冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统及方法

1.本发明涉及深部硬岩矿床非爆机械化开采模型试验技术领域，尤其是涉及一种冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统及方法。


背景技术：

2.经过多年持续高强度开发，我国浅部金属矿产资源逐渐减少或枯竭，金属矿产资源的开采正处于全面向深部推进阶段。深部开采是我国金属矿产资源开发面临的最迫切问题，也是今后保证我国金属矿产资源可持续开发与供给的最主要途径。传统的浅部采矿模式和开采方法已不适合深部高应力场、高井温、岩体结构变化和复杂的地质条件。常规的采矿掘进破岩方法通常采用钻爆法，钻爆工艺对围岩稳固性造成破坏，威胁开采安全，而且这种方法将矿石、废石一起采，大大增加提升的废石量和选矿作业的工作量。为了提高深井自动化精准高效开采水平，必须研究精准切割采矿的方法。
3.目前精准切割方法有：机械连续切割掘进与采矿技术，高压水射流破岩掘进与采矿技术和等离子体破岩掘进与采矿技术等。然而以上技术受矿床形态、地质条件及配套装置的制约。激光或微波辅助破岩掘进技术是目前大力倡导的一项新技术，然而，微波辅助破岩是预先利用微波对岩石进行一定方式和程度的照射，经照射后岩石内部发生温度变化、应力增加、热破裂等破裂现象，岩石的硬度和强度均显著降低，进而可钻性大大提高，再利用机械刀具将岩石切削，完成开挖。微波辅助破岩技术可明显减小机械磨损，显著降低岩石开挖施工成本和提高机械开挖速度与效率。除了岩石本身的特性外，微波照射强度、照射时长、照射间隔以及冷却方式等外部因素均对微波照射效果影响显著，需要开展深入的研究。所以亟需一种冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统及方法用于冷热冲击的研究，为实际的开挖工程提供参考数据。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决上述背景技术存在的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统，包括控制装置、围压装置、注水装置、微波加热装置、液氮冷却装置、掘进装置、ct成像装置以及试样箱，试样箱内放置有岩石试样并放置在ct成像装置的转台上，试样箱内设置有微波加热装置、注水装置以及围压装置，液氮冷却装置设置在试样箱顶部，掘进装置设置在ct成像装置一侧并与试样箱相对设置，围压装置、注水装置、微波加热装置、液氮冷却装置、掘进装置、ct成像装置均与控制装置电连接。
6.优选的，试样箱侧面设置有液氮连接头，试样箱的正面开设有掘进孔，岩石试样开设有若干孔洞，孔洞内设置有无线冻胀力探头，无线冻胀力探头与控制装置相通讯。
7.优选的，围压装置包括三个围压机构，围压机构包括相对设置的围压垫板和施压液压囊，围压垫板与岩石试样相对设置，三个施压液压囊分别固定在试样箱的第一侧面、顶面以及背面，施压液压囊与控制装置电连接。
8.优选的，注水装置包括注水垫板，注水垫板一侧开设有若干出水口，注水垫板中部设置有蛇形通水通道，每个出水口均与蛇形通水通道相连通，注水垫板一侧设置有与蛇形通水通道相连通的注水接头，注水接头通过管道与供水伺服水泵相连接。
9.优选的，微波加热装置包括第一微波加热板和第二微波加热板，第一微波加热板和第二微波加热板分别设置在试样箱的底部和第二侧面，第一微波加热板和第二微波加热板均与控制装置电连接。
10.优选的，液氮冷却装置包括液氮罐和液氮注入管道，液氮罐固定在试样箱顶部并通过比例电磁阀与液氮注入管道相连接，液氮注入管道与液氮连接头相连接，比例电磁阀与控制装置电连接。
11.优选的，掘进装置包括钻机底座、钻机立柱、钻机支架以及钻机，钻机安装在钻机支架的滑道上，钻机支架安装在钻机立柱的滑道上，钻机立柱安装在钻机底座的滑道上，钻机与控制装置电连接。
12.优选的，钻机立柱上安装有钻机冲击器，钻机冲击器与钻机相连接。
13.优选的，岩石试样外围设置有试样适配机构，试样适配机构包括第一变尺寸垫板和第二变尺寸垫板；第一变尺寸垫板包括若干尺寸依次减小的第一接触垫板和第一中部顶板，第一接触垫板均开设有第一容纳槽，第一容纳槽内设置有第一伸缩缸，相邻的第一接触垫板通过第一伸缩缸相连接，第一中部顶板与尺寸最小的第一接触垫板中的第一伸缩缸相连接；第二变尺寸垫板包括若干尺寸依次减小的第二接触垫板和第二中部顶板，第二接触垫板均开设有第二容纳槽，第二容纳槽内设置有第二伸缩缸，相邻的第二接触垫板通过第二伸缩缸相连接，第二中部顶板与尺寸最小的第二接触垫板中的第二伸缩缸相连接，第二中部顶板和第二接触垫板的端面上开设有适配出水口，适配出水口与第二接触垫板内部的回形通水通道相连通，第二接触垫板内部的回形通水通道通过各自的接头与供水伺服水泵相连接。
14.一种基于上述冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统的试验方法，具体步骤如下：步骤s1：在矿山井下获取不同尺寸的岩块，试验室制备方形的岩石试样，在岩石试样上开设若干直径为1~3 cm的孔洞；步骤s2:安装试样适配机构将制备好的岩石试样固定好，然后放置在试样箱内并通过围压装置施压三向围压，模拟地应力状态；步骤s3：通过钻机冲击器施加振动来模拟深部开采的扰动环境，再通过微波加热装置对安置在试样箱内的岩石试样进行加热，加热完毕后通过ct成像装置获取热应力作用下岩石试样损伤的图像；步骤s4：加热设定时间后，将无线冻胀力探头安装在孔洞内，其后通过供水伺服水泵向孔洞内注水，与此同时，通过液氮冷却装置进行降温使得孔洞中的水结冰，无线冻胀力探头实时采集冻胀力数据，获取冻胀力演化曲线及冻胀力作用下岩石试样应力分布图像，岩石试样产生冻胀损伤后再次通过ct成像装置采集冻胀力作用下岩石试样的图像；步骤s5：重复步骤s3-步骤s4, 反复进行设定程度的冷热冲击，使岩石试样遭受多次冻融冷热冲击，得到不同冻融次数、不同加热次数、不同冻融持时以及加热持时下岩石试
样的损伤程度数据；步骤s6：对遭受不同冷热冲击作用后的岩石试样通过钻机进行冲击钻进开挖，通过ct成像装置获取钻井过程中岩石试样破碎图像，计算破碎度分形维数，获取破碎度与冷热冲击参数间的关系；步骤s7：重复步骤s1-步骤s6，定量分析不同冷热冲击下岩石开挖掘进的难易程度，并作出施工决策。
15.因此，本发明采用上述一种冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统及方法，具有以下有益效果：实现在热冲击作用下使岩石发生破碎开挖的试验过程，用于获取深部金属矿开采过程中岩石破碎过程数据，打开岩石掘进过程的黑箱演化过程。
16.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
17.图1为本发明冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统结构示意图；图2为本发明实施例1试样箱内部结构示意图；图3为本发明试样箱立体结构示意图；图4为本发明注水垫板剖视图；图5为本发明掘进装置结构示意图；图6为本发明实施例2的试样箱内部结构示意图；图7为本发明第一变尺寸垫板结构示意图；图8为本发明第二变尺寸垫板结构示意图。
18.附图标记1、控制装置；2、围压装置；21、围压垫板；22、施压液压囊；3、注水垫板；31、注水接头；32、蛇形通水通道；33、出水口；4、微波加热装置；41、第一微波加热板；42、第二微波加热板；5、液氮冷却装置；51、液氮罐；52、液氮注入管道；6、掘进装置；61、钻机底座；62、钻机立柱；63、钻机支架；64、钻机；65、钻机冲击器；7、ct成像装置；71、转台；8、试样箱；81、掘进孔；9、岩石试样；91、孔洞；10、第一接触垫板；101、第一容纳槽；11、第一伸缩缸；12、第二接触垫板；121、适配出水口；122、回形通水通道；13、第一中部顶板；14、第二中部顶板。
具体实施方式
19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和显示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
20.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
24.下面结合附图，对本发明的实施方式作详细说明。
25.实施例1如图1所示，一种冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统，包括控制装置1、围压装置2、注水装置、微波加热装置4、液氮冷却装置5、掘进装置6、ct成像装置7以及试样箱8。
26.试样箱8内放置有岩石试样9并放置在ct成像装置7的转台71上，试样箱8侧面设置有液氮连接头用于连接液氮冷却装置5，试样箱8的正面开设有掘进孔81，岩石试样9开设有若干孔洞91，孔洞91内设置有无线冻胀力探头，无线冻胀力探头与控制装置1相通讯，用于实时检测孔洞91内冻胀应力。
27.如图2-4所示，试样箱8内设置有微波加热装置4、注水装置以及围压装置2，围压装置2包括三个围压机构，围压机构包括相对设置的围压垫板21和施压液压囊22，围压垫板21与岩石试样9相对设置，三个施压液压囊22分别固定在试样箱8的第一侧面、顶面以及背面，施压液压囊22与控制装置1电连接，用于提供三个方向的应力。注水装置包括注水垫板3，注水垫板3一侧开设有若干出水口33，注水垫板3中部设置有蛇形通水通道32，每个出水口33均与蛇形通水通道32相连通，注水垫板3一侧设置有与蛇形通水通道32相连通的注水接头31，注水接头31通过管道与供水源相连接，用于实现注水操作。微波加热装置4包括第一微波加热板41和第二微波加热板42，第一微波加热板41和第二微波加热板42分别设置在试样箱8的底部和第二侧面，第一微波加热板41和第二微波加热板42均与控制装置1电连接，用于岩石试样9的辐射加热。
28.液氮冷却装置5设置在试样箱8顶部，液氮冷却装置5包括液氮罐51和液氮注入管道52，液氮罐51固定在试样箱8顶部并通过比例电磁阀与液氮注入管道52相连接，液氮注入管道52与液氮连接头相连接，比例电磁阀与控制装置1电连接，用于控制液氮注入量，从而控制冷冻速度。
29.如图5所示，掘进装置6设置在ct成像装置7一侧用于开挖岩石试样9，掘进装置6包括钻机底座61、钻机立柱62、钻机支架63以及钻机64，钻机64安装在钻机支架63的滑道上，钻机支架63安装在钻机立柱62的滑道上，钻机立柱62安装在钻机底座61的滑道上，实现钻机64的安装位置可调，钻机64与控制装置1电连接。钻机立柱62上安装有钻机冲击器65，钻机冲击器65与钻机64相连接，用于提供开挖扰动。
30.实施例2本实施例与实施例1的区别在于当岩体完整性差、取样困难而不易获取大尺度样
品时，可以采用小尺寸样品进行该试验，为此，本实施例针对较小尺寸的岩石试样，具备试样适配机构，如图6-8所示，岩石试样外围设置有试样适配机构，试样适配机构包括第一变尺寸垫板和第二变尺寸垫板。
31.第一变尺寸垫板包括若干尺寸依次减小的第一接触垫板10和第一中部顶板13，本实施例设置有两个不同尺寸的第一接触垫板10，第一接触垫板10均开设有第一容纳槽101用于容纳相邻的第一接触垫板10，第一容纳槽101内设置有第一伸缩缸11，相邻的第一接触垫板10通过第一伸缩缸11相连接，第一中部顶板13与尺寸最小的第一接触垫板10中的第一伸缩缸11相连接。可适配三种不同尺寸的岩石试样9，根据实际岩石试样9的尺寸控制两个第一接触垫板10内第一伸缩缸11的伸缩状态，实现不同尺寸的岩石试样9的施压，第一接触垫板10为非金属，微波加热可以穿过第一变尺寸垫板对岩石试样进行加热，加热过程不受影响。
32.第二变尺寸垫板包括若干尺寸依次减小的第二接触垫板12和第二中部顶板14，第二接触垫板12均开设有第二容纳槽，第二容纳槽内设置有第二伸缩缸，相邻的第二接触垫板12通过第二伸缩缸相连接，第二中部顶板14与尺寸最小的第二接触垫板12中的第二伸缩缸相连接，结构与第一变尺寸垫板相似。第二中部顶板14和第二接触垫板12的端面上开设有适配出水口121，适配出水口121与第二接触垫板12内部的回形通水通道122相连通，第二接触垫板12内部的回形通水通道122通过各自的接头与供水伺服水泵相连接。实现不同尺寸的岩石试样9的注水操作。
33.一种基于冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统的试验方法，具体步骤如下：步骤s1：在矿山井下获取不同尺寸的岩块，试验室制备方形的岩石试样9，在岩石试样9上开设若干直径为1~3 cm的孔洞91。
34.步骤s2:根据岩石试样9的尺寸，判定是否安装试样适配机构，当岩石试样9较小时，安装试样适配机构将制备好的岩石试样9固定好，然后放置在试样箱8内并通过围压装置2施压三向围压，模拟地应力状态。
35.步骤s3：通过钻机冲击器65施加振动来模拟深部开采的扰动环境，再通过微波加热装置4对安置在试样箱8内的岩石试样9进行加热，加热完毕后通过ct成像装置7获取热应力作用下岩石试样9损伤的图像。
36.步骤s4：加热设定时间后，将无线冻胀力探头安装在孔洞91其后通过供水伺服水泵向孔洞91内注水，与此同时，通过液氮冷却装置5行降温使得孔洞91的水结冰，无线冻胀力探头实时采集冻胀力数据，获取冻胀力演化曲线及冻胀力作用下岩石试样9应力分布图像，岩石试样9产生冻胀损伤后再次通过ct成像装置7采集冻胀力作用下岩石试样9的图像。
37.步骤s5：重复步骤s3-步骤s4, 反复进行设定程度的冷热冲击，使岩石试样9遭受多次冻融冷热冲击，得到不同冻融次数、不同加热次数、不同冻融持时以及加热持时下岩石试样9的损伤程度数据。
38.步骤s6：对遭受不同冷热冲击作用后的岩石试样9通过钻机64进行冲击钻进开挖，通过ct成像装置7获取钻井过程中岩石试样9破碎图像，计算破碎度分形维数，获取破碎度与冷热冲击参数间的关系。
39.步骤s7：重复步骤s1-步骤s6，定量分析不同冷热冲击下岩石开挖掘进的难易程
度，并作出施工决策。
40.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统，包括控制装置，其特征在于：还包括围压装置、注水装置、微波加热装置、液氮冷却装置、掘进装置、ct成像装置以及试样箱，试样箱内放置有岩石试样并放置在ct成像装置的转台上，试样箱内设置有微波加热装置、注水装置以及围压装置，液氮冷却装置设置在试样箱顶部，掘进装置设置在ct成像装置一侧并与试样箱相对设置，围压装置、注水装置、微波加热装置、液氮冷却装置、掘进装置、ct成像装置均与控制装置电连接。2.根据权利要求1所述的一种冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统，其特征在于：试样箱侧面设置有液氮连接头，试样箱的正面开设有掘进孔，岩石试样开设有若干孔洞，孔洞内设置有无线冻胀力探头，无线冻胀力探头与控制装置相通讯。3.根据权利要求2所述的一种冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统，其特征在于：围压装置包括三个围压机构，围压机构包括相对设置的围压垫板和施压液压囊，围压垫板与岩石试样相对设置，三个施压液压囊分别固定在试样箱的第一侧面、顶面以及背面，施压液压囊与控制装置电连接。4.根据权利要求3所述的一种冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统，其特征在于：注水装置包括注水垫板，注水垫板一侧开设有若干出水口，注水垫板中部设置有蛇形通水通道，每个出水口均与蛇形通水通道相连通，注水垫板一侧设置有与蛇形通水通道相连通的注水接头，注水接头通过管道与供水伺服水泵相连接。5.根据权利要求4所述的一种冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统，其特征在于：微波加热装置包括第一微波加热板和第二微波加热板，第一微波加热板和第二微波加热板分别设置在试样箱的底部和第二侧面，第一微波加热板和第二微波加热板均与控制装置电连接。6.根据权利要求5所述的一种冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统，其特征在于：液氮冷却装置包括液氮罐和液氮注入管道，液氮罐固定在试样箱顶部并通过比例电磁阀与液氮注入管道相连接，液氮注入管道与液氮连接头相连接，比例电磁阀与控制装置电连接。7.根据权利要求6所述的一种冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统，其特征在于：掘进装置包括钻机底座、钻机立柱、钻机支架以及钻机，钻机安装在钻机支架的滑道上，钻机支架安装在钻机立柱的滑道上，钻机立柱安装在钻机底座的滑道上，钻机与控制装置电连接。8.根据权利要求7所述的一种冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统，其特征在于：钻机立柱上安装有钻机冲击器，钻机冲击器与钻机相连接。9.根据权利要求8所述的一种冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统，其特征在于：岩石试样外围设置有试样适配机构，试样适配机构包括第一变尺寸垫板和第二变尺寸垫板；第一变尺寸垫板包括若干尺寸依次减小的第一接触垫板和第一中部顶板，第一接触垫板均开设有第一容纳槽，第一容纳槽内设置有第一伸缩缸，相邻的第一接触垫板通过第一伸缩缸相连接，第一中部顶板与尺寸最小的第一接触垫板中的第一伸缩缸相连接；第二变尺寸垫板包括若干尺寸依次减小的第二接触垫板和第二中部顶板，第二接触垫板均开设有第二容纳槽，第二容纳槽内设置有第二伸缩缸，相邻的第二接触垫板通过第二
伸缩缸相连接，第二中部顶板与尺寸最小的第二接触垫板中的第二伸缩缸相连接，第二中部顶板和第二接触垫板的端面上开设有适配出水口，适配出水口与第二接触垫板内部的回形通水通道相连通，第二接触垫板内部的回形通水通道通过各自的接头与供水伺服水泵相连接。10.一种基于上述权利要求1-9任意一项的冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统的试验方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤s1：在矿山井下获取不同尺寸的岩块，试验室制备方形的岩石试样，在岩石试样上开设若干直径为1~3 cm的孔洞；步骤s2:安装试样适配机构将制备好的岩石试样固定好，然后放置在试样箱内并通过围压装置施压三向围压，模拟地应力状态；步骤s3：通过钻机冲击器施加振动来模拟深部开采的扰动环境，再通过微波加热装置对安置在试样箱内的岩石试样进行加热，加热完毕后通过ct成像装置获取热应力作用下岩石试样损伤的图像；步骤s4：加热设定时间后，将无线冻胀力探头安装在孔洞内，其后通过供水伺服水泵向孔洞内注水，与此同时，通过液氮冷却装置进行降温使得孔洞中的水结冰，无线冻胀力探头实时采集冻胀力数据，获取冻胀力演化曲线及冻胀力作用下岩石试样应力分布图像，岩石试样产生冻胀损伤后再次通过ct成像装置采集冻胀力作用下岩石试样的图像；步骤s5：重复步骤s3-步骤s4, 反复进行设定程度的冷热冲击，使岩石试样遭受多次冻融冷热冲击，得到不同冻融次数、不同加热次数、不同冻融持时以及加热持时下岩石试样的损伤程度数据；步骤s6：对遭受不同冷热冲击作用后的岩石试样通过钻机进行冲击钻进开挖，通过ct成像装置获取钻井过程中岩石试样破碎图像，计算破碎度分形维数，获取破碎度与冷热冲击参数间的关系；步骤s7：重复步骤s1-步骤s6，定量分析不同冷热冲击下岩石开挖掘进的难易程度，并作出施工决策。

技术总结
本发明公开了一种冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统，属于深部硬岩矿床非爆机械化开采模型试验技术领域，包括控制装置、围压装置、注水装置、微波加热装置、液氮冷却装置、掘进装置、CT成像装置和试样箱，试样箱放置在CT成像装置的转台上，试样箱内设置有微波加热装置、注水装置和围压装置，液氮冷却装置设置在试样箱顶部，掘进装置设置在CT成像装置一侧。同时公开了一种基于上述试验系统的试验方法，采用上述一种冻融冷热冲击快速辅助破岩的可视化试验系统及方法，实现在冷热冲击作用下岩石破碎辅助掘进开挖的试验过程，用于获取深部金属矿开采过程中岩石破碎过程试验数据，打开岩石开挖掘进过程的黑箱演化过程。开岩石开挖掘进过程的黑箱演化过程。开岩石开挖掘进过程的黑箱演化过程。


技术研发人员：王宇
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/7/12