液态CO2相变致裂效果相似模拟实验装置及实验方法与流程

本发明属于矿山开采、隧道施工等地下空间爆破设备技术领域，具体涉及一种液态co2相变致裂效果相似模拟实验装置及实验方法。

背景技术：

液态co2相变致裂技术是一种理念先进、方法安全、效果显著的爆破技术，属于物理爆破，具有爆破过程无火花外露、爆破威力大、无需验炮、操作简便、不属于民爆产品，其运输、储存和使用获免审批等优点，被广泛应用于采煤、清堵、建筑物拆除。因此，液态二氧化碳相变致裂技术有望取代炸药预裂爆破、水力扩孔、水力压裂来强化提高煤岩层透气性，快速消除突出危险性或冲击地压。

近年来，随着国内外针对液态co2相变致裂及其它冲击破岩工艺的研究逐渐深入，对于不同条件下冲击破岩威力的定量研究日益迫切。目前对于冲击破岩威力的研究主要集中在实验室或使用数值模拟软件进行理论计算；前者研究的条件有限且实验成本较高，后者则受到计算精度及数学模型的限制，计算结果与实际情况往往存在一定偏差。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种成本低、易于维护的液态co2相变致裂效果相似模拟实验装置，通过观测相似模型的应变数据及裂纹扩展，能准确研究液态co2相变致裂装置致裂效果，适用于多岩层相变致裂的综合研究。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种液态co2相变致裂效果相似模拟实验装置，包括相似模型模具、基座、脚轮、相似材料应变检测块、应变仪、钻孔窥视仪，所述相似模型模具为顶部敞口的铁质圆桶，铁质圆桶的侧壁上预留有观察孔和应变片排线孔，相似模型模具固定安装在基座上，所述脚轮带有刹车并安装在基座底部，所述相似材料应变检测块是采用岩层相似材料制成的立方块，所述相似材料应变检测块的顶面靠转角位置处设置有三个应变片，其中两个应变片分别与立方块的两棱边平行，第三个应变片分别与前两个应变片呈45°夹角，三个应变片整体呈“个”字形分布；在所述相似模型模具的底部和顶部分别设置有混凝土浇筑层，所述相似材料应变检测块分层铺设在两混凝土浇筑层之间，在每层设置有至少三个环绕铁质圆桶的轴线呈圆周均布的相似材料应变检测块，且每个相似材料应变检测块的三个应变片均布置在远离铁质圆桶的轴线的转角上，同层的相似材料应变检测块之间、上下层的相似材料应变检测块之间均填充有岩层相似材料，顶部的混凝土浇筑层和岩层相似材料居中位置处还预留有爆破筒预留孔供液态co2相变致裂爆破筒由上向下插入，所述液态co2相变致裂爆破筒与相似模型模具外的致裂器相连，应变片的排线穿过应变片排线孔与应变仪相连，所述钻孔窥视仪能穿过观察孔进行裂隙发育情况观测，每层相似材料应变检测块对应设置有应变片排线孔和观察孔。

作为上述方案的优选，所述相似材料应变检测块的边长为5cm，观察孔、应变片排线孔的直径为5cm，所述爆破筒预留孔的直径为11cm，深0.5m。

进一步优选为，所述脚轮共四个，在基座的底部呈矩形分布。

同时，本发明还提供了一种液态co2相变致裂效果相似模拟实验方法，利用上述的液态co2相变致裂效果相似模拟实验装置，包括以下步骤：

步骤一、制备岩层相似材料；

按照几何相似比、应力相似比、质量相似比计算出各岩层相似材料所需质量；将河沙、水泥及石膏按一定比例混合均匀，加入适量水进一步搅拌均匀制成各种不同的岩层相似材料；

步骤二、制备相似材料应变检测块；

将各岩层相似材料分别倒入相似模型模具中，制成同一尺寸规格但不同岩层的立方块若干，待岩层相似材料风干硬化后即为相似材料应变检测块，在相似材料应变检测块的表面粘贴三向45°应变片，用来测量该相似材料应变检测块粘贴表面所受到的三个方向上的应变，并使用电烙铁将应变片引线与排线在接线端子上进行焊接；利用万用表检测焊接通路电阻，所有通路电阻在合理范围内，相似材料应变检测块制作成功；

步骤三、准备混凝土；

步骤四、材料装箱及仪器安装连接；

首先将混凝土浇筑在相似模型模具底部，再分层铺设相似材料应变检测块，每层铺设至少三个环绕铁质圆桶的轴线呈圆周均布的相似材料应变检测块，每个相似材料应变检测块的三个应变片均布置在远离铁质圆桶的轴线的转角上，在同层的相似材料应变检测块之间、上下层的相似材料应变检测块之间填充岩层相似材料，每铺设一层相似材料应变检测块，将该层应变片的排线通过该层对应的应变片排线孔引出，与应变仪相连；再浇筑顶层的混凝土，并在顶部的混凝土浇筑层和岩层相似材料居中位置处预留爆破筒预留孔；最后将液态co2相变致裂爆破筒由上向下插入爆破筒预留孔内，将液态co2相变致裂爆破筒与相似模型模具外的致裂器相连；

步骤五、相变致裂效果模拟实验；

启动应变仪、致裂器，通过液态co2相变致裂爆破筒对相似模型模具进行致裂增透，同时检测相似材料应变检测块的应变片数据；致裂完成后，关闭应变仪、致裂器，将钻孔窥视仪插入观察孔观测致裂后相似模型裂隙发育情况。

本发明的有益效果：

(1)采用顶部敞口的铁质圆桶作为相似模型模具，并配备带刹车的脚轮，整体结构小巧紧凑、便于移动，制造及使用成本低、易于维护；

(2)在相似模型模具的底部和顶部分别设置混凝土浇筑层以增强相似模型模具的强度，并在两混凝土浇筑层之间分层铺设采用岩层相似材料制成的立方块作为相似材料应变检测块，再粘贴呈“个”字形分布的三个应变片，分别用于测量不同岩层相变致裂过程中的三向应变；每个相似材料应变检测块的三个应变片均布置在远离铁质圆桶的轴线的转角上，通过求每层中的多个相似材应变检测块各个方向应变的平均值，使测量结构更加准确；

(3)传统岩土相似模型试验的应变测量主要采用膜片式压力传感器，该传感器通常只能测量与膜片方向垂直的应力数据，且传感器放入相似模型中后会对模型强度产生影响；本专利使用岩层相似材料制成的相似材料应变检测块，并放入岩层相似材料中，不会影响模型强度，测试结果更加准确，更具参考及研究价值；

(4)铁质圆桶的侧壁上预留有观察孔和应变片排线孔，以进行裂隙发育情况观测和应变片排线，使co2相变致裂效果更加直观；

(5)多层铺设相似材料应变检测块，每层的相似材料不同，在一套装置中可进行多种岩层的研究，适用于多岩层相变致裂的综合研究，高效节能。

附图说明

图1为本发明的模拟实验装置的结构示意图。

图2为图1的a-a剖视图。

图3为相似材料应变检测块的立体图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

结合图1—图3所示，一种液态co2相变致裂效果相似模拟实验装置，主要由相似模型模具1、基座2、脚轮3、相似材料应变检测块4、应变仪(图中未示出)、钻孔窥视仪(图中未示出)、液态co2相变致裂爆破筒(图中未示出)、致裂器(图中未示出)组成。

相似模型模具1为顶部敞口的铁质圆桶，铁质圆桶的侧壁上预留有观察孔1a和应变片排线孔1b，相似模型模具1固定安装在基座2上，可以采用螺栓5固定，也可以采用焊接固定。

脚轮3带有刹车并安装在基座底部。脚轮3最好共四个，在基座2的底部呈矩形分布。方便移动，且当移动到合适的位置时，采用刹车固定，防止实验过程中发生挪移，非常小巧方便。

相似材料应变检测块4是采用岩层相似材料制成的立方块。相似材料应变检测块的顶面靠转角位置处设置有三个应变片6，其中两个应变片分别与立方块的两棱边平行，第三个应变片分别与前两个应变片呈45°夹角，三个应变片整体呈“个”字形分布。

在相似模型模具的底部和顶部分别设置有混凝土浇筑层7，相似材料应变检测块4分层铺设在两混凝土浇筑层7之间。在每层设置有至少三个环绕铁质圆桶的轴线呈圆周均布的相似材料应变检测块4，且每个相似材料应变检测块4的三个应变片6均布置在远离铁质圆桶的轴线的转角上。同层的相似材料应变检测块4之间、上下层的相似材料应变检测块4之间均填充有岩层相似材料8。每层的相似材料应变检测块4数量不限于三个，以3—5个为宜。

顶部的混凝土浇筑层7和岩层相似材料居中位置处还预留有爆破筒预留孔9供液态co2相变致裂爆破筒由上向下插入。液态co2相变致裂爆破筒与相似模型模具外的致裂器相连。

应变片6的排线穿过应变片排线孔1b与应变仪相连，钻孔窥视仪能穿过观察孔1a进行裂隙发育情况观测，每层相似材料应变检测块4对应设置有应变片排线孔和观察孔。

最好是，相似材料应变检测块4的边长为5cm，观察孔1a、应变片排线孔1b的直径为5cm；爆破筒预留孔9的直径为11cm，深0.5m。

一种液态co2相变致裂效果相似模拟实验方法，利用上述的液态co2相变致裂效果相似模拟实验装置，包括以下步骤：

步骤一、制备岩层相似材料；

按照几何相似比、应力相似比、质量相似比计算出各岩层相似材料所需质量；将河沙、水泥及石膏按一定比例混合均匀，加入适量水进一步搅拌均匀制成各种不同的岩层相似材料。

步骤二、制备相似材料应变检测块；

将各岩层相似材料分别倒入相似模型模具1中，制成同一尺寸规格但不同岩层的立方块若干，待岩层相似材料风干硬化后即为相似材料应变检测块4，在相似材料应变检测块4的表面粘贴三向45°应变片6，用来测量该相似材料应变检测块4粘贴表面所受到的三个方向上的应变，并使用电烙铁将应变片引线与排线在接线端子上进行焊接；利用万用表检测焊接通路电阻，所有通路电阻在合理范围内，相似材料应变检测块4制作成功。

步骤三、准备混凝土；

步骤四、材料装箱及仪器安装连接；

首先将混凝土浇筑在相似模型模具底部，再分层铺设相似材料应变检测块4，每层铺设至少三个环绕铁质圆桶的轴线呈圆周均布的相似材料应变检测块。每个相似材料应变检测块4的三个应变片6均布置在远离铁质圆桶的轴线的转角上，在同层的相似材料应变检测块之间、上下层的相似材料应变检测块之间填充岩层相似材料。每铺设一层相似材料应变检测块4，将该层应变片6的排线通过该层对应的应变片排线孔1b引出，与应变仪相连。再浇筑顶层的混凝土，并在顶部的混凝土浇筑层和岩层相似材料居中位置处预留爆破筒预留孔9；最后将液态co2相变致裂爆破筒由上向下插入爆破筒预留孔内，将液态co2相变致裂爆破筒与相似模型模具外的致裂器相连。

步骤五、相变致裂效果模拟实验；

启动应变仪、致裂器，通过液态co2相变致裂爆破筒对相似模型模具进行致裂增透，同时检测相似材料应变检测块的应变片数据；致裂完成后，关闭应变仪、致裂器，将钻孔窥视仪插入观察孔1a观测致裂后相似模型裂隙发育情况。