一种实验室三维动态岩石破碎试验系统及方法

摘要

本发明属于实验室机械破岩技术领域，具体为一种实验室三维动态岩石破碎试验系统及方法，包括主机、功能性装置、电液伺服轴向加载系统、测量控制系统、计算机控制与数据处理系统等组成，其结构合理，该实验系统实验方法操作简便，可用于模拟冲击、机械掘进等多种动载荷在高应力条件下，天然岩石、人工混凝土、散粒状压密固结试件破碎的力学性能试验研究；该实验系统可实现常规力学实验与动态围压条件下的破岩实验，轴向(3000KN)静压作动器和轴向(25KN)伺服作动器加载互不影响；本实验破岩方向为下方，破岩产生的岩屑将会自动掉落，减小对模拟破岩试验中对受力和位移等的影响；获得实时的动态的破裂定位与损伤参数。

权利要求

1.一种实验室三维动态岩石破碎试验系统，其特征在于：包括主机、功能性装置、电液伺服轴向加载系统、测量控制系统、计算机控制与数据处理系统组成；

主机由主机框架、吊臂装置、升降导轨和小型气缸组成，主机框架采用整体铸造的一体门框式结构，吊臂装置铰接于主机框架上部左侧位置，可以水平旋转，升降导轨位于主机框架底座上方两侧，升降导轨下的主机底座上安装四个小型气缸，前方安装导轨，升降导轨和导轨之间放置挡块；

功能性装置含自平衡三轴压力室、伺服控制围压加载装置，自平衡三轴压力室底座位于主机框架上方，自平衡三轴压力室底座两边各有两个滑轮，滑轮位于升降导轨上，伺服控制围压加载装置固定于主机框架左侧，通过围压孔与自平衡三轴压力室连接；

电液伺服轴向加载系统由静音式伺服油源、轴向(3000KN)静压作动器、轴向(25KN)伺服作动器、围压回油装置、电气控制柜组成，轴向(3000KN)静压作动器位于主机框架上部的下方，通过管线与静音式伺服油源，轴向(25KN)伺服作动器位于主机框架底座下方，通过管线与静音式伺服油源连接，围压回油装置与自平衡三轴压力室通过管线连接；

测量控制系统由全数字控制器mult02，压力、位移传感器组成，力传感器位于轴向(3000KN)静压作动器压头中部，力传感器位于轴向(25KN)伺服作动器上方一字型錾头下方，位移传感器位于轴向(3000KN)静压作动器上方，位移传感器位于轴向(25KN)伺服作动器下方。

2.根据权利要求1所述的一种实验室三维动态岩石破碎试验系统，其特征在于：所述的自平衡三轴压力室底座位于主机框架底座上方，预留孔位于压力室底座中心，压力室底座内有围压孔，与自平衡三轴压力室上部分的内部想通，自平衡三轴压力室上部分位于自平衡三轴压力室底座上方，自平衡三轴压力室上部分内部设有胶套，胶套内设有试件，试件上部设有推杆。

3.根据权利要求1所述的一种实验室三维动态岩石破碎试验系统，其特征在于：伺服控制围压加载装置由伺服电机滚珠丝杠增压器、围压进回油装置及管路、阀门组成，用于压力室围压的加载、卸载和保载，由独立控制器控制。

4.根据权利要求1所述的一种实验室三维动态岩石破碎试验系统，其特征在于：吊臂铰接于主机框架上部左侧位置，电机设于吊臂下方，缆绳设于电机上，吊钩设于缆绳一端。

5.根据权利要求1‑4任意一项所述的一种实验室三维动态岩石破碎试验系统的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，将压力室移动至升降导轨内，并安装好挡块，将压力室上部分与底座的固定螺栓卸下，用吊臂装置将压力室上部分提起，将准备好的直径50mm高100mm的岩石试件放于胶套内，将胶套下端安装在压力室底座预留孔上方，将压力室上部分从悬臂装置上放下，固定压力室上部与压力室底座的螺栓，使实验腔密封；

步骤2，将一字型錾头安装到25KN作动器上，作为动荷载加载刀具，动荷载模拟类型为冲击，机械掘进，安装完后将压力室放到传感器下，一字型錾头之上的位置；

步骤3，确定动静荷载加载类型及参数，通过计算机发送指令到测量控制系统，测量控制系统控制电液伺服围压加载系统通过围压孔将液压油泵入实验腔内，液压油给胶套施加压力，胶套收缩给岩石试件施加压力，实现了模拟高应力条件，当围压加载到设定值后，测量控制系统控制电液伺服轴向加载系统进行加载，轴向(3000KN)静压作动器通过压头，从上往下推动压力室上方的推杆对岩石试件进行静压加载，当静压加载到设定值后停止加载，轴向(25KN)伺服作动器控制下方一字型錾头，通过预留孔从下方对岩石试件进行动载加载，从岩石试件下方进行动加载有利于岩石碎屑的掉落，减小破岩过程中岩石碎屑对破岩时力和位移的影响，使得到的结果更准确，并且在进行轴向(3000KN)静压加载的同时，通过轴向(25KN)伺服作动器控制上方一字型錾头，通过预留孔对岩石试件进行动态破岩实验，达到实验设定的围压条件后可一次性完成两个实验，能有效的提高岩心的利用率；

步骤4，当岩石试件完全破碎或者达到采集要求时，停止破岩，破岩期间测量控制系统通过位移传感器和力传感器采集实验中压力、位移信号，经处理后输给计算机；

步骤5，计算机控制与数据处理系统接受测量控制系统采集的压力、位移、变形数值，依照用户指令显示或输出各种图表和曲线。

6.根据权利要求5所述的一种实验室三维动态岩石破碎试验方法，其特征在于：步骤2中，具体操作步骤如下：

步骤2.1，压力室小车移动到升降导轨，安装好挡块；

步骤2.2，将下面的25KN作动器动作至最高位，安装好一字型錾头；

步骤2.3，将下面的25KN作动器动作至最低位，将上面的压头拆掉，然后四个小型气缸一起动作，将气缸上面部分，含升降导轨和压力室一起提升，提升高度使压力室在压力传感器之下，一字型錾头之上的位置；

步骤2.4，将压力室小车推至机架中心，一字型錾头和压力室底部孔一致时，慢慢将气缸放下至最低位，然后用螺栓将压力室固定在机架底座上，最后将压头安装上去即可。

说明书

一种实验室三维动态岩石破碎试验系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及实验室机械破岩技术领域，具体为一种实验室三维动态岩石破碎试验系统及方法。

背景技术

[0002] 随着国家经济建设和国防安全的需要，深部地下资源的开采和地下空间的开发利用日益增多，能源地下储存、高放核废物的深地质处置、矿产、油气的勘探与开采、土木、水
利水电地下空间的利用，都在不断走向深部，地下岩体的高地应力特征也越来越显著，随着
围压升高，岩石的物理力学性质发生变化，传统破岩方式能否有效地破碎高围压岩石是我
们关心的问题。

[0003] 早在上世纪六十年代岩石力学界的学者们对岩石破碎开展了深入的研究,取得了丰硕的成果。然而,受到实验装置的制约，都是在无围压的情况下对岩石采用动态加载方式
的破岩室内实验研究，而目前可以通过加围压来模拟高应力条件的几乎没有。如CN 
104749052 A，CN 104237484 A,CN 104297049 A和CN104198311A破岩都处于常压的开放环
境中，无法模拟高应力环境，故不能采用常规的破岩装置来研究深层破岩问题。

[0004] 目前的破岩实验装置仅能进行静压或者破岩中的一种，不能够在静压测岩石力学性质的同时进行破岩实验。由于深部岩石取样困难，花费极大，若能够将岩石力学性质测试
和破岩实验同时进行，将大大节约实验资金投入和对岩样的最大化利用。如专利CN 
107505207 A虽然能先静压后破岩，但静压和破岩所用同一个压头，且静压后需要对岩石取
消静压力才能破岩，本装置可以在保持一定静压力的情况下破岩石，能更好的保证在静压
测岩石力学性质的同时进行破岩实验。

[0005] 目前实验室破岩装置破岩方向都是从上方破岩，现实工程中都能通过钻井液将岩屑带走，防止岩屑对破岩的影响，实验室模拟破岩由于受到装置的制约，例如在一些设有围
压的破岩装置中不能通过钻井液将岩屑带走，岩屑将会影响破岩的受力和效率，对模拟破
岩产生干扰，本实验破岩方向为下方，破岩产生的岩屑将会自动掉落，减小对模拟破岩的影
响。

[0006] 目前实验室破岩装置模拟动载类型大多都是单一的切削或者冲击，本实验系统可以模拟冲击、全岩掘进切削、冲击‑切削等多种类型的动荷载，并且冲击频率范围为1Hz～
100Hz，能够更好模拟高频率下实际工程破岩实验，本实验室破岩装置相对于其他破岩装置
控制精度更高，其中轴向位移≤±0.05mm；围压≤±1％；轴向载荷≤±0.5％。

[0007] 为此，我们在此提出一种实验室三维动态岩石破碎试验系统及方法。

发明内容

[0008] 本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使
本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范
围。

[0009] 本发明的目的是提供一种实验室三维动态岩石破碎试验系统及方法，该系统用于模拟冲击、机械掘进等在高应力条件下，天然岩石、人工混凝土、散粒状压密固结试件破碎
的力学性能试验研究，该实验系统实验方法操作简便。

[0010] 为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

[0011] 一种实验室三维动态岩石破碎试验系统及方法，其包括主机、功能性装置、电液伺服轴向加载系统、测量控制系统、计算机控制与数据处理系统等组成；

[0012] 主机由主机框架、吊臂装置、升降导轨和小型气缸组成，主机框架采用整体铸造的一体门框式结构，吊臂装置铰接于主机框架上部左侧位置，可以水平旋转，升降导轨位于主
机框架底座上方两侧，升降导轨下的主机底座上安装四个小型气缸，前方安装导轨，升降导
轨和导轨之间放置挡块；

[0013] 功能性装置含自平衡三轴压力室、伺服控制围压加载装置，自平衡三轴压力室底座位于主机框架上方，自平衡三轴压力室底座两边各有两个滑轮，滑轮位于升降导轨上，伺
服控制围压加载装置固定于主机框架左侧，通过围压孔与自平衡三轴压力室连接；

[0014] 电液伺服轴向加载系统由静音式伺服油源、轴向(3000KN)静压作动器、轴向(25KN)伺服作动器、围压回油装置、电气控制柜组成，轴向(3000KN)静压作动器位于主机框
架上部的下方，通过管线与静音式伺服油源，轴向(25KN)伺服作动器位于主机框架底座下
方，通过管线与静音式伺服油源连接，围压回油装置与自平衡三轴压力室通过管线连接；

[0015] 测量控制系统由全数字控制器mult02，压力、位移传感器组成，力传感器位于轴向(3000KN)静压作动器压头中部，力传感器位于轴向(25KN)伺服作动器上方一字型錾头下
方，位移传感器位于轴向(3000KN)静压作动器上方，位移传感器位于轴向(25KN)伺服作动
器下方。

[0016] 作为本发明所述的一种实验室三维动态岩石破碎试验系统及方法的一种优选方案，其中：所述的自平衡三轴压力室底座位于主机框架底座上方，预留孔位于压力室底座中
心，压力室底座内有围压孔，与自平衡三轴压力室上部分的内部想通，自平衡三轴压力室上
部分位于自平衡三轴压力室底座上方，自平衡三轴压力室上部分内部设有胶套，胶套内设
有试件，试件上部设有推杆。

[0017] 作为本发明所述的一种实验室三维动态岩石破碎试验系统及方法的一种优选方案，其中：伺服控制围压加载装置由伺服电机滚珠丝杠增压器、围压进回油装置及管路、阀
门等组成，用于压力室围压的加载、卸载和保载，由独立控制器控制。

[0018] 作为本发明所述的一种实验室三维动态岩石破碎试验系统及方法的一种优选方案，其中：吊臂铰接于主机框架上部左侧位置，电机设于吊臂下方，缆绳设于电机上，吊钩设
于缆绳一端。

[0019] 作为本发明所述的一种实验室三维动态岩石破碎试验系统及方法的一种优选方案，其中：包括如下步骤：

[0020] 步骤1，将压力室移动至升降导轨内，并安装好挡块，将压力室上部分与底座的固定螺栓卸下，用吊臂装置将压力室上部分提起，将准备好的直径50mm高100mm的岩石试件放
于胶套内，将胶套下端安装在压力室底座预留孔上方，将压力室上部分从悬臂装置上放下，
固定压力室上部与压力室底座的螺栓，使实验腔密封；

[0021] 步骤2，将一字型錾头安装到25KN作动器上，作为动荷载加载刀具，动荷载模拟类型为冲击，机械掘进等，安装完后将压力室放到传感器下，一字型錾头之上的位置；

[0022] 步骤3，确定动静荷载加载类型及参数，通过计算机发送指令到测量控制系统，测量控制系统控制电液伺服围压加载系统通过围压孔将液压油泵入实验腔内，液压油给胶套
施加压力，胶套收缩给岩石试件施加压力，实现了模拟高应力条件，当围压加载到设定值
后，测量控制系统控制电液伺服轴向加载系统进行加载，轴向(3000KN)静压作动器通过压
头，从上往下推动压力室上方的推杆对岩石试件进行静压加载，当静压加载到设定值后停
止加载，轴向(25KN)伺服作动器控制下方一字型錾头，通过预留孔从下方对岩石试件进行
动载加载，从岩石试件下方进行动加载有利于岩石碎屑的掉落，减小破岩过程中岩石碎屑
对破岩时力和位移的影响，使得到的结果更准确，并且在进行轴向(3000KN)静压加载的同
时，通过轴向(25KN)伺服作动器控制上方一字型錾头，通过预留孔对岩石试件进行动态破
岩实验，达到实验设定的围压条件后可一次性完成两个实验，能有效的提高岩心的利用率；

[0023] 步骤4，当岩石试件完全破碎或者达到采集要求时，停止破岩，破岩期间测量控制系统通过位移传感器和力传感器采集实验中压力、位移信号，经处理后输给计算机；

[0024] 步骤5，计算机控制与数据处理系统接受测量控制系统采集的压力、位移、变形数值，依照用户指令显示或输出各种图表和曲线。

[0025] 作为本发明所述的一种实验室三维动态岩石破碎试验系统及方法的一种优选方案，其中：步骤2中，具体操作步骤如下：

[0026] 步骤2.1，压力室小车移动到升降导轨，安装好挡块；

[0027] 步骤2.2，将下面的25KN作动器动作至最高位，安装好一字型錾头；

[0028] 步骤2.3，将下面的25KN作动器动作至最低位，将上面的压头拆掉，然后四个小型气缸一起动作，将气缸上面部分，含升降导轨和压力室一起提升，提升高度使压力室在压力
传感器之下，一字型錾头之上的位置；

[0029] 步骤2.4，将压力室小车推至机架中心，一字型錾头和压力室底部孔一致时，慢慢将气缸放下至最低位，然后用螺栓将压力室固定在机架底座上，最后将压头安装上去即可。

[0030] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0031] 1、该实验系统实验方法操作简便，可用于模拟冲击、机械掘进等多种动载荷在高应力条件下，天然岩石、人工混凝土、散粒状压密固结试件破碎的力学性能试验研究。

[0032] 2、该实验系统可实现常规力学实验与动态围压条件下的破岩实验，轴向(3000KN)静压作动器和轴向(25KN)伺服作动器加载互不影响。

[0033] 3、本实验破岩方向为下方，破岩产生的岩屑将会自动掉落，减小对模拟破岩试验中对受力和位移等的影响。

[0034] 4、获得实时的动态的破裂定位与损伤参数。

附图说明

[0035] 为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对
于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得
其它的附图。其中：

[0036] 图1为本发明结构示意图；

[0037] 图2为本发明主机结构示意图；

[0038] 图3为本发明油源结构示意图；

[0039] 图4为本发明步骤流程图。

具体实施方式

[0040] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0041] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的
情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

[0042] 其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不
应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

[0043] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

[0044] 实施例一，

[0045] 一种实验室三维动态岩石破碎试验系统及方法，其步骤是：

[0046] 步骤1，将压力室移动至升降导轨内，并安装好挡块，将压力室上部分与底座的固定螺栓卸下，用吊臂装置将压力室上部分提起，将准备好的直径50mm高100mm的岩石试件放
于胶套内，将胶套下端安装在压力室底座预留孔上方，将压力室上部分从悬臂装置上放下，
固定压力室上部与压力室底座的螺栓，使实验腔密封；

[0047] 步骤2，将一字型錾头安装到25KN作动器上，作为动荷载加载刀具，动荷载模拟类型为冲击，机械掘进等，安装完后将压力室放到传感器下，一字型錾头之上的位置；

[0048] 步骤3，确定动静荷载加载类型及参数，通过计算机发送指令到测量控制系统，测量控制系统控制电液伺服围压加载系统通过围压孔将液压油泵入实验腔内，液压油给胶套
施加压力，胶套收缩给岩石试件施加压力，实现了模拟高应力条件，当围压加载到设定值
后，测量控制系统控制电液伺服轴向加载系统进行加载，轴向(3000KN)静压作动器通过压
头，从上往下推动压力室上方的推杆对岩石试件进行静压加载，当静压加载到设定值后停
止加载，轴向(25KN)伺服作动器控制下方一字型錾头，通过预留孔从下方对岩石试件进行
动载加载，从岩石试件下方进行动加载有利于岩石碎屑的掉落，减小破岩过程中岩石碎屑
对破岩时力和位移的影响，使得到的结果更准确，并且在进行轴向(3000KN)静压加载的同
时，通过轴向(25KN)伺服作动器控制上方一字型錾头，通过预留孔对岩石试件进行动态破
岩实验，达到实验设定的围压条件后可一次性完成两个实验，能有效的提高岩心的利用率
量控制系统，测量控制系统控制电液伺服轴向和围压加载系统加卸载；

[0049] 步骤4，当岩石试件完全破碎或者达到采集要求时，停止破岩，破岩期间测量控制系统通过位移传感器和力传感器采集实验中压力、位移信号，经处理后输给计算机；

[0050] 步骤5，计算机控制与数据处理系统接受测量控制系统采集的压力、位移、变形数值，依照用户指令显示或输出各种图表和曲线；

[0051] 在上述步骤2中，具体操作步骤如下：

[0052] 步骤2.1，压力室小车移动到升降导轨，安装好挡块；

[0053] 步骤2.2，将下面的25KN作动器动作至最高位，安装好一字型錾头；

[0054] 步骤2.3，将下面的25KN作动器动作至最低位，将上面的压头拆掉，然后四个小型气缸一起动作，将气缸上面部分，含升降导轨和压力室一起提升，提升高度使压力室在压力
传感器之下，一字型錾头之上的位置；

[0055] 步骤2.4，将压力室小车推至机架中心，一字型錾头和压力室底部孔一致时，慢慢将气缸放下至最低位，然后用螺栓将压力室固定在机架底座上，最后将压头安装上去即可。

[0056] 实施例二，

[0057] 一种实验室三维动态岩石破碎试验系统，它由主机、功能性装置、电液伺服轴向加载系统、测量控制系统、计算机控制与数据处理系统等组成；其特征在于所述主机由主机框
架、吊臂装置、升降导轨和小型气缸组成，主机框架采用整体铸造的一体门框式结构，吊臂
装置铰接于主机框架上部左侧位置，可以水平旋转，升降导轨位于主机框架底座上方两侧，
升降导轨下的主机底座上安装四个小型气缸，前方安装导轨，升降导轨和导轨之间放置挡
块；功能性装置含自平衡三轴压力室、伺服控制围压加载装置，自平衡三轴压力室底座位于
主机框架上方，自平衡三轴压力室底座两边各有两个滑轮，滑轮位于升降导轨上，伺服控制
围压加载装置固定于主机框架左侧，通过围压孔与自平衡三轴压力室连接；电液伺服轴向
加载系统由静音式伺服油源、轴向(3000KN)静压作动器、轴向(25KN)伺服作动器、围压回油
装置、电气控制柜组成，轴向(3000KN)静压作动器位于主机框架上部的下方，通过管线与静
音式伺服油源，轴向(25KN)伺服作动器位于主机框架底座下方，通过管线与静音式伺服油
源连接，围压回油装置与自平衡三轴压力室通过管线连接；测量控制系统由全数字控制器
mult02，压力、位移传感器组成，力传感器位于轴向(3000KN)静压作动器压头中部，力传感
器位于轴向(25KN)伺服作动器上方一字型錾头下方，位移传感器位于轴向(3000KN)静压作
动器上方，位移传感器位于轴向(25KN)伺服作动器下方。

[0058] 所述的自平衡三轴压力室底座位于主机框架底座上方，预留孔位于压力室底座中心，压力室底座内有围压孔，与自平衡三轴压力室上部分的内部想通，自平衡三轴压力室上
部分位于自平衡三轴压力室底座上方，自平衡三轴压力室上部分内部设有胶套，胶套内设
有试件，试件上部设有推杆。

[0059] 所述伺服控制围压加载装置由伺服电机滚珠丝杠增压器、围压进回油装置及管路、阀门等组成，用于压力室围压的加载、卸载和保载，由独立控制器控制。

[0060] 所述吊臂铰接于主机框架上部左侧位置，电机设于吊臂下方，缆绳设于电机上，吊钩设于缆绳一端。

[0061] 所述的25KN作动器(静压轴承，双向)为岩石破碎动载加载作动器，其特征在于动态力和力传感器≥±20kN；磁致式位移传感器，位移≥100mm，用于模拟冲击、机械掘进等。

[0062] 所述的3000KN作动器为岩石静三轴试验作动器，其特征在于试验力和力传感器≥3000kN；磁致式位移传感器，位移50mm。

[0063] 虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存
在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使
用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源
的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围
内的所有技术方案。