模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验装置及方法

本发明属于岩土工程，尤其涉及一种模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验装置及方法，模拟深部热辅助破岩过程中复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂行为。

背景技术：

1、为实现对干热岩等地热资源的开发利用，需要在硬岩中钻进地热生产井开采干热岩能源。传统旋转式钻探在高温硬岩中的效率低下、成本高昂，新型热辅助破岩钻进技术通过高温热效应对硬岩进行预先劣化后实现钻头在硬岩中的快速钻进，施加的辅助破岩温度载荷具有非均匀非线性等特征，在岩体中造成复杂的变形与破坏规律。此外，由于破岩钻进方式通常需要以液体作为媒介来携带岩屑，随着深度的增加，硬岩温度不断升高，液体的冷却效应也成为不可忽视的重要影响因素。为对这种复杂热力耦合行为进行有效预测和控制，需在实验室进行复杂热载荷条件下的热破裂机制研究。然而，目前多采用传统马弗炉或者改造的加热加载设备对小尺寸标准试样进行高温岩石力学试验，局限性很大，无法进行高温射流等复杂热载荷的施加，且由于岩石试样的热破裂尺寸效应明显，只对小尺寸试件进行热破裂试验远远不够，导致研究结果对实际工程的参考性低。

2、因此，亟需开发一种模拟深部热辅助破岩过程中复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂实验装置和方法，为热辅助破岩钻进技术的发展提供基础性实验手段。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提供一种模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验装置及方法，旨在模拟深地硬岩在复杂热载荷作用下的非线性变形与破裂规律，同时解决现有高温岩石装置无法实现大尺寸试件复杂温度场施加的问题。

2、一种模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验装置，包括工作台，工作台上设置有均匀温度场施加机构，岩石试样布置在均匀温度场施加机构中部的工作台上；岩石试样的上方和内部设置有传感器，传感器与信号采集系统电连接；均匀温度场施加机构的外侧设置有应力加载机构，均匀温度场施加机构顶部设置有复杂热载荷施加机构，起重机构的起吊点位于复杂热载荷施加机构的正上方；

3、均匀温度场施加机构、应力加载机构、复杂热载荷施加机构与控制柜电连接。

4、所述均匀温度场施加机构构成的空间外部设置有排水机构。

5、所述均匀温度场施加机构、应力加载机构设置在工作台的导轨上，均匀温度场施加机构、应力加载机构能够沿导轨移动。

6、所述均匀温度场施加机构包括四个加热装置，分别为位于岩石试样的前、左、后、右四个方位，设置在工作台的导轨上；所述加热装置包括贴合布置的刚性导热板和氧化铝隔热板及底部的活动车轮，刚性导热板一侧靠近岩石试样；加热金属管嵌套在刚性导热板内；四个加热金属管通过控制柜中的温度控制系统实现单独调控。

7、每相邻的两个刚性导热板之间留有的空隙里设置有隔热密封组件。

8、所述应力加载机构包括位于均匀温度场施加机构外侧的加载箱，设置在工作台的导轨上；所述加载箱包括加载箱外壳，加载箱外壳内前后相对设置有刚性压盘和作动器固定面板，多个作动器呈矩阵式分布在刚性压盘和固定面板间，加载箱外壳底部设置有带有固定销的车轮，加载箱由控制柜进行控制。

9、加载箱外壳为单侧开口的五面壳体装置，开口侧设置在刚性压盘与均匀温度场施加机构中氧化铝隔热板相接触的一侧。

10、所述复杂热载荷施加机构包括保温盖，保温盖内侧贴有保温棉，保温盖放置在岩石试样正上方，与加载箱外壳连接固定；复杂热载荷施加装置固定在保温盖上开设的孔位处，且二者连接处、位于保温盖的上表面设置有隔热盖；保温盖的边缘开设有传输线通孔；复杂热载荷施加装置依据不同加载载荷选取不同的材质，复杂热载荷施加装置上方设置控制阀。

11、复杂热载荷通过复杂热载荷施加装置进入均匀温度场施加机构内，可施加的载荷包括但不限于加热火焰、冷却水、激光、液氮以及各种载荷之间的相互组合。

12、一种模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验方法，采用上述的一种模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验装置，具体包括以下步骤：

13、步骤一：制备大尺寸岩石试样，岩石试样通过起重机构放置在工作台上；

14、步骤二：将传感器安装在岩石试样需要监测的位置；

15、步骤三：安装均匀温度场施加机构，将加热装置放置在工作台的导轨上，加热装置的刚性导热板一侧与岩石试样的侧面接触；

16、步骤四：安装隔热密封组件，在相邻两刚性导热板之间留有的空隙里安装隔热密封组件，隔热密封组件贴在空隙处；如实验设计中包含冷却水装置，安装排水机构，将排水机构的过滤网和漏斗对接好后放置在隔热密封组件上方，并在氧化铝隔热板上进行固定；漏斗下方接排水管和抽水泵；

17、步骤五：安装应力加载机构，将加载箱放置在工作台的导轨上，加载箱的刚性压盘一侧朝向加热装置，沿工作台导轨将加载箱推至与加热装置相接触，加载装置通过带固定销的车轮进行固定；

18、步骤六：安装复杂热载荷施加机构，将复杂热载荷机构的保温盖放置在岩石试样上表面，通过保温盖和加载箱上的固定装置进行固定；安装实验需要的加载载荷装置，将剩余孔位用保温棉填充；将传感器上的信号传输线穿过保温盖边缘的传输线通孔连接到信号收集控制系统；

19、步骤七：通过控制柜启动均匀温度场施加机构，选择预设的温度加载曲线加热岩石试样至指定温度并保持温度恒定，完成实时温度场的施加；

20、步骤八：通过控制柜启动应力加载机构，完成应力场的施加；

21、步骤九：启动复杂热载荷施加机构，通过控制柜调节岩石上表面的复杂温度载荷，按照预设的实验方案使岩石试样产生热损伤；

22、步骤十：如复杂热载荷含有冷却水，则需要在冷却水载荷释放之前将抽水泵设置抽水速率以满足排水要求；

23、如进行火焰加热时，通过控制柜中的可燃液体压力控制系统调节加载火焰强度，使得与实验设计的火焰加载方案相符；

24、步骤十一：采集实验数据并记录实验结果。

25、本发明的有益效果是：本发明能够实现复杂热载荷条件下的大尺寸花岗岩试样热破裂试验，并为试验过程中测定岩石试样的热破裂活动以及温度分布提供条件，并且本发明装置结构合理、操作简单、易于实施，可普遍用于复杂热载荷作用下的大尺寸岩石试件热破裂试验。通过使用本发明的实验装置和方法，可以更准确地模拟深部岩石在复杂热载荷作用下的破裂行为，为深部工程热辅助破岩钻进技术提供重要的理论依据和实践指导。

技术特征：

1.一种模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验装置，其特征在于：包括工作台，工作台上设置有均匀温度场施加机构，岩石试样布置在均匀温度场施加机构中部的工作台上；岩石试样的上方和内部设置有传感器，传感器与信号采集系统电连接；均匀温度场施加机构的外侧设置有应力加载机构，均匀温度场施加机构顶部设置有复杂热载荷施加机构，起重机构的起吊点位于复杂热载荷施加机构的正上方；

2.根据权利要求1所述的一种模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验装置，其特征在于：所述均匀温度场施加机构构成的空间外部设置有排水机构。

3.根据权利要求1所述的一种模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验装置，其特征在于：所述均匀温度场施加机构、应力加载机构设置在工作台的导轨上，均匀温度场施加机构、应力加载机构能够沿导轨移动。

4.根据权利要求1所述的一种模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验装置，其特征在于：所述均匀温度场施加机构包括四个加热装置，分别为位于岩石试样的前、左、后、右四个方位，设置在工作台的导轨上；所述加热装置包括贴合布置的刚性导热板和氧化铝隔热板及底部的活动车轮，刚性导热板一侧靠近岩石试样；加热金属管嵌套在刚性导热板内；四个加热金属管通过控制柜中的温度控制系统实现单独调控。

5.根据权利要求4所述的一种模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验装置，其特征在于：每相邻的两个刚性导热板之间留有的空隙里设置有隔热密封组件。

6.根据权利要求1所述的一种模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验装置，其特征在于：所述应力加载机构包括位于均匀温度场施加机构外侧的加载箱，设置在工作台的导轨上；所述加载箱包括加载箱外壳，加载箱外壳内前后相对设置有刚性压盘和作动器固定面板，多个作动器呈矩阵式分布在刚性压盘和固定面板间，加载箱外壳底部设置有带有固定销的车轮，加载箱由控制柜进行控制。

7.根据权利要求6所述的一种模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验装置，其特征在于：加载箱外壳为单侧开口的五面壳体装置，开口侧设置在刚性压盘与均匀温度场施加机构中氧化铝隔热板相接触的一侧。

8.根据权利要求6所述的一种模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验装置，其特征在于：所述复杂热载荷施加机构包括保温盖，保温盖内侧贴有保温棉，保温盖放置在岩石试样正上方，与加载箱外壳连接固定；复杂热载荷施加装置固定在保温盖上开设的孔位处，且二者连接处、位于保温盖的上表面设置有隔热盖；保温盖的边缘开设有传输线通孔；复杂热载荷施加装置依据不同加载载荷选取不同的材质，复杂热载荷施加装置上方设置控制阀。

9.根据权利要求8所述的一种模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验装置，其特征在于：复杂热载荷通过复杂热载荷施加装置进入均匀温度场施加机构内，可施加的载荷包括但不限于加热火焰、冷却水、激光、液氮以及各种载荷之间的相互组合。

10.一种模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验方法，采用权利要求1-9任一项所述的一种模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验装置，其特征在于，具体包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种模拟复杂热载荷诱发大尺寸岩石破裂的实验装置及方法，属于岩土工程技术领域，包括设置在工作台上的均匀温度场施加机构，岩石试样布置在均匀温度场施加机构中部的工作台上；岩石试样的上方和内部设置有传感器，传感器与信号采集系统电连接；均匀温度场施加机构的外侧设置有应力加载机构，均匀温度场施加机构顶部设置有复杂热载荷施加机构，起重机构的起吊点位于复杂热载荷施加机构的正上方。通过使用本发明的实验装置和方法，可以更准确地模拟深部岩石在复杂热载荷作用下的破裂行为，为深部工程热辅助破岩钻进技术提供重要的理论依据和实践指导。

技术研发人员：王飞,刘甜甜,孟德昊,潘宇,何本国,庞瑞,邹岩琳
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/16