专利名称：一种含流体ct扫描的远程可控加载装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种对岩体样本进行力学测试的装置，特别涉及一种含流体CT 扫描的远程可控加载装置，属于实验力学设备领域。
背景技术：
中国是产煤大国，根据1974-1980年第二次全国煤田预测，埋深在2000米以内的 全国煤炭储量为50592. 19亿吨。从中国煤炭矿藏赋存条件来看，适合大型露天开采条件的 矿藏不多，绝大多数煤炭矿藏的埋藏深度较深、煤层分布复杂，应力集中和断层的存在为众 多矿井动力灾害发生提供了条件，使得我国煤矿安全形势非常严峻。因此，研究煤岩动力灾 害的发生机理，找出遏制灾害的有效手段和技术，对于提高我国煤炭生产企业的安全状况 和降低百万吨死亡率具有重要的意义。煤岩动力灾害现象是煤岩体在外界应力作用下短时间内发生的一种具有动力效 应和灾害后果的现象。煤岩动力灾害现象范围很广，涉及到许多工程领域和自然灾害。如地 震、火山喷发、山体或边坡滑移、桥梁垮塌、隧道失稳、井下突水、煤与瓦斯突出、冲击地压、 顶板塌陷等。发生灾害的介质是煤岩体，煤岩是由许多大小可以小到微米以下，大到厘米以 上晶粒组成，其中存在有许多裂纹、孔隙、空位，是一种节理繁多、孔隙裂隙发育的多裂纹介 质。而且，孔隙与裂纹中存在胶结物、瓦斯气体等物质，属于典型的非均勻多相复合材料。由 于各相质之间的相互作用，因而煤岩表现出的力学性能也非常复杂。煤岩变形过程中微结 构的扫描电子显微镜分析表明，在受载之前，煤岩内部已经存在大量的空隙、孔隙，组构单 元与晶体颗粒呈无序化分布。在外载荷作用下，煤岩颗粒表现出明显的定向排列趋势，与外 载荷作用方向垂直的天然裂隙闭合，而与平行的裂隙则沿长度方向发展并且在应力作用下 达到某一值产生新的裂隙。随着载荷的增加，新的微裂纹就会萌生和扩展。如果载荷进一 步增加，微裂隙将进一步发育和扩展成宏观裂纹，并最终导致煤岩材料的破坏。煤岩损伤破 坏在煤矿中就表现为煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害现象。揭示这些灾害的机理对于保障生 产安全和降低灾害具有非常重要的意义。目前，大多假说都是以力学为基础从宏观或者微观方面建立的，很少考虑煤岩材 料的详细变形及破裂过程，尤其是细观层面与宏观层面的行为联系很�：馐悄壳懊河� 瓦斯突出研究无法取得进一步发展的主要原因。如何设计一种试验装置，从细观和微观角 度研究、试验岩体样本的应变过程，深入揭示煤岩变形特征和灾害机理，就成为本实用新型 的主要目的。
发明内容鉴于上述现有情况，本发明旨在提供一种全新的、通用性强的、可重复试验的岩体 细观损伤动态破坏的含流体CT扫描的远程可控加载装置。本实用新型是通过以下技术方案来实现的—种含流体CT扫描的远程可控加载装置，包括位于CT屏蔽室内的CT扫描旋转平台和CT扫描仪，以及位于远端CT屏蔽室外的CT主控制台，在CT屏蔽室内还包括加载机械 装置、旋转转换头和传感器，以及位于远端CT屏蔽室外的应变测试仪、压力容器和压力控 制装置。加载机械装置固定在CT扫描旋转平台上，加载机械装置通过旋转转换头及高压管 路与压力容器连通，测试用岩体样本固定在加载机械装置中，传感器的应变片连接在岩体 样本表面，传输导线通过旋转转换头与应变测试仪连接，应变测试仪与CT主控制台连接。 压力控制装置连接在高压管路上，压力控制装置远程调控高压管路的压力。所述加载机械装置包括上、下卡头和中间罐体，所述上、下卡头相互配合连接，中 间罐体卡紧在上、下卡头之间，上卡头内设有活塞，活塞杆外端位于中间罐体的空腔中，下 卡头固定在CT扫描旋转平台上，活塞缸和中间罐体的密闭空腔通过高压管路及旋转转换 头分别与压力容器连通，中间罐体空腔与高压管路连接的进出通道分别位于活塞杆和下卡 头体内。所述压力容器包括气压容器和/或液压容器，高压管路分别对应连接在气压和/ 或液压容器上。所述压力控制装置包括手动和/或自动压力控制装置，手动和/或自动压力控制 装置连接在CT屏蔽室外的对应高压管路上，自动控制装置通过导线与CT主控制台连接。一种含流体CT扫描的远程可控加载装置，还包括高清摄像仪，高清摄像仪固定在 中间罐体外侧，中间罐体为透明状聚酯罐体，高清摄像仪通过导线与CT主控制台连接。本实用新型所述的一种含流体CT扫描的远程可控加载装置，通过在CT扫描屏蔽 室内的CT扫描旋转平台上安装加载机械装置及在岩体样本上贴装传感器，利用旋转转换 头将传输管路、线路与外界压力容器及应变测试仪连通，保证了加载机械装置和传感器在 旋转过程中管路和线路的有效连接，通过CT屏蔽室外的压力控制装置实现对CT屏蔽室内 岩体样本的远程轴向和/或围向加载控制，结合传感器的检测，再现了岩体的受力环境和 受力特点，通过CT屏蔽室内无人操作状态下的CT实时扫描，比对加载过程与CT扫描图像 之间的对应关系，最终研究、确定出含流体岩体的应变过程。整个装置结构简单、性能可靠、 安装方便、成本低廉、可反复使用，加载装置中采用的高强度、低密度的聚酯材料对于CT扫 描密度的要求极其适合，减小了因罐体密度高、强度不够造成的CT图像质量差的缺点，并 且避免了因辐射造成的危险。整个装置可以实现充气或不充气状态下，岩体单轴加载或伪 三轴加载动态过程中的CT实时扫描工作，非常适合在CT扫描力学实验中推广、使用。
图1为本实用新型的结构示意简图。
具体实施方式
本实用新型的目的是通过在CT扫描屏蔽室内的CT扫描旋转平台上安装加载机械 装置及在岩体样本上贴装传感器，利用CT屏蔽室外手动和/或自动压力控制装置对室内加 载机械装置进行远程轴向和/或围向压力控制，实现了单轴加载和/或伪三轴加载动态过 程，并在CT屏蔽室内无人操作状态下完成对岩体样本动态加载过程的CT实时扫描，为准确 判断应力变化对岩体样本的结构影响提供理论依据。
以下结合附图1对本实用新型所述的一种含流体CT扫描的远程可控加载装置做
4进一步的描述一种含流体CT扫描的远程可控加载装置，包括位于CT屏蔽室15内的CT扫描旋 转平台8、CT扫描仪、加载机械装置、旋转转换头9、传感器6和高清摄像仪14，以及位于远 端CT屏蔽室外的CT主控制台11、应变测试仪10、压力容器13和压力控制装置12。加载机械装置固定在CT扫描旋转平台8上，岩体样本4固定在加载机械装置上的 密闭空腔中，加载机械装置通过旋转转换头9及高压管路与外界压力容器13连通，压力容 器13分为气压容器和液压容器两种，高压管路分别对应连接在两种压力容器上，其中，加 载机械装置中的围压以气压形式形成，而轴压则以液压方式实现。旋转转换头9保证了加 载机械装置在旋转过程中高压管路的正常连接，保证了压力持续供给。加载机械装置包括上、下卡头1，2和中间罐体3，上、下卡头1，2相互配合连接，中 间罐体3卡紧在上、下卡头1，2之间，上、下卡头1，2和中间罐体3形成一个相对密闭的空 腔，保证了岩体样本4在密闭空腔中的有效试验环境。其中，在上卡头1内还设有活塞5，活 塞杆外端位于中间罐体3的空腔中，活塞杆外端作为对岩体样本4施加轴向压力的压杆使 用，活塞5的缸体上进出压力通道通过高压管路和旋转转换头9与外界液压容器连通，保证 产生的轴压均勻、可靠。下卡头2固定在CT扫描旋转平台8上，通过CT扫描旋转平台8带 动整个加载机械装置旋转。上、下卡头1，2和中间罐体3间形成的密闭空腔通过高压管路 及旋转转换头9与外界气压容器连通，通过气压方式对放置在密闭空腔中的岩体样本4形 成均勻地围压，再现真实状况下岩体样本4所处环境，保证试验准确性。受结构限制和便于 加工、使用，密闭空腔与高压管路连接的气体进出通道分别位于活塞杆和下卡头体内，气体 进出通道的出入口分别避开了岩体样本4与密闭空腔直接相通。传感器6的应变片连接在岩体样本4的表面，当需要岩体样本4做轴向压力测试 时，传感器6的应变片与轴向平行放置，并粘贴在岩体样本4中部偏下的位置表面。岩体样 本4做围向压力测试时，应变片与轴向垂直，并粘贴在岩体样本表面。当岩体样本4需同时 做轴向和围向压力测试时，传感器6的应变片会相应粘贴在岩体样本4的对应表面上，以满 足多方向压力下的应力变化测试。应变片上的传输导线7通过旋转转换头9与外界应变测 试仪10连接，应变测试仪10与CT主控制台11连接，应变测试仪10可将采集的应力数据 传递到CT主控制台11中。为保证传输导线7能够正常进出密闭空 腔，在下卡头2上设有 预留孔，以便导线进出。此处，传感器6的应变片与轴向平行放置，并粘贴在岩体样本4中 部偏下的位置表面，用以测试轴向压力对岩体样本4内部应力变化的影响。压力控制装置12连接在CT屏蔽室外的高压管路上，压力控制装置12为了实现远 程调控高压管路的压力而设置。压力控制装置12包括手动压力控制装置和自动压力控制 装置，其分别对应连接在高压管路上。其中，自动控制装置通过导线与CT主控制台11连接， 接受CT 主控制台11的调节控制。当然，压力控制装置12也可根据需要只设置手动压力控 制装置或者自动压力控制装置，其方式依具体要求而定。高清摄像仪14固定在中间罐体3的外侧，中间罐体3选用透明的聚酯罐体，其透 视性较好，对CT扫描仪发出的X-Ray放射源通过性强，可充分满足高清摄像仪14和CT扫 描仪的使用需要，高清摄像仪14通过导线与CT主控制台11连接，拍摄图像可直接发送到 CT主控制台11中显示，以便及时了解CT扫描旋转平台8的工作情况和岩体样本4的旋转位置。
5[0022] 试验过程中，首先将加载机械装置中的下卡头2固定在CT扫描旋转平台8上，岩 体样本4放置在中间罐体3的空腔中，岩体样本4底部与下卡头2表面充分接触，传感器6 的应变片与岩体样本4的轴向平行放置，并粘贴在岩体样本4中部偏下的位置表面，传输导 线7通过预留孔被引导到密闭空腔外侧，通过旋转转换头9与应变测试仪10连通。将上卡 头1与下卡头2及中间罐体3配合连接，在中间罐体3和上、下卡头1，2间形成一个密闭空 腔。操作CT主控制台11控制自动压力控制装置开启，自动压力控制装置控制高压管路对 岩体样本4施加轴向压力，轴向压力为液压，液压通过上卡头1中的活塞5推动活塞杆外 端伸出后压在岩体样本4的顶面形成。当然，自动压力控制装置也可同时控制产生围压， 围压为气压形式，气压通过位于下卡头2内的气体进出通道进入密闭空腔，在岩体样本4周 围形成均勻的围压。为准确再现应变过程，轴压和围压的数值都是由零到估算破坏应力值 为止，循序渐进、逐步增加的，其中的估算破坏应力值为试验前对岩体样本4做预测试试样 应力破坏得到。当轴压增加过程中，应变测试仪10会实时采集应变片探测到的岩体样本4 表面应力变化数据，并传送到CT主控制台11。当需要扫描某一压力下岩体样本4内部结 构变化情况时，停止加载过程，开启CT扫描仪，随着CT扫描旋转平台8旋转一周，CT扫描 仪对预定的岩体样本4上、中、下三个横截面进行扫描，完成某一压力下岩体样本4内部不 同位置的结构图像扫描，并在CT主控制台11中显示，依次类推，直至岩体样本4破坏为止。 通过对比采集到的应力变化和岩体样本内部结构图像之间的对应关系，最终完成含流体CT 扫描的加载试验过程。整个试验，还可通过高清摄像仪14全程记录，并随时在CT主控制台 11上观察岩体样本4的运动、变化情况，并掌握CT扫描旋转平台8的转动位置，保证试验顺 利、有序进行。
权利要求1.一种含流体CT扫描的远程可控加载装置，包括位于CT屏蔽室内的CT扫描旋转平台 和CT扫描仪，以及位于远端CT屏蔽室外的CT主控制台，其特征在于，在CT屏蔽室内还包 括加载机械装置、旋转转换头和传感器，以及位于远端CT屏蔽室外的应变测试仪、压力容 器和压力控制装置，所述加载机械装置固定在CT扫描旋转平台上，加载机械装置通过旋转 转换头及高压管路与压力容器连通；所述测试用岩体样本固定在加载机械装置中，传感器 的应变片连接在岩体样本表面，传输导线通过旋转转换头与应变测试仪连接，应变测试仪 与CT主控制台连接；所述压力控制装置连接在高压管路上，压力控制装置远程调控高压管 路的压力。
2.根据权利要求1所述的一种含流体CT扫描的远程可控加载装置，其特征在于，所述 加载机械装置包括上、下卡头和中间罐体，所述上、下卡头相互配合连接，中间罐体卡紧在 上、下卡头之间；所述上卡头内设有活塞，活塞杆外端位于中间罐体的空腔中；所述下卡头 固定在CT扫描旋转平台上；所述活塞缸和中间罐体的密闭空腔通过高压管路及旋转转换 头分别与压力容器连通，中间罐体空腔与高压管路连接的进出通道分别位于活塞杆和下卡 头体内。
3.根据权利要求1所述的一种含流体CT扫描的远程可控加载装置，其特征在于，所述 压力容器包括气压容器和/或液压容器，高压管路分别对应连接在气压和/或液压容器上。
4.根据权利要求1所述的一种含流体CT扫描的远程可控加载装置，其特征在于，所述 压力控制装置包括手动和/或自动压力控制装置，所述手动和/或自动压力控制装置连接 在CT屏蔽室外的对应高压管路上，自动控制装置通过导线与CT主控制台连接。
5.根据权利要求1所述的一种含流体CT扫描的远程可控加载装置，其特征在于，还包 括高清摄像仪，所述高清摄像仪固定在中间罐体外侧，中间罐体为透明状聚酯罐体，高清摄 像仪通过导线与CT主控制台连接。
专利摘要本实用新型公开了一种含流体CT扫描的远程可控加载装置，通过在CT扫描屏蔽室内的CT扫描旋转平台上安装加载机械装置及在岩体样本上贴装传感器，利用旋转转换头将传输管路和线路与外界压力容器和应变测试仪连通，保证了加载机械装置旋转过程中管路和线路的有效连接，并通过在CT屏蔽室外的压力控制装置实现对CT屏蔽室内的远程轴向和/或围向加载控制，再现了岩体的受力环境，模拟了受力过程，实现了CT屏蔽室内无人操作状态下动态加载过程的CT实时扫描，避免了因辐射造成的危险，非常适合在CT扫描力学实验中推广、使用。
文档编号G01N3/10GK201876389SQ201020578908
公开日2011年6月22日 申请日期2010年10月27日 优先权日2010年10月27日
发明者聂百胜, 陈文学 申请人:中国矿业大学(北京)
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