下列步骤：

11、步骤(1)制备岩芯试件；

12、步骤(2)使用3 m自粘胶带将岩芯试件与上垫块、下垫块粘牢，构成试件组件，将试件组件置于上圆环和固定下圆环的中心，固定上圆环放在试件组件高度10 mm处，固定下圆环放在试件组件高度的90 mm处，将径向引伸计、轴向引伸计固定，最后通过定位销将试件组件固定在三轴压缩试验装置中心位置上，三轴加载压头位于试件组件的正上方；

13、步骤(3)连通所有传输线，将引伸计通过变形传输线与三轴压缩试验装置的变形感应器连接，变形感应器再通过变形传输线与试验机控制计算机连接，三轴压缩试验装置的压力位移感应器通过应力传输线与试验机控制计算机连接，再手动调零引伸计，完成调零后放下油缸并密封，打开油泵往油缸里注入高压液压油，直至油由排气孔往外冒时，关闭油阀；

14、步骤(4)把声发射探头对称布置在油缸上，声发射探头通过导线连接前置放大器，以缩放声发射信号，将前置放大器通过单芯电缆与声发射采集及处理主机连接，在声发射采集及处理主机中设置声发射通道相关参数；

15、步骤(5)将径向引伸计、轴向引伸计和压力位移传感器进行调零，施加围压，使用三轴压缩试验装置对岩芯试件进行加载直至破坏，通过三轴压缩试验装置获取整个实验过程中的三轴加载时应力参数；

16、对岩芯试件进行加载直至破坏分为两个部分：先设置1 mm/min位移的加载速度，直到应力-位移曲线稳定正增长后，将加载方式改为0.015 mm/min的轴向变形或200 n/s进行加载；

17、步骤(6)将三轴压缩试验装置的压力位移感应器采集的三轴加载时应力参数，通过声发射专用应力传输线传输至声发射采集及处理主机，将实验过程中获取的应力参数实时转变成声发射采集系统的外参数，打开声发射采集及处理主机中的外参数采集模块，并通过预实验确定声发射外参数与应力转换比例系数；

18、在步骤(6)中，外参数包括撞击外参数与时间驱动外参数，撞击外参数数据包括幅值、能量、计数、持续时间、上升时间、平均频率及绝对能量，声发射外参数与实验力转换比例系数是指外参数初始频率与反算频率二者比值，通过计算预实验过程中应力-时间曲线变化与撞击外参数-时间驱动外参数曲线变化比值得出。

19、步骤(7)三轴压缩试验结束后，使用时间窗口分析法，设置时间窗口，选择达到峰值能量的声发射事件作为参考点，根据声发射事件，在经过外参数转化后声发射系统中获得的应力-时间数据中寻找对应的事件，确定声发射事件和应力事件之间的时间差，在时间窗口的范围内，将声发射事件和应力事件进行对齐；

20、步骤(8)在对齐的基础上，分析三轴压缩条件下矿岩的声发射参数的特征，将声发射事件与应力事件进行对应，寻找声发射信号出现kaiser效应的时间点，找到kaiser效应点，kaiser效应点对应的应力即该岩芯试件先前所受到的地应力，进一步解释试件在三轴压缩条件下的应力-应变状态。

21、本发明步骤(1)中,将岩芯加工成圆柱体，尺寸为 φ50 mm×100 mm，使用zbl-u520非金属超声检测仪筛选纵波波速相差范围在±0.1 μs内的岩芯试件,并保证试件表面没有较大的裂纹或节理。

22、本发明步骤(2)中，轴向引伸计放在轴向引伸计的定位卡槽内，径向引伸计放在岩芯试件高度1/2的位置，以确保试验过程中获取的轴向变形、径向变形的准确性。

23、本发明步骤(4)中，前置放大器和声发射探头组合成声发射装置传感器，通过声发射装置传感器采集声发射数据，在声发射采集及处理主机的声发射采集模块中设置声发射参数及处理声发射数据；使用导线将前置放大器和声发射探头二者连接；再使用单芯电缆将前置放大器与声发射采集及处理主机连接，放大倍数设置×4，增幅为40 db，波形选择为single。

24、本发明步骤(4)中，在油缸外对称交错放置4个声发射探头，先将高真空油脂或凡士林涂抹到声发射探头上，再放在油缸上并用绝缘胶带固定，用于保证试验过程中声发射探头始终紧贴油缸表面。

25、本发明步骤(4)中，设置声发射通道相关参数包括：采集门槛值、峰值定义值、事件封锁值和过定义值，其中采集门槛值设置范围为30~45 db，具体数值根据周围环境噪声决定；而峰值定义值设置范围为100~200 mm，事件封锁值设置范围为200~400 mm，过定义值设置范围为350~650 mm，具体数值根据试件材料属性决定。

26、本发明步骤(7)中，所述的时间窗口分析法是用固定时间段对声发射参数分段分析，时间窗口设置范围为试验总时长的3%~5%。

27、本发明步骤(8)中，声发射参数包括：声发射能量、声发射计数、声发射事件率、幅值，其中声发射能量值表示由材料内部声源能量的迅速释放而产生的弹性波大小，用于评估材料或结构的损伤程度或破坏状态的大小；声发射计数代表试验过程中产生的声波信号数量，用于评估结构的活跃性和材料的破坏程度；声发射事件率表示试验过程中声发射事件的频率，用于描述声发射活动的强度和变化趋势；幅值指声发射信号的振幅大小，用于衡量声发射信号的强度。

28、本发明的优点是：

29、本发明使用三轴压缩试验机加载试样，通过声发射技术，将声发射信号与应力-应变曲线数据对照，寻找kaiser效应点，进而得到了试验试样所处位置的地应力大小，既监测了三轴压缩试验过程中试件状态变化，实现了简单、便捷、可靠的获取地应力数值，还有效地避免了声发射装置损坏，延长了试验器材的使用寿命。